多才多艺的和有针对性的验证太空XCOgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba,交换gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba通过移动地面阳光直射光谱仪和XCO观察gydF4y2Ba

1介绍gydF4y2Ba

各种当前和即将到来的卫星传感器瞄准测量大气中二氧化碳的碳化合物总量(有限公司gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba),甲烷(CHgydF4y2Ba_4gydF4y2Ba)和一氧化碳(CO)。大部分的太空工具,如格系列(温室气体观测卫星)(gydF4y2BaKuze et al ., 2009gydF4y2Ba;gydF4y2Ba苏乔et al ., 2021gydF4y2Ba),OCO系列(轨道碳观测卫星)(gydF4y2Ba老人et al ., 2017gydF4y2Ba),S5P (Sentinel-5前体)(gydF4y2Ba胡锦涛等人。,2018年gydF4y2Ba)和S5系列(Sentinel-5) TanSat计划(gydF4y2Ba杨et al ., 2021gydF4y2Ba)和其他依赖的太阳光被地球反射光谱测量短波红外(短波红外成像)光谱范围把column-average敏感干燥的空气气体的摩尔分数(通常用XCOgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba,交换gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba和XCO)。尤其值得一提的是,即将到来的欧洲哥白尼碳监测任务(CO2M) (gydF4y2Ba了et al ., 2019gydF4y2Ba;gydF4y2BaSierk et al ., 2019gydF4y2Ba)和各种任务,关注局部目标和特定的发射领域(gydF4y2BaStrandgren et al ., 2020gydF4y2Ba;gydF4y2Ba杰维斯et al ., 2021gydF4y2Ba)将依靠相同的测量原理。gydF4y2Ba

测量大气碳化合物最丰富,这些任务的总体目标是为更好地理解当代地球的碳循环。所需的精密度和准确度而言,有两个主要类别:类别1旨在限制碳循环的自然变化regional-to-continental空间和monthly-to-yearly时间尺度(如。(gydF4y2BaGuerlet et al ., 2013gydF4y2Ba;gydF4y2Ba刘et al ., 2017gydF4y2Ba;gydF4y2BaCrowell et al ., 2019gydF4y2Ba;gydF4y2Ba帕默et al ., 2019gydF4y2Ba;gydF4y2Ba西方et al ., 2021gydF4y2Ba)]。通常,这些可变性是由全球大型生态系统通过光合和呼吸活动的变化,湿地动态,火灾事件和其他碳循环机制。第二类目标预算人为排放regional-to-local monthly-to-instantaneous尺度,瞬时的规模与个人的使用(如卫星立交桥。(gydF4y2BaHakkarainen et al ., 2016gydF4y2Ba;gydF4y2BaNassar et al ., 2017gydF4y2Ba;gydF4y2BaBorsdorff et al ., 2018gydF4y2Ba;gydF4y2BaPandey et al ., 2019gydF4y2Ba;gydF4y2Ba瓦伦而言et al ., 2019gydF4y2Ba)]。由于更大的空间和时间的角度来看,第一类要求卫星测量不显示任何伪梯度或趋势的目标更大的尺度。相比之下,第二类目标local-to-regional过剩的化合物浓度高于相邻的背景和直接瞬时排放速度估计。因此,第二类要求消除残余local-to-regional规模如梯度,在卫星的大片,它需要一次运算精度高,因为个人使用调查。gydF4y2Ba

为了满足这些——XCO准确度和精密度要求gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba和交换gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba的几个permille, XCO的几个百分点,卫星测量需要仔细验证地面仪器能够测量XCOgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba,交换gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba,用类似XCO column-average敏感性卫星光谱仪。目前,TCCON(总碳列观察网络)(gydF4y2BaWunch et al ., 2011gydF4y2Ba)和COCCON(协作碳列观察网络)(gydF4y2Ba弗雷et al ., 2019gydF4y2Ba)形式的支柱常规验证采用卫星碳化合物的浓度。这些网络由几个几十个地面傅里叶变换光谱仪(FTS)站,配备了太阳能跟踪器使阳光直射吸收光谱。网络的覆盖率主要服务类别1应用程序,因为大多数这些FTS的形式分布于整个世界的大洲。有差距的验证能力的直接验证local-to-regional规模梯度和相应的排放估计(类别2)和测量在海洋(类别1)的一部分。前差距,解决城市网络和情景协调部署的新兴(如便携式COCCON光谱仪。(gydF4y2Ba哈泽et al ., 2015gydF4y2Ba;gydF4y2Ba路德et al ., 2019gydF4y2Ba;gydF4y2Ba迪特里希et al ., 2021gydF4y2Ba)),但远未覆盖城市和热点地区的代表数量。验证在海洋目前主要限于站在沿海岛屿或网站这意味着卫星巧合并不直接和地形高度的差异经常需要仔细地占。验证在海洋应该保证因为通常glint-view即下的卫星观察海洋场景。,deliberately pointing towards the specular reflection at the ocean surface in order to gain sufficient signal while, over land, nadir-viewing is preferred. Basu et al. (Basu et al ., 2013gydF4y2Ba)报道了陆地偏见与不利影响通量反演上的十分之几个XCO ppmgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba。这种陆地偏差可能是由于大气粒子的散射影响lightpath截然不同的海洋和陆地之上(gydF4y2Ba一部et al ., 2013gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

