Improve  observation-based  ground-level  ozone  spatial  distribution ...

Zhang, Y., Y. Wang, J. Crawford, Y. Cheng, and J. Li (2018), Improve  observation-based  ground-level  ozone  spatial  distribution  by T compositing  satellite  and  surface  observations:  A  simulation  experiment, Atmos. Environ., 180, 226-233, doi:10.1016/j.atmosenv.2018.02.044.

Obtaining  the  full  spatial  coverage  of  daily  surface  ozone  fields  is  challenging  because  of  the  sparsity  of  the surface  monitoring  network  and  the  difficulty  in  direct  satellite  retrievals  of  surface  ozone.  We  propose  an indirect  satellite  retrieval  framework  to  utilize  the  information  from  satellite-measured  column  densities  of tropospheric  NO 2 and  CH 2O,  which  are  sensitive  to  the  lower  troposphere,  to  derive  surface  ozone  fields.  The method  is  applicable  to  upcoming  geostationary  satellites  with  high-quality  NO2 and  CH 2O  measurements.  To prove  the  concept,  we  conduct  a  simulation  experiment  using  a  3-D  chemical  transport  model  for  July  2011  over the  eastern  US.  The  results  show  that  a  second  order  regression  using  both  NO 2 and  CH 2O  column  densities  can be  an  eff ective  predictor  for  daily  maximum  8-h  average  ozone.  Furthermore,  this  indirect  retrieval  approach  is shown  to  be  complementary  to  spatial  interpolation  of  surface  observations,  especially  in  regions  where  the surface  sites  are  sparse.  Combining  column  observations  of  NO 2 and  CH 2O  with  surface  site  measurements  leads to  an  improved  representation  of  surface  ozone  over  simple  kriging,  increasing  the  R 2 value  from  0.53  to  0.64  at a  surface  site  distance  of  252  km.  The  improvements  are  even  more  significant  with  larger  surface  site  distances. The  simulation  experiment  suggests  that  the  indirect  satellite  retrieval  technique  can  potentially  be  a  useful  tool to  derive  the  full  spatial  coverage  of  daily  surface  ozone  fields  if  satellite  observation  uncertainty  is  moderate. 1.  Introduction

Ozone  (O3)  in  the  boundary  layer  is  mainly  produced  from  the photochemical  reactions  of  nitrogen  dioxide  (NO2)  and  volatile  organic compounds  (VOC).  Harmful  to  the  health  of  human  (Brunekreef  and Holgate,  2002)  and  vegetation  (Reich  and  Amundson,  1985),  ozone near  the  surface  has  long  been  thought  as  an  air  pollution  concern. Information  on  surface  ozone  with  a  full  spatial  coverage  are  important for  evaluating  the  ozone  exposure  to  human  and  vegetation  (Avnery et  al.,  2011;  Zou  et  al.,  2009).  However,  the  current  ground-based monitoring  networks  do  not  provide  adequate  information  to  represent the  spatial  distribution  of  surface  ozone,  especially  in  rural  or  remote areas.  Although  there  are  monitoring  networks  designed  to  represent the  regional  background  (e.g.,  CASTNET),  their  sites  are  often  too sparse  to  capture  the  spatial  variability  in  many  regions.

Alternatively,  satellite-based  observations  can  provide  good  spatial coverages.  For  example,  satellite  observed  aerosol  optical  depth  has been  applied  to  derive  daily  “ gap-free”  surface  PM 2.5 field  (Lv  et  al., 2016).  Satellite  can  measure  ozone  in  ultraviolet  (UV)  and  thermal infrared  (TIR)  bands.  However,  because  of  molecular  scattering  in  the

PDF of Publication: 
Download from publisher's website.
Research Program: 
Atmospheric Composition Modeling and Analysis Program (ACMAP)