【应用】基于无人机 (UAV) 对复杂生态的CH₄ 和CO₂测量

背景介绍

全球气候变化日益严峻，温室气体（GHG）的排放量及其时空分布成为气候科学研究的核心问题之一。传统的测量方法，如固定式涡动协方差塔、手动通量室以及机载和卫星遥感，虽然在各自尺度上发挥了重要作用，但在异质性极强的复杂自然环境（例如北极湿地或遥远生态系统）中往往难以捕捉到局部细微的排放变化。无人机（UAV）平台作为一种新兴观测工具，凭借其高空间分辨率、机动灵活和成本相对低廉等优势，为填补局部测量与大尺度观测之间的空白提供了有力手段。特别是在测量大气边界层中 CO₂ 和 CH₄ 的空间分布时，采用轻量化、实时连续测量的气体分析仪显得尤为重要。

在本研究中，来自德国马克普朗科的研究团队成功构建了一个先进的 UAV 平台，该平台搭载了高精度CH₄ 和 CO₂ 分析仪，同时配备超声波风速仪，用以同时记录二维风速、温度、湿度和气压。值得注意的是，该团队引入了 Aeris Strato 分析仪作为 CH₄ 的测量单元，其轻量化设计和快速响应能力使其特别适用于 UAV 应用，成为实现高空间分辨率甲烷观测的关键技术突破。

研究方法

1. UAV 平台与仪器集成
本研究所采用的 UAV 平台为六旋翼飞行器，能够搭载约 4 kg 的科学载荷，飞行时长达 20 分钟。平台上集成了两台气体分析仪：LI-COR Li-850 用于 CO₂ 测量和 Aeris Strato 用于 CH₄ 测量，两者采用串联连接的方式，通过同一采样管道获取同一气团的样本。为确保气体数据的高时空分辨率，同时避免螺旋桨下洗对测量的干扰，仪器安装位置经过精心布置。此外，集成的 2D 超声波风速仪能够实时监测风速、温度、湿度和气压，并通过高频数据采集（2 Hz 及后续聚合为 1 s 数据）保证数据与飞行轨迹的精确对齐。

2. Aeris Strato 分析仪的应用方法
 Aeris Strato 分析仪作为本研究中 CH₄ 测量的核心设备，其设计充分考虑了 UAV 平台对重量、能耗和数据连续性的要求。在实验室测试中，对 Aeris Strato 的信号稳定性和噪声特性进行了系统评估。测试结果显示，在 Aeris Strato经过充分预热后，其信号稳定性非常优秀，非线性漂移幅度可控制在 4 ppb 以内。此外，通过 Allan 偏差分析，确定了 10 s 平均的最佳采样时间，在该时段内，CH₄ 的测量噪声低于 0.25 ppb，这为后续高精度的野外测量奠定了基础。

 在实际野外应用中，Aeris Strato 分析仪与 UAV 平台紧密协同，通过预先设定的飞行策略（包括网格调查和垂直剖面飞行）实现了对大气边界层内 CH₄ 空间分布和通量的高精度捕捉。为了进一步减少仪器漂移和温度波动对数据的影响，本研究采用了额外的参考分析仪进行交叉校准，确保最终数据在定量上具有较高的可靠性。

结果

1. 高分辨率空间分布
在 Jena 实验站和 Stordalen Mire 的飞行测试中，Aeris Strato 分析仪提供了连续、精细的 CH₄ 测量数据。结果显示，在异质性极强的 Stordalen Mire 区域，区域 1 和区域 2（主要由沼泽和湿地构成）的 CH₄ 摩尔分数明显高于主要为干燥地表的区域 3，且 CH₄ 信号的空间变异性较大。利用网格调查数据，通过克里金插值方法，成功绘制出了详细的 CH₄ 分布图，识别出局部排放热点。这些结果充分证明了 Aeris Strato 分析仪在捕捉微小空间梯度和局部排放特征方面的卓越能力。

2.  垂直剖面与通量估算
 通过垂直剖面飞行数据，结合剖面法对大气边界层内 CH₄ 和 CO₂ 的通量进行了估算。虽然由于测量高度较低和仪器背景信号的限制，通量计算中存在一定的不确定性，但整体趋势与塔式涡动协方差测量结果显示出较好的一致性。特别是在东风条件下，Aeris Strato 分析仪捕捉到的 CH₄ 增强信号为区域性甲烷排放的研究提供了关键线索，并进一步验证了 UAV 平台在复杂环境中进行局地通量估算的潜力。

结论

本研究表明，基于 UAV 平台的原位观测技术能够提供关于温室气体（特别是 CH₄）时空分布的高分辨率数据，极大地填补了传统静态设备在复杂生态系统中观测的空白。其中，Aeris Strato 分析仪作为 CH₄ 测量的核心组件，凭借其轻量化设计、快速响应和较高的信号稳定性，成为实现精细空间分布和通量估算的关键，确保了数据的高精度和可靠性。此外，结合网格调查和垂直剖面两种飞行策略，不仅能够定性识别排放热点，还能通过剖面法直接量化局部通量，为后续大尺度模型的参数化提供了宝贵的数据支持。未来，随着飞行策略和量化方法的进一步优化（例如降低 UAV 上升速度、优化测量高度分布等），基于 UAV 的 CH₄ 与 CO₂ 测量将为生态系统碳循环过程的深入理解以及地面、机载、卫星多尺度数据的闭合提供更强有力的支持。整体上，本研究不仅展示了 UAV 平台在复杂自然环境中进行温室气体观测的巨大潜力，而且突出了 Aeris Strato 分析仪在高分辨率 CH₄ 测量中的应用优势。这一技术进步为生态系统温室气体排放监测提供了新的思路，也为进一步缩小局部观测与区域、全球尺度之间的差距提供了更有效的方法。