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    力高泰新品 ‖ 機載高精度N2O、CH4、CO2溫室氣體測量平臺

    更新時間:2023-05-26      點擊次數:1341

    根據世界氣象組織WMO溫室氣體公報(第18期,2022/10/26),全球平均地表CO2、CH4和N2O的濃度持續增高,其中CO2為415.7±0.2 ppm,CH4為1908±2 ppb,N2O為334.5±0.1 ppb。



    現有溫室氣體觀測方法包括遙感衛星的柱濃度測量、大氣本底濃度測量、城市高塔大氣濃度測量、渦度相關通量觀測、近地面大氣廓線測量、土壤溫室氣體通量測量、地基傅里葉變換光譜法遙測等。


    對于更高時空分辨率的地表測量需求,如近地表溫室氣體泄漏監測、特定區域溫室氣體排放強度評估、衛星遙感溫室氣體數據驗證等,都需要創新的觀測技術和方法。



    目前,遙感衛星可用于大氣柱濃度溫室氣體的測量,結合使用高塔和無人機觀測,可以對區域尺度的溫室氣體排放進行評估。其中,由于無人機溫室氣體觀測具有機動靈活的特點,可以幫助研究者們獲取更高時空分辨率的數據,成為衛星遙感和定點高塔觀測數據的有益補充。

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    衛星、飛機和無人機的典型測量范圍 


    圖源/ Bing Lu等,2020

    前人的部分工作包括:在固定翼飛機上(SkyArrow ERA,意大利Magnaghi Aeronautica S.p.A.公司)搭載LI-7500 二氧化碳和水汽分析儀(Gioli B等,2006,2007;Carotenuto F等,2018),測量大氣邊界層的CO2通量以及估算點源CO2釋放強度;搭載LI-7700甲烷分析儀(Gasbarra D等,2019),研究垃圾填埋場的CH4排放。



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    LI-7500應用于Sky Arrow ERA 測量平臺 

    近些年來,隨著激光光譜技術的進步,光反饋-腔增強激光吸收光譜技術(OF-CEAS)脫穎而出。這種新技術在極大提高測量精準度(詳見下文的說明)的同時,實現了光腔縮小的目標。如LI-COR推出了系列高精度溫室氣體分析儀,光腔體積只有6.41cm3,極大縮短了測量響應時間——小于2秒;另外這種技術能耗低,僅為22w,兩節鋰電支持8個小時的測量。重量也僅有10.5kg,非常適合在無人機上使用。

    為滿足新興科研需求,北京力高泰科技有限公司與天津飛眼無人機科技有限公司合作,共同開發出了機載高精度N2O、CH4、CO2溫室氣體測量平臺。




    采用光反饋-腔增強激光吸收光譜技術(OF-CEAS),高精度測量N2O、CH4、CO2濃度,適合移動式大氣濃度測量。




    測量平臺主要技術參數







    應用案例

    A Pilot Experiment




    使用機載高精度CH4、CO2溫室氣體測量平臺,研究某工業園區的溫室氣體排放。



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    測量期間假設:(1)工業園區處于不間斷的常規運行狀態;(2)飛行測量期間大氣條件穩定;(3)大氣邊界層內溫室氣體和氣象條件的垂直變化遠大于水平變化;(4)測量高度的溫室氣體與空氣混合充分,且以平流為主。


    根據以上條件,飛行需要滿足的低度應大于粗糙度子層(通過風溫濕廓線確定,或估算為研究區內建筑物平均高度的3倍),并位于近地層內。無人機應盡量保持勻速運動并平穩飛行,俯仰角不大于5°,橫滾角不大于20°,盡量保持與地面的相對高度穩定(仿地飛行)。需要在大氣邊界層湍流發展顯著的時間段開展測量,一般為上午10:00至下午4:00。同時,為了盡可能減少垂直輸送方向上的誤差,風速以2-3級為宜,避免在陰天、雨天等不利氣象條件下開展監測。



