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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(shí)間:2023-05-26      點(diǎn)擊次數:1966

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(guān)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(guān)通量觀(guān)測、近地面大氣廓線(xiàn)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(shí)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(chuàng )新的觀(guān)測技術(shù)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(wú)人機觀(guān)測,可以對區域尺度的溫室氣體排放進(jìn)行評估。其中,由于無(wú)人機溫室氣體觀(guān)測具有機動(dòng)靈活的特點(diǎn),可以幫助研究者們獲取更高時(shí)空分辨率的數據,成為衛星遙感和定點(diǎn)高塔觀(guān)測數據的有益補充。

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衛星、飛機和無(wú)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(diǎn)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(chǎng)的CH4排放。



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LI-7500應用于Sky Arrow ERA 測量平臺 

近些年來(lái),隨著(zhù)激光光譜技術(shù)的進(jìn)步,光反饋-腔增強激光吸收光譜技術(shù)(OF-CEAS)脫穎而出。這種新技術(shù)在極大提高測量精準度(詳見(jiàn)下文的說(shuō)明)的同時(shí),實(shí)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(shí)間——小于2秒;另外這種技術(shù)能耗低,僅為22w,兩節鋰電支持8個(gè)小時(shí)的測量。重量也僅有10.5kg,非常適合在無(wú)人機上使用。

為滿(mǎn)足新興科研需求,北京力高泰科技有限公司與天津飛眼無(wú)人機科技有限公司合作,共同開(kāi)發(fā)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(shù)(OF-CEAS),高精度測量N2O、CH4、CO2濃度,適合移動(dòng)式大氣濃度測量。




測量平臺主要技術(shù)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(yè)園區的溫室氣體排放。



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測量期間假設:(1)工業(yè)園區處于不間斷的常規運行狀態(tài);(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(mǎn)足的低度應大于粗糙度子層(通過(guò)風(fēng)溫濕廓線(xiàn)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(wú)人機應盡量保持勻速運動(dòng)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(fā)展顯著(zhù)的時(shí)間段開(kāi)展測量,一般為上午10:00至下午4:00。同時(shí),為了盡可能減少垂直輸送方向上的誤差,風(fēng)速以2-3級為宜,避免在陰天、雨天等不利氣象條件下開(kāi)展監測。



采用基于控制體積的質(zhì)量守恒法對園區開(kāi)展走航式測量,此方法也稱(chēng)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(gè)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(fēng)向偏西風(fēng)。在2022年12月進(jìn)行試飛。主要進(jìn)行兩方面測量:(1)背景樣地大氣CH4、CO2濃度垂直廓線(xiàn);(2)沿工業(yè)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(guò)程中會(huì )同步采集風(fēng)向、風(fēng)速、空氣溫濕度、大氣壓強、經(jīng)緯度坐標、海拔信息等。

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測量航跡

原始數據質(zhì)量控制QA/QC

采用滑動(dòng)均值濾波方法對所有數據進(jìn)行異常值檢驗,對大于5倍測量數據標準差的點(diǎn)位,標記為異常值并剔除,用線(xiàn)性插值方法進(jìn)行數據插補。一個(gè)測量架次,如果異常數據超過(guò)30%,標記為無(wú)效測量,需要重新補測。




實(shí)驗結果

Results



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

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CO大氣廓線(xiàn)


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CH4 大氣廓線(xiàn)

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

工業(yè)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(lèi)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(wǎng)格化

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CH4數據的空間網(wǎng)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(zhì)量變化與通過(guò)控制體積表面的綜合質(zhì)量通量相等??梢酝ㄟ^(guò)在排放源周?chē)鷺嫿刂企w積,在忽略大氣沉降的情況下,對控制體積四個(gè)表面和上表面進(jìn)行通量計算,然后進(jìn)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(yè)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(shí)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(xué)模型,能夠對特定區域的溫室氣體排放強度進(jìn)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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