为尽快落实《巴黎协定》，降低气候变化对人类的影响，控制人为碳排放已成为社会各界的基本认识。然而，由于对城市、地区、重点行业CO2排放情况了解不足，现有排放清单的透明度和偏差问题依然存在，导致了全球碳收支仍具有很大的不确定性。为了获取准确的碳排放数据，政府间气候变化专门委员会（IPCC）国家温室气体清单指南2019修订版提出利用大气测量和反演的方法来核验排放清单。考虑到人为排放源较高的排放强度和复杂多变性，有必要对大气CO2浓度变化开展密集、高质量的连续探测。
为此，中国科学院大气物理研究所、中国科学院空天信息创新研究院等多个科研团队一起紧密合作，在广东省深圳市和广西壮族自治区南宁市先后开展了针对城市地区和重点行业的温室气体走航、地基遥感和无人机综合观测实验。本次实验中，在中国科技部重点研发计划和中国科学院青年科学家基础研究等项目的联合资助下，中国科学院大气物理研究所的研究团队基于低成本中精度温室气体传感器构建了地基-无人机协同碳观测网络（Low-cost UAV Coordinated Carbon observation Network，LUCCN），并利用LUCCN观测数据对发电厂CO2排放进行了定性和定量研究。这项研究说明了建立LUCCN观测的必要性和有效性，对后续人为排放的定量研究提供了可选方案。该成果作为封面论文发表于《Advances in Atmospheric Sciences》。
1、地基-无人机协同碳观测网络LUCCN
中国科学院大气物理研究所在本次实验中建立的LUCCN网络由5台地基观测设备和4台无人机设备构成，能够实现空-地协同的温室气体原位探测任务。这些探测设备均采用了低成本、高精度的非色散红外传感器进行大气CO2浓度探测，每台地基观测设备均配备了高精度微型气象站，辅助后续的数据定标和量化分析。在实验中研究人员发现，由于发电厂排放烟囱的位置较高，在周围地形较平坦的情况下，排放的CO2无法到达地面被地基观测设备捕捉到。与之不同的是，无人机虽然可以实现对三维空间的探测，但是其在续航、增强信号寻找和飞行路径规划方面的不足往往限制了其对复杂多变排放的探测能力。LUCCN兼具了地基和无人机的探测能力，结合多机飞行系统中多个移动传感器的优势，在探测的时间连续性、空间覆盖度、机动性等方面都得到了改善，极大地提升了探测数据的有效信息含量。
受到云、气溶胶和重访周期的限制，当前的卫星观测无法满足对人为排放监测和量化的高频探测需求，构建地基-无人机协同观测网络，对开展人为排放监测和提升探测数据可用性具有不可忽视的作用。
实验中的地基观测设备和无人机飞行阵列（赵桐晖 摄）
2、利用无人机探测数据估算重点行业点源的CO2排放量
利用LUCCN探测得到针对排放源的CO2浓度数据后，如何将浓度数据转换为排放源强度，是进行排放清单验证的必要步骤和关键问题。针对这一问题，研究者们基于单个无人机的原位探测数据，采用截面通量计算方法初步估算了发电厂的排放强度。估算结果表明，利用无人机原位观测数据计算的排放量与清单数据之间存在着较大差别。研究者认为这主要是由于无人机在探测过程中，对排放羽流横截面的采样较为稀疏，数据量的缺失造成了反演的排放强度出现较大误差，这正是目前无人机原位探测的不足之处。
在后续的实验中，LUCCN采用无人机飞行阵列开展点源探测研究，并获得多个排放羽流截面及相对应的排放强度估算结果。通过平均多个羽流截面的估算结果，可以在一定程度上降低排放强度的估算误差。
单一无人机探测的点源排放羽流截面（图片来源：作者提供）
论文信息：
Yang, D. X., and Coauthors, 2024: Toward establishing a Low-cost UAV Coordinated Carbon Observation Network (LUCCN): First integrated campaign in China. Adv. Atmos. Sci., 41(1), 1-7, https://doi.org/10.1007/s00376-023-3107-5
科普视频：
封面故事|构建低成本无人机协同碳观测网络：针对人为二氧化碳排放的综合探测实验 (qq.com)
媒体报道：
可对地球进行“二氧化碳体检” 中国团队构建低成本“诊断”网络-中新网 (chinanews.com.cn)
我科学家构建低成本无人机协同碳观测网络-中国科技网 (stdaily.com)
https://english.news.cn/20231109/ab59f0c0cec64180b9815fb5da79b2ef/c.html
