在空氣質(zhì)量與環(huán)境安全議題中，甲烷（CH?）不僅是重要溫室氣體，也會通過大氣化學(xué)過程間接影響近地面臭氧（O?）形成。傳統(tǒng)固定站點監(jiān)測往往“點強(qiáng)面弱”，容易錯過微尺度（microscale）變化；而航空/衛(wèi)星遙感又常受分辨率或近地層敏感性限制。于是，一個關(guān)鍵需求浮出水面：能否在百米尺度的近地表與邊界層內(nèi)，穩(wěn)定、精細(xì)地刻畫環(huán)境甲烷的時空結(jié)構(gòu)？
在這項發(fā)表于 Remote Sensing 的研究中（https://doi.org/10.3390/rs18040549），研究團(tuán)隊以霍華德大學(xué) Beltsville 校區(qū)（HUBC）為試驗場，使用可無人機(jī)搭載的 Aeris Technologies MIRA Strato LDS 中紅外甲烷/乙烷分析儀，完成了從實驗室標(biāo)定到外場互比、再到多季節(jié)無人機(jī)剖面觀測的完整驗證鏈路，給出了一個可復(fù)用的“無人機(jī)環(huán)境甲烷監(jiān)測”方法學(xué)范例。
MIRA Strato LDS 屬于多程光學(xué)池 + 中紅外激光吸收光譜體系，內(nèi)置 GPS，工作在 中紅外波段；在該波段甲烷與乙烷具有強(qiáng)而清晰的吸收特征，有利于高選擇性、高靈敏度測量。儀器靈敏度達(dá)到 CH? < 1 ppb/s、C?H? 500 ppt/s，且整機(jī)約 2 kg，適配多數(shù)商用無人機(jī)平臺。
其核心優(yōu)勢之一，是通過 13 m 等效光程與 60 mL 多程池在小體積內(nèi)實現(xiàn)更長的光—氣體作用路徑：激光在池內(nèi)多次折返，顯著放大吸收信號而無需增大儀器體積，從而兼顧“輕量化上機(jī)”和“高精度分析”。同時，儀器可在 1–5 Hz 采樣，并以 1 秒為間隔輸出對齊后的 CH?/C?H? 穩(wěn)定數(shù)據(jù)流，天然適配無人機(jī)時空采樣。
研究團(tuán)隊給出了非常工程化、可復(fù)刻的采集流程：
● 提前 10–20 分鐘開機(jī)，完成系統(tǒng)自檢與 GPS 連接；以 1 秒分辨率記錄數(shù)據(jù)。
● 同步生成三類關(guān)鍵數(shù)據(jù)產(chǎn)品:
??1.engineering 文件：幾乎包含全部測量參數(shù)與結(jié)果（便于追溯與質(zhì)控）
??2.spectra-lite（ASCII 光譜）：用于診斷、后處理或異常排查
??3.KML 文件：可在 Google Earth 直接加載，實現(xiàn)濃度空間映射與乙烷/甲烷相關(guān)性可視化（面向外場快速判讀極友好）
在 HUBC 使用 MIRA Strato（a）進(jìn)行部署時的飛行路徑示例，以及乙烷與甲烷濃度相關(guān)性。
在本次實驗期間，利用 DJI Matrice 600 Pro 無人機(jī)獲取的飛行路徑示例（黃色線）（b），覆蓋了研究區(qū)域內(nèi)不同的環(huán)境背景，包括建筑物、森林以及 HUBC 的氣象通量塔。
研究團(tuán)隊在方法上做了兩層校驗：
（1）與參考儀器互比（外場）在 HUBC 的 MDE 空氣質(zhì)量監(jiān)測站，MIRA Strato 與 Picarro G2301（CRDS） 通過共享進(jìn)氣管路同步采樣，開展兩周互比，以驗證環(huán)境條件下的一致性。
（2）NOAA ARL 氣室標(biāo)定（實驗室）在 NOAA ARL 進(jìn)行 CH?/C?H? 標(biāo)定，使用多組標(biāo)準(zhǔn)氣體與流量控制，系統(tǒng)評估線性、精度與統(tǒng)計顯著性。
在 HUBC 開展的 MIRA Strato 與 Picarro G2301 對比測試的現(xiàn)場照片記錄。8u
