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A sulfur dioxide Covariance-Based Retrieval Algorithm (COBRA): application to TROPOMI reveals new emission sources

Theys, Nicolas und Fioletov, Vitali und Li, Can und De Smedt, Isabelle und Lerot, Christophe und McLinden, Chris und Krotkov, Nickolay und Griffin, Debora und Clarisse, Lieven und Hedelt, Pascal und Loyola, Diego und Wagner, Thomas und Kumar, Vinod und Inness, A. und Ribas, Roberto und Hendrick, Francoise und Vlietinck, Jonas und Brenot, Hugues und Van Roozendael, M. (2021) A sulfur dioxide Covariance-Based Retrieval Algorithm (COBRA): application to TROPOMI reveals new emission sources. Atmospheric Chemistry and Physics (ACP) (21), Seiten 16722-16744. Copernicus Publications. doi: 10.5194/acp-21-16727-2021. ISSN 1680-7316.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
21MB

Offizielle URL: https://acp.copernicus.org/articles/21/16727/2021/acp-21-16727-2021.pdf

Kurzfassung

Sensitive and accurate detection of sulfur dioxide (SO2) from space is important for monitoring and estimating global sulfur emissions. Inspired by detection methods applied in the thermal infrared, we present here a new scheme to retrieve SO2 columns from satellite observations of ultraviolet back-scattered radiances. The retrieval is based on a measurement error covariance matrix to fully represent the SO2-free radiance variability, so that the SO2 slant column density is the only retrieved parameter of the algorithm. We demonstrate this approach, named COBRA, on measurements from the TROPOspheric Monitoring Instrument (TROPOMI) aboard the Sentinel-5 Precursor (S-5P) satellite. We show that the method reduces significantly both the noise and biases present in the current TROPOMI operational DOAS SO2 retrievals. The performance of this technique is also benchmarked against that of the principal component algorithm (PCA) approach. We find that the quality of the data is similar and even slightly better with the proposed COBRA approach. The ability of the algorithm to retrieve SO2 accurately is further supported by comparison with ground-based observations. We illustrate the great sensitivity of the method with a high-resolution global SO2 map, considering 2.5 years of TROPOMI data. In addition to the known sources, we detect many new SO2 emission hotspots worldwide. For the largest sources, we use the COBRA data to estimate SO2 emission rates. Results are comparable to other recently published TROPOMI-based SO2 emissions estimates, but the associated uncertainties are significantly lower than with the operational data. Next, for a limited number of weak sources, we demonstrate the potential of our data for quantifying SO2 emissions with a detection limit of about 8 kt yr−1, a factor of 4 better than the emissions derived from the Ozone Monitoring Instrument (OMI). We anticipate that the systematic use of our TROPOMI COBRA SO2 column data set at a global scale will allow missing sources to be identified and quantified and help improve SO2 emission inventories.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/146049/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:A sulfur dioxide Covariance-Based Retrieval Algorithm (COBRA): application to TROPOMI reveals new emission sources
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Theys, NicolasRoyal Belgian Institute for Space Aeronomy (BIRA)NICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Fioletov, VitaliEnvironment Climate Change Canada, Toronto, Ontario, Canadahttps://orcid.org/0000-0002-2731-5956NICHT SPEZIFIZIERT
Li, CanNASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, MD 20771, USANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
De Smedt, IsabelleBelgian Institute for Space Aeronomy, Brussels, Belgiumhttps://orcid.org/0000-0002-3541-7725NICHT SPEZIFIZIERT
Lerot, ChristopheBelgian Institute for Space Aeronomy (BIRA-IASB), Brussels, BelgiumNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
McLinden, ChrisEnvironment Climate Change Canada, Toronto, Ontario, Canadahttps://orcid.org/0000-0001-5054-1380NICHT SPEZIFIZIERT
Krotkov, NickolayUniv. of Maryland at Baltimore County, Baltimore, MD USAhttps://orcid.org/0000-0001-6170-6750NICHT SPEZIFIZIERT
Griffin, DeboraEnvironment Climate Change Canada, Toronto, Ontario, Canadahttps://orcid.org/0000-0002-4849-9125NICHT SPEZIFIZIERT
Clarisse, LievenUniv. Libre de Bruxelles, Brussels, Bhttps://orcid.org/0000-0002-8805-2141NICHT SPEZIFIZIERT
Hedelt, PascalPascal.Hedelt (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-1752-0040NICHT SPEZIFIZIERT
Loyola, DiegoDiego.Loyola (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-8547-9350NICHT SPEZIFIZIERT
Wagner, ThomasMax Planck Institute for Chemistry, Mainz, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Kumar, VinodMax Planck Institute for Chemistry, Mainz, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Inness, A.European Centre for Medium-range Weather Forecasts, ECMWF, Shinfield Park, Reading RG2 9AX, UKNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Ribas, RobertoEuropean Centre for Medium-range Weather Forecasts, ECMWF, Shinfield Park, Reading RG2 9AX, UKNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Hendrick, FrancoiseBelgian Institute for Space Aeronomy, Brussels, BelgiumNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Vlietinck, JonasBelgian Institute for Space AeronomyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Brenot, HuguesBelgian Institute for Space Aeronomy, Brussels, BelgiumNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Van Roozendael, M.BIRA-IASB – Royal Belgian Institute for Space Aeronomy, Brussels, BelgiumNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:17 November 2021
Erschienen in:Atmospheric Chemistry and Physics (ACP)
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Ja
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
DOI:10.5194/acp-21-16727-2021
Seitenbereich:Seiten 16722-16744
Verlag:Copernicus Publications
ISSN:1680-7316
Status:veröffentlicht
Stichwörter:TROPOMI, SO2, Sulfur dioxide
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Raumfahrt
HGF - Programmthema:Erdbeobachtung
DLR - Schwerpunkt:Raumfahrt
DLR - Forschungsgebiet:R EO - Erdbeobachtung
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):R - Spektroskopische Verfahren der Atmosphäre
Standort: Oberpfaffenhofen
Institute & Einrichtungen:Institut für Methodik der Fernerkundung > Atmosphärenprozessoren
Hinterlegt von: Hedelt, Pascal
Hinterlegt am:25 Nov 2021 09:14
Letzte Änderung:01 Dez 2021 10:20

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