Retrieving tropospheric NO<sub>2</sub> vertical column densities around the city of Beijing and estimating NO<sub><i>x</i></sub> emissions based on car MAX-DOAS measurements
Xinghong ChengJianzhong MaJunli JinJunrang GuoYuelin LiuJida PengXiaodan MaMinglong QianQiang XiaYan Peng
9
Citation
54
Reference
10
Related Paper
Citation Trend
Abstract:
Abstract. We carried out 19 city-circle-around car multi-axis differential optical absorption spectroscopy (MAX-DOAS) experiments on the 6th Ring Road of Beijing in January, September, and October 2014. The tropospheric vertical column densities (VCDs) of NO2 were retrieved from measured spectra by the MAX-DOAS technique and used to estimate the emissions of NOx (≡NO+NO2) from urban Beijing during the experimental periods. The offline LAPS-WRF-CMAQ model system was used to simulate the wind fields by assimilation of observational data and calculate the NO2-to-NOx concentration ratios, both of which are also needed for the estimation of NOx emissions. The NOx emissions in urban Beijing for the different months derived from the car MAX-DOAS measurements in this study were compared to the multi-resolution emission inventory in China for 2012 (MEIC 2012). Our car MAX-DOAS measurements showed higher NO2 VCD in January than in the other two months. The wind field had obvious impacts on the spatial distribution of NO2 VCD, with the mean NO2 VCD along the 6th Ring Road typically being higher under the southerly wind than under the northerly wind. In addition to the seasonal difference, the journey-to-journey variations of estimated NOx emission rates (ENOx) were large even within the same month, mainly due to uncertainties in the calculations of wind speed, the ratio of NO2 and NOx concentration, and the decay rate of NOx from the emission sources to the measured positions under different meteorological conditions. The ranges of ENOx during the heating and non-heating periods were 22.6×1025 to 31.3×1025 and 9.6×1025 to 12.0×1025 molec. s−1, respectively. The average ENOx values in the heating and non-heating periods were 26.9±6.1×1025 molec. s−1 and 11.0±1.2×1025 molec. s−1, respectively. The uncertainty range of ENOx was 20 %–52 %. The monthly emission rates from MEIC 2012 are found to be lower than the estimated ENOx, particularly in January. Our results provide important information and datasets for the validation of satellite products and also show how car MAX-DOAS measurements can be used effectively for dynamic monitoring and updating of the NOx emissions from megacities such as Beijing.Keywords:
Ring road
Emission inventory
Cite
Citations (7)
In this thesis, the vertical distribution of atmospheric trace gases and aerosols were retrieved using Multi-Axis Differential Optical Absorption Spectroscopy (MAX-DOAS). Various inversion methods were used to retrieve the profiles from the MAX-DOAS measurements. A new MAX-DOAS instrument optimized for the measurement of aerosol and trace gas profiles was developed. The retrieval methods were tested and advanced in the scope of the EUSAAR (European Supersites for Atmospheric Aerosol Research) project. Several intercomparison campaigns were carried out in Cabauw (the Netherlands), Ispra (Italy) and Leipzig/Melpitz (Germany). Aerosol extinction and NO2 profiles were retrieved from the MAX-DOAS measurements and compared to independent in situ and remote sensing measurements. Good agreements were achieved for both the aerosol and NO2 profiles. Furthermore, the diluted plume of the Eyjafjallajokull volcano, Iceland, was detected by MAX-DOAS SO2 measurements over Heidelberg in April and May 2010. These measurements showed an unambiguous detection of SO2, and are in agreement with satellite observations and model predictions. The here presented advances in instrumental hardware and retrieval algorithms demonstrate that MAX-DOAS is a powerful tool for monitoring the vertical distribution of atmospheric constituents. Verified by independent measurements, its integration in worldwide measurement networks is recommended.
