隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快和能源消費(fèi)的持續(xù)增長，全球溫室氣體排放量不斷攀升，導(dǎo)致氣候變化問題日益嚴(yán)峻。為了有效應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，各國紛紛制定減排目標(biāo)，并加強(qiáng)碳監(jiān)測工作。碳監(jiān)測作為理解溫室氣體排放、評估碳匯能力的重要手段，其重要性不言而喻。2016年，我們發(fā)射了全球大氣二氧化碳觀測科學(xué)實(shí)驗衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)了基于衛(wèi)星的“自上而下”碳監(jiān)測。
傳統(tǒng)的碳監(jiān)測方法主要依賴于地面站點(diǎn)觀測和衛(wèi)星遙感監(jiān)測，這兩種方法各有優(yōu)劣，但也存在明顯的局限性。地面站點(diǎn)觀測雖然精度高，但站點(diǎn)分布稀疏，難以全面覆蓋廣闊的地域范圍；而衛(wèi)星遙感監(jiān)測雖然具有全球覆蓋的優(yōu)勢，但受云層覆蓋、觀測角度和觀測時間等因素影響，其數(shù)據(jù)精度和時間分辨率有限。因此，迫切需要一種新的監(jiān)測技術(shù)來彌補(bǔ)這些不足。
為了更全面地掌握碳排放和碳匯的動態(tài)變化，我們不斷探索新的監(jiān)測技術(shù)和方法，低成本地基無人機(jī)協(xié)同碳觀測網(wǎng)絡(luò)（Low-cost UAV Coordinated Carbon observation Network，LUCCN）便應(yīng)運(yùn)而生。
實(shí)驗中的地基觀測設(shè)備和無人機(jī)飛行陣列（圖片來源：趙桐暉攝）
LUCCN系統(tǒng)主要由無人機(jī)機(jī)群和地面觀測設(shè)備兩大部分組成。無人機(jī)機(jī)群負(fù)責(zé)動態(tài)監(jiān)測大氣中二氧化碳濃度的變化，通過多無人機(jī)協(xié)同的方式提高信息收集效率；地面觀測設(shè)備則負(fù)責(zé)整體狀態(tài)的監(jiān)測，形成靜態(tài)與動態(tài)、背景與示蹤的互補(bǔ)觀測。兩者數(shù)據(jù)共享，由中央決策處理系統(tǒng)統(tǒng)一分析并指揮無人機(jī)的下一步飛行部署。
通過結(jié)合無人機(jī)和地面觀測設(shè)備的優(yōu)勢，LUCCN系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對小區(qū)域（如工業(yè)園區(qū)、城市等）碳排放的高時頻、高空間分辨率監(jiān)測，為碳監(jiān)測領(lǐng)域帶來了新的突破。
LUCCN系統(tǒng)示意圖（圖片來源：《大氣科學(xué)進(jìn)展》2024年第1期封面）
LUCCN系統(tǒng)的工作原理主要分為三個方面：
無人機(jī)動態(tài)監(jiān)測：無人機(jī)搭載高精度二氧化碳濃度傳感器，在空中按照預(yù)設(shè)的飛行軌跡進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測。通過多無人機(jī)協(xié)同作業(yè)，可以實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)二氧化碳濃度的全面覆蓋和連續(xù)觀測。
地面觀測補(bǔ)充：地面觀測設(shè)備負(fù)責(zé)在固定點(diǎn)位進(jìn)行長時間連續(xù)觀測，以獲取背景濃度的變化情況。這些數(shù)據(jù)為無人機(jī)監(jiān)測提供了重要的參考和補(bǔ)充。
數(shù)據(jù)共享與分析：無人機(jī)和地面觀測設(shè)備收集到的數(shù)據(jù)通過無線傳輸方式返回中央決策處理系統(tǒng)。系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一分析處理，并根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整無人機(jī)的飛行軌跡和監(jiān)測策略。
