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【應(yīng)用】基于無(wú)人機(jī)系統(tǒng)(UAS)的甲烷排放測(cè)量

發(fā)布人:rxzhang 來(lái)源: 發(fā)布時(shí)間:2024-05-06 23:04:25


概述
甲烷作為一種強(qiáng)效溫室氣體,在氣候變化中扮演著重要角色。準(zhǔn)確測(cè)量甲烷排放對(duì)于了解和減緩其環(huán)境影響至關(guān)重要。傳統(tǒng)方法通常缺乏精確性,并且在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集方面存在困難,因此需要?jiǎng)?chuàng)新解決方案。近日,Jonathan F. Dooley等科學(xué)家團(tuán)隊(duì)成功開(kāi)發(fā)了一種高靈敏度無(wú)人機(jī)系統(tǒng),無(wú)人機(jī)系統(tǒng)(UAS)與先進(jìn)傳感器(Aeris傳感器)的集成提供了一種有望徹底改變甲烷排放測(cè)量的方法, 通過(guò)分析C2H6/CH4比值,研究人員成功區(qū)分了生物源和熱源甲烷排放,并能夠?qū)Σ煌瑏?lái)源的甲烷排放進(jìn)行精確量化。

該系統(tǒng)已用于直接量化點(diǎn)源排放,以及像垃圾填埋場(chǎng)這樣的分布式排放源,其測(cè)量能力覆蓋排放速率0.04kg/h~1500kg/h(最低檢測(cè)限約0.007kg/h),排放速率量化下限超過(guò)衛(wèi)星和飛機(jī)CH4監(jiān)測(cè)系統(tǒng),有助于減小和彌合基于地面和自上而下的測(cè)量系統(tǒng)之間的測(cè)量差距。通過(guò)CH4和C2H6混合比、矢量風(fēng)速和位置數(shù)據(jù)的同時(shí)測(cè)量使得源分類(生物源與熱源)、區(qū)分和排放速率無(wú)需對(duì)風(fēng)、垂直混合或其他環(huán)境條件進(jìn)行建模或先驗(yàn)假設(shè)。該UAS已在美國(guó)西南部部署用于系統(tǒng)驗(yàn)證和有針對(duì)性地量化各種低于其他飛機(jī)和衛(wèi)星系統(tǒng)檢測(cè)限的源頭。該系統(tǒng)提供了一種直接、可重復(fù)的方法,用于水平和垂直剖面排放羽流,提供了對(duì)于區(qū)域空中調(diào)查以及本地地面監(jiān)測(cè)提供互補(bǔ)信息的尺度。該工作于2024年3月19日發(fā)表于EGUSphere上(https://doi.org/10.5194/egusphere-2024-760)。


方法
該研究利用了配備快速(1 Hz)又靈敏(CH4:1ppb;C2H6:0.5ppb)的Aeris MIRA傳感器的集成無(wú)人機(jī)系統(tǒng)。Aeris MIRA傳感器以其高靈敏度和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集能力而聞名,可以精確測(cè)量甲烷濃度。傳感器利用3.3μm CH4吸收帶的強(qiáng)吸收能力,其CH4靈敏度為0.84ppb/s,而對(duì)乙烷(C2H6)的靈敏度小于0.5ppb/s。無(wú)人機(jī)系統(tǒng)被策略性地操控,圍繞著目標(biāo)源(如油氣井、廢棄井、污水處理廠和垃圾填埋場(chǎng))展開(kāi)多次飛行,以捕獲全面的數(shù)據(jù)。該工作綜合評(píng)估了相對(duì)風(fēng)速調(diào)整、背景混合比估算、飛行模式選擇和直接通量量化等,確保測(cè)量精度最優(yōu)。

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)(UAS)設(shè)計(jì)概述。(左)系統(tǒng)框圖:(A)Trisonica Mini氣象傳感器(TWS),(B)雙開(kāi)口采樣器進(jìn)氣口,(C)Matrice 600 Pro無(wú)人機(jī)(M600P UAV),(D)Raspberry Pi 4機(jī)載計(jì)算機(jī),以及(E)Aeris MIRA Pico傳感器。TWS和采樣器進(jìn)氣口(A和B)安裝在M600P旋翼之上85cm高的碳纖維管桅桿上
高斯羽流模擬飛行:(頂部)排放源直下風(fēng)處X米處的羽流橫截面,模擬的橫截線顯示為虛線。(中部) 在恒定水平橫截線速度Vs下的模擬橫截面重采樣。(底部) 中心線水平位置的隨機(jī)變化,模擬變化的風(fēng)條件和時(shí)間上分離的羽流橫截面


