Согласно Бюллетеню ВМО по парниковым газам Всемирной метеорологической организации (№ 18, 2022 / 10 / 26), глобальный средний уровень поверхностного CO2и CH4& N2Концентрация O продолжает расти, в том числе CO2Для 415,7 ± 0,2 ppm, CH4Для 1908 ± 2 ppb, N2О = 334,5 ± 0,1 ppb.

Существующие методы наблюдения за парниковыми газами включают измерение концентрации в столбах со спутников дистанционного зондирования, измерение фоновой концентрации в атмосфере, измерение концентрации в атмосфере в городских башнях, наблюдение за потоками, связанными с вихрями, измерение профилей околоземной атмосферы, измерение потока парниковых газов в почве, телеметрию с помощью спектроскопии преобразования Фурье на основе земли и т.д.

Потребности в наземных измерениях с более высоким пространственно - временным разрешением, напримерМониторинг утечки парниковых газов вблизи поверхности Земли, оценка интенсивности выбросов парниковых газов в конкретных регионах, проверка данных о парниковых газах, полученных с помощью спутникового дистанционного зондированияВсе это требует инновационных технологий и методов наблюдения.

В настоящее время спутники дистанционного зондирования могут использоваться для измерения концентрации парниковых газов в атмосферном столбе, а выбросы парниковых газов в региональном масштабе могут оцениваться в сочетании с наблюдениями с помощью вышек и беспилотных летательных аппаратов. В том числе, посколькуНаблюдение парниковых газов беспилотными летательными аппаратами отличается гибкостьюЭто поможет исследователям.Получение данных с более высоким пространственно - временным разрешениемОн является полезным дополнением к данным спутникового дистанционного зондирования и наблюдений с фиксированной точки.

Типичный диапазон измерений для спутников, самолетов и беспилотных летательных аппаратов

Источник / Bing Lu и другие, 2020

Часть работы бывшего сотрудника включала:SkyArrow ERA， Итальянская компания Magnaghi Aeronautica S.p.A.) ПеревозкаLI - 7500 Анализатор углекислого газа и водяного пара(Gioli B et al. 2006, 2007; Carotenuto F et al., 2018), измерение CO в атмосферном пограничном слое2Потоки и источники оценки CO2Интенсивность высвобождения; На бортуLI - 7700 Метановый анализатор(Gasbarra D и др., 2019), исследование CH свалок4Выбросы.

LI - 7500 для измерительной платформы Sky Arrow ERA

В последние годы, с развитием лазерной спектроскопии,оптическая обратная связь - усиление полостиспектр поглощения лазераТехнологии (OF - CEAS)Выделиться. Эта новая технология значительно улучшается.Точность измерений (подробнее см. ниже)В то же время реализованоУменьшение полостиЦели на 2004 2005 годы. Например, LI - COR выпустила серию высокоточных анализаторов парниковых газов, объем полости только6.41см3Это значительно сокращает время отклика на измерения -Менее 2 секундКроме того, эта технология имеет низкое потребление энергии, всего 22 Вт, и два лития поддерживают 8 часов измерений. Вес также составляет всего 10,5 кг и идеально подходит для использования в беспилотных летательных аппаратах.

Чтобы удовлетворить новые потребности в научных исследованиях, Beijing Ligaotai Technology Co., Ltd. и Tianjin Flying беспилотные летательные аппараты Technology Co., Ltd. совместно разработалиВысокая точность N2О, CH4и CO2Платформа для измерения парниковых газовА.

Использование оптической обратной связи - резонаторной лазерной абсорбционной спектроскопии (OF - CEAS), высокоточные измеренияН2О, CH4и CO2Концентрация, подходит для мобильных измерений концентрации в атмосфере.