(a) 進(jìn)氣管路配置示意，MIRA Strato 與 Picarro G2301 分析儀通過共用的環(huán)境空氣進(jìn)氣管線連接。
(b) 管路出口位于 HUBC MDE 監(jiān)測站樓頂，展示了用于對比分析的共用環(huán)境空氣進(jìn)氣系統(tǒng)配置。
無人機(jī)部分采用旋翼平臺，并特別處理了旋翼下洗流（downwash）對進(jìn)氣采樣的擾動：研究中在螺旋槳上方安裝 82.5 cm 垂直進(jìn)氣管并加裝過濾器；同時引用流體動力學(xué)模擬結(jié)果：該平臺下洗擾動在機(jī)體上方約 60 cm高度顯著減弱。
飛行設(shè)計也很“講方法”：
● 正午起飛（通常 13:20），單次 17–20 分鐘；選在邊界層混合最強(qiáng)、且盡量與 TROPOMI 過境時間匹配，以獲得更具代表性的空間采樣。
● 進(jìn)行分層懸停剖面：常用高度 25/50/75/100/115 m，并覆蓋建筑、林冠、氣象塔等不同下墊面背景，形成可對比的垂直結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。
DJI Matrice 600 Pro 無人機(jī)在載荷測試期間安裝進(jìn)氣管路的示意圖。
(a) MIRA Strato 氣體分析儀、進(jìn)氣口以及 Raspberry Pi的安裝位置。
(b) 無人機(jī)的其他附加設(shè)備包括風(fēng)速儀、臭氧傳感器、壓力傳感器和溫度傳感器。
● 兩周互比結(jié)果顯示：MIRA Strato 與 Picarro G2301 的甲烷讀數(shù)呈近乎完美線性關(guān)系，R2 = 0.9845，斜率 0.9438，截距 0.0750，系統(tǒng)性差異極小。
● 同時，MIRA Strato 能清晰復(fù)現(xiàn)典型日變化：清晨（04:00–08:00）中位值約 2.2 ppm，下午（13:00–17:00）降至約 2.1 ppm，對應(yīng)夜間穩(wěn)定層近地積聚與日間對流混合增強(qiáng)的邊界層機(jī)理。
對比結(jié)果：日均值與線性回歸分析。
(a) CH?濃度（ppm）的時間序列，顯示兩臺儀器均捕捉到明顯的日變化特征，且在時間變化趨勢上具有高度一致性。
(b) 配對 CH? 觀測值的線性回歸結(jié)果，表明 MIRA Strato 與 Picarro 之間具有很高的相關(guān)性（R2 = 0.9845，斜率 = 0.9438）。
2023 年對比分析期間，(a) Picarro G2301 與 (b) MIRA Strato 分析儀測得的每日甲烷（CH?）波動箱線圖比較。類別標(biāo)識表示一年中的第幾天（day of year）。
圖中展示了兩臺儀器在日際變化上的相似性以及在日變化趨勢上的整體一致性。MIRA Strato 捕捉到了與 Picarro 相當(dāng)?shù)姆植继卣鳎ㄖ形粩?shù)和離散程度。
氣室標(biāo)定中，甲烷線性回歸給出 斜率 0.9678、R2 = 0.9986；乙烷回歸 斜率 1.0111、R2 = 0.9879。這些指標(biāo)說明儀器在多濃度區(qū)間內(nèi)具有很強(qiáng)的一致性與可溯源的校準(zhǔn)基礎(chǔ)。
在 14 次飛行中，環(huán)境甲烷平均濃度落在 2.05–2.19 ppm 的典型城市背景范圍內(nèi)，且標(biāo)準(zhǔn)差長期<0.02 ppm，體現(xiàn)出外場測量的穩(wěn)定性。最高平均值出現(xiàn)在 2024-02-26（2.19 ppm），最低平均值出現(xiàn)在 2023-10-23（2.05 ppm）；峰值可達(dá) 2.23 ppm，最低單次讀數(shù) 2.02 ppm。飛行期間溫度跨度從 12.3°C 到 32.9°C，覆蓋了多季節(jié)工況。
更關(guān)鍵的是，剖面數(shù)據(jù)揭示了邊界層的“狀態(tài)切換”：
