背景介紹

全球氣候變化日益嚴峻，溫室氣體（GHG）的排放量及其時空分布成為氣候科學研究的核心問題之一。傳統的測量方法，如固定式渦動協方差塔、手動通量室以及機載和衛星遙感，雖然在各自尺度上發揮了重要作用，但在異質性極強的復雜自然環境（例如北極濕地或遙遠生態系統）中往往難以捕捉到局部細微的排放變化。無人機（UAV）平臺作為一種新興觀測工具，憑借其高空間分辨率、機動靈活和成本相對低廉等優勢，為填補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，采用輕量化、實時連續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隊成功構建了一個先進的 UAV 平臺，該平臺搭載了高精度CH? 和 CO? 分析儀，同時配備超聲波風速儀，用以同時記錄二維風速、溫度、濕度和氣壓。值得注意的是，該團隊引入了 Aeris Strato 分析儀作為 CH? 的測量單元，其輕量化設計和快速響應能力使其特別適用于 UAV 應用，成為實現高空間分辨率甲烷觀測的關鍵技術突破。

研究方法

1. UAV 平臺與儀器集成
本研究所采用的 UAV 平臺為六旋翼飛行器，能夠搭載約 4 kg 的科學載荷，飛行時長達 20 分鐘。平臺上集成了兩臺氣體分析儀：LI-COR Li-850 用于 CO? 測量和 Aeris Strato 用于 CH? 測量，兩者采用串聯連接的方式，通過同一采樣管道獲取同一氣團的樣本。為確保氣體數據的高時空分辨率，同時避免螺旋槳下洗對測量的干擾，儀器安裝位置經過精心布置。此外，集成的 2D 超聲波風速儀能夠實時監測風速、溫度、濕度和氣壓，并通過高頻數據采集（2 Hz 及后續聚合為 1 s 數據）保證數據與飛行軌跡的精確對齊。

2. Aeris Strato 分析儀的應用方法
 Aeris Strato 分析儀作為本研究中 CH? 測量的核心設備，其設計充分考慮了 UAV 平臺對重量、能耗和數據連續性的要求。在實驗室測試中，對 Aeris Strato 的信號穩定性和噪聲特性進行了系統評估。測試結果顯示，在 Aeris Strato經過充分預熱后，其信號穩定性非常優秀，非線性漂移幅度可控制在 4 ppb 以內。此外，通過 Allan 偏差分析，確定了 10 s 平均的最佳采樣時間，在該時段內，CH? 的測量噪聲低于 0.25 ppb，這為后續高精度的野外測量奠定了基礎。

 在實際野外應用中，Aeris Strato 分析儀與 UAV 平臺緊密協同，通過預先設定的飛行策略（包括網格調查和垂直剖面飛行）實現了對大氣邊界層內 CH? 空間分布和通量的高精度捕捉。為了進一步減少儀器漂移和溫度波動對數據的影響，本研究采用了額外的參考分析儀進行交叉校準，確保最終數據在定量上具有較高的可靠性。

結果

1. 高分辨率空間分布
在 Jena 實驗站和 Stordalen Mire 的飛行測試中，Aeris Strato 分析儀提供了連續、精細的 CH? 測量數據。結果顯示，在異質性極強的 Stordalen Mire 區域，區域 1 和區域 2（主要由沼澤和濕地構成）的 CH? 摩爾分數明顯高于主要為干燥地表的區域 3，且 CH? 信號的空間變異性較大。利用網格調查數據，通過克里金插值方法，成功繪制出了詳細的 CH? 分布圖，識別出局部排放熱點。這些結果充分證明了 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據，結合剖面法對大氣邊界層內 CH? 和 CO? 的通量進行了估算。雖然由于測量高度較低和儀器背景信號的限制，通量計算中存在一定的不確定性，但整體趨勢與塔式渦動協方差測量結果顯示出較好的一致性。特別是在東風條件下，Aeris Strato 分析儀捕捉到的 CH? 增強信號為區域性甲烷排放的研究提供了關鍵線索，并進一步驗證了 UAV 平臺在復雜環境中進行局地通量估算的潛力。

結論

本研究表明，基于 UAV 平臺的原位觀測技術能夠提供關于溫室氣體（特別是 CH?）時空分布的高分辨率數據，極大地填補了傳統靜態設備在復雜生態系統中觀測的空白。其中，Aeris Strato 分析儀作為 CH? 測量的核心組件，憑借其輕量化設計、快速響應和較高的信號穩定性，成為實現精細空間分布和通量估算的關鍵，確保了數據的高精度和可靠性。此外，結合網格調查和垂直剖面兩種飛行策略，不僅能夠定性識別排放熱點，還能通過剖面法直接量化局部通量，為后續大尺度模型的參數化提供了寶貴的數據支持。未來，隨著飛行策略和量化方法的進一步優化（例如降低 UAV 上升速度、優化測量高度分布等），基于 UAV 的 CH? 與 CO? 測量將為生態系統碳循環過程的深入理解以及地面、機載、衛星多尺度數據的閉合提供更強有力的支持。整體上，本研究不僅展示了 UAV 平臺在復雜自然環境中進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? 測量中的應用優勢。這一技術進步為生態系統溫室氣體排放監測提供了新的思路，也為進一步縮小局部觀測與區域、全球尺度之間的差距提供了更有效的方法。