• Выпущено в 2018 году
  LI - 7810 Высокая точность CH4и CO2и H2О - анализатор
  LI - 7815 Высокоточный CO2и H2О - анализатор
  
• Запуск в 2020 году
  LI - 7820 Высокая точность NO2и H2О - анализатор
• Запуск в 2023 году
  LI - 7825 Высокоточный CO2同位素、 НХ3Анализатор

Основные технические параметры измерительной платформы

• ОранжереяГазометрияВремя отклика (T10 - T90): 2s
• Точность измерений:
  КО2А.0.04ppm@400ppm(Средние данные 5s)
  CH4А.0.25ppb@2000ppb(Средние данные 5s)

  Н2О:0.20ppb@330ppb(Средние данные 5s)

  
  

  Точность LI - 7825
  δ13С
  1 секундный сигнал в среднем < 0,5 промилле; Сигнал за 5 минут в среднем 0,04 промилле.
  δ18О
  5 - минутный сигнал в среднем < 0,1 промилле @ 400 ppm
  δ17О
  5 - минутный сигнал в среднем < 0,4 промилле @ 400 ppm

• Взлетный вес: 45 кг
• Время работы: > 45 минут
• Стандартная крейсерская скорость: 8 м / с
• max巡航速度： 15 м/с
• Устойчивость к ветру: max5 класс
• Условия использования: - 20°C ~ 45°C; Летать под дождем
• Высота измерения: 0 - 2000m

Примеры применения

Пилотный эксперимент

использоватьВысокая точность CH4и CO2Платформа для измерения парниковых газовИзучение выбросов парниковых газов в промышленном парке.

Предположения периода измерения: (1)Индустриальный паркВ постоянном рабочем состоянии; (2) Стабильность атмосферных условий во время летных измерений; 3) вертикальные изменения парниковых газов и метеорологических условий в пограничном слое атмосферы значительно превышают горизонтальные изменения; (4) Парниковые газы, измеряющие высоту, адекватно смешиваются с воздухом и преобладают в адвекции.

В соответствии с вышеуказанными условиями низкая степень, требуемая для полета, должна быть больше подслойки шероховатости (определяемой линией влажности ветровой температуры или оцениваемой в 3 раза выше средней высоты здания в исследуемом районе) и находиться в околоземном слое. БПЛА должен стараться поддерживать равномерное движение и плавный полет, угол тангажа не более 5 °, угол поперечного крена не более 20 °БСтарайтесь поддерживать относительную высотную стабильность с землей (имитационный полет). Измерения необходимо проводить в периоды, когда турбулентность в пограничном слое атмосферы заметно развивается, как правило, с 10: 00 до 16: 00. В то же время, чтобы свести к минимуму погрешность в направлении вертикальной доставки, скорость ветра должна быть 2 - 3 балла, чтобы избежать мониторинга в неблагоприятных метеорологических условиях, таких как пасмурные и дождливые дни.

Для навигационных измерений парка используется метод сохранения массы на основе контролируемого объема, также известный как алгоритм инверсии интенсивности выбросов сверху вниз (Top - down Emission Rate Retrieval Algorithm, TERRA). На основе измерений профилей мониторинга различных высот парка были рассчитаны адвективные потоки по четырем профилям с востока на запад с севера на юг иВертикальноПовышение интенсивности выбросов парниковых газов.

Высокая точность в полете CH4и CO2Платформа для измерения парниковых газов

Тип и метод

Материалы и методы

Средняя высота над уровнем моря составляет 1400 м, годовое количество осадков составляет менее 300 мм, преобладает западный ветер. Испытательный полет состоится в декабре 2022 года. Проводятся преимущественно двухсторонние измерения: (1) фоновая атмосфераCH4и CO2концентрацияВертикальный профиль; (2) Полет по периметру индустриального парка для измерения CH в вертикальном направлении атмосферы4& CO2Концентрация. Кроме того, во время полета будет синхронно собираться направление ветра, скорость ветра, температура и влажность воздуха, атмосферное давление, координаты широты и долготы, информация о высоте и так далее.

