《Remote Sensing of Environment》：Global analysis of nitrogen dioxide and formaldehyde column densities from the Pandora global network: Variability and implications for satellite validation
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Pandora全球网络观测（2019-2023）揭示NO?和HCHO日变化及季节模式，评估TROPOMI卫星数据准确性，发现污染城市站点冬季NO?峰值夏季午后下降，乡村站点夏季达峰，HCHO夏季浓度升高，卫星与地面数据偏差源于空间配准差异及大气垂直结构不确定性，FNR比值显示不同环境臭氧生成机制差异。
Jong-Uk Park|Subin Lim|Thomas F. Hanisco|Nader Abuhassan|Bryan K. Place|Apoorva Pandey|Alexander Cede|Martin Tiefengraber|Manuel Gebetsberger|Jinsoo Park|Jinsoo Choi|James H. Crawford|Chang-Keun Song|Sang-Woo Kim
韩国首尔国立大学地球与环境科学学院
摘要
本研究利用了Pandonia全球网络（PGN）在2019年至2023年间提供的质量保证的全球Pandora观测数据，探讨了二氧化氮（NO2 ）和甲醛（HCHO）的日变化和季节变化——这两种物质是大气中臭氧（O3 的关键指示物——并评估了TROPOMI卫星的观测结果。在受污染的城市站点，二氧化氮的垂直柱浓度（VCD）在冬季达到峰值，并且全天逐渐增加，但在夏季由于光化学作用而减少。相反，在农村/背景站点，二氧化氮的浓度在夏季达到峰值，并且在整个白天呈现单调上升趋势，这主要是由平流层中的二氧化氮变化所驱动的。大多数站点的甲醛VCD在夏季也较高，表现为早晨浓度升高，随后在下午持续升高。卫星观测与Pandora观测之间的空间代表性不匹配导致受污染城市站点和山谷站点的TROPOMI二氧化氮VCD出现负偏差，而在高海拔站点则出现高估。TROPOMI甲醛VCD的显著随机不确定性导致不同环境下的相关性较低（r2 = 0.08–0.11）和较高的随机误差（0.27–0.33 DU）。在对比之前对共位数据点进行平均可以有效减少随机偏差，但增加空间共位范围会因空间平均效应而引入偏差。从Pandora观测中得到的对流层甲醛与二氧化氮比率（FNRtrop ）表明，受污染的城市站点（0.82 ± 0.08）和农村/背景站点（1.64 ± 0.07）分别处于受挥发性有机化合物（VOCs）限制和氮氧化物（NOx ）限制的O3 产生机制下；夏季FNRtrop 的增加使受污染的城市站点处于过渡区间，从而导致更高的O3 产生效率。TROPOMI得到的FNRtrop 与Pandora的结果在受污染的城市站点有较好的一致性（ΔFNRmedian = 0.18），而在二氧化氮较低的低层大气区域，随机误差会增加。
引言
低层大气中高浓度的臭氧（O3 ）对人类健康构成严重威胁（Turner等人，2016年；Lim等人，2019年；Holm和Balmes，2022年），全球已采取多种措施来减轻O3 污染。然而，即使在发达国家，O3 污染仍然是少数尚未解决的大气现象之一（Karlsson等人，2017年；Colombi等人，2023年；Tao等人，2022年）。产生对流层O3 的光化学反应链主要由两种成分驱动：氮氧化物（NOx = NO+NO2 ）和挥发性有机化合物（VOCs）。氮氧化物可以来自自然源，如土壤、野火和闪电（Williams等人，1992年；Stark等人，1996年；Jaeglé等人，2005年；Jaffe和Wigder，2012年），而化石燃料燃烧的人为排放被认为是导致氮氧化物浓度升高的主要原因（Jaeglé等人，2005年；Song等人，2021年）。另一方面，自然（生物）排放通常是VOCs的主要来源（Crippa等人，2020年），而在受污染的城市环境中，溶剂使用、交通和工业过程的人为排放也可能成为重要因素（Li等人，2021a）。氮氧化物和VOCs的相对丰度（即有机反应性）决定了O3 产生对其各自浓度变化的敏感性（Sillman，1999年；Sillman和He，2002年；Pusede等人，2015年；Souri等人，2020年）。因此，同时监测这些前体的丰度并准确确定O3 的产生机制（是受氮氧化物限制还是受VOCs限制）对于制定有效的O3 减排策略至关重要。
二氧化氮（NO2 ）和甲醛（HCHO）常被用作氮氧化物和VOCs的指示物，因为它们独特的光吸收光谱允许使用差分吸收光谱学（DOAS；Platt和Stutz，2008年）等遥感技术来测量其浓度。从全球臭氧监测实验（GOME；Burrows等人，1999年）到最新的对流层监测仪器（TROPOMI；Veefkind等人，2012年），以及地球静止轨道星座（如地球静止环境监测光谱仪（GEMS；Kim等人，2020年）和对流层排放：污染监测（TEMPO；Zoogman等人，2017年）等，多年来在紫外（UV）-可见光（VIS）波段的光谱卫星观测证明了它们在揭示二氧化氮和甲醛空间分布方面的有效性。然而，卫星观测的准确性直接受到空气质量因子（AMF）计算不确定性的影响，这些不确定性通常与化学传输模型（CTMs；Lange等人，2023年）模拟的垂直剖面的不准确性有关。尽管CTM模拟在空间分辨率上有所提高，但与实际情况仍存在显著差异，尤其是在污染环境中，由于快速的光化学反应发生在高度不均匀且排放场不确定的情况下（Kim等人，2016年）。云层和气溶胶层的存在进一步阻碍了卫星的准确反演（Lorente等人，2017年）。因此，与垂直观测卫星相比，具有相对较高地面灵敏度和较低不确定性的全球地面遥感观测可以作为卫星验证的有用参考。