在这里,我们审查和改进计划的便携式FTS COCCON类型,进一步发展为移动部署,可以对现有XCO宝贵的资产gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba,交换gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba和XCO验证能力,特别是直接贡献验证local-to-regional尺度梯度和海洋测量。把现成的FTS的关键创新适合部署在移动平台上是一个太阳能跟踪系统,1)可以找到太阳的位置独立的知识工具的位置和方向,一旦捕获太阳,2)足够敏捷跟踪太阳下(可能快)平台运动。常规和自主操作的另一个要求是防风雨的住房。我们已经开发出这样一个系统,并演示了其性能对船只和连续操作小卡车上走走停停的操作(gydF4y2BaKlappenbach et al ., 2015gydF4y2Ba;gydF4y2Ba一部et al ., 2017gydF4y2Ba;gydF4y2Ba路德et al ., 2019gydF4y2Ba;gydF4y2Ba克纳普et al ., 2021gydF4y2Ba)。第二节回顾之前的活动部署,第三节总结了关键的仪器参数和报告处理配方。在第4部分中,我们重点讨论一艘部署在2021年3月在北太平洋西部的研究船(RV) Mirai我们没有报道之前,作为说明评估工具的功能。最后,第五节与潜在的上下文中的用例验证未来卫星CO2M等任务。gydF4y2Ba

2现场部署gydF4y2Ba

在过去的几年中,我们的移动FTS已经部署在五大领域活动中列出gydF4y2Ba表1gydF4y2Ba。三个部署在船上展示类别1应用程序的性能即。为验证大规模海洋成分梯度。两个部署在当地附近的公路车辆排放热点评估类别2应用程序的实用性关注当地范围内浓度梯度和发射率的本地化的来源。gydF4y2Ba

自2014年春天第一次部署在房车极地斯特恩号,设置有充分成熟的太阳能跟踪器的性能及其远程控制能力和抵御恶劣的天气。Klappenbach et al。(gydF4y2BaKlappenbach et al ., 2015gydF4y2Ba)和克纳普et al。(gydF4y2Ba克纳普et al ., 2021gydF4y2Ba)报告船在大西洋和太平洋部署旨在测量经向和纬向横截面的背景XCOgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba,交换gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba,最新的升级工具(gydF4y2Ba哈泽et al ., 2016gydF4y2Ba),XCO在大海洋。“轨道碳观测者2号”,旁边验证卫星记录的损失和S5P浓度记录也被用于验证和改进模型中使用的哥白尼大气监测服务(摄像头)(gydF4y2BaAgusti-Panareda et al ., 2017gydF4y2Ba;gydF4y2Ba克纳普et al ., 2021gydF4y2Ba)。最新的船部署发生在西太平洋和日本沿岸从2月13日到3月24日,2021年当太阳移动EM27 /操作上日本房车Mirai(由海德堡大学的合作框架和国家环境研究所(NIES)日本)。gydF4y2Ba图1gydF4y2Ba显示了房车的轨迹Mirai和表示地点的天气条件足够公平进行阳光直射测量。克鲁斯的第一部分,从清水港东北朝着Kamtschatka半岛遭受风大浪急的海面平均浪高10米的具有挑战性的设备和操作人员。天气条件更好的第二部分东南亚和日本南部。因此,这里的讨论集中于下半年重点最后3天,我们收集测量沿日本南部海岸观察流出清水岛在进入港口。gydF4y2Ba

在陆地上,一部et al。(gydF4y2Ba一部et al ., 2017gydF4y2Ba)和路德et al。(gydF4y2Ba路德et al ., 2019gydF4y2Ba)测量排放滚滚有限公司gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba发出的埃特纳火山,CHgydF4y2Ba_4gydF4y2Ba从煤矿通风上西里西亚煤盆地(USCB),波兰,分别。为此,移动EM27 /太阳被安装在一辆货车在走走停停的经营模式在排放滚滚当地的来源。列的仪器收集的横截面内增强羽毛的背景。路德et al。(gydF4y2Ba路德et al ., 2019gydF4y2Ba)显示,凡设置和典型的羽流对交换的改进gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba观察到顺风煤矿通风井。一起估计当地的风力条件和质量平衡方法,我们成功地估计瞬时CHgydF4y2Ba_4gydF4y2Ba发射率从个人通风设施。gydF4y2Ba

