[论文解读] Global Tracking and Quantification of Oil and Gas Methane Leaks from Recurrent Sentinel-2 Imagery.

Thibaud Ehret, Aurélien De Truchis+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 22, 2021

Atmospheric and Environmental Gas Dynamics参考文献 21被引用 10

一句话总结

本研究利用重复获取的哨兵-2卫星影像，检测并量化了全球油气基础设施中超过800起甲烷泄漏，揭示了从100 kgCH4/hr到600 tCH4/hr的排放遵循幂律分布。研究结果证实，哨兵-5P卫星检测到的超大排放源（>25 tCH4/hr）与低于其探测阈值的泄漏直接相关，排放量的显著差异反映出各国在维护和基础设施实践方面的差异。

ABSTRACT

Methane (CH4) emissions estimates from top-down studies over oil and gas basins have revealed systematic under-estimation of CH4 emissions in current national inventories. Sparse but extremely large amounts of CH4 from oil and gas production activities have been detected across the globe, resulting in a significant increase of the overall O&G contribution. However, attribution to specific facilities remains a major challenge unless high-resolution images provide the sufficient granularity within O&G basin. In this paper, we monitor known oil-and-gas infrastructures across the globe using recurrent Sentinel-2 imagery to detect and quantify more than 800 CH4 leaks. In combination with leak emissions estimates from airborne and Sentinel-5P measurements, we demonstrate the robustness of the fit to a power law from 100 kgCH4/hr to 600 tCH4/hr. We conclude here that the prevalence of ultra-emitters (> 25 tCH4/hr) detected globally by Sentinel-5P directly relates to leak occurrences below its detection threshold. Similar power law coefficients arise from several major oil and gas producers but noticeable differences in leaks magnitudes suggest large differences in maintenance practices and infrastructures across countries.

研究动机与目标

• 解决国家清单中油气活动甲烷（CH4）排放持续被低估的问题。
• 克服现有监测系统空间分辨率有限导致的泄漏源归属困难问题。
• 利用高分辨率、重复获取的哨兵-2卫星影像，在全球油气盆地范围内大规模检测并量化甲烷泄漏。
• 通过与有人机航测和哨兵-5P卫星仪器测量结果对比，评估排放估算的一致性和可靠性。
• 调查主要油气生产国之间泄漏强度和频率的差异，以推断维护和基础设施实践的差异。

提出的方法

• 利用重复获取的哨兵-2多光谱影像，在高空间分辨率下对全球已知油气基础设施进行监测。
• 应用影像分析技术，通过识别特定波段中的大气吸收特征来检测甲烷羽流。
• 结合大气和气象数据，通过建模羽流的光学厚度和扩散情况来估算排放速率。
• 将检测到的泄漏与独立的有人机航测数据及哨兵-5P卫星仪器测量结果进行验证。
• 将所得排放速率分布拟合为100 kgCH4/hr至600 tCH4/hr范围内的幂律分布，以评估其一致性和尺度行为。
• 比较不同国家的幂律系数和排放强度，以推断其运营和维护实践的差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过哨兵-2检测到的油气设施甲烷排放，与哨兵-5P和有人机航测的自上而下估算结果在多大程度上一致？
• RQ2 全球油气基础设施中甲烷泄漏强度的分布如何？是否遵循幂律尺度？
• RQ3 哨兵-5P可检测到的超大排放源（>25 tCH4/hr）与低于其探测阈值的泄漏之间有何关联？
• RQ4 各国之间排放强度的差异揭示了哪些关于维护实践和基础设施质量的差异？
• RQ5 重复获取的哨兵-2影像能否可靠地大规模检测和量化甲烷泄漏，从而提供一种比稀疏有人机调查更可靠的替代方案？

主要发现

• 利用重复获取的哨兵-2影像，检测并量化了超过800起来自油气基础设施的甲烷泄漏。
• 检测到的泄漏排放速率分布从100 kgCH4/hr到600 tCH4/hr遵循幂律分布，且主要油气生产国的幂律系数一致。
• 哨兵-5P卫星检测到的超大排放源（>25 tCH4/hr）与低于其探测阈值的泄漏直接相关，表明当前清单中这些大型排放源被系统性低估。
• 尽管幂律系数相似，但各国之间排放强度的显著差异表明其在维护实践和基础设施质量方面存在差异。
• 哨兵-2数据与有人机航测及哨兵-5P测量结果的整合，证实了幂律拟合的稳健性，并提升了排放估算的准确性。
• 本研究证明，高分辨率、重复获取的卫星监测能够有效扩大泄漏检测规模，并显著提升油气行业甲烷排放国家清单的准确性。