● 在更穩(wěn)定的條件下，CH? 更易在近地層富集并隨高度下降；
● 在混合更強(qiáng)的條件下，垂直梯度減弱甚至出現(xiàn)高空增強(qiáng)，提示輸送/混合主導(dǎo)。
2023-10-19 與 2024-02-26 的垂直剖面對比。
(a) 10 月 19 日在近地層（0–10 m）變化明顯，提示地表積聚；
(b) 2 月 26 日整體波動更明顯，且濃度隨高度上升。
研究以變異系數(shù)（CV）評估每次飛行的信號穩(wěn)定性：14 次飛行的 CH? CV 范圍 0.00397–0.01143，平均約 0.0067；其中最高 CV 出現(xiàn)在 10 月 19 日（0.01143），與更強(qiáng)分層與更陡的垂直梯度相吻合，說明儀器對細(xì)微結(jié)構(gòu)有足夠響應(yīng)能力。
按飛行日期統(tǒng)計的 CH? 變異系數(shù)（CV）。紅色柱為最高 CV（2023-10-19）；綠色柱為對比飛行（2023-10-27 與 2024-08-14）；藍(lán)色柱為其他飛行。
綜合實驗室標(biāo)定、外場互比與無人機(jī)剖面觀測，研究團(tuán)隊給出的結(jié)論非常明確：MIRA Strato 在野外與實驗室均展現(xiàn)出強(qiáng)信噪比與高穩(wěn)定性，即便在沒有明顯羽流（in-plume）高濃度加持時，也能識別環(huán)境背景下的細(xì)微波動，并呈現(xiàn)符合大氣機(jī)理的時空結(jié)構(gòu)。
在季節(jié)尺度上，環(huán)境甲烷在秋季與初冬更高：最大濃度出現(xiàn)在 10 月 19 日（2.23 ppm），最低出現(xiàn)在 8 月 14 日（2.03 ppm）；同時，TROPOMI 衛(wèi)星在區(qū)域尺度上也顯示 10–12 月月均值上升，與地面/無人機(jī)觀測形成呼應(yīng)。 乙烷作為熱成因/生物成因判別的關(guān)鍵共示蹤物，在極低濃度環(huán)境下會受到檢測限附近偏差影響。研究引用既往經(jīng)驗建議：在環(huán)境應(yīng)用中可通過保持樣品水汽摩爾分?jǐn)?shù) >1%、降低采樣時激光功率或?qū)Σ蓸庸苈芳訚竦炔呗蕴嵘彝闇y量完整性，但也需權(quán)衡水汽引入的噪聲風(fēng)險。
基于匯總 UAV 測量得到的 H?O、CH? 與 C?H? 的季節(jié)平均垂直剖面。顏色分別表示冬季（紅）、春季（綠）、夏季（藍(lán)）與秋季（青）。甲烷呈現(xiàn)清晰的季節(jié)模式：秋冬濃度更高，春夏濃度更低且變化范圍更集中，與季節(jié)性排放特征一致。
使用 TROPOMI 衛(wèi)星獲取的美國馬里蘭州 2023–2024 年月平均 CH? 濃度時間序列：（a）2023 年，（b）2024 年。月變化趨勢與地面觀測一致，顯示 10–12 月平均濃度上升。
研究表明：Aeris Technologies MIRA Strato LDS具備作為無人機(jī)環(huán)境甲烷監(jiān)測核心載荷的關(guān)鍵能力——
● 在實驗室與外場條件下均具有高一致性與可溯源標(biāo)定基礎(chǔ)；
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● 能穩(wěn)定捕捉甲烷的日變化規(guī)律與邊界層垂直結(jié)構(gòu)；
● 在跨季節(jié)、多次飛行中保持低漂移與高精密度；
更重要的是，這項工作證明：無人機(jī)部署的 MIRA Strato LDS 分析儀可以在不依賴“追蹤單個泄漏羽流并定量排放”的前提下，完成對邊界層甲烷動力學(xué)與環(huán)境背景變化的高分辨率刻畫——這為科研監(jiān)測、環(huán)境安全巡查、以及多源觀測協(xié)同（地面—無人機(jī)—衛(wèi)星）提供了可落地的技術(shù)路線。
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