Trace gas
Cite
Citations (24)
This study describes the verification of modeled low-level atmospheric conditions in the complex terrain surrounding the Altamont Pass wind farm near Livermore, California, USA. The Weather Research and Forecasting model (WRF) was used to (1) simulate the Coast Range near-surface winds, and (2) simulate low-level flow and available wind power in the Altamont Pass. Standard statistical verifications were performed against low-level wind speed observations at seventeen sites. Available wind power was calculated using equivalent wind speed and was evaluated for six areas within Altamont Pass. The overall results include good model performance for the regional near-surface winds, acceptable to good model performance for the Altamont Pass low-level winds, and good model performance for Altamont Pass capacity factor simulations. More specifically, while modeled hour-to-hour variance was not exact, WRF-modeled wind speeds were close to those observed. Combined with agreement between both modeled and observed wind direction and atmospheric stability, WRF modeled capacity factors were within the range of observed capacity factors in 93 % of the instances. Therefore, WRF modeled winds and derived wind power can be used as a wind power forecasting tool for Altamont Pass and possibly other coastal complex terrain regions.
Maximum sustained wind
Log wind profile
Prevailing winds
Cite
Citations (9)
研究了多轴差分吸收光谱技术(MAX-DOAS)的对流层NO2垂直廓线及垂直柱浓度反演方法. 该方法采用了先反演气溶胶廓线, 然后在此基础上反演痕量气体垂直分布的两步反演方法. 其中痕量气体廓线反演时采用了非线性最优估算法, 使反演更少地依赖于先验信息, 更有利于自动获取痕量气体廓线. 首先研究了应用非线性最优估算法的痕量气体垂直廓线反演算法中权重函数、 先验廓线及其协方差矩阵的计算方法, 设计了适合于痕量气体垂直分布变化剧烈地区的迭代方案. 通过计算机仿真, 研究了算法重建盒子型和抬高型NO2廓线的效果, 研究表明两种典型分布下算法都可以较好地重建2 km以下的NO2分布, 在近地面的反演精度达到0.6%. 然后在低气溶胶、高气溶胶和抬高型气溶胶三种典型条件下, 研究了算法重建同一NO2廓线的效果, 研究表明不同气溶胶条件下反演算法都可以得到相似的结果. 分析了错误的气溶胶状态对于NO2廓线反演的影响以及反演算法的误差来源. 在合肥地区开展连续观测实验, 并将观测的NO2垂直柱浓度与卫星对比, 相关性系数达到了0.85. 将MAX-DOAS反演的近地面NO2 浓度与长程DOAS 结果对比, 相关性系数达到0.76. 此外简化的MAX-DOAS痕量气体垂直柱浓度反演方法中常采用固定典型的气溶胶状态, 将两步法结果与简化方法结果进行对比, 两者的最大相对偏差为112%. 因此准确获取气溶胶状态, 尤其是气溶胶光学厚度, 对准确反演对流层NO2垂直柱浓度十分必要.
Cite
Citations (33)
Cite
Citations (4)
Κύριο αντικείμενο αυτής της διατριβής είναι ο υπολογισμός της κατακόρυφης στήλης ατμοσφαιρικών αερίων με εστίαση στο διοξείδιο του αζώτου (ΝΟ2) χρησιμοποιώντας την τεχνική της φασματοσκοπίας διαφορικής οπτικής απορρόφησης (DOAS) και συγκρίσεις με δορυφορικά δεδομένα. Η διατριβή αποτελείται από δύο κύρια μέρη. Το πρώτο μέρος περιλαμβάνει την τεχνική περιγραφή και τον χαρακτηρισμό των τριών συστημάτων Multi-Axis DOAS που αναπτύχθηκαν στο Εργαστήριο Φυσικής της Ατμόσφαιρας (ΕΦΑ) στη Θεσσαλονίκη, καθώς και μια αξιολόγηση της λειτουργίας και της ποιότητας των μετρήσεων του συστήματος στο πλαίσιο της εκστρατείας