We describe observations of tropical stratospheric water vapor q that show clear evidence of large‐scale upward advection of the signal from annual fluctuations in the effective “entry mixing ratio” q E of air entering the tropical stratosphere. In other words, air is “marked,” on emergence above the highest cloud tops, like a signal recorded on an upward moving magnetic tape. We define q E as the mean water vapor mixing ratio, at the tropical tropopause, of air that will subsequently rise and enter the stratospheric “overworld” at about 400 K. The observations show a systematic phase lag, increasing with altitude, between the annual cycle in q E and the annual cycle in q at higher altitudes. The observed phase lag agrees with the phase lag calculated assuming advection by the transformed Eulerian‐mean vertical velocity of a q E crudely estimated from 100‐hPa temperatures, which we use as a convenient proxy for tropopause temperatures. The phase agreement confirms the overall robustness of the calculation and strongly supports the tape recorder hypothesis. Establishing a quantitative link between q E and observed tropopause temperatures, however, proves difficult because the process of marking the tape depends subtly on both small‐ and large‐scale processes. The tape speed, or large‐scale upward advection speed, has a substantial annual variation and a smaller variation due to the quasi‐biennial oscillation, which delays or accelerates the arrival of the signal by a month or two in the middle stratosphere. As the tape moves upward, the signal is attenuated with an e ‐folding time of about 7 to 9 months between 100 and 50 hPa and about 15 to 18 months between 50 and 20 hPa, constraining possible orders of magnitude both of vertical diffusion K z and of rates of mixing in from the extratropics. For instance, if there were no mixing in, then K z would be in the range 0.03–0.09 m 2 s −1 ; this is an upper bound on K z .

The NASA Transport and Chemical Evolution over the Pacific (TRACE‐P) aircraft mission was conducted in February–April 2001 over the NW Pacific (1) to characterize the Asian chemical outflow and relate it quantitatively to its sources and (2) to determine its chemical evolution. It used two aircraft, a DC‐8 and a P‐3B, operating out of Hong Kong and Yokota Air Force Base (near Tokyo), with secondary sites in Hawaii, Wake Island, Guam, Okinawa, and Midway. The aircraft carried instrumentation for measurements of long‐lived greenhouse gases, ozone and its precursors, aerosols and their precursors, related species, and chemical tracers. Five chemical transport models (CTMs) were used for chemical forecasting. Customized bottom‐up emission inventories for East Asia were generated prior to the mission to support chemical forecasting and to serve as a priori for evaluation with the aircraft data. Validation flights were conducted for the Measurements Of Pollution In The Troposphere (MOPITT) satellite instrument and revealed little bias (6 ± 2%) in the MOPITT measurements of CO columns. A major event of transpacific Asian pollution was characterized through combined analysis of TRACE‐P and MOPITT data. The TRACE‐P observations showed that cold fronts sweeping across East Asia and the associated warm conveyor belts (WCBs) are the dominant pathway for Asian outflow to the Pacific in spring. The WCBs lift both anthropogenic and biomass burning (SE Asia) effluents to the free troposphere, resulting in complex chemical signatures. The TRACE‐P data are in general consistent with a priori emission inventories, lending confidence in our ability to quantify Asian emissions from socioeconomic data and emission factors. However, the residential combustion source in rural China was found to be much larger than the a priori, and there were also unexplained chemical enhancements (HCN, CH 3 Cl, OCS, alkylnitrates) in Chinese urban plumes. The Asian source of CCl 4 was found to be much higher than government estimates. Measurements of HCN and CH 3 CN indicated a dominant biomass burning source and ocean sink for both gases. Large fractions of sulfate and nitrate were found to be present in dust aerosols. Photochemical activity in the Asian outflow was strongly reduced by aerosol attenuation of UV radiation, with major implications for the concentrations of HO x radicals. New particle formation, apparently from ternary nucleation involving NH 3 , was observed in Chinese urban plumes.

Measurements of Pollution in the Troposphere (MOPITT) is a new remote sensing instrument aboard the Earth Observing System (EOS) “Terra” satellite which exploits gas correlation radiometry principles to quantify tropospheric concentrations of carbon monoxide (CO) and methane (CH 4 ). The MOPITT CO retrieval algorithm employs a nonlinear optimal estimation method to iteratively solve for the CO profile which is statistically most consistent with both the satellite‐measured radiances and a priori information. The algorithm's theoretical basis is described in terms of the observed radiances and their weighting functions, the a priori information, and the retrieval averaging kernels. Examples of actual CO retrievals over scenes with contrasting pollution conditions are demonstrated, and interpreted in the context of the retrieval averaging kernels and a priori.

