DOAS：差分吸收光谱技术

DOAS 解决的是“如何在开放大气路径中稳健识别弱吸收体”。

真实大气中的光并不只经历气体吸收，还会受到 Rayleigh 散射、Mie 散射、云、气溶胶、Fraunhofer 线和仪器线形的共同影响。DOAS 的关键做法，是把这些随波长缓慢变化的宽带项与真正由分子吸收带来的窄带结构区分开来，再用参考吸收截面做拟合。根据 Platt 与 Stutz 的系统总结，以及 Bremen / Leeds 等研究团队的教学与实验资料，这正是 DOAS 名称中 “Differential” 的物理含义。

它基于 Beer-Lambert 定律，但真正工作的核心是“光谱结构分离”。

在理想均匀介质中，Beer-Lambert 定律描述了光强随吸收路径的衰减。进入大气遥感后，直接获得“无吸收基线”几乎不现实，因此 DOAS 通常选择一个参考光谱，并对多个波长点同时做最小二乘拟合。Richter 的课程讲义和 QDOAS 手册都强调：低阶多项式用于吸收宽带项，分子吸收截面用于解释快速变化的差分结构。

DOAS 的算法重点，是把弱吸收结构从复杂背景中稳定分离出来。

实际反演不是“找到一个吸收峰”这么简单。一个合格的 DOAS 产品要同时控制光谱拟合、参考谱、Ring 效应、波长配准、宽带背景、云与气溶胶、AMF 和质量标记。对地基 MAX-DOAS 而言，还要把 O4 约束的气溶胶廓线传递给 NO2、HCHO 等痕量气体廓线反演；对星载产品而言，则要把单像元的光谱量稳定转换成可比较、可网格化、可同化的数据产品。

代表性设备实物图：从地基仪器到星载载荷。

DOAS 不是只存在于公式和流程图里。实际系统会落在望远镜、扫描头、光纤、温控光谱仪、CCD/CMOS 探测器、星载成像光谱仪和定标机构上。下面选取几类有代表性的实物图，用来把“地基观测、卫星载荷和校验网络”连接起来。

观测几何改变了光路，也改变了你真正能“看见”的大气层。

DOAS 不是单一仪器，而是一套方法。换掉光源、视场和光路后，它会变成长光程、天顶散射、离轴、多轴或腔增强等不同配置。Hönninger 等 2004 年对 MAX-DOAS 的系统讨论、Merten 等 2019 年对 LP-DOAS 的工程优化，以及近期 FS MAX-DOAS 研究，正说明“几何”和“路径”是这个技术体系的核心变量。

DOAS 在卫星载荷中的发展，已经从低轨全球扫描走到静止轨道逐小时监测。

从 GOME、SCIAMACHY、OMI、GOME-2 到 TROPOMI，星载 DOAS 先在低轨平台上建立了长时间序列和全球覆盖能力，再把空间分辨率、噪声控制和多物种一致性持续推高。进入 GEMS、TEMPO 与 Sentinel-4 时代后，任务目标进一步转向“白天逐小时的区域空气质量过程”，这意味着算法不再只是做一次标准柱浓度反演，而是必须稳定处理强日变化、有限视场和复杂观测几何。

从城市污染到卫星验证，DOAS 的应用边界一直在扩展。

根据公开教材、Leeds 与 Bremen 等团队的观测介绍，以及 FRM4DOAS / QDOAS 的当前生态，DOAS 既是基础研究技术，也是运行化监测方法。它既可用于痕量气体长期趋势，也能服务城市 NO2、工业排放、火山 SO2、海洋卤素化学和卫星产品验证。

近年的研究重点，不是推翻 DOAS，而是在加速、稳定和标准化它。

本页重写时参考的主要文献与权威资料

• Platt, Perner, and Pätz (1979) — Simultaneous measurement of atmospheric CH2O, O3, and NO2 by differential optical absorption

  早期代表性 DOAS 应用论文之一，展示差分吸收方法对多种大气痕量气体的可行性。

• Perner and Platt (1979) — Detection of nitrous acid in the atmosphere by differential optical absorption

  DOAS 在痕量气体实测中的经典早期成果。

• Platt and Stutz (2008) — Differential Optical Absorption Spectroscopy: Principles and Applications

  系统总结 DOAS 原理、仪器与应用的权威书籍。

• Richter (2020) — Introduction to Differential Optical Absorption Spectroscopy

  不来梅大学 DOAS 课程讲义，清楚梳理 Beer-Lambert、dSCD、AMF 和参考谱选择。

• Hönninger et al. (2004) — Multi Axis Differential Optical Absorption Spectroscopy (MAX-DOAS)

  MAX-DOAS 的经典论文，说明多角度散射光几何为何对边界层更敏感。

• Frieß et al. (2019) — Intercomparison of MAX-DOAS vertical profile retrieval algorithms

  多套廓线反演算法的系统互比研究。

• Merten et al. (2019) — Recent improvements of long-path DOAS measurements

  长光程 DOAS 在光源、模式混合和自动化稳定性上的代表性进展。

• Xu et al. (2025) — Study of NO2 and HCHO vertical profile measurement based on FS MAX-DOAS