CINDI-2 που πραγματοποιήθηκε στο Cabauw της Ολλανδίας τον Σεπτέμβριο του 2016. Στο δεύτερο μέρος, παρουσιάζονται μετρήσεις της τροποσφαιρικής και στρατοσφαιρικής στήλης NO2, καθώς και συγκρίσεις τους δορυφορικές παρατηρήσεις. Πιο συγκεκριμένα, εξετάζεται η επίδραση της χωρικής μεταβλητότητας του ΝΟ2 κοντά στην επιφάνεια στις συγκρίσεις επίγειων και δορυφορικών μετρήσεων. Στο πλαίσιο αυτό, τα τρία όργανα MAX-DOAS του ΕΦΑ εγκαταστάθηκαν σε διαφορετικές τοποθεσίες στην ευρύτερη περιοχή της Θεσσαλονίκης που χαρακτηρίζονται από διαφορετικά επίπεδα ρύπανσης και υπολογίστηκαν συντελεστές διόρθωσης με τη βοήθεια ενός μοντέλου ποιότητας αέρα, οι οποίοι εφαρμόστηκαν σε δορυφορικά δεδομένα προκειμένου να προσαρμοστούν στη χωρική ανάλυση των επίγειων μετρήσεων. Επιπλέον, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των μετρήσεων της τροποσφαιρικής στήλης του ΝΟ2 στη ρυπασμένη περιοχή της Guangzhou της Κίνας και συγκρίνονται με αντίστοιχες δορυφορικές μετρήσεις. Διερευνήθηκε επίσης η επίδραση των κριτηρίων αντιστοίχισης των επίγειων και των δορυφορικών τροσφαιρικών στηλών του NO2. Τέλος, υπολογίστηκαν οι συγκεντρώσεις του στρατοσφαιρικού NO2 για πρώτη φορά στη Θεσσαλονίκη από την ανάλυση DOAS των φασματικών μετρήσεων ακτινοβολίας που πραγματοποιήθηκαν στο ζενίθ κατά το λυκόφως για μια περίοδο 7 ετών (Απρίλιος 2011 - Απρίλιος 2018).
Trace gas
Atmospheric Composition
Cite
Citations (0)
模型输出的为与天气研究驾驶一个一个维的层状的寒冷(1DSC ) 云模型并且预报的一个新方法(WRF ) 被为在长春发生在 45 2004 年 7 月上的一个典型大规模层状的降雨事件进行数字实验开发，中国。敏感测试结果建议了那，与从象起始的输入的 WRF 产量提取的 hydrometeor 侧面，并且与从 WRF 模型导出的 soundings 和垂直速度(包括的 downdraft )的连续更新，为系统( WRF-1DSC )建模的新 驾驶WRF 的 1DSC 能成功地复制 降水事件的产生和驱散进程。模仿的降雨紧张在观察那后面显示出时间落后，它能被 soundings，垂直速度和 hydrometeor 侧面的模拟错误在 WRF 产量引起了。考虑降水系统的模仿并且观察的运动路径，一个附近的格子点被发现以他们的类似拥有更精确的环境领域到在长春车站观察的那些。用从这个附近的格子点的侧面， WRF-1DSC 能复制一个现实主义的降水模式。这研究证明播种云的模型确实做的 1D 有潜力当适当地由从预报系统的地区性的 shortrange 导出的精确大气的侧面开车时，预言现实主义的降水模式。这打开一条新奇、重要的途径到在一个概率的框架概念下面开发基于整体的雨改进预言和操作系统。
Cite
Citations (1)
Differential optical absorption spectroscopy (DOAS) is a well-established and widely used technique for monitoring atmospheric pollution. The month performance of a DOAS system was assessed at a certain place in Tianjin University, China, where is farther away from the industrial pollution a source. Three methods were used to inverse the hourly concentrations of nitrogen dioxide (NO2), sulfur dioxide (SO2), ozone (O3). Principal component analysis (PCA) was performed to analyze the retrieving concentrations. Results were obtained for estimated temporal NO, NO2, SO2, O3 distributions over the urban atmosphere; demonstrating the capability of the principal component analysis applied in differential optical absorption spectroscopy (PCA-DOAS) technique.