    采用基于控制體積的質量守恒法對園區開展走航式測量,此方法也稱為自上而下排放強度反演算法(Top-down Emission Rate Retrieval Algorithm, TERRA)。根據對園區不同高度監測斷面的測量數據,計算得到東西南北四個斷面的平流通量以及垂直向上的溫室氣體排放強度。
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    飛行中的機載高精度CH4、CO2溫室氣體測量平臺





    樣地與方法

    Materials and Methods



    該樣地平均海拔1400m,年降雨量小于300mm,主導風向偏西風。在2022年12月進行試飛。主要進行兩方面測量:(1)背景樣地大氣CH4、CO2濃度垂直廓線;(2)沿工業園區外圍飛行,測量垂直大氣方向上CH4和CO2濃度。另外,飛行過程中會同步采集風向、風速、空氣溫濕度、大氣壓強、經緯度坐標、海拔信息等。

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    測量航跡

    原始數據質量控制QA/QC

    采用滑動均值濾波方法對所有數據進行異常值檢驗,對大于5倍測量數據標準差的點位,標記為異常值并剔除,用線性插值方法進行數據插補。一個測量架次,如果異常數據超過30%,標記為無效測量,需要重新補測。




    實驗結果

    Results



    背景樣地大氣廓線
    就CO2而言,飛行上升過程測量的CO2濃度要低于在下降過程中測量的濃度。在飛行上升過程中,近地面測得的CO2濃度高,約為715mg/m3;隨著測量高度的攀升,CO2濃度存在下降的趨勢,在1900m至2000m時,CO2濃度降低至約680mg/m3。在下降過程中,2000-1900米區間內存在一個小高峰,濃度約為800mg/m3,約1600m-1700m之間存在一個峰值,濃度約為900mg/m3。

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    CO大氣廓線


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    CH4 大氣廓線

    就CH4而言,飛行上升過程測量的CH4濃度要略低于在下降過程中測量的濃度。近地表的CH4濃度高,約為1.24mg/m3。隨著高度增加,CH4濃度下降,在2020米左右時,CH4濃度降至1.16 mg/m3。

    工業園區
    在園區南部,測量得到3處高CO2濃度區,一處距離地表75-100m處,濃度約為495ppm;第二處距地面175-200m處,濃度約為505ppm;第三處距地面100-125m,濃度約為520ppm。CH4數據類似,距離地面100-125m處,存在CH4高濃度區域,濃度約3794.35ppb。

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    CO2數據的空間網格化

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    CH4數據的空間網格化

    排放強度計算
    根據標量守恒方程和散度定理,認為控制體積內的質量變化與通過控制體積表面的綜合質量通量相等??梢酝ㄟ^在排放源周圍構建控制體積,在忽略大氣沉降的情況下,對控制體積四個表面和上表面進行通量計算,然后進行積分,最終獲得排放控制體積內部的排放強度。
    數據顯示,該工業園的CO2的排放強度約為12.539 kg/s ± 0.640 kg/s;CH4排放強度為 21.521 g/s ±3.424 g/s。


    實驗結論

    Conclusions



    使用機載高精度N2O、CH4、CO2溫室氣體測量平臺,結合數學模型,能夠對特定區域的溫室氣體排放強度進行定量評估。

    參考文獻


    【1】世界氣象組織溫室氣體公報 - 第18期

    【2】Bing Lu, Phuong D. Dao, Jiangui Liu, Yuhong He, Jiali Shang. 2020. Recent advances of hyperspectral imaging technology and applications in agriculture. Remote Sensing 12(16): 1-44.

    【3】Carotenuto F, Gualtieri G, Miglietta F, et al. Industrial point source CO 2 emission strength estimation with aircraft measurements and dispersion modelling[J]. Environmental monitoring and assessment, 2018, 190: 1-15.

    【4】Gasbarra D, Toscano P, Famulari D, et al. Locating and quantifying multiple landfills methane emissions using aircraft data[J]. Environmental Pollution, 2019, 254: 112987.

    【5】Gioli B, Miglietta F, Vaccari F P, et al. The Sky Arrow ERA, an innovative airborne platform to monitor mass, momentum and energy exchange of ecosystems[J]. 2006.


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