3仪器设置和数据处理gydF4y2Ba

3.1移动EM27 /太阳和它的太阳能跟踪器gydF4y2Ba

关键设备是EM27 /太阳从力量光学FTS可供购买。它涵盖了光谱范围5500 - 11000厘米gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}和4000 - 5500厘米gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}光谱分辨率为0.5厘米gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}通过gydF4y2Ba两个InGaAs探测器(gydF4y2BaGisi et al ., 2012gydF4y2Ba)。定制的太阳能跟踪器收集阳光,然后将其输入FTS通过alt-azimuth镜子组装。防风雨的房屋托管FTS和太阳能跟踪器以及各种辅助设备,如电脑、通风设施、辅助数据和传感器。克纳普et al。gydF4y2Ba克纳普et al ., 2021gydF4y2Ba)详细描述了一般设置。在这里,我们专注于太阳能跟踪器是单位启用移动应用,已经有了实质性的改善在过去的几年中从最初的发展(gydF4y2BaGisi et al ., 2011gydF4y2Ba;gydF4y2BaKlappenbach et al ., 2015gydF4y2Ba;gydF4y2Ba一部et al ., 2017gydF4y2Ba)。EM27 /太阳FTS本身可以经营名义上COCCON协议(如推荐的gydF4y2Ba弗雷et al ., 2019gydF4y2Ba干涉图)除外,我们建议收集个人(而不是自动co-adding 10倍)和取样在20千赫(而不是10 kHz)。暴露在不稳定的太阳能跟踪需要筛选处理链,因为太阳能跟踪不如在静止条件下,稳定下移动自动co-adding和缓慢的抽样意味着不必要失去数据。进一步,我们建议监测仪器谱线形状(ILS) FTS定期。为此,周围的HgydF4y2Ba_2gydF4y2BaO吸收测量使用卤素灯通过大道测量定位在几米的距离仪器(gydF4y2Ba弗雷et al ., 2015gydF4y2Ba)。总的来说,我们认为这里的配置报告是最适合实施常规的仪器,无人值守等运营商部署的货船。gydF4y2Ba

太阳能跟踪器的硬件设置由coarse-tracking相机,fine-tracking相机和2镜子聚集在alt-azimuth配置。gydF4y2Ba图2gydF4y2Ba显示了外面的一部分太阳能跟踪器以其保护住房。2-mirror大会非常类似于一个被Gisi et al。(gydF4y2BaGisi et al ., 2011gydF4y2Ba)和交付EM27 /太阳在购买。它使用两个椭圆铝镜(2英寸的孔在45°)安装在两个垂直的方位和仰角方向旋转阶段。跟踪软件驱动镜装配对太阳的中心来养活一个平行束阳光到罚球。gydF4y2Ba

驱动程序软件的输入来自fine-tracking相机,由25毫米物镜(2.33°x 1.95°的视野)安装在数码相机(id、1.2像素)宣读的频率60帧每秒(125)。fine-tracking相机采集图像的视场光阑的太阳的短波检测器,一个图像在标称条件下发生。驱动程序软件符合椭圆图像和一个反馈回路驱动旋转阶段,椭圆的中心正值视场光阑的中心。在一个移动平台,反馈回路需要足够快以补偿平台运动,因此,有必要使用一个快速fine-tracking相机。gydF4y2Ba

coarse-tracking相机模块由一个F-theta鱼眼镜头的镜头(Fujinon 185°字段的视图)和一个短波红外longpass过滤器(Midopt, LP1000)安装在另一个数码相机(id、5像素)读出五帧每秒的频率。coarse-tracking相机的目的是使指向独立于attitude-knowledge通过识别的天空中太阳的位置和驾驶镜子组装向太阳。一旦太阳fine-tracking相机的视场,coarse-tracking关掉,fine-tracking接管。如果fine-tracking失败如由于云层,粗跟踪进程重启。为粗跟踪,有必要使用鱼眼镜头的镜头接近极射赤面投影,从而避免大量压缩图像比例尺外侧向低海拔的角度,从角坐标映射到相机像素位置是适定的即使在低太阳条件。它有利于山粗跟踪模块在方位旋转舞台上镜子组装一起为了避免校准开销由伪倾斜和镜子组装和coarse-tracking模块间的不一致。gydF4y2Ba

控制单元之间的通信(Trinamic 5072)和摄像机工作通过上通过RS232接口和旋转电机相连。控制单元运行定制的驱动程序软件处理粗和fine-tracking过程,反馈回路和电动机控制。反馈回路采用PID (Proportional-Integral-Derivative)控制工作的离职选点瞬时速度的速度。我们测试了与电机位置控制回路和加速度作为控制变量,但速度控制显示最稳定的性能。总的来说,反馈循环机制需要大约30 ms为单个周期足以经营太阳能跟踪器在良性的平台如船只或气球。然而,它不允许对公路车辆连续操作。对于后者,我们的设置允许快速走走停停的模式,但太阳能跟踪器无法应对冲击无处不在开车时的路面。一个万向节安装可能需要启用开车时测量。gydF4y2Ba