相比傳統(tǒng)的碳監(jiān)測方法，LUCCN系統(tǒng)具有顯著的數(shù)據(jù)優(yōu)勢。首先，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對小區(qū)域的高時頻、高空間分辨率監(jiān)測，填補(bǔ)了衛(wèi)星遙感監(jiān)測在這一方面的空白。其次，無人機(jī)和地面觀測設(shè)備的協(xié)同作業(yè)使得系統(tǒng)能夠獲取更加全面和詳細(xì)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，為科研人員提供了更加豐富的研究素材。
LUCCN系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用場景。首先，該系統(tǒng)可以用于工業(yè)園區(qū)、城市等小區(qū)域的碳排放監(jiān)測，幫助政府和企業(yè)了解自身的碳排放情況并制定減排措施。其次，該系統(tǒng)還可以用于生態(tài)碳匯的監(jiān)測和評估，為生態(tài)保護(hù)和環(huán)境治理提供科學(xué)依據(jù)。此外，LUCCN系統(tǒng)還可以與其他監(jiān)測手段相結(jié)合，形成更加完善的碳監(jiān)測體系。
LUCCN系統(tǒng)和衛(wèi)星監(jiān)測在數(shù)據(jù)層面存在明顯的差異。衛(wèi)星監(jiān)測主要針對全球范圍進(jìn)行監(jiān)測，側(cè)重于大氣柱內(nèi)二氧化碳濃度的變化。這種監(jiān)測方式雖然具有全球覆蓋的優(yōu)勢，但無法獲取近地面層二氧化碳的詳細(xì)變化情況。
而LUCCN系統(tǒng)則更側(cè)重于近地面層二氧化碳的精細(xì)監(jiān)測，能夠提供更詳細(xì)的局部數(shù)據(jù)。兩者數(shù)據(jù)雖不同，但通過數(shù)據(jù)同化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的融合與應(yīng)用，更全面地了解碳源與碳匯的分布情況。
衛(wèi)星監(jiān)測和LUCCN系統(tǒng)在應(yīng)用場景上也存在互補(bǔ)關(guān)系。衛(wèi)星監(jiān)測具有全球覆蓋的優(yōu)勢，適用于大范圍的碳監(jiān)測任務(wù)；而LUCCN系統(tǒng)則更適用于小范圍的精細(xì)監(jiān)測任務(wù)。兩者在應(yīng)用場景上形成互補(bǔ)關(guān)系，共同為碳監(jiān)測提供全面而詳細(xì)的數(shù)據(jù)支持。
正如LUCCN這個名字一樣，前半部分“Luc”是“Luck”的諧音，后半部分“CN”，則代表了中國。我們希望可以通過碳監(jiān)測，為國家的“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)提供科技力量的支撐，LUCCN也是我們團(tuán)隊對我國“雙碳”戰(zhàn)略的祝福。
未來我們研究團(tuán)隊還將繼續(xù)深化天空地一體化碳監(jiān)測體系和碳核算體系的研究，探索更多新的研究方向。同時，當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)如數(shù)據(jù)覆蓋度不夠、觀測細(xì)致程度不足等還需要團(tuán)隊的不懈努力，我們會研制更多衛(wèi)星和監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，提升數(shù)據(jù)的全面性和深度，以更好地助力雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。
LUCCN系統(tǒng)的誕生與應(yīng)用，是中國在碳監(jiān)測領(lǐng)域的一次重要創(chuàng)新。它不僅填補(bǔ)了傳統(tǒng)衛(wèi)星監(jiān)測的空白，更為實(shí)現(xiàn)碳源的精細(xì)監(jiān)測提供了有力支持。隨著科研的深入和技術(shù)的不斷發(fā)展，我們有理由相信，中國將在碳監(jiān)測領(lǐng)域取得更多突破，為全球氣候變化研究貢獻(xiàn)更多中國智慧和中國方案。