Aura, the last of the large Earth Observing System observatories, was launched on July 15, 2004. Aura is designed to make comprehensive stratospheric and tropospheric composition measurements from its four instruments, the High Resolution Dynamics Limb Sounder (HIRDLS), the Microwave Limb Sounder (MLS), the Ozone Monitoring Instrument (OMI), and the Tropospheric Emission Spectrometer (TES). With the exception of HIRDLS, all of the instruments are performing as expected, and HIRDLS will likely be able to deliver most of their planned data products. We summarize the mission, instruments, and synergies in this paper.

The Limb Infrared Monitor of the Stratosphere experiment was launched on the NIMBUS 7 spacecraft to test the capabilities of infrared limb scanning radiometry to sound the composition and structure of the middle atmosphere. The instrument, a six channel radiometer, operated from October 25, 1978, to May 28, 1979, returning each day more than 7000 profiles of radiance as a function of vertical position across the limb. These radiances were subsequently inverted to determine temperature, ozone, water vapor, nitric acid, and nitrogen dioxide distributions in the stratosphere and mesosphere. This paper describes the experiment and its results. The measurement requirements are discussed, and critical instrument parameters are identified. Next, the instrument and its laboratory calibration are described. In orbit, its operation was stable and nearly flawless. The operational data reduction involved calibrating the radiances, performing a nonlinear inversion based on the emissivity growth approximation, and mapping the data. The methods of validating the data through simulation, internal checks, and intercomparisons are summarized, and conservative estimates for accuracy and precision are obtained. Temperature accuracy and precision are estimated to be 2 K and ∼0.4 K, respectively. Accuracy of the trace gases is ∼25%, comparable to the estimated accuracy of the in situ comparison data; their precision is ∼0.25 ppmv (O 3 and H 2 O) and 0.2 ppbv (HNO 3 and NO 2 ). Examples of the vertical profiles, maps, and cross sections of the data show previously unobserved variations with latitude, altitude, and time. The results demonstrate that infrared limb scanning is an extremely powerful method for sounding the middle atmosphere.

Biomass burning is a major source of pollution in the tropical Southern Hemisphere, and fine mode carbonaceous particles are produced by the same combustion processes that emit carbon monoxide (CO). In this paper we examine these emissions with data from the Terra satellite, CO profiles from the Measurement of Pollution in the Troposphere (MOPITT) instrument, and fine‐mode aerosol optical depth (AOD) from the Moderate‐Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS). The satellite measurements are used in conjunction with calculations from the MOZART chemical transport model to examine the 2003 Southern Hemisphere burning season with particular emphasis on the months of peak fire activity in September and October. Pollutant emissions follow the occurrence of dry season fires, and the temporal variation and spatial distributions of MOPITT CO and MODIS AOD are similar. We examine the outflow from Africa and South America with emphasis on the impact of these emissions on clean remote regions. We present comparisons of MOPITT observations and ground‐based interferometer data from Lauder, New Zealand, which indicate that intercontinental transport of biomass burning pollution from Africa often determines the local air quality. The correlation between enhancements of AOD and CO column for distinct biomass burning plumes is very good with correlation coefficients greater than 0.8. We present a method using MOPITT and MODIS data for estimating the emission ratio of aerosol number density to CO concentration which could prove useful as input to modeling studies. We also investigate decay of plumes from African fires following export into the Indian Ocean and compare the MOPITT and MODIS measurements as a way of estimating the regional aerosol lifetime. Vertical transport of biomass burning emissions is also examined using CO profile information. Low‐altitude concentrations are very high close to source regions, but further downwind of the continents, vertical mixing takes place and results in more even CO vertical distributions. In regions of significant convection, particularly in the equatorial Indian Ocean, the CO mixing ratio is greater at higher altitudes, indicating vertical transport of biomass burning emissions to the upper troposphere.