图3gydF4y2Ba显示了离职的角镜定位点的位置测量的最新部署期间收集的房车Mirai在北太平洋西部。太阳能跟踪的目标精度0.05°(gydF4y2BaGisi et al ., 2011gydF4y2Ba),约十分之一的角直径的太阳能磁盘。太阳能跟踪器实现所需的跟踪精度超过96%的测量当fine-tracking模式操作。这是一个重大的改进对我们之前的部署和主要是由于改进的跟踪软件。gydF4y2Ba

3.2检索和数据质量程序gydF4y2Ba

推断的干空气column-average摩尔分数XCOgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba,交换gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba并从移动EM27 /太阳XCO测量需要一系列的处理和校准步骤,我们总结食谱的方式。细节发表在Knapp et al。(gydF4y2Ba克纳普et al ., 2021gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

•收购移动EM27 DC-coupled干涉图/太阳需要Fourier-transformed吸收光谱。我们雇佣的预处理程序软件COCCON-PROCEEDS项目(gydF4y2Ba沙et al ., 2020gydF4y2Ba)和少量修改相关的输出直流参数的测量坐标和移交不同interferogram-by-interferogram作为典型的移动应用程序。gydF4y2Ba

•记录与直流分量的干涉图是很重要的,因为它允许提取一个过滤器标准定义为DC-amplitude相对峰,即。之间的相对偏差的最大值和最小值的直流分量。这一标准的象征的亮度波动6年代曝光。这样的亮度波动通常是由不稳定的指向太阳反过来也可能引起的补偿平台的运动(即失败的太阳能跟踪系统)或通过阳光云漂移。如果相对DC-amplitude超过5%,我们排除从我们的记录的干涉图。gydF4y2Ba

然后提交•吸收光谱辐射传输和检索算法,能够确定列密度(有限公司gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba]、[CHgydF4y2Ba_4gydF4y2Ba],[公司],[OgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba)和其他干扰吸收剂如(HgydF4y2Ba_2gydF4y2BaO)。对于我们的目的,我们一直使用RemoTeC算法(gydF4y2Ba一部et al ., 2011gydF4y2Ba)在地面变体和详细的配置设置和窗口选择Knapp et al。(gydF4y2Ba克纳普et al ., 2021gydF4y2Ba)。对于移动应用程序,该算法需要足够灵活来应对不断变化的观察者的位置。检索(OgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba有双重目的。首先,它用于计算column-average干燥的空气摩尔分数gydF4y2Ba ${\mathrm{XgydF4y2Ba}}_{\text{气体gydF4y2Ba}}=gydF4y2Ba\frac{(gydF4y2Ba\mathrm{ggydF4y2Ba}\mathrm{一个gydF4y2Ba}\mathrm{年代gydF4y2Ba}]gydF4y2Ba}{(gydF4y2Ba\mathrm{dgydF4y2Ba}\mathrm{rgydF4y2Ba}\mathrm{ygydF4y2Ba}\mathrm{一个gydF4y2Ba}\mathrm{我gydF4y2Ba}\mathrm{rgydF4y2Ba}]gydF4y2Ba}$ (气体)在哪里(公司gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba]、[CHgydF4y2Ba_4gydF4y2Ba]或[公司]gydF4y2Ba $(gydF4y2Ba\mathrm{dgydF4y2Ba}\mathrm{rgydF4y2Ba}\mathrm{ygydF4y2Ba}\mathrm{一个gydF4y2Ba}\mathrm{我gydF4y2Ba}\mathrm{rgydF4y2Ba}]gydF4y2Ba=gydF4y2Ba\frac{(gydF4y2Ba{\mathrm{OgydF4y2Ba}}_{\mathrm{2gydF4y2Ba}}]gydF4y2Ba}{\mathrm{0.209gydF4y2Ba}\mathrm{4gydF4y2Ba}}$ 所推荐的Wunch et al。(gydF4y2BaWunch et al ., 2010gydF4y2Ba)。其次,它提供了一个有用的过滤质量。gydF4y2Ba

•OgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba质量过滤器依赖比较表面压力测量的gydF4y2Ba现场gydF4y2Ba压力传感器(位于外的我们的光谱仪住房)的光谱等效计算从[OgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba]假设恒定的摩尔分数为0.209 4和(HgydF4y2Ba_2gydF4y2BaO)考虑对总压强。后占之间的校正gydF4y2Ba现场gydF4y2Ba表面压力和它的光谱,这两个测量通常同意在分数的百分之一,作为一个快速检查的区别。光谱显示差异大于0.3%(校准后整体偏移量)的两个表面压力估计从数据记录中删除,可以被视为尽管不完美记录干涉图逃过了直流标准。gydF4y2Ba

