【儀表網(wǎng) 儀表下游】大氣化學(xué)成分在熱帶雨林生態(tài)系統(tǒng)功能和氣候變化中發(fā)揮重要作用。通常情況下，熱帶雨林生態(tài)系統(tǒng)由百米水平尺度的空間異質(zhì)性景觀構(gòu)成，包含高地、山丘、谷底等，不同森林地貌可能導(dǎo)致不同植被種類分布，從而造成大氣化學(xué)成分在樹冠層上的非均一分布。考慮現(xiàn)有地基通量塔、雷達(dá)、飛機(jī)航測、衛(wèi)星遙感等探測技術(shù)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(jī)(Unmanned Aerial Vehicles, UAVs)成為一種可有效捕集百米尺度大氣化學(xué)成分分布的新興手段。
 

　　在中國科學(xué)院大氣物理研究所研究員辛金元課題組和哈佛大學(xué)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(xué)成分(短壽命成分102 s到長壽命成分108 s)時空分布特征。結(jié)果表明，受化學(xué)反應(yīng)影響，短壽命和中等壽命成分濃度隨海拔高度顯著下降。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(qiáng)的成分，其許多復(fù)雜的情況可能取決于排放速率、風(fēng)速和上風(fēng)向排放的局地異質(zhì)性等因素，未來需要進(jìn)行更系統(tǒng)的探索研究。對于異質(zhì)排放景觀的采樣，混合高度隨下墊面異質(zhì)性尺度的增加而增加，這種關(guān)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(zhì)性尺度為200 m，模擬混合高度為210 m；當(dāng)異質(zhì)性尺度增加一倍，即達(dá)到400 m時，混合高度增加到700 m。在混合高度以下，無人機(jī)采樣高度越高、水平風(fēng)速越快、物質(zhì)化學(xué)壽命越長，逆風(fēng)森林排放的影響長度越長、水平位移越大。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(dāng)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(jié)果即可具有很好的區(qū)域代表性。
 

　　湍流分析結(jié)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。較長的采樣時間可抵消掉大氣湍流脈動對無人機(jī)在特定時空點(diǎn)懸停采樣的干擾。模擬結(jié)果顯示，對于短壽命和中等壽命物質(zhì)，采樣時間分別設(shè)定10分鐘和5分鐘為最佳。當(dāng)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(zhì)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(jié)，采樣時間也應(yīng)根據(jù)大氣湍流的強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整。
 

　　該研究為熱帶森林晴朗天氣條件下無人機(jī)采樣策略制訂提供了有效參考，研究方法可擴(kuò)展到其他生態(tài)系統(tǒng)(如寒帶針葉林、溫帶森林)與城鎮(zhèn)地區(qū)無人機(jī)探測技術(shù)研究。