背景介紹

全球氣候變化日益嚴(yán)峻，溫室氣體（GHG）的排放量及其時(shí)空分布成為氣候科學(xué)研究的核心問題之一。傳統(tǒng)的測量方法，如固定式渦動(dòng)協(xié)方差塔、手動(dòng)通量室以及機(jī)載和衛(wèi)星遙感，雖然在各自尺度上發(fā)揮了重要作用，但在異質(zhì)性極強(qiáng)的復(fù)雜自然環(huán)境（例如北極濕地或遙遠(yuǎn)生態(tài)系統(tǒng)）中往往難以捕捉到局部細(xì)微的排放變化。無人機(jī)（UAV）平臺(tái)作為一種新興觀測工具，憑借其高空間分辨率、機(jī)動(dòng)靈活和成本相對低廉等優(yōu)勢，為填補(bǔ)局部測量與大尺度觀測之間的空白提供了有力手段。特別是在測量大氣邊界層中 CO? 和 CH? 的空間分布時(shí)，采用輕量化、實(shí)時(shí)連續(xù)測量的氣體分析儀顯得尤為重要。

在本研究中，來自德國馬克普朗科的研究團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建了一個(gè)先進(jìn)的 UAV 平臺(tái)，該平臺(tái)搭載了高精度CH? 和 CO? 分析儀，同時(shí)配備超聲波風(fēng)速儀，用以同時(shí)記錄二維風(fēng)速、溫度、濕度和氣壓。值得注意的是，該團(tuán)隊(duì)引入了 Aeris Strato 分析儀作為 CH? 的測量單元，其輕量化設(shè)計(jì)和快速響應(yīng)能力使其特別適用于 UAV 應(yīng)用，成為實(shí)現(xiàn)高空間分辨率甲烷觀測的關(guān)鍵技術(shù)突破。

研究方法

1. UAV 平臺(tái)與儀器集成
本研究所采用的 UAV 平臺(tái)為六旋翼飛行器，能夠搭載約 4 kg 的科學(xué)載荷，飛行時(shí)長達(dá) 20 分鐘。平臺(tái)上集成了兩臺(tái)氣體分析儀：LI-COR Li-850 用于 CO? 測量和 Aeris Strato 用于 CH? 測量，兩者采用串聯(lián)連接的方式，通過同一采樣管道獲取同一氣團(tuán)的樣本。為確保氣體數(shù)據(jù)的高時(shí)空分辨率，同時(shí)避免螺旋槳下洗對測量的干擾，儀器安裝位置經(jīng)過精心布置。此外，集成的 2D 超聲波風(fēng)速儀能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測風(fēng)速、溫度、濕度和氣壓，并通過高頻數(shù)據(jù)采集（2 Hz 及后續(xù)聚合為 1 s 數(shù)據(jù)）保證數(shù)據(jù)與飛行軌跡的精確對齊。

2. Aeris Strato 分析儀的應(yīng)用方法
 Aeris Strato 分析儀作為本研究中 CH? 測量的核心設(shè)備，其設(shè)計(jì)充分考慮了 UAV 平臺(tái)對重量、能耗和數(shù)據(jù)連續(xù)性的要求。在實(shí)驗(yàn)室測試中，對 Aeris Strato 的信號(hào)穩(wěn)定性和噪聲特性進(jìn)行了系統(tǒng)評估。測試結(jié)果顯示，在 Aeris Strato經(jīng)過充分預(yù)熱后，其信號(hào)穩(wěn)定性非常優(yōu)秀，非線性漂移幅度可控制在 4 ppb 以內(nèi)。此外，通過 Allan 偏差分析，確定了 10 s 平均的最佳采樣時(shí)間，在該時(shí)段內(nèi)，CH? 的測量噪聲低于 0.25 ppb，這為后續(xù)高精度的野外測量奠定了基礎(chǔ)。

