Abstract. Since 2017 the Tropospheric Monitoring Instrument (TROPOMI) onboard ESA’s Copernicus Sentinel-5 satellite (S5-P) has provided the operational Carbon Monoxide (CO) data product with daily global coverage on a spatial resolution of 5.5 × 7 km² (7× 7 km² before August 2019). The European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) plans to assimilate the retrieved total columns and the corresponding vertical sensitivities in the Copernicus Atmosphere Monitoring Service Integrated Forecasting System (CAMS-IFS) to improve forecasts of the atmospheric chemical composition. The TROPOMI data will primarily constrain the vertical integrated CO field (VCD) of CAMS-IFS but to a lesser extent also its vertical CO distribution as well. For clear-sky conditions, the vertical sensitivity of the TROPOMI CO data product is useful throughout the atmosphere but for cloudy scenes it varies due to cloud shielding and light scattering. To assess the profile information, we deploy a posteriori profile retrieval that combines individual TROPOMI CO column retrievals with different vertical sensitivities to obtain a vertical CO profile that is then a representative average for the chosen spatial and temporal domain. We demonstrate the approach on three CO pollution cases. For the so called “Rabbit Foot Fire” in Idaho on the 12 August 2018, we estimate a CO profile showing the pollution at an altitude of about 5 km in good agreement with airborne in-situ measurements of the Biomass Burning fluxes of trace gases and aerosols (BB-FLUX) field campaign. The distinct CO enhancement in a plume aloft, decoupled from the ground, is sensed by TROPOMI but is not present in the CAMS-IFS model. For a large-scale event, we analyzed the CO pollution from Siberian wildfires that took place from 14 to 18 August 2018. The TROPOMI data is estimating the height of the pollution plume over Canada at 7 km in agreement with CAMS-IFS. However, CAMS-IFS underestimates the enhanced CO vertical column densities sensed by TROPOMI within the plume by more than 100 ppb. Finally, we study the seasonal biomass burning in the Amazon. During the burning season (1–15 August 2019) the CO profile retrieved from the TROPOMI measurements agrees well with the one of CAMS-IFS with a similar vertical shape between ground and 14 km altitude. Hence, our results indicate that assimilating TROPOMI CO retrieval with different vertical sensitivities e.g., under clear-sky and cloudy conditions provide information about the vertical distribution of CO.

中文翻译：

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在 CAMS-IFS 数据同化方案的背景下，来自 TROPOMI 总柱测量的 CO 的垂直信息

摘要。自 2017 年以来，欧空局哥白尼哨兵 5 号卫星 (S5-P) 上的对流层监测仪器 (TROPOMI) 提供了可运行的一氧化碳 (CO) 数据产品，每天覆盖全球，空间分辨率为 5.5 × 7 km ² (7× 7公里²2019 年 8 月之前）。欧洲中期天气预报中心 (ECMWF) 计划在哥白尼大气监测服务综合预报系统 (CAMS-IFS) 中吸收检索到的总柱和相应的垂直灵敏度，以改进对大气化学成分的预报。TROPOMI 数据将主要限制 CAMS-IFS 的垂直综合 CO 场 (VCD)，但在较小程度上也限制其垂直 CO 分布。对于晴空条件，TROPOMI CO 数据产品的垂直灵敏度在整个大气中都很有用，但对于多云场景，由于云层屏蔽和光散射，它会有所不同。要评估个人资料信息，我们部署了一个后验剖面检索，它将单独的 TROPOMI CO 列检索与不同的垂直灵敏度相结合，以获得垂直 CO 剖面，然后作为所选空间和时间域的代表性平均值。我们展示了三个 CO 污染案例的方法。对于 2018 年 8 月 12 日在爱达荷州发生的所谓“兔脚大火”，我们估计了 CO 剖面，显示了海拔约 5 公里处的污染，这与微量气体的生物质燃烧通量的机载原位测量结果非常吻合，气溶胶 (BB-FLUX) 现场活动。TROPOMI 感知到与地面分离的高空羽流中明显的 CO2 增强，但在 CAMS-IFS 模型中不存在。对于大型事件，我们分析了 2018 年 8 月 14 日至 18 日发生的西伯利亚野火造成的二氧化碳污染。TROPOMI 数据与 CAMS-IFS 一致，估计加拿大上空 7 公里的污染羽流高度。然而，CAMS-IFS 低估了 TROPOMI 在羽流中感知到的增强的 CO 垂直柱密度超过 100 ppb。最后，我们研究了亚马逊的季节性生物量燃烧。在燃烧季节（2019 年 8 月 1 日至 15 日），从 TROPOMI 测量中检索到的 CO 剖面与 CAMS-IFS 的剖面非常吻合，在地面和 14 公里高度之间具有相似的垂直形状。因此，我们的结果表明，同化具有不同垂直灵敏度的 TROPOMI CO 反演，例如，在晴空和多云条件下，提供了有关 CO 垂直分布的信息。CAMS-IFS 低估了 TROPOMI 在羽流中感应到的增强的 CO 垂直柱密度超过 100 ppb。最后，我们研究了亚马逊的季节性生物量燃烧。在燃烧季节（2019 年 8 月 1 日至 15 日），从 TROPOMI 测量中检索到的 CO 剖面与 CAMS-IFS 的剖面非常吻合，在地面和 14 公里高度之间具有相似的垂直形状。因此，我们的结果表明，同化具有不同垂直灵敏度的 TROPOMI CO 反演，例如，在晴空和多云条件下，提供了有关 CO 垂直分布的信息。CAMS-IFS 低估了 TROPOMI 在羽流中感应到的增强的 CO 垂直柱密度超过 100 ppb。最后，我们研究了亚马逊的季节性生物量燃烧。在燃烧季节（2019 年 8 月 1 日至 15 日），从 TROPOMI 测量中检索到的 CO 剖面与 CAMS-IFS 的剖面非常吻合，在地面和 14 公里高度之间具有相似的垂直形状。因此，我们的结果表明，同化具有不同垂直灵敏度的 TROPOMI CO 反演，例如，在晴空和多云条件下，提供了有关 CO 垂直分布的信息。在燃烧季节（2019 年 8 月 1 日至 15 日），从 TROPOMI 测量中检索到的 CO 剖面与 CAMS-IFS 的剖面非常吻合，在地面和 14 公里高度之间具有相似的垂直形状。因此，我们的结果表明，同化具有不同垂直灵敏度的 TROPOMI CO 反演，例如，在晴空和多云条件下，提供了有关 CO 垂直分布的信息。在燃烧季节（2019 年 8 月 1 日至 15 日），从 TROPOMI 测量中检索到的 CO 剖面与 CAMS-IFS 的剖面非常吻合，在地面和 14 公里高度之间具有相似的垂直形状。因此，我们的结果表明，同化具有不同垂直灵敏度的 TROPOMI CO 反演，例如，在晴空和多云条件下，提供了有关 CO 垂直分布的信息。