結(jié)果
Aeris MIRA傳感器與無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的集成產(chǎn)生了顯著結(jié)果。傳感器的高靈敏度使其能夠檢測(cè)到低至20 ppb的CH4增強(qiáng)和2ppb的C2H6增強(qiáng),超過(guò)了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法的測(cè)量能力。

從東側(cè)(左下角)、南側(cè)(右下角)和從上方(右上角)觀察的羽流橫截線飛行模式
兩次下風(fēng)處天然氣點(diǎn)源的試飛中CH4和C2H6基線估計(jì)殘差(ε0 = χ0 ? χbg)的分布。對(duì)于CH4和C2H6增強(qiáng)檢測(cè),3σ置信區(qū)間(99.7%)約為20 ppb和2 ppb


無(wú)人機(jī)通過(guò)量化從每小時(shí)0.040千克(kg/h)到排放達(dá)到1500 kg/h的受控釋放的廣泛范圍內(nèi)的排放量,展示了該系統(tǒng)的寬動(dòng)態(tài)范圍。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集促進(jìn)了即時(shí)分析和決策制定,提高了排放量量化的效率。

2022年11月的8次獨(dú)立飛行中無(wú)人機(jī)計(jì)算的通量與相應(yīng)解盲計(jì)量排放的比較顯示出了非常高的一致性。左圖突出了UAS的寬動(dòng)態(tài)范圍。右圖側(cè)重于大多數(shù)飛機(jī)量化方法檢測(cè)限度以下的排放率
新墨西哥州垃圾填埋場(chǎng)的示例飛行
新墨西哥州索科羅市污水處理的廠示例飛行
多個(gè)獨(dú)立場(chǎng)地的乙烷與甲烷增強(qiáng)比率,不同排放源都展示出了乙烷與甲烷增強(qiáng)比率的穩(wěn)定性
不同排放源估算甲烷通量的比較。無(wú)人機(jī)系統(tǒng)具有較大的動(dòng)態(tài)范圍,能夠量化來(lái)自較小源(小于1千克/小時(shí))的排放速率。水平虛線顯示了與本系統(tǒng)估算的下限(約0.007千克/小時(shí))相對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星和飛機(jī)量化方法的絕對(duì)最低檢測(cè)限


Aeris MIRA傳感器的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用
高靈敏度:Aeris MIRA傳感器卓越的靈敏度使其能夠檢測(cè)到微小的甲烷增強(qiáng),這對(duì)于準(zhǔn)確量化甲烷排放甚至來(lái)自低強(qiáng)度源的排放至關(guān)重要。
實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集:傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集的能力提供了即時(shí)反饋,允許現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整和優(yōu)化測(cè)量策略。
寬動(dòng)態(tài)范圍:從檢測(cè)微量甲烷濃度到測(cè)量大規(guī)模排放,Aeris MIRA傳感器展示了廣泛的動(dòng)態(tài)范圍,適用于各種應(yīng)用場(chǎng)景。
精確性和準(zhǔn)確性:Aeris MIRA傳感器在甲烷測(cè)量方面的精確性和準(zhǔn)確性通過(guò)在復(fù)雜環(huán)境條件下持續(xù)可靠的數(shù)據(jù)得到了證實(shí)。
多功能性:Aeris MIRA傳感器的多功能性使其能夠集成到各種無(wú)人機(jī)平臺(tái)中,擴(kuò)展了其在不同行業(yè)和研究領(lǐng)域中的適用性。


結(jié)論
Aeris MIRA傳感器與無(wú)人機(jī)技術(shù)的成功集成標(biāo)志著甲烷排放測(cè)量的重大進(jìn)展。該研究結(jié)果突顯了Aeris MIRA傳感器在靈敏度、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和多功能性方面的優(yōu)勢(shì),展示了其在徹底改變環(huán)境監(jiān)測(cè)工作中的潛力。通過(guò)進(jìn)一步的研究和開(kāi)發(fā),Aeris MIRA傳感器有望被廣泛應(yīng)用于氣候變化減緩策略中,為準(zhǔn)確高效的甲烷排放量化提供了強(qiáng)大工具。

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