•检索到XCOgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba,交换gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba,XCO通常显示一个假的依赖太阳的位置称为airmass-dependent偏见。它提出了校准通过太阳天顶角的三次函数(SZA) (gydF4y2BaWunch et al ., 2010gydF4y2Ba)。偏见的原因是1)假设垂直微量气体剖面形状不同于事实,2)剩余光谱的不确定性,3)不完善计算lightpath SZA的函数。在这里,我们使用校正变体实现Knapp et al。(gydF4y2Ba克纳普et al ., 2021gydF4y2Ba),读取XgydF4y2Ba_{气体,纠正gydF4y2Ba}= XgydF4y2Ba_{气体gydF4y2Ba}/ (gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba×SZAgydF4y2Ba^3gydF4y2Ba+gydF4y2BabgydF4y2Ba×SZA +gydF4y2BacgydF4y2Ba)。系数gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba,gydF4y2BabgydF4y2Ba,gydF4y2BacgydF4y2Ba最好由拟合他们XCOgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba,交换gydF4y2Ba_4gydF4y2BaXCO背景记录。在我们的船航行遇到这种情况经常在开放的海洋。gydF4y2Ba表2gydF4y2Ba列出最近的系数两个部署在房车Mirai和房车桑尼。gydF4y2Ba

•最后一步校准XCO的移动测量gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba,交换gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba,XCO TCCON和COCCON的测量。为此,我们规模的移动测量一个因素决定从并排部署TCCON仪器或COCCON仪器TCCON校准的可追溯性。我们之前和之后进行这些并排部署通常运输我们的仪器为研究区域。gydF4y2Ba表3gydF4y2Ba列出了相应的校准因子近年来有关房车Mirai部署。XCO的校正因子gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba相当稳定的随着时间的差异0.3%为固定稳定性报道基本一致的应用程序(gydF4y2Ba弗雷et al ., 2019gydF4y2Ba)。为交换gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba,最近在筑波测量显示了0.7%的改变校准之前,XCO,有一个上升趋势随着时间的2.4%的测量在筑波迈出的一步。目前,这些发现为交换的起源gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba和XCO是未知的,需要调查如并排通过专用校准活动和仔细检查仪器的校准。然而,检查常规ILS测量并没有透露任何指示假仪器的校准的趋势。gydF4y2Ba

4 XCOgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba,交换gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba沿着海岸,XCO在西太平洋和日本gydF4y2Ba

3.2节中概述的过程后,我们获得XCOgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba,交换gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba最近,XCO时间序列为我们沿着海岸部署在西太平洋和日本房车Mirai,我们使用校准来源于TCCON并排部署在10月31日,卡尔斯鲁厄2020 (cf。gydF4y2Ba表3gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba图4gydF4y2Ba比较我们移动EM27 /太阳XCO记录gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba,交换gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba,并从凸轮XCO近实时分析产品(gydF4y2Ba设计学院et al ., 2014gydF4y2Ba;gydF4y2Bainnes et al ., 2015gydF4y2Ba;gydF4y2Ba设计学院et al ., 2016gydF4y2Ba),并从S5P XCO检索/ TROPOMI测量。“轨道碳观测者2号”和格的数据过于稀疏,允许有意义的比较。检索的交换gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba海洋从TROPOMI目前不可用。凸轮,我们内插模型领域的位置和采样时间舰载测量,对于TROPOMI,我们收集了巧合在半径为0.2°和一段4 h在我们测量实例。因为我们使用摄像头的数据作为一个先天的地面检索,没有残余平滑效果进行比较。比较我们的数据与TROPOMI XCO,我们忽视了平滑效果,因为我们认为它们是小的。地面和卫星XCO检索上执行相同相似的光谱波段光谱分辨率暗示类似列敏感性。此外,卫星和地面检索使用up-to-data之前公司简介(从TROPOMI TM5)代表的实际动态气氛。gydF4y2Ba

上半年我们的数据记录很稀疏的活动由于恶劣的天气条件但相当密集的后一半。我们发现campaign-average XCO每小时的标准偏差是0.33 ppmgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba为交换,十亿分之1.5gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba,十亿分之1.0 XCO我们采取的测量精度和可重复性的报道每小时的意思。这些估计精度与先前的部署(cf一致。gydF4y2Ba表1gydF4y2Ba和引用)。当太阳移动EM27 /采样主要背景气团,直到3月18日,2021年,有明显增强的几个XCO ppmgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba(ΔXCOgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba)和一些10磅XCO(ΔXCO)最后一天的巡航(2021年3月19日至3月22日),在最后一天,这艘船的轨迹是沿着日本主岛的南部海岸(cf。gydF4y2Ba图1gydF4y2Ba)和低对流层风来自西北方向(HySplit在线建模的工具(gydF4y2Ba斯坦et al ., 2015gydF4y2Ba),而不是如图所示)。为交换gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba在竞选中,变化的20磅的但没有明显的增强模式最后一天。gydF4y2Ba

