曹保久，曹興濤，谷廣鋒，劉銘輝，王國柱

(1. 海油總節(jié)能減排監(jiān)測中心有限公司 天津 300457； 2. 中海油能源發(fā)展股份有限公司北京安全環(huán)保工程技術(shù)研究院 天津 300457)

0 引 言

甲烷是全球第二大溫室氣體，其排放后20年尺度內(nèi)的溫室效應(yīng)是二氧化碳的84倍，百年尺度內(nèi)的溫室效應(yīng)是二氧化碳的28倍，對目前全球變暖的貢獻達25%以上[1]。研究表明通過快速降低工業(yè)、農(nóng)業(yè)活動等產(chǎn)生的甲烷排放可減緩全球近10年變暖速率30%[2]。2020年，全球油氣行業(yè)共排放甲烷約76424kt，其中陸地上游常規(guī)油氣活動排放約38315kt。為有效削減油氣行業(yè)甲烷排放，應(yīng)建立行業(yè)甲烷排放清單，且需完善甲烷監(jiān)測體系。目前甲烷監(jiān)測有基于生產(chǎn)現(xiàn)場小尺度范圍內(nèi)的排放源、泄漏點等測量數(shù)據(jù)，進而延伸至區(qū)域與國家尺度的自下而上的方式和基于飛機、衛(wèi)星等區(qū)域尺度的觀測數(shù)據(jù)，可結(jié)合大氣傳輸模型以自上而下的方式來評估區(qū)域的排放量。采用2種方式對美國9個盆地的油氣生產(chǎn)、收集、處理、輸送和儲存、城燃配送、煉制和輸送等的甲烷排放監(jiān)測表明：由于觀測范圍、方法等不同，2種方式甲烷排放監(jiān)測情況存在一定的差異，自上而下的甲烷排放監(jiān)測方式可更全面、直觀、快速地獲得區(qū)域尺度全排放源的信息，近年來發(fā)展迅速[3]。

我國高度重視甲烷排放監(jiān)測工作，2021年，生態(tài)環(huán)境部發(fā)布了《關(guān)于統(tǒng)籌和加強應(yīng)對氣候變化與生態(tài)環(huán)境保護相關(guān)工作的指導意見》，提出加強將溫室氣體監(jiān)測逐步納入生態(tài)環(huán)境監(jiān)測體系統(tǒng)籌中，試點開展石油天然氣等重點行業(yè)甲烷排放監(jiān)測工作，并將探索大尺度區(qū)域甲烷等排放監(jiān)測。據(jù)國際能源署(IEA)估計，2020年中國油氣行業(yè)排放甲烷約3150kt，占世界排放量的4.4%。我國油氣行業(yè)甲烷排放衛(wèi)星監(jiān)測尚處于起步探索階段，本文將介紹衛(wèi)星監(jiān)測甲烷的原理、甲烷監(jiān)測衛(wèi)星的現(xiàn)狀和國外油氣行業(yè)的衛(wèi)星監(jiān)測的研究與應(yīng)用情況，以期為甲烷泄漏監(jiān)測、修復與回收提供支撐。

1 衛(wèi)星監(jiān)測甲烷技術(shù)原理

1.1 太陽光反射遙感探測

衛(wèi)星對甲烷的太陽光反射遙感觀測主要基于2.3μm、3.3μm和7.66μm的光譜吸收特征，采用傅里葉變化光譜儀從干涉強度訊號中提取光源輻射的發(fā)射光譜或物質(zhì)的吸收光譜[4-5]。衛(wèi)星通過觀測甲烷羽流吸收部分反射光譜的方式，關(guān)鍵儀器為廣角法布里-珀羅標準具，其由間隔幾微米的2塊部分反射板制成干涉儀，如圖1所示[6]。一部分光穿過2個表面，其余部分通過前被鏡面反射，當特定波長的光線以特定角度進入將以相長方式發(fā)生干涉時便出現(xiàn)隨角度變化的波長濾波器。當太陽光穿過含甲烷的大氣層時，紅外光譜中某些波段的光波會被吸收，然后呈現(xiàn)出其特征光譜。

圖1 太陽光反射監(jiān)測原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of sunlight reflection monitoring principle

