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PDF, English - main document Download (23MB) | Lizenz: Toward Urban Greenhouse Gas Mapping with a Portable Reflected Sunlight Spectrometer by Löw, Benedikt Alexander underlies the terms of Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0

Abstract

Urban regions are major sources of CO2 and CH4. Although their emissions are substantial, the quantification is challenged by the complex spatial distribution of sources. Groundbased remote sensing using reflected sunlight can address this challenge. For this purpose, a spectrometer is positioned above a source region, pointing towards ground targets at a shallow angle. It records solar absorption spectra containing information on CO2 and CH4 abundances integrated along the light path. Because of the extended quasi-horizontal light path component, the measurements are sensitive to near-ground concentrations and representative of urban enhancements. By repeatedly scanning through multiple targets, the method enables the mapping of temporal and spatial source patterns. This work presents the EM27/SCA, the first portable ground-based Fourier-transform spectrometer (FTS) designed for urban greenhouse gas mapping using near-infrared spectra of ground-scattered sunlight. The performance of the remote sensing setup is demonstrated through an instrument deployment on Mt. Wilson looking into the Los Angeles basin, USA. The precision of the retrieved CO2, CH4 and O2 slant column densities is in the range of 0.4% to 0.5%. The comparison to a more precise but stationary reflected-sun viewing FTS shows overall good agreement but also limited systematic deviations. The measurements reveal atmospheric scattering to be the major error source. A retrieval algorithm is implemented, which explicitly accounts for aerosol scattering and mitigates the scattering-induced bias. This allows the detection of urban enhancement patterns in the EM27/SCA measurements of the Los Angeles basin.

Translation of abstract (German)

Städtische Regionen sind bedeutende Quellen von CO2 und CH4. Obwohl ihre Emissionen beträchtlich sind, wird deren Quantifizierung durch die komplexe räumliche Verteilung der Quellen erschwert. Bodengestützte Fernerkundung von an der Erdoberfläche reflektiertem Sonnenlicht kann diese Herausforderung angehen. Dafür wird ein Spektrometer oberhalb einer Quellregion positioniert und unter einem flachen Winkel auf Bodenziele gerichtet. Es nimmt Absorptionsspektren des reflektierten Sonnenlichtes auf, die Informationen über die integrierte Menge von CO2 und CH4 entlang des Lichtweges enthalten. Dank der langen quasi-horizontalen Lichtwegkomponente sind die Messungen sensitiv auf die bodennahen Konzentrationen und repräsentativ für städtische Konzentrationserhöhungen. Durch wiederholtes Rastern über mehrere Ziele ermöglicht die Methode die Kartierung von zeitlichen und räumlichen Quellsignalen. Die vorliegende Arbeit präsentiert das EM27/SCA, das erste portable bodengestützte Fourier-Transformations-Spektrometer (FTS), das für die Kartierung von städtischen Treibhausgasen mit Hilfe von Nahinfrarotspektren von am Boden gestreutem Sonnenlicht entwickelt wurde. Die Leistungfähigkeit des Fernerkundungsaufbaus wird durch einen Einsatz auf Mt.Wilson mit Blick in das Los-Angeles-Becken, USA, demonstriert. Die Präzision der abgeleiteten schrägen CO2-, CH4- und O2-Säulendichten ist im Bereich von 0.4% bis 0.5%. Der Vergleich mit einem präziseren, aber stationären FTS für am Boden reflektiertes Sonnenlicht zeigt insgesamt eine gute Übereinstimmung, aber auch begrenzte systematische Abweichungen. Die Messungen weisen atmosphärische Streuung als Hauptfehlerquelle auf. Daher wird ein Inversionsprogramm implementiert, welches die Aerosolstreuung explizit berücksichtigt und die streuungsinduzierten systematischen Abweichungen vermindert. Dies ermöglicht die Detektion von städtischen Konzentrationserhöhungen in den EM27/SCA Messungen des Los-Angeles-Beckens.