船记录摄像头比较,我们发现不同的凸轮XCOgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba,交换gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba,XCO占平均4.1±0.5 ppm(差异)平均差±标准差,−十亿分之32.1±9.7,和0.5±5.8磅。摄像头的数据跟踪观察到的变化,即。,他们显示XCO的增强gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba和XCO 3月19日至3月22日,2021年,他们通常遵循日常观察到的变化。但是,凸轮XCOgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba是整体high-biased凸轮交换吗gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba是整体低偏差而凸轮XCO平均十分契合。对于我们之前的评估(gydF4y2Ba克纳普et al ., 2021gydF4y2Ba)和测量在亚热带太平洋2019年,我们并没有发现这些偏见XCOgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba和交换gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba。然而,比较的凸轮TCCON表明可能有一个与时间有关的错误在凸轮(gydF4y2Ba舒尔茨et al ., 2021gydF4y2Ba),这或许可以解释观察到的较大差异比(gydF4y2Ba克纳普et al ., 2021gydF4y2Ba)。这些与时间有关的差异可能指出的缺陷人为和自然排放通量(及其时间变化)驱动凸轮模型各自的浓度。比较移动EM27 /太阳数据TROPOMI XCO,我们发现平均差异为9.0±6.6磅TROPOMI显示整体散射比船记录和确认XCO增强3月19 - 22日,2021年。gydF4y2Ba

2021年3月19日至3月22日(绿色盒子gydF4y2Ba图4gydF4y2Ba)的巡航展示了XCO相关性增强gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba和XCO。计算的改进,我们定义周期3月11日至3月18日作为背景(红盒子gydF4y2Ba图4gydF4y2Ba)。平均记录背景期间收益率背景浓度达415.6±0.4 ppm (XCO均值±标准差超过期)gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba并为XCO十亿分之110.4±4.0。背景的选择时期造成的不确定性小于0.3 ppm和两磅,分别作为其他时期被重复计算。减去背景从测量ΔXCO增强期间收益率的增强gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba和ΔXCO。由于凸轮模拟主要遵循相同的模式,我们ΔXCO应用相同的计算公式gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba和ΔXCO对比增强率ΔXCO /ΔXCOgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba我们的测量(见gydF4y2Ba图5gydF4y2Ba)。增强比率变化30至10磅/ ppm当天很长和日常的可变性。摄像头也相当不错EM27 /太阳测量的指着一个合理的模型表示,交通排放签名向我们测量实例和的相对分区逆风有限公司gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba有助于增强和CO排放来源。gydF4y2Ba

总体而言,我们移动EM27 /太阳的部署房车Mirai证实的健身仪器提供可靠的XCOgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba,交换gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba在海洋和XCO验证测量。抽样背景气团,我们也能够收集与XCO几天的测量gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba和XCO增强指向local-to-regional梯度和源签名虽然证实归因特定区域使用逆向轨迹并不承担。gydF4y2Ba

5未来发展和用例gydF4y2Ba

移动EM27 /太阳的变体FTS COCCON内操作,补充了一个快速、灵活的太阳能跟踪器。如果投入运营的网络基础设施,这样多才多艺的和灵活的移动工具将增加重大价值为太空测量XCO验证系统gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba,交换gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba,XCO。gydF4y2Ba

船部署移动EM27 /太阳已经演示了通过三个运动在过去的几年中(cf。gydF4y2Ba表1gydF4y2Ba)。一个操作的实现舰载EM27 / SUN可能在近期实现。我们的系统经受严酷的天气条件,只需要较小的技术更新,让它半自动远程控制地运作。系统需要访问电力和网络,它必须被放置,这样它可以观察到阳光直射没有障碍物从平台结构。设想部署一艘货船上,从先前的活动我们的经验表明,系统需要一些基本的维护在两月一次的基础上持续时间1 - 2天的港口即收集数据、清洁光学表面,进行盲降测量,偶尔在阳光充足的条件下,测量XCOgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba,交换gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba,向TCCON XCO COCCON并排部署的传输标准(例如,另一个EM27 /太阳)。在船上的操作需要一些基本的,名义上低带宽网络接口来检查该系统是否可以正常工作,并允许如果需要改变配置文件。虽然我们不希望专家人员需要沿着,它需要训练一个人在船上如何清洁外表面和如何操作标准测量如以防停电后的异常行为或暴风雨天气。上下文中的CO2M和其他卫星,我们设想以下通用用例等舰载EM27 /太阳:gydF4y2Ba

