全球甲烷卫星遥感监测技术发展及其对油气行业的影响

张岑，王文怡，李伟

（中国海油集团能源经济研究院）

当前气候变化议题已成为世界各国关注的焦点，人为因素造成的温室气体排放量正在逐年上升，已导致地球表面平均温度在工业化前水平的基础上上升约1.07℃[1]，其中有30%的温升归因于甲烷排放[2]。由于不同温室气体对于地球自身热辐射和太阳辐射的吸收和释放速率各异，科学上通过定义全球升温潜势（Global Warming Potential,GWP）来衡量温室气体对于全球升温的影响程度。根据联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）发布的数据，在100年时间内，1吨甲烷所造成的温升效应相当于27.2吨二氧化碳，即甲烷的全球升温潜势为27.2，而如果将时间尺度缩短至20年时，该值将上升至80.8[3]。虽然从绝对排放量看，目前每年全球甲烷排放量仅为二氧化碳排放量的1%[4]，若考虑甲烷的短期全球升温潜势，在换算成二氧化碳当量后，全球甲烷排放量已与二氧化碳排放量相当。因此，及时采取措施降低甲烷排放，已成为主要国家应对气候变化的重要举措。

1 全球及油气行业甲烷排放概况

按照源头分，甲烷排放可分为自然源和人为源，自然源主要包括湿地生态系统和冻土层，而人为源主要来自农业、能源和废弃物三大领域[5,6]。当前全球人为源甲烷排放量比重超过60%，且排放总量呈现逐年上涨趋势，从2000年后加速上升，截至2021年已接近3.9亿吨/年。从各国的人为源甲烷排放比重看，中国是全球最大的甲烷排放国家，排放量比重一直在15%以上。从2004年起，由于中国经济体量和工业规模快速扩张，能源领域的甲烷排放迅速增加，导致中国甲烷排放量进入加速上升期，2012年前后该比重一度达到18.4%。印度的甲烷排放比重相对稳定，呈现微弱上升趋势，从1970年的7.8%缓慢上升至2018年的8.2%。美国甲烷排放整体呈现稳定下降趋势，已从1970年的超过10%降至约5%。俄罗斯的排放比重波动较大，一度从1970年的5.2%上升至1990年的6.5%，但随后快速下降并保持在4.4%左右（见图1）。

图1 1970—2021年全球人为源甲烷排放总量及主要国家甲烷排放量占比情况

为增加全球甲烷排放数据透明度，国际能源署（IEA）于2019年推出了“甲烷追踪器（Methane Tracker）”项目，并公布了全球和主要国家人为源甲烷排放结构。整体上看，各国因能源资源禀赋、技术水平和经济发展阶段不同，甲烷排放结构存在明显差异（见图2）。分领域看，全球能源领域甲烷排放量在1.3亿吨/年左右，占人为源排放量比重约1/3，仅次于农业。在能源领域中，油气行业是最主要的甲烷排放源，排放量约0.81亿吨/年；煤炭行业次之，约0.42亿吨/年。全球油田甲烷排放约4266万吨/年，较气田甲烷排放高约91.3%①不含管网及液化天然气设施逃逸、放空。；陆上油气甲烷排放约5219万吨/年，是海上油气甲烷排放的约3.1倍；在油气行业全产业链中，陆上油田放空的甲烷排放量最大，约2594万吨/年（见图3）。

图2 2022年主要国家和地区分行业甲烷排放结构

图3 2022年主要国家和地区油气行业甲烷排放结构

2 卫星遥感技术增加了全球甲烷排放统计的精度

随着对甲烷排放影响全球气候的研究不断深入，精确掌握各国甲烷排放信息是实现甲烷排放全球化治理的重要一环。目前，联合国政府间气候变化专门委员会在温室气体统计方法设计了三个层级，即层级1、层级2和层级3（Tier 1、Tier 2和Tier 3），三者的统计精度和难度依次升高。在统计能源相关排放方面，层级1通常采用缺省值估算温室气体排放量，并不考虑化石燃料等各类排放源因产地、生产或使用方式不同而出现的排放强度差异；层级2则要求不同国家针对当地化石燃料排放特点制定专门的排放因子，以此提升统计精确度；层级3数据颗粒度更高，在层级2的基础上增加了对化石能源使用的技术、工艺和工况等方面的考量，进一步细化了统计类别，并要求基于真实测量数据制定排放因子，这使得统计的难度和成本显著上升[7]。由于各个国家发展阶段、经济实力和技术水平不同，各国上报的温室气体排放数据和频次也有明显差异。总体来看，绝大多数发达国家倾向于使用更高标准来统计温室气体排放数据，并被要求每年上报排放情况；绝大多数发展中国家则采用层级1标准进行统计，且无须逐年上报。

由于各国在统计甲烷等温室气体排放时所参照的标准各异，同时存在主观因素干扰，因此各国向联合国气候变化框架公约（UNFCCC）提交的甲烷排放量数据与实际情况存在较大出入，增加了甲烷减排国际合作和监管的难度。国际能源署（IEA）的Methane Tracker项目在联合国气候变化框架公约的甲烷排放数据和联合国政府间气候变化专门委员会统计方法的基础上，首次结合甲烷卫星数据分析了全球各国甲烷排放情况，并指出全球油气设施的无组织逸散情况频发，“超级排放源”大量存在，而这部分排放量并未涵盖在各国上报的排放数据内[2]。