Abstract. We combine CO column measurements from the MOPITT, AIRS, SCIAMACHY, and TES satellite instruments in a full-year (May 2004–April 2005) global inversion of CO sources at 4°×5° spatial resolution and monthly temporal resolution. The inversion uses the GEOS-Chem chemical transport model (CTM) and its adjoint applied to MOPITT, AIRS, and SCIAMACHY. Observations from TES, surface sites (NOAA/GMD), and aircraft (MOZAIC) are used for evaluation of the a posteriori solution. Using GEOS-Chem as a common intercomparison platform shows global consistency between the different satellite datasets and with the in situ data. Differences can be largely explained by different averaging kernels and a priori information. The global CO emission from combustion as constrained in the inversion is 1350 Tg a−1. This is much higher than current bottom-up emission inventories. A large fraction of the correction results from a seasonal underestimate of CO sources at northern mid-latitudes in winter and suggests a larger-than-expected CO source from vehicle cold starts and residential heating. Implementing this seasonal variation of emissions solves the long-standing problem of models underestimating CO in the northern extratropics in winter-spring. A posteriori emissions also indicate a general underestimation of biomass burning in the GFED2 inventory. However, the tropical biomass burning constraints are not quantitatively consistent across the different datasets.

[1] In this work absolute values of gravity wave (GW) momentum flux are derived from global temperature measurements by the satellite instruments High Resolution Dynamics Limb Sounder (HIRDLS) and Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry (SABER). Momentum fluxes in the stratosphere are derived for both instruments and for SABER in the whole mesosphere. The large-scale atmospheric background state is removed by a two-dimensional Fourier decomposition in longitude and time, covering even planetary-scale waves with periods as short as 1–2 days. Therefore, it is possible to provide global distributions of GW momentum flux from observations for the first time in the mesosphere. Seasonal as well as longer-term variations of the global momentum flux distribution are discussed. GWs likely contribute significantly to the equatorward tilt of the polar night jet and to the poleward tilt of the summertime mesospheric jet. Our results suggest that GWs can undergo large latitudinal shifts while propagating upward. In particular, GWs generated by deep convection in the subtropical monsoon regions probably contribute significantly to the mesospheric summertime wind reversal at mid- and high latitudes. Variations in the GW longitudinal distribution caused by those convectively generated GWs are still observed in the mesosphere and could be important for the generation of the quasi two-day wave. Indications for quasi-biennial oscillation (QBO) induced variations of GW momentum flux are found in the subtropics. Also variations at time scales of about one 11-year solar cycle are observed and might indicate a negative correlation between solar flux and GW momentum flux.

Abstract. Atmospheric carbon monoxide (CO) distributions are controlled by anthropogenic emissions, biomass burning, transport and oxidation by reaction with the hydroxyl radical (OH). Quantifying trends in CO is therefore important for understanding changes related to all of these contributions. Here we present a comprehensive record of satellite observations from 2000 through 2011 of total column CO using the available measurements from nadir-viewing thermal infrared instruments: MOPITT, AIRS, TES and IASI. We examine trends for CO in the Northern and Southern Hemispheres along with regional trends for Eastern China, Eastern USA, Europe and India. We find that all the satellite observations are consistent with a modest decreasing trend ~ −1 % yr−1 in total column CO over the Northern Hemisphere for this time period and a less significant, but still decreasing trend in the Southern Hemisphere. Although decreasing trends in the United States and Europe have been observed from surface CO measurements, we also find a decrease in CO over E. China that, to our knowledge, has not been reported previously. Some of the interannual variability in the observations can be explained by global fire emissions, but the overall decrease needs further study to understand the implications for changes in anthropogenic emissions.

In September 2020, the Western United States experienced anomalously severe wildfires that resulted in carbon monoxide (CO) emissions almost three times the 2001-2019 average. In this study, we investigate the influence of wildfires on atmospheric carbon monoxide (CO) variability through a comparative analysis of observations from the Measurements of Pollution in the Troposphere (MOPITT), the Infrared Atmospheric Sounding Interferometer (IASI), and the Tropospheric Monitoring Instrument (TROPOMI). Our focus is on the North American domain, aiming to understand the differences among these products. In general, all instruments show excellent agreement under typical atmospheric CO conditions. However, notable discrepancies were observed in the CO data from the three sensors, particularly in regions with elevated CO total column (TC) values. IASI and TROPOMI consistently showed higher CO values over the western U.S. compared to MOPITT. During the fire episodes, we found that the IASI retrievals suggested higher CO abundances near the surface than the MOPITT thermal infrared retrievals that are probably the result of the differences in the covariance matrices used in IASI and MOPITT retrievals. We also found that the high IASI and TROPOMI CO observations over the western U.S. coincided with high values of the TROPOMI aerosol index (AI), suggesting the presence of absorbing aerosols. The analysis exhibited better agreement between TROPOMI and MOPITT CO TC when the AI values were low. Our results suggest that appropriate quality filtering should be employed when analyzing pollution events with these data. In particular, utilizing the AI for quality filtering may be useful when analyzing extreme pollution events with these satellite products.