1。几个这样的舰载光谱仪可以安排在移动网络覆盖主要的船运服务类别1验证目的,即。、验证continental-to-regional规模浓度梯度在世界各地的海洋目前几乎没有验证系统。跨赤道的子午截面可能特别有用的评估不仅卫星数据也长寿气体的半球内运输的全球模型(gydF4y2BaAgusti-Panareda et al ., 2017gydF4y2Ba)。针对验证的背景渐变,并排周期性校准活动来衡量记录TCCON和COCCON标准尤为重要保证数据是可追踪的共同世界气象组织(WMO)的规模。gydF4y2Ba

2。最近部署移动EM27 /太阳房车Mirai(第四节)表明,通过抽样下风口处列窗帘在日本南部海岸,系统也能够评估逆风的对地区级的核发射签名即来源。,第二类目标regional-to-local排放模式的应用程序。因此,移动EM27 /太阳的船沿着海岸线来回旅行抽样的流出发射区域有助于验证等排放估计卫星CO2M逆风的地区。gydF4y2Ba

的安装和操作EM27 /太阳公路车辆在陆地上直接低于舰载变体。我们之前的活动表明,该太阳能跟踪器支持快速走走停停的模式,但它不支持开车时测量。通常情况下,对于任何合理的掘进速度,冲击由于不均匀道路覆盖造成干扰的太阳能跟踪和镜子干涉仪在FTS的缺陷。开车时我们希望促进操作需要一个万向节山整个光谱仪系统(质量大约30公斤)这是一个技术开发步骤和投资。此外,测量从机动车很难进行自动或远程方式暗示需要人员驾驶车辆和操作仪器。我们看到了潜在的使用情况如下:gydF4y2Ba

3所示。移动EM27 /太阳的公路车辆可以添加一个多才多艺的和灵活的组件固定区域和本地网络COCCON光谱仪。在城市运营天文台网络(gydF4y2Ba迪特里希et al ., 2021gydF4y2Ba),例如,移动光谱仪测量将允许列窗帘之间的节点网络更好地限制未取样的气团之间固定仪器和保证的相对校正网络与固定节点频繁的测量。因此,这个用例将支持通过帮助验证XCO类别2应用程序gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba(和交换gydF4y2Ba_4gydF4y2BaXCO)城市群和尺度的梯度发生导致排放估计各自区域的验证。可以预见的未来发展谱仪系统对部署在轻轨列车如抽样城市穹顶沿着铁轨。我们预计,当前太阳能跟踪器将支持测量驾驶列车上马上补偿方面的冲击和振动,但查看从架空线路障碍物的影响,隧道和建筑物需要评估对任何特定的位置。同样,部署在小船沿着通道和河流可能能想到的一些城市。gydF4y2Ba

4所示。密集的验证框架的运动,道路车辆移动EM27 /太阳有助于验证排放估算的本地化,点状源应用程序(类别2)本质上后我们演示的配方研究USCB (gydF4y2Ba路德et al ., 2019gydF4y2Ba)。为此,人们会选择点源如煤炭火力发电厂、水泥厂和XCO工业排放gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba和诸如石油、天然气、煤炭生产设施进行交换gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba并多次样本的羽毛的横断面模式移动EM27 /太阳在走走停停的经营模式在羽流。对于这个问题,有必要测量全截面即。,年代tarting measurements outside the plume moving inside and ending outside on the other side in order to clearly constrain the background concentrations to be used for calculating the plume enhancements. Collecting such plume cross sections on the road requires tens of minutes or more than an hour depending on the local road network and the distance to the source. Thus, the mobile EM27/SUN can hardly validate the instantaneous plume enhancements recorded by the orbiting satellite in a matter of seconds on relatively coarse spatial resolution (roughly 2 × 2 km for CO2M). But, collecting an ensemble of cross-sectional plume enhancements and deriving the instantaneous emission rates can help validate the respective estimates from the satellite data. Such an application certainly requires ensembles of observations from both, the ground and the satellite, since 1) the emission plumes are turbulent i.e., it requires ensemble or time averaging for comparing measurements unless the measurements are exactly coincident, and 2) the emission rates might vary in time due to operating cycles of the facilities. Ideally, the ground-based measurements would be supported by wind profile measurements (e.g., of a mobile Doppler lidar) to drive mass balance (or related) methods for estimating the emission rates.