Nitrogen dioxide
Cite
Citations (0)
Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στην αξιολόγηση της ικανότητας ενός σύγχρονου αριθμητικού μετεωρολογικού μοντέλου μέσης κλίμακας / περιοχικού κλιματικού μοντέλου, του Weather Research and Forecasting (WRF), στην προσομοίωση βραχυχρόνιων και μακροχρόνιων θερμικών και υδρολογικών συνθηκών σε περιφερειακή κλίμακα και στην προσπάθεια βελτιστοποίησης της αποδοτικότητάς του για τέτοιου είδους μελέτες στον Ευρωπαϊκό χώρο. Η έρευνα που διεξήχθη επικεντρώθηκε στον προσδιορισμό βέλτιστης χωρικής ανάλυσης κελιού πλέγματος κατά την πραγματοποίηση προσομοιώσεων στις οποίες εφαρμόζονται τεχνικές δυναμικής μείωσης της κλίμακας πέραν της οποίας δεν επιτυγχάνεται καλύτερη σύγκλιση με παρατηρούμενα δεδομένα, μειώνοντας έτσι το υπολογιστικό κόστος, στην κατάστρωση μεθοδολογίας για την αξιολόγηση της προσομοιωτικής ικανότητας/απόδοσης του μοντέλου υπό διάφορους συνδυασμούς παραμετροποιήσεων και χωρικών αναλύσεων, στον προσδιορισμό του βέλτιστου συνδυασμού φυσικών παραμετροποιήσεων για την προσομοίωση ακραίων γεγονότων βροχόπτωσης και στον προσδιορισμός ευρωπαϊκών περιοχών που κατά την πραγματοποίηση κλιματικών προσομοιώσεων παρουσιάζουν απόκλιση από τις παρατηρούμενες μεταβολές και ταυτοποίηση/ανάλυση των υποκείμενων αιτιών για τη συμπεριφορά αυτή. Στο πλαίσιο αυτό, πραγματοποιήθηκαν πολυάριθμα πειράματα ευαισθησίας κατά τη διάρκεια τριών διακριτών αριθμητικών μελετών. H πρώτη αριθμητική μελέτη έδειξε ότι η προσομοίωση σε διακριτική ανάλυση μικρότερης των 10 km, όταν χρησιμοποιούνται τεχνικές δυναμικής μείωσης της κλίμακας δε βελτιώνει την απόδοση του μοντέλου ως προς τη θερμική και υδρολογική συμπεριφορά του ανεξαρτήτως της πολυπλοκότητας του ανάγλυφου, αντίθετα αυξάνει πολύ το υπολογιστικό κόστος. Η δεύτερη αριθμητική μελέτη έδειξε ότι για την καλύτερη πρόβλεψη ακραίων γεγονότων βροχόπτωσης, είναι απαραίτητη η χρήση τεχνικής πολυκριτηριακής ανάλυσης για τον προσδιορισμό της προσομοιωτικής ικανότητας των συνδυασμού φυσικών παραμετροποιήσεων που εμπεριέχονται στο WRF και την κατάταξή τους. Παρουσίασε μεθοδολογία για τη διαδικασία αυτή και ανέδειξε τον βέλτιστο συνδυασμό παραμετροποιήσεων. Τέλος, εξέτασε την ευαισθησία των αποτελεσμάτων στη χωρική ανάλυση του χρησιμοποιούμενου πλέγματος και ανέδειξε το γεγονός ότι η βελτίωση της χωρικής ανάλυσης όταν η αρχική προσομοίωση εκτελείται σε διακριτική ικανότητα κελιού κάτω των 10 km δεν έχει επίδραση στην ακρίβεια πρόβλεψης όσον αφορά το χρόνο ή την ένταση του ακραίου γεγονότος. Η τρίτη μελέτη ανέδειξε την ικανότητα του WRF για προσομοίωση κλιματικών θερμικών και υδρολογικών μεταβολών όταν οι αρχικές και οριακές συνθήκες προέρχονται από κλιματικό μοντέλο (NASA GISS ModelE2) και γίνεται χρήση της τεχνικής δυναμικής μείωσης της κλίμακας. Ανέδειξε τον χειμώνα ως την εποχή κατά την οποία παρουσιάζονται οι μεγαλύτερες αποκλίσεις από τις παρατηρούμενες τιμές και την περιοχή της νοτιοδυτικής Ευρώπης ως την πλέον κρίσιμη από πλευράς αποκλίσεων, ενώ την άνοιξη ως την περίοδο που παρουσιάζονται οι χαμηλότερες περιοχικές αποκλίσεις λόγω του συνδυασμού χαμηλής χιονοκάλυψης (σε σύγκριση με το χειμώνα) και ηπιότερων επιδράσεων ακτινοβολίας (σε αντίθεση με το καλοκαίρι).
Cite
Citations (0)