為確定區(qū)域的完整光譜信息，衛(wèi)星須拍攝200多張圖像，并利用所有的相關(guān)波長對每個特征進行測量和數(shù)據(jù)反演，如圖2所示。

圖2 衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演Fig.2 Satellite data inversion

1.2 激光雷達

激光雷達主要通過差分吸收激光雷達，模塊既為固態(tài)激光器的振蕩器提供抽運能量，同時作為可調(diào)諧光學參量振蕩器的光源，并產(chǎn)生2個波長為1.6μm左右的雙脈沖。甲烷將吸收其特征光譜脈沖，不吸收另一個脈沖，因此，可根據(jù)2個波長的反射光強度計算大氣中的甲烷含量，如圖3所示[7-8]。

圖3 激光雷達監(jiān)測原理Fig.3 Lidar monitoring principle

激光雷達衛(wèi)星不易受云層、大氣物質(zhì)中氣溶膠、水蒸氣等大氣物質(zhì)的影響，不受日照時間限制，白天與夜間均可進行觀測，其激光耀斑小，空間分辨率高，可以提供大氣垂直剖面的信息和補充對高緯度地區(qū)的監(jiān)測[9]。德國航空航天中心與法國國家太空研究中心聯(lián)合研制的激光雷達衛(wèi)星MERLIN計劃于 2024年發(fā)射，屆時甲烷監(jiān)測分辨率可望進一步提高。

2 衛(wèi)星監(jiān)測甲烷現(xiàn)狀

2.1 甲烷監(jiān)測衛(wèi)星分布

目前已有多顆衛(wèi)星可進行甲烷監(jiān)測，加拿大GHGSat公司通過雙星的方法進行了甲烷泄漏監(jiān)測，即通過一顆靈敏度較低的衛(wèi)星先確定甲烷濃度似乎正在上升的大概區(qū)域，再通過GHGSat-D和GHGSat-C1兩顆衛(wèi)星用于高分辨率的甲烷排放監(jiān)測。由于技術(shù)不斷改進、觀測任務(wù)逐漸聚焦，故監(jiān)測精度逐漸提升至5ppbv，表1匯總了部分甲烷衛(wèi)星參數(shù)。

表1 部分甲烷監(jiān)測衛(wèi)星Tab.1 Some methane monitoring satellites

2.2 衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演

通過衛(wèi)星觀測的區(qū)域光譜信號和通過濃度反演得到的甲烷柱濃度還需結(jié)合觀測地的風向、風速等氣象條件和地面監(jiān)測數(shù)據(jù)、大氣傳輸模型進行排放反演，并需建立模型以校正甲烷排放量。甲烷衛(wèi)星遙感反演可分為以下4步：①前向模型設(shè)計，建立大氣流動、混合、沉降等傳輸過程的模型；②反演過程與場景范圍內(nèi)反演；③空間柱濃度解析反演；④反演結(jié)果校正，不確定性分析[10]?？梢圆捎没谖锢矸ê蛿?shù)據(jù)驅(qū)動法進行甲烷柱濃度反演：物理法是將地面、大氣、儀器之間輻射傳輸建立模型；數(shù)據(jù)驅(qū)動法則是以統(tǒng)計的方法提取圖像中的信息進行反演[11]。用于反演的大氣輻射傳輸模型有VLIDORT、LBLRTM、SCIAMACHY等[12]。

可靠的觀測資料、便捷的大氣傳輸前向模型、充分的先驗信息、優(yōu)化的排放估計等是衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演的關(guān)鍵因素。

2.3 油氣行業(yè)甲烷排放衛(wèi)星監(jiān)測

采用衛(wèi)星對油氣行業(yè)甲烷排放監(jiān)測目前尚處于起步階段。2019年1月，GHGSat衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)了油氣輸送管道壓縮站10～43t/h的甲烷泄漏及其周邊4～32t/h的其他來源甲烷泄漏，并計算了這些點位2018年2月至2019年1月共泄漏甲烷(142±34)kt[13]。2018年 2月15日，美國俄亥俄州一口油井發(fā)生天然氣泄漏，研究人員首次采用TROPOMI衛(wèi)星監(jiān)測數(shù)據(jù)對甲烷泄漏情況進行計算，結(jié)果表明甲烷泄漏速率約為120t/h，20d內(nèi)共泄漏甲烷60kt[14]?；赥ROPOMI和GOSAT的觀測數(shù)據(jù)對美國尤因塔盆地與二疊紀盆地2處油氣產(chǎn)區(qū)甲烷排放情況的研究結(jié)果表明油氣產(chǎn)量較高的區(qū)域甲烷的柱濃度較高[15]，由此可見，衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)既可以用于甲烷大規(guī)模泄漏的計算，同時對于區(qū)域內(nèi)甲烷排放情況的評估也具有一定的應(yīng)用前景。