如上所示的用例1到4意味着一些进一步的技术开发和定制,依赖于特定平台和应用领域,但它们不需要修改的关键硬件、光谱仪和太阳能跟踪器和软件。开发移动系统的能力来衡量更多分子物种可以进一步提高多功能性的设置:gydF4y2Ba

•在部署期间在埃特纳火山,我们经营的紫外/可见DOAS(差分光学吸收光谱)仪器一起EM27 /太阳FTS (gydF4y2Ba一部et al ., 2017gydF4y2Ba)。这两个仪器共享太阳跟踪器和一个大运营基础设施的一部分。紫外/可见光谱范围提供了访问物种如二氧化硫(gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba)和二氧化氮(没有gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba)co-emitted有限公司gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba分别从火山和燃烧过程。由于小背景浓度gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba也没有gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba羽毛比公司更容易识别gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba,因此,他们可以作为示踪剂定义羽程度上,形状和方向,表明构成比的碳排放过程。在这种精神,CO2M将携带一个没有gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba光谱仪更好的轮廓燃烧羽毛和支持有限公司gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba排放估计各自的来源。因此,补充移动EM27 /太阳紫外/可见DOAS光谱仪将增加的能力验证gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba和没有gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba/公司gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba率相关的类别2用例2,3,4。通常,DOAS光谱仪可以提供实时信息的采样气团特别有用的用例4通知是否一个内部或外部措施羽。gydF4y2Ba

•移动EM27 /太阳的光谱范围涵盖了短波红外从大约4000到11000厘米gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}(1.1 - -2.5gydF4y2BaμgydF4y2Ba通过两个探测器频道m)。在埃特纳火山,我们证明了这个大光谱范围还允许测量盐酸和高频火山的羽毛。的,所以gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba衡量DOAS光谱仪、盐酸和高频co-emitted有限公司gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba和各自的浓度比率表明volcano-interior流程。因此,对于专用应用程序超出了卫星验证、标准化的趋势成分除了碳化合物的检索将是有用的。gydF4y2Ba

6结论gydF4y2Ba

太阳移动EM27 / sun-viewing光谱仪,可以测量XCOgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba,交换gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba,XCO船只和公路车辆,后者在走走停停的经营模式。在我们部署,我们发现一个典型的精密XCO十分之几个ppmgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba几磅的交换gydF4y2Ba_4gydF4y2Ba和XCO。定期的测量与TCCON COCCON光谱仪启用诊断飘,确保可追溯性对网络的校准。因此,移动EM27 CO2M / SUN提供了一个通用的验证工具和其他传感器。它可以部署在移动平台上,它可以快速迁移,因此,它可以用于目标验证活动的上下文中验证本地化排放估计来源。识别用例的船部署与验证背景浓度在开放的海洋和海岸沿线的增强集由于大陆流出。通过部署在公路车辆,移动EM27 /太阳可以验证点源排放估计,它可以提供一个移动组件区域验证网络通过采样网络节点之间的气团和提供一个内部校准工具。进一步发展将瞄准覆盖紫外/可见吸收气体等gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba通过co-mounting DOAS光谱仪和探索检索其他气体,如盐酸和高频发射过程的潜在有用的归因。从技术上讲,系统准备实施卫星验证活动的一部分。gydF4y2Ba

数据可用性声明gydF4y2Ba

太阳移动EM27 /数据从房车Mirai可从的巡航gydF4y2Bahttps://www.doi.org/10.1594/PANGAEA.937933gydF4y2Ba;以前活动的可用性数据记录在各自的出版物(cf 424表1)。摄像头公司_2和CH _4美元美元论文中使用的数据是官方的凸轮温室气体分析(gydF4y2Bahttps://www.doi.org/10.24380/654b-gm83gydF4y2Ba)。有限的数据_2和CH _4美元美元可以通过请求哥白尼服务台通过电子邮件copernicus-support@ecmwf.int或通过凸轮询问门户gydF4y2Bahttps://www.atmosphere.copernicus.eu/help-and-supportgydF4y2Ba。凸轮NRT的凸轮有限公司数据分析可供下载gydF4y2Bahttps://www.doi.org/10.24380/hhra-8c27gydF4y2Ba。可从TROPOMI有限公司数据gydF4y2Bahttps://www.s5phub.copernicus.eu/dhus/ /家庭gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

作者的贡献gydF4y2Ba

RK、VH和可开发的船载仪器对房车Mirai和远程支持的操作。MF是、IM和HT导致了观测机载RV Mirai;和MF进行了测量,HT领导部署和IM提供了技术指导。AA-P摄像头分析提供指导。跳频技术的发展支持。杰,跳频、HT和AB讨论了用例。AB领导整个活动和写论文。提供所有作者阅读和评论。gydF4y2Ba

的利益冲突gydF4y2Ba

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。gydF4y2Ba

出版商的注意gydF4y2Ba

本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或那些出版商编辑和评论员。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。gydF4y2Ba

确认gydF4y2Ba

我们感谢日本地球科学和技术部门的(JAMSTEC)允许我们对RV Mirai作测量。我们感激的船长和船员RV Mirai的支持。我们尤其感谢Fumikazu Taketani (JAMSTEC)首席科学家Mirai,协调和领导克鲁斯。COCCON预处理工具的发展已由ESA COCCON-PROCEEDS项目的框架。哥白尼大气监测服务是由欧洲中期天气预报范围中心代表欧盟委员会作为哥白尼的一部分程序。gydF4y2Ba

引用gydF4y2Ba