大氣物理所丨ESS,熱帶森林旋翼型無人機大氣化學採樣科技優化研究

大氣化學成分在熱帶雨林生態系統功能和氣候變化中發揮著重要作用。在混合高度以下,無人機採樣高度越高、水准風速越快、物質化學壽命越長,逆風森林排放的影響長度越長、水准位移越大(圖4)。例如在50米高度採樣時,水准位移為70米,63%影響長度為540米,而當採樣高度上升到200米時,水准位移為300米,63%影響長度為1740米。

大氣化學成分在熱帶雨林生態系統功能和氣候變化中發揮著重要作用。通常情况下,熱帶雨林生態系統由百米水准尺度的空間異質性景觀構成,包含高地、山丘、穀底等,不同森林地貌可能導致不同植被種類分佈,從而造成大氣化學成分的在樹冠層上的非均一分佈。考慮現有地基通量塔、雷達、飛機航測、衛星遙感等探測科技在熱帶雨林百米水准尺度上外場探測的局限性,旋翼型無人機(Unmanned Aerial Vehicles,UAVs)成為一種可有效捕集百米尺度大氣化學成分分佈的新興手段。

在中國科學院大氣物理研究所辛金元研究員課題組和哈佛大學Scot T. Martin教授課題組的合作支持下,馬永敬博士使用大渦模型DALES(Dutch Atmospheric Large-Eddy Simulation),類比分析了亞馬遜熱帶森林晴朗天氣條件下不同壽命化學成分(短壽命成分102s到長壽命成分108s)時空分佈特徵。結果表明:受化學反應影響,短壽命和中等壽命成分濃度隨海拔高度顯著下降(圖1d,1e)。囙此,對於短壽命和中等壽命成分建議在森林冠層附近採樣。這一建議適用於幹沉降較弱的成分。對於幹沉降較强的成分,其許多複雜的情况可能取決於排放速率、風速和上風向排放的局地異質性等因素,未來需要進行更系統的探索研究。對於異質排放景觀的採樣,混合高度隨下墊面異質性尺度的新增而新增(圖2),這種關係直接影響最高建議採樣高度,其上限為行星邊界層高度。例如,亞馬遜熱帶雨林典型的森林異質性尺度為200m,類比混合高度為210m;當異質性尺度新增一倍,即達到400m時,混合高度新增到700m。在混合高度以下,無人機採樣高度越高、水准風速越快、物質化學壽命越長,逆風森林排放的影響長度越長、水准位移越大(圖4)。例如在50米高度採樣時,水准位移為70米,63%影響長度為540米,而當採樣高度上升到200米時,水准位移為300米,63%影響長度為1740米。對於長壽命成分,如果其排放速率較高,足以干擾近森林冠層濃度,建議採用與短壽命和中等壽命成分類似的採樣策略;如果排放速率較低,通量塔的近森林冠層採樣結果即可以具有很好的區域代表性。

湍流分析結果揭示了足够的採樣時間的重要性,特別是對於短壽命和中等壽命成分(圖3)。較長的採樣時間可抵消掉大氣湍流脈動對無人機在特定時空點懸停採樣的干擾。類比結果顯示對於短壽命和中等壽命物質,採樣時間分別設定10分鐘和5分鐘為最佳。當然,該建議同樣需要考慮物種濃度和儀器採樣靈敏度的影響。例如,短壽命物質一般具有較低的濃度,囙此可能需要較長的採樣時間,如>10分鐘。而在一天或不同季節,採樣時間也應根據大氣湍流的强度進行調整。

該研究為熱帶森林晴朗天氣條件下無人機採樣策略制訂提供了有效參攷,研究方法可擴展到其他生態系統(如寒帶針葉林、溫帶森林)與城鎮地區無人機探測科技研究。

圖1.化學壽命為(a)102s(短壽命),(b)105s(中等壽命),(c)108s(長壽命)物質濃度空間分佈。(d)、(e)和(f)為每種成分水准平均濃度的垂直廓線。該結果為均質排放0.5 ppb m s-1場景類比設定,對應1.2×1010mol m-2s-1[Gu et al.,2017]。

圖2.點源模型類比單一下墊面排放對大氣總濃度的貢獻。(a)-(d)代表不同尺度下墊面的異質性:(a)100 m、(b)200 m、(c)400 m和(d)800 m。(e)為混合高度(y)與下墊面異質性尺度(x)的關係。虛線表示大氣邊界層高度(PBLH,h)。圖中物質的化學壽命為103s。

圖3.均質類比區域任意相距1000米的兩點近地面濃度比值R的概率密度函數。圖中紅色代表短壽命物質(τ=102s),藍色代表中等壽命物質(τ=105s)。(a)-(f)分別對應60 min,30 min,20 min,10 min,5 min和20 min(隨機挑選4個5分鐘採樣)。實線代表高斯擬合。

圖4.受體模型表徵影響長度λ(黃色條:表示無人機採樣濃度貢獻0-63%的上風向區域)和水准位移δ(藍色條:表示與水准平流相關的零影響區)與無人機不同採樣高度的關係。森林樹冠層高度為30米。圖中以化學壽命為103s的物種為例。

Citation:

Yongjing Ma,Jianhuai Ye,Igor Oliveira Ribeiro,Jordi Vilà-Guerau de Arellano,Jinyuan Xin,Wenyu Zhang,Rodrigo Augusto Ferreira de Souza,and Scot T. Martin*(2021).Optimization and representativeness of atmospheric chemical sampling by hovering unmanned aerial vehicles over tropical forests.Earth and Space Science,8,e2020EA001335.

https://doi.org/10.1029/2020EA001335.

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資料標籤: 無人機
本文標題: 大氣物理所丨ESS,熱帶森林旋翼型無人機大氣化學採樣科技優化研究
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