2021年，IEA在甲烷追蹤器項目中首次采用衛(wèi)星監(jiān)測數(shù)據(jù)對全球油氣行業(yè)的甲烷排放情況進行評估，并通過衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)了5個國家2020年大規(guī)模的甲烷泄漏量約2692kt，如圖5所示。

圖5 2020年衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)的甲烷泄漏量Fig.5 Methane leakage detected by satellite in 2020

由于海水對陽光的吸收作用，故衛(wèi)星監(jiān)測海上甲烷排放尚處于起步階段。國際石油公司與GHGSat公司聯(lián)合研究面向海上油氣活動甲烷排放的“閃爍模式”監(jiān)測技術(shù)，其通過更小的角度測量將衛(wèi)星傳感器聚焦于海面反射最強的位置，以降低海面反射的太陽光閃爍對數(shù)據(jù)采集的影響，進行海上甲烷排放衛(wèi)星測量的可行性研究和提升海上監(jiān)測的分辨率。

2.4 油氣行業(yè)甲烷排放衛(wèi)星監(jiān)測案例

目前采用衛(wèi)星已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)油氣行業(yè)地面設(shè)施級別甲烷羽流位置、排放強度等監(jiān)測。采用GF-5、ZY-1和Prisma衛(wèi)星收集美國油氣產(chǎn)區(qū)二疊盆地150km×200km范圍內(nèi)2019—2020年期間4個不同日期的30幅圖像，通過分析2100～2450nm波段的紅外光譜信息發(fā)現(xiàn)了37股甲烷羽流，其中29次通量＞1000kg/h，進一步分析發(fā)現(xiàn)新的設(shè)施甲烷大量排放頻率是舊設(shè)施的2.6倍，排放量是舊設(shè)施的 2倍。該區(qū)域地面甲烷排放源主要分為4類，即壓縮機站、儲罐區(qū)、火炬、井口。其中壓縮機排放最多，占比50%；火炬排放量為1640～2640kg/h，貢獻21%。顯示出甲烷并未充分燃燒，同時發(fā)現(xiàn)火炬排放甲烷主要來自新建的設(shè)施，表明新的設(shè)施無法與油氣收集、加工、輸送能力相匹配[16]。

3 結(jié)論與啟示

衛(wèi)星監(jiān)測具有覆蓋面廣和可獲得空間尺度的甲烷排放總量成本低等特點，現(xiàn)階段通過衛(wèi)星已經(jīng)能夠?qū)﹃懙赜蜌馓镌O(shè)施級別的甲烷歷史進行組織排放、無組織排放及其通量觀測與計算。應(yīng)注意的是，基于太陽光反射的遙感技術(shù)易受云層遮擋、氣溶膠、風速、水體、地表物體、地表參數(shù)不確定性等因素影響，且在高緯度地區(qū)和夜間應(yīng)用受到一定限制，激光雷達技術(shù)可提升衛(wèi)星的分辨率與靈敏度，實現(xiàn)全天候監(jiān)測，并覆蓋高緯度地區(qū)。同時通過不斷優(yōu)化反演算法聯(lián)合了多衛(wèi)星觀測，并結(jié)合地面、無人機等觀測數(shù)據(jù)進行校驗，提升了衛(wèi)星監(jiān)測精度。此外，衛(wèi)星遙感甲烷排放動態(tài)監(jiān)測技術(shù)也是未來研究方向之一。

建立適用于我國油氣行業(yè)的甲烷衛(wèi)星監(jiān)測技術(shù)、以自上而下的方式獲得區(qū)域至設(shè)施級甲烷排放數(shù)據(jù)和結(jié)合自下而上的排放清單確定排放源才能夠更好地開展甲烷泄漏檢測，建立甲烷排放清單才能為油氣行業(yè)減污降碳協(xié)同增效奠定基礎(chǔ)?！?/p>