  展示快速同步多角度 MAX-DOAS 的近期实现与性能评估。

• QDOAS 官方页面

  当前广泛使用的 DOAS 反演软件之一，支持卫星、地基、移动和机载数据。

• FRM4DOAS 官方页面

  MAX-DOAS 地基参考测量和集中处理体系的官方项目入口。

• Van Roozendael et al. (2024) — Fiducial Reference Measurements for Air Quality Monitoring Using Ground-Based MAX-DOAS Instruments

  系统介绍 FRM4DOAS 的网络化、集中处理、标准化和面向卫星验证的参考测量框架。

• NDACC MAX-DOAS Central Processing Facility

  说明 FRM4DOAS 服务的 QDOAS、MAPA、MMF 等集中处理算法和 L1 文件流程。

• Verhoelst et al. (2021) — Ground-based validation of the Copernicus Sentinel-5P TROPOMI NO2 measurements

  TROPOMI NO2 官方体系化地基验证论文，联合了 MAX-DOAS、ZSL-DOAS 和 Pandora 全球网络。

• Pinardi et al. (2020) — Validation of tropospheric NO2 column measurements of GOME-2A and OMI using MAX-DOAS and direct sun networks

  展示 MAX-DOAS 在多卫星、全球多站点 NO2 校验中的成熟方法，并讨论水平稀释修正。

• Chan et al. (2020) — MAX-DOAS measurements of tropospheric NO2 and HCHO in Munich and comparison to OMI and TROPOMI

  给出单站点层面 MAX-DOAS 与 OMI / TROPOMI 对比，以及用 MAX-DOAS 廓线改进卫星先验的实例。

• De Smedt et al. (2021) — Comparative assessment of TROPOMI and OMI formaldehyde observations and validation against MAX-DOAS

  HCHO 星载产品与 MAX-DOAS 网络对比的代表性论文。

• Pinardi et al. (2026) — Intercomparison of MAX-DOAS, FTIR and direct sun HCHO vertical columns at Xianghe, China

  最新地基 HCHO 互比研究，说明 MAX-DOAS、direct-sun DOAS 与 FTIR 的垂直敏感度和先验廓线差异会改变校验结论。

• Bösch et al. (2018) — BOREAS: a new MAX-DOAS profile retrieval algorithm

  介绍基于 Tikhonov 正则化和最优估计思想的 MAX-DOAS 气溶胶与痕量气体廓线算法。

• Krotkov et al. (2017) — The version 3 OMI NO2 standard product

  展示 OMI 星载 NO2 产品通过更新 DOAS 谱拟合和先验廓线显著改善偏差与一致性的案例。

• van Geffen et al. (2020) — S5P TROPOMI NO2 slant column retrieval

  详细描述 TROPOMI NO2 SCD 检索、稳定性、去条带和强度偏移项讨论。

• Copernicus S5P Processing / NO2

  TROPOMI NO2 官方处理链说明，明确采用源自 OMI DOMINO 的三步 DOAS 流程。

• Cho et al. (2024) — Tropospheric NO2 retrieval algorithm for geostationary satellite instruments: applications to GEMS

  围绕 GEO 观测几何，对 GEMS 的 stratosphere–troposphere 分离、AMF 和地表反照率输入做了专门改进。

• Lange et al. (2024) — Validation of GEMS tropospheric NO2 columns and their diurnal variation with ground-based DOAS measurements

  用韩国 11 个地基 DOAS 站点与车载 DOAS 评估 GEMS / TROPOMI NO2 产品，给出本文引用的 +61%、-2% 和 -16% 代表性偏差。

• TEMPO NO2 ATBD (NASA, 2024)

  TEMPO NO2 官方算法理论基础文档，覆盖 SCD、AMF、云和分离算法。

• TEMPO L2/L3 Trace Gas and Clouds User Guide

  对 TEMPO NO2 / HCHO 共用框架、云产品耦合和数据变量有较清晰说明。

• Geddes et al. (2018) — Stratosphere–troposphere separation of nitrogen dioxide columns for TEMPO

  专门讨论静止轨道 NO2 检索中最关键的平流层/对流层分离问题。

• GEMS 官方介绍（NIER）

  GEMS 任务范围、时间分辨率和区域覆盖的官方说明。

• GEMS 载荷规格（NIER）

  给出 GEMS 的波段、空间分辨率、观测频次和覆盖范围。

• TEMPO Instrument（Smithsonian / NASA）

  给出 TEMPO 的光谱范围、光谱分辨率、空间分辨率和探测器信息。

• Sentinel-4 官方页面（EUMETSAT, 2026）

  Sentinel-4/UVN 在 GEO 空气质量星座中的定位、MTG-S 发射状态和 2026 年更新任务信息。

• Sentinel-4 instrument payload（Copernicus Sentinels）

  给出 Sentinel-4 UVN 的光谱分辨率、空间分辨率、重访时间和辐射精度。