Pandora光谱仪是一种基于地面的被动UV–VIS仪器，最初由美国国家航空航天局（NASA）戈达德太空飞行中心（GSFC）设计和开发，作为一种多功能的DOAS仪器（Herman等人，2009年）。Pandora光谱仪的关键优势在于其全球Pandora观测网络，即Pandonia全球网络（PGN），该网络通过双轴框架运作：硬件开发和生产由SciGlob LLC负责，软件开发（例如操作、反演和校准软件）由LuftBlick负责，资金来自NASA和欧洲航天局（ESA）。除了标准化的硬件和软件外，Pandora仪器还通过PGN进行了彻底的特性测试和校准，并自部署以来定期由指定的网络运营商进行监测。自2018年成立以来，PGN已迅速发展到全球约200台仪器，确保了Pandora观测数据具有良好的特性、一致性和质量控制。这些广泛的数据收集对于卫星验证非常有利，也有助于阐明从自然变化主导的背景环境到受人为活动显著影响的污染大城市的二氧化氮和甲醛的日变化和季节变化。此外，使用Pandora观测得到的二氧化氮与甲醛比率（例如甲醛与二氧化氮比率；FNR）来评估O3 产生机制，可以补充基于卫星的FNR结果，后者具有额外的不确定性因素（Duncan等人，2010年；Jin等人，2017年；Schroeder等人，2017年；Souri等人，2023年）。
鉴于直接太阳（DS）测量相关的空气质量因子（AMF）计算固有的小不确定性（Herman等人，2009年；Spinei等人，2018年），Pandora已被广泛用于评估最近的卫星二氧化氮（Judd等人，2020年；Zhao等人，2020年；Kim等人，2023年）和甲醛（Spinei等人，2018年；Fu等人，2025年）垂直柱浓度（VCD）的反演结果。然而，地面Pandora观测与卫星观测之间的差异可能会在它们的对比中引入系统性和随机偏差。Pandora DS观测沿着从仪器到太阳盘面的视线方向测量柱浓度，呈现出点测量特性。另一方面，卫星传感器测量的是特定立体角内的反射辐射，提供空间平均的柱浓度。这种差异可能导致Pandora与卫星对比中的显著且经常变化的不确定性，特别是对于像二氧化氮这样的具有显著空间不均匀性的痕量气体（Tang等人，2021年）。已经使用了各种时空共位方法进行卫星-地面对比（Ialongo等人，2020年；Judd等人，2020年；Pinardi等人，2020年；Verhoelst等人，2021年；Park等人，2022年；Lange等人，2024年），但目前尚无关于同时考虑大气内在变异性和每种痕量气体反演特性的适当共位标准的共识。
在本研究中，我们利用2019年1月至2023年12月的PGN Pandora DS观测数据，研究了二氧化氮和甲醛VCD的季节性和日变化，同时考虑了不同Pandora站点的大气环境。将卫星（TROPOMI）的二氧化氮和甲醛VCD与全球Pandora DS观测结果进行对比，并讨论了考虑Pandora站点地理和环境条件的适当共位策略。基于提出的最佳卫星-Pandora共位策略，研究了Pandora和TROPOMI的二氧化氮和甲醛相对丰度（FNR），以更好地理解不同环境条件下的O3 产生机制变化，并评估卫星反演的FNR结果。
仪器硬件
典型的Pandora仪器（Pandora 1S型号）使用紧凑型Avantes光谱仪测量280至530纳米范围内的光谱辐射，光谱分辨率（狭缝函数半高宽FWHM）为0.6纳米。该光谱仪具有增强的紫外灵敏度，采用了背薄化（0.89纳米）的2048 × 64电荷耦合器件（CCD），配置了50微米的狭缝和1200线/毫米的光栅。光谱仪通过热电板保持温度稳定（通常为15°C或20°C）。
图1显示了在我们的研究期间（2019年1月至2023年12月）具有超过一年有效二氧化氮VCD观测数据的109个Pandora站点的地理分布，这些站点的每周数据缺失时间不超过一周（高纬度站点除外，因为它们的冬季数据本身就有限）。大多数站点位于北美，其次是亚洲和欧洲的站点（补充图S1）。一些站点... 总结与结论
本研究探讨了来自基于地面的被动遥感Pandora观测网络（即Pandonia全球网络（PGN）的全球一致性的二氧化氮和甲醛垂直柱浓度（VCD）观测的实用性。鉴于PGN站点在多种大气环境中的广泛分布，根据将每个站点分配到三个类别的环境分类，分析了二氧化氮和甲醛VCD的季节性和日变化：
CRediT作者贡献声明
Jong-Uk Park： 撰写——原始草稿，可视化，正式分析，概念化。Subin Lim： 撰写——原始草稿，可视化，正式分析，概念化。Thomas F. Hanisco： 撰写——审阅与编辑，资源管理，项目协调。Nader Abuhassan： 撰写——审阅与编辑，资源管理，项目协调。Bryan K. Place： 撰写——审阅与编辑，数据管理。Apoorva Pandey： 撰写——审阅与编辑，数据管理。Alexander Cede： 撰写——审阅与...利益冲突声明
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致谢
Jong-Uk Park得到了美国国家航空航天局 （NASA）通过与ORAU的合同资助。本文档中的观点和结论仅代表作者本人，并不代表NASA或美国政府的官方政策。美国政府有权为政府目的复制和分发重印本，无论其中是否有版权说明。Sang-Woo Kim得到了...
