旋翼型無人機——捕集百米尺度大氣化學成分的新興手段

　　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重要作用。通常情況下，熱帶雨林生態系統由百米水平尺度的空間異質性景觀構成，包含高地、山丘、谷底等，不同森林地貌可能導致不同植被種類分布，從而造成大氣化學成分在樹冠層上的非均一分布。考慮現有地基通量塔、雷達、飛機航測、衛星遙感等探測技術在熱帶雨林百米水平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布的新興手段。

　　在中國科學院大氣物理研究所研究員辛金元課題組和哈佛大學教授Scot T. Martin課題組的合作支持下，大氣所博士馬永敬使用大渦模型DALES（Dutch Atmospheric Large-Eddy Simulation），模擬分析了亞馬孫熱帶森林晴朗天氣條件下不同壽命化學成分（短壽命成分102 s到長壽命成分108 s）時空分布特征。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）。因此，對于短壽命和中等壽命成分建議在森林冠層附近采樣。這一建議適用于干沉降較弱的成分。對于干沉降較強的成分，其許多復雜的情況可能取決于排放速率、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。對于異質排放景觀的采樣，混合高度隨下墊面異質性尺度的增加而增加（圖2），這種關系直接影響最高建議采樣高度，其上限為行星邊界層高度。例如，亞馬孫熱帶雨林典型的森林異質性尺度為200 m，模擬混合高度為210 m；當異質性尺度增加一倍，即達到400 m時，混合高度增加到700 m。在混合高度以下，無人機采樣高度越高、水平風速越快、物質化學壽命越長，逆風森林排放的影響長度越長、水平位移越大（圖4）。例如，在50米高度采樣時，水平位移為70米，63%影響長度為540米；當采樣高度上升到200米時，水平位移為300米，63%影響長度為1740米。對于長壽命成分，如果其排放速率較高，足以干擾近森林冠層濃度，建議采用與短壽命和中等壽命成分類似的采樣策略；如果排放速率較低，通量塔的近森林冠層采樣結果即可具有很好的區域代表性。

　　湍流分析結果揭示了足夠采樣時間的重要性，特別是對于短壽命和中等壽命成分（圖3）。較長的采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采樣的干擾。模擬結果顯示，對于短壽命和中等壽命物質，采樣時間分別設定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采樣靈敏度的影響。例如，短壽命物質一般具有較低的濃度，因此可能需要較長的采樣時間，如＞10分鐘。而在一天或不同季節，采樣時間也應根據大氣湍流的強度進行調整。

　　該研究為熱帶森林晴朗天氣條件下無人機采樣策略制訂提供了有效參考，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技術研究。

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

　　圖2.點源模型模擬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）的關系。虛線表示大氣邊界層高度（PBLH, h）。圖中物質的化學壽命為103 s

　　圖3.均質模擬區域任意相距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 = 102 s），藍色代表中等壽命物質（τ = 105 s）。（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分鐘采樣）。實線代表高斯擬合

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