 在實(shí)際野外應(yīng)用中，Aeris Strato 分析儀與 UAV 平臺(tái)緊密協(xié)同，通過預(yù)先設(shè)定的飛行策略（包括網(wǎng)格調(diào)查和垂直剖面飛行）實(shí)現(xiàn)了對大氣邊界層內(nèi) CH? 空間分布和通量的高精度捕捉。為了進(jìn)一步減少儀器漂移和溫度波動(dòng)對數(shù)據(jù)的影響，本研究采用了額外的參考分析儀進(jìn)行交叉校準(zhǔn)，確保最終數(shù)據(jù)在定量上具有較高的可靠性。

結(jié)果

1. 高分辨率空間分布
在 Jena 實(shí)驗(yàn)站和 Stordalen Mire 的飛行測試中，Aeris Strato 分析儀提供了連續(xù)、精細(xì)的 CH? 測量數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示，在異質(zhì)性極強(qiáng)的 Stordalen Mire 區(qū)域，區(qū)域 1 和區(qū)域 2（主要由沼澤和濕地構(gòu)成）的 CH? 摩爾分?jǐn)?shù)明顯高于主要為干燥地表的區(qū)域 3，且 CH? 信號(hào)的空間變異性較大。利用網(wǎng)格調(diào)查數(shù)據(jù)，通過克里金插值方法，成功繪制出了詳細(xì)的 CH? 分布圖，識(shí)別出局部排放熱點(diǎn)。這些結(jié)果充分證明了 Aeris Strato 分析儀在捕捉微小空間梯度和局部排放特征方面的卓越能力。

2.  垂直剖面與通量估算
 通過垂直剖面飛行數(shù)據(jù)，結(jié)合剖面法對大氣邊界層內(nèi) CH? 和 CO? 的通量進(jìn)行了估算。雖然由于測量高度較低和儀器背景信號(hào)的限制，通量計(jì)算中存在一定的不確定性，但整體趨勢與塔式渦動(dòng)協(xié)方差測量結(jié)果顯示出較好的一致性。特別是在東風(fēng)條件下，Aeris Strato 分析儀捕捉到的 CH? 增強(qiáng)信號(hào)為區(qū)域性甲烷排放的研究提供了關(guān)鍵線索，并進(jìn)一步驗(yàn)證了 UAV 平臺(tái)在復(fù)雜環(huán)境中進(jìn)行局地通量估算的潛力。

結(jié)論

本研究表明，基于 UAV 平臺(tái)的原位觀測技術(shù)能夠提供關(guān)于溫室氣體（特別是 CH?）時(shí)空分布的高分辨率數(shù)據(jù)，極大地填補(bǔ)了傳統(tǒng)靜態(tài)設(shè)備在復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)中觀測的空白。其中，Aeris Strato 分析儀作為 CH? 測量的核心組件，憑借其輕量化設(shè)計(jì)、快速響應(yīng)和較高的信號(hào)穩(wěn)定性，成為實(shí)現(xiàn)精細(xì)空間分布和通量估算的關(guān)鍵，確保了數(shù)據(jù)的高精度和可靠性。此外，結(jié)合網(wǎng)格調(diào)查和垂直剖面兩種飛行策略，不僅能夠定性識(shí)別排放熱點(diǎn)，還能通過剖面法直接量化局部通量，為后續(xù)大尺度模型的參數(shù)化提供了寶貴的數(shù)據(jù)支持。未來，隨著飛行策略和量化方法的進(jìn)一步優(yōu)化（例如降低 UAV 上升速度、優(yōu)化測量高度分布等），基于 UAV 的 CH? 與 CO? 測量將為生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程的深入理解以及地面、機(jī)載、衛(wèi)星多尺度數(shù)據(jù)的閉合提供更強(qiáng)有力的支持。整體上，本研究不僅展示了 UAV 平臺(tái)在復(fù)雜自然環(huán)境中進(jìn)行溫室氣體觀測的巨大潛力，而且突出了 Aeris Strato 分析儀在高分辨率 CH? 測量中的應(yīng)用優(yōu)勢。這一技術(shù)進(jìn)步為生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放監(jiān)測提供了新的思路，也為進(jìn)一步縮小局部觀測與區(qū)域、全球尺度之間的差距提供了更有效的方法。