Измерение траектории полёта

Контроль качества исходных данных QA / QC

Все данные проверяются на аномалии методом фильтрации скользящего среднего значения, а точки, превышающие стандартное отклонение измеренных данных в 5 раз, маркируются как аномалии и удаляются, а интерполяция данных осуществляется методом линейной интерполяции. Один измерительный самолето - вылет, если аномальные данные превышают 30%, помечен как недействительное измерение, требует повторного измерения.

результаты эксперимента

Результаты

профиль атмосферы фонового типа

就CO2Что касается CO, измеренного в процессе восхождения в полёте,2Концентрация ниже, чем та, которая была измерена во время снижения. CO, измеренная вблизи Земли во время полёта2Высокая концентрация, около 715мг/м3При измерении высоты, CO2Концентрация имеет тенденцию к снижению, от 1900 до 2000m, CO2Снижение концентрации до 680мг/м3.Во время спуска, в интервале 2000 - 1900 метров сохраняется небольшой пик, концентрация около 800мг/м3Существует пик между 1600 м - 1700 м, концентрация около 900мг/м3А.

КО2 Атмосферный профиль

CH4Атмосферный профиль

Только CH4Что касается CH, измеренного процессом подъема в полёте,4Концентрация несколько ниже, чем та, которая была измерена во время снижения. Приблизительно к поверхности CH4Высокая концентрация, около 1,24 мг /м3С увеличением высоты, CH4Концентрация снижается, а концентрация CH4 снижается до 1,16 мг / около 2020 мм3А.

Индустриальный парк

В южной части парка было измерено 3 высоких CO2Зона концентрации, на расстоянии 75 - 100 м от поверхности, концентрация около 495 ppm; Второе место находится на расстоянии 175 - 200m от поверхности земли, концентрация около 505ppm; Третье место находится на расстоянии 100 - 125 м от земли, концентрация около 520 ppm. CH4Данные схожи,Расстояние до земли 100 - 125 м, наличие CH4Область высокой концентрации, концентрация около 3794,35 ppb.

КО2Пространственная сетка данных

CH4Пространственная сетка данных

Расчет интенсивности выбросов

Согласно уравнению скалярного сохранения и теореме рассеяния, изменение массы в регулируемом объеме считается равным совокупному потоку массы через контрольную поверхность объема. Можно рассчитать поток на четырех поверхностях и верхних поверхностях контролируемого объема без учета атмосферного осаждения путем построения контрольного объема вокруг источника выбросов, а затем интегрировать, чтобы в конечном итоге получить интенсивность выбросов внутри контрольного объема выбросов.

Данные показывают, что CO в индустриальном парке2Интенсивность выбросов составляет около12,539 кг/с ± 0,640 кг/сCH;4Интенсивность выбросов составляет21,521 г/с ±3,424 г/сА.

Экспериментальные выводы

Выводы

использоватьВысокая точность N2О, CH4и CO2Платформа для измерения парниковых газов，Комбинированная математическая модельВозможность для конкретных регионовИнтенсивность выбросов парниковых газовПроведение количественных оценок.

Список литературы

[1] Бюллетень Всемирной метеорологической организации по парниковым газам - № 18

【2】Бинг Лу, Фуон Д. Дао, Цзянгуи Лю, Юхонг Хэ, Цзяли Шан. 2020. Недавние достижения технологии гиперспектрального изображения и применения в сельском хозяйстве. Дистанционное зондирование 12(16): 1-44.

Carotenuto F, Gualtieri G, Miglietta F и др. Оценка мощности выбросов CO2 из промышленных точечных источников с помощью измерений воздушных судов и моделирования дисперсии. Экологический мониторинг и оценка, 2018, 190: 1-15.

Gasbarra D, Toscano P, Famulari D и др. Расположение и количественное определение выбросов метана на нескольких свалках с использованием данных воздушных судов. Загрязнение окружающей среды, 2019, 254: 112987.

Gioli B, Miglietta F, Vaccari F P, et al. Sky Arrow ERA, инновационная воздушная платформа для мониторинга обмена массой, импульсом и энергией экосистем. 2006.