基于卫星观测的印度陆上上游油气设施大气甲烷浓度监测：一种TROPOMI方法

《Energy and Climate Change》：Space-based monitoring of atmospheric methane concentrations over onshore upstream oil and gas facilities in India: A TROPOMI approach

　　

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  本研究利用卫星数据测量和监测印度54个陆地上游石油和天然气加工场的大气甲烷浓度。
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  加工厂区域的年甲烷浓度平均值为1900至1964 ppb，总体平均值为1935 ppb。
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  加工厂区域的甲烷浓度平均水平并未显著高于当地或全球水平。
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  许多设施需要进一步加强运营管理以降低观测到的浓度。

引言

人为引起的气候变化是全球社区今天面临的最严峻挑战[1]。海平面上升、极端天气频发、生态系统退化、对人类健康造成灾难性影响以及农业活动受阻是气候变化造成的主要后果[2]。温室气体（GHG）在大气中的持续上升是气候变化的主要驱动因素[3]。在多种温室气体中，二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）和一氧化二氮（N₂O）是大气温室气体预算的主要贡献者。虽然甲烷是仅次于CO₂的第二大重要温室气体，但在100年的时间跨度内，其全球增温潜势约为CO₂的25倍[4]。此外，甲烷还是对流层臭氧（O₃）的前体物质，造成全球性的空气污染[5]。因此，减少甲烷排放是减缓气候变化危害的紧迫优先事项。2016年生效的《巴黎协定》旨在将本世纪全球气温上升控制在2°C以内，最好控制在1.5°C以内[6]。然而，根据《全球甲烷评估》报告，除非我们将人为甲烷排放量比2020年水平至少减少40%-45%，否则这一目标将无法实现[7]。

大气中的甲烷主要来源于两大途径：自然来源和人为来源。自然来源约占全球甲烷总量的40%，主要来自湿地。其余60%来自人为来源[8]。在人为排放中，农业相关活动约占三分之二，化石燃料生产约占三分之一，生物质燃烧有少量贡献[9]。在化石燃料行业，石油和天然气运营约占人为甲烷排放总量的23%，煤炭贡献约10%[国际能源署[10]，2023]。由于农业活动分布广泛且监测成本高昂，对其进行监测和控制存在很大挑战[11,12]。相比之下，石油和天然气行业的大部分甲烷排放可以通过低成本甚至负成本的方式进行减排[13]。因此，石油和天然气生产商在降低大气甲烷浓度方面发挥着至关重要的作用。

在迪拜举行的联合国气候变化大会（COP 28）气候峰会上，推出了《石油和天然气脱碳宪章》（OGDC），重点关注减少石油和天然气行业甲烷排放的举措。共有52家公司承诺最晚在2050年实现运营过程的温室气体净零排放，在2030年之前消除常规放空燃烧，并在2030年实现接近零的上游甲烷排放[13]。

为了实现COP 28控制甲烷排放的目标，有必要清楚了解排放源的具体位置、特征和数量[14]。研究表明，石油行业甲烷排放的主要来源来自少数被称为"超级排放源"的大型设施，因此识别这些超级排放源对于实施有效的甲烷减排措施至关重要[14]。测量和监测甲烷排放主要有两种技术：(a) 自上而下的方法和(b) 自下而上的方法。自下而上的方法是基于活动数据，结合设施、设备和程序特定的排放因子来估算排放量；而自上而下的方法则利用航空、空间或卫星测量数据[15]。自下而上的方法通常是特定场地的且耗费大量人力，往往无法检测到远处的超级排放源[16]。相比之下，基于卫星的测量可以克服这些局限性，并提供高精度的排放数据。例如，Hemati等人[17]成功利用每日卫星数据量化了北美城市地区的甲烷排放。

Chen等人[4]和Tibrewal等人[18]基于卫星的直接测量结果表明，包括中东、北非、美国、俄罗斯和中国在内的最大石油和天然气生产国的甲烷排放显著高于全球背景水平。然而，甲烷排放的直接测量主要限于发达国家，仅有12.5%的研究集中于发展中国家[19]。在印度等国，对于石油和天然气设施甲烷排放直接测量的全面研究明显缺乏。缺乏适当的排放水平数据集阻碍了甲烷减排努力，尤其是对印度的石油和天然气行业而言。

本研究利用自上而下的卫星方法，以每日为频率，在约一年的时间内报告了印度54个陆地上游石油和天然气设施的大气甲烷浓度。我们使用了欧洲航天局（ESA）哨兵-5前驱卫星（S5P）上的对流层监测仪器（TROPOMI）数据，并聚焦于印度三个主要的陆上石油和天然气生产盆地。本研究的主要目的是获取印度选定的上游石油和天然气设施的甲烷浓度，并将这些水平与当地和全球背景进行对比。本研究旨在为利用卫星数据获取大气甲烷值提供有价值的见解，并有望增进对印度上游石油和天然气行业对全球甲烷预算贡献的理解。

章节摘要

研究区域

本研究聚焦于位于印度西部、南部和东北部的54个陆地上游石油和天然气勘探及生产设施。这些设施分布在印度三个主要的烃类生产盆地中：位于西部的坎贝盆地、位于南部的克里希纳-戈达瓦里（K-G）盆地，以及位于东北部的阿萨姆-阿拉干褶皱带（AAFB）盆地。除这些石油和天然气设施外，我们还测量了大气

数据与方法

本研究利用公开可用的TROPOMI数据获取大气甲烷浓度。天基TROPOMI是搭载在S5P航天器上的天底观测成像光谱仪。S5P是欧洲航天局哥白尼计划的首个任务。该卫星于2017年发射，TROPOMI的主要目标是监测大气污染。卫星运行于紫外线（UV）至短波红外（SWIR）波长区域，采用被动遥感技术检测

结果

TROPOMI甲烷值以总柱平均干空气摩尔分数（XCH₄）表示，代表特定地点垂直空气柱中甲烷的平均浓度，并以干空气柱进行标准化[25]。监测期内坎贝、K-G和AAFB盆地上游石油和天然气设施的大气甲烷浓度日变化分别展示于图2、图3和图4中。此外，图

讨论

石油和天然气行业是大气甲烷排放的重要来源。Saunois等人[27]估计，全球人为甲烷排放量（80 Tg/yr）中约有22%来自石油和天然气行业。石油和天然气行业的甲烷排放源自各种现场生产作业，如井口和储罐的放气或放空燃烧，以及设备泄漏或逃逸排放，包括脱水器、清管器、管道和气动

结论

本研究获取了印度三个主要陆上石油盆地众多上游石油和天然气设施的甲烷浓度。研究结果表明，所监测石油和天然气设施区域的年甲烷浓度平均值并不显著偏高。然而，部分设施的甲烷浓度强度相较于全球和当地背景测量值偏高。观测到的大气

资金来源

作者未接受任何资金支持开展本研究。

道德责任

所有作者均已阅读、理解并遵守了作者指南中关于"作者道德责任"的相关声明。

CRediT作者贡献声明

Santosh Garain：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，监督指导，方法学，调查研究，形式化分析，数据管理，概念化。Yatharth Tewari：方法学，调查研究，形式化分析，数据管理。

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