Project

Back to overview

High-resolution remote sensing and modelling of NO2 at city scale (HighNOCS)

Applicant Buchmann Brigitte
Number 172533
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Luftfremdstoffe / Umwelttechnik 500 - Mobility, Energy and Environment EMPA
Institution of higher education Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology - EMPA
Main discipline Climatology. Atmospherical Chemistry, Aeronomy
Start/End 01.04.2018 - 31.03.2022
Approved amount 519'860.00
Show all

Keywords (4)

urban-scale dispersion modelling; 3D radiative transfer modelling; airborne remote sensing; urban air pollution

Lay Summary (German)

Lead
Stickdioxid (NO2) ist ein Luftschadstoff, der Menschen und Ökosysteme beeinträchtigt und dessen gesetzliche Grenzwerte zurzeit häufig überschritten werden. In Städten hat NO2 eine starke räumliche Variabilität, die von Beobachtungsnetzen nur schwer aufgelöst werden kann. Fernerkundungsinstrumente auf Flugzeugen bieten dagegen die Möglichkeit, NO2 Konzentrationen mit einer hohen räumlichen Auflösung zu messen. Allerdings ist die vertikale Auflösung auf die vertikale Säule begrenzt. Um die Beeinträchtigung der Bevölkerung effektiv zu beurteilen, sind jedoch oberflächennahe NO2 Konzentration in hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung notwendig.
Lay summary

Inhalt und Ziel des Projekts

Unser Hauptziel ist die Entwicklung von neuen Methoden, um oberflächennahe NO2 Konzentrationen aus Messungen des flugzeuggestützten Spektrometers APEX zu bestimmen. Bisherige Methoden nehmen an, dass die Atmosphäre horizontal homogen ist, was in einer Stadt mit starken horizontalen Konzentrationsunterschieden nicht zutrifft. Daher werden wir die heterogene Verteilung von NO2 mit einem gebäudeauflösenden Ausbreitungsmodell berechnen. Die berechnete 3D-Verteilung wird anschliessend benutzt, um mit einem 3D-Strahlungstransfermodel die Verbindung zwischen oberflächennahen Konzentrationen und den Säulen herzustellen. Die neue Methode wird für Messungen über den Städten Zürich und München validiert.

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext

HighNOCS ist eine  innovative Entwicklung, um luftgestützte Fernerkundung für die Beurteilung der oberflächennahen Luftverschmutzung und damit für die Bewertung der Auswirkungen auf Umwelt und Gesundheit nutzbar zu machen. Die neue Methodik ist  ein unerlässliches Element für künftige Luftqualitätsüberwachungssysteme, die Messungen von luftgestützten Fernerkundungsplattformen wie Zeppelinen oder Flugzeugen einbeziehen. Die Resultate von HighNOCS leisten zudem einen wesentlichen Beitrag zur Interpretation von Luftschadstoffmessungen von Satelliten, die die Schadstoffverteilung in einer Stadt bisher erst sehr grob aufzulösen können.

Direct link to Lay Summary Last update: 19.03.2018

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Project partner

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
170264 Munich NO2 Imaging Campaign (MuNIC) 01.06.2016 International short research visits

Abstract

Remote sensing of air pollutants from satellite and aircraft instruments will strongly alter our approach to observe urban air quality in the next years and decades. Airborne imaging instruments have the potential to resolve the spatial variability of air pollutants within a city in much more detail compared to in situ networks and to directly observe the plumes of single sources. On the other hand, their vertical resolution is limited and in many cases reduced to a single, column integrated quantity. For assessing effects on human health and ecosystems, however, information near the surface is crucial.Therefore, HighNOCS will develop and advance methods to derive high-resolution near-surface concentrations of nitrogen dioxide (NO2) from airborne imaging spectrometers. The aim is to provide reliable, city-wide maps (<50×50 m2 resolution) of near-surface NO2 concentrations in order to better understand their sources and spatial distribution, and to evaluate the potential of this novel technology to complement ground-based urban air pollutant observations.Today’s trace gas retrievals rely on the assumption of a horizontally homogeneous atmosphere. However, in the case of an urban environment with strong horizontal gradients and heterogeneous surfaces, this assumption is no longer valid. To better apply airborne instruments at the city scale, we will develop two key elements missing in current approaches: (i) building-resolving atmospheric dispersion simulations and (ii) 3D radiative transfer modelling. Thereby, the dispersion model computes the 3D distribution of trace gases and aerosols needed as input for the 3D radiative transfer simulations and establishes the link between column integrated and near-surface concentrations. This approach will allow us to generate urban scale NO2 maps of unprecedented quality.The new method will be applied to high-resolution hyperspectral data measured by APEX, an airborne imaging spectrometer developed by a Swiss-Belgian consortium on behalf of ESA. The data were collected during five campaigns flown over Zurich and Munich in the years 2010-2016 and will be evaluated against a wealth of ground-based observations.HighNOCS will make a large step forward in linking airborne remote sensing to near-surface air pollution, which is the main quantity of interest for assessing environmental and health impacts. The proposed methodology is a decisive element for future operational air quality monitoring systems based on airborne platforms. It is a seamless continuation of research on air pollution and remote sensing at Empa, which started many years ago by successfully combining in-situ measurements, remote sensing and model data. Furthermore, it will strengthen the recently established collaboration with the Ludwig-Maximilian University in Munich (LMU) on radiative transfer modelling and the long partnership with the Remote Sensing Laboratories (RSL) of the University of Zurich operating APEX.HighNOCS involves one PhD student (4 years) focusing on the development and application of the 3D radiative transfer modelling and one Postdoc (2 years) focusing on air pollution dispersion modelling.
-