从总量上看，联合国气候变化框架公约和国际能源署统计的2020年全球甲烷排放量分别为2.74亿吨/年和3.56亿吨/年，后者高于前者近30%。分领域看，国际能源署在农业、能源和废弃物3个领域的统计量均高于联合国气候变化框架公约，其中能源领域的统计差距最为显著，国际能源署统计排放量高出联合国气候变化框架公约近71%（见图4）。在全球绿色低碳转型推动下，各国愈发重视甲烷排放数据的真实性、可靠性和一致性。在欧盟和美国发布的甲烷减排行动计划或战略中，甲烷卫星遥感监测技术应用首次被提升至国家战略高度，而油气行业因其甲烷排放源集中度高、排放强度大、减排潜力突出等特征成为了卫星监测技术首要关注的领域[8,9]。各国政府、国际组织和环保机构等对于利用卫星遥感技术监管油气行业甲烷排放的呼声愈发强烈，油气公司的国际竞争格局或因此发生重大变化。

图4 国际能源署与联合国气候变化框架公约全球甲烷排放统计数据对比

3 甲烷卫星遥感监测技术现状及发展情况

甲烷监测技术一般按照光学、化学和声学原理进行设计，主要包括高光谱红外成像光谱仪、热成像仪、光离子检测器和超声波探测仪等，这些设备可直接安装在生产运输设施上进行在线监测，或搭载至车辆、低空飞机或无人机等移动载具上在某个区域进行采样分析[10]。然而，传统的监测技术易受人力、成本、时间和空间等因素限制，无法在较大区域内获取连续可追溯的甲烷排放数据，同时缺乏探测大规模甲烷泄漏点的能力。随着卫星遥感监测技术特别是高光谱成像技术的进步，发达国家正在加快该技术在甲烷监测方面的研发与应用，拟构建全球甲烷监测体系。

当前，大多数温室气体监测卫星采用光谱成像技术，本质上是基于朗伯比尔（Beer-Lambert Law）吸收定律②朗伯-比尔定律是描述气体/溶液吸光度与气体/溶液浓度之间关系的一个基本定律。该定律指出，在一定波长的单色光通过均匀、非散射的气体/溶液时，吸光度A与气体/溶液的浓度c和光程长度（即光通过溶液的厚度）l成正比，即[11]。根据此定律，卫星搭载的成像光谱仪通过比较入射和出射光强度来计算该区域的监测气体浓度。根据入射光源的类型，卫星遥感监测技术可分为无源和有源两种，前者以太阳光为光源，后者则配备有源设备，通过主动发射特定波长的光波进行测量。由于甲烷的吸收峰位于红外区域即短波红外（SWIR）波段，分别位于1700纳米和2300纳米附近[12]，因此光谱仪的光谱范围一般在1600～2500纳米[11]。目前由于甲烷监测卫星主要采用无源遥感监测技术，该技术对自然光源的质量有着较高要求。考虑到大气中存在大量颗粒物和云层，天气条件和大气质量对自然光的影响较大，这意味着入射光和出射光的强度差别并非全部源于甲烷气体的吸收，使得甲烷监测难度大大提升。

“空间分辨率”和“排放速率监测阈值”是甲烷卫星遥感监测技术的两个核心参数，前者表示卫星遥感影像上能够识别的两个相邻目标间的最小距离，而后者表示卫星能够监测到的甲烷排放速率最低值。根据全球主要甲烷监测卫星对比图来看（见图5），欧盟、美国和日本等国家在甲烷卫星监测领域处于领先地位。进入21世纪以来，美国航空航天局（又称美国宇航局，NASA）和欧洲航天局（ESA）先后发射的地球观测者1号卫星（EO-1）和欧洲环境卫星（Envisat）分别搭载拥有纳米级高光谱分辨率和较宽监测波段范围的Hyperion和SCIAMACHY成像光谱仪，用于研究全球碳循环和监测大气环境中的温室气体浓度和通量。两者在甲烷排放监测阈值方面均在10000千克/时以上，但精度相差超过两个数量级，其中Hyperion的空间分辨率可达30米。《巴黎协定》签署后，甲烷卫星监测领域迎来高速发展期，欧洲航天局、日本宇宙航空研究开发机构和意大利航天局等官方航天机构分别发射了哨兵-5P（Sentinel-5P）、GOSAT-2和VEGA卫星，依次搭载各自研发的TROPOMI、FTS-2和PRISMA光谱仪，对全球范围甲烷排放进行监测。从性能指标上分析，这3个机构的甲烷排放监测阈值已经取得明显进步，同时意大利PRISMA光谱仪在空间分辨率上也得到了大幅提升，地面监测精度已经达到30米级别。

图5 全球主要甲烷监测卫星性能对比图

2016—2021 年，加拿大温室气体卫星公司GHGSat依次发射GHGSat-D、GHGSat-C1和GHGSat-C2卫星并完成组网，将甲烷排放监测阈值和空间分辨率分别提升至100千克/时和25米的水平，实现了对地面单一油气生产设施、天然气管线等甲烷排放源的精准监测[14]。图6（a）显示的是GHGSat公司卫星探测的土库曼斯坦Korpezhe油田一处压气站甲烷泄漏情况[15]。从图中看出，该技术可以清晰解析出甲烷气体浓度在二维空间分布情况、气体排放速率以及扩散方向等关键信息。图6（b）显示了该公司与道达尔能源合作的一次甲烷排放盲测实验结果[16]。在该实验中，甲烷排放速率被控制在260千克/时的水平，而卫星监测数据经比对后，被证实与地面监测结果和实际排放数据相符，创下了当时甲烷卫星浓度和速率监测精度的最高记录。

图6 GHGSat卫星遥感监测油气设施甲烷排放情况

2022年，美国航空航天局（NASA）启动地球表面矿物尘源调查（EMIT）任务，其成像光谱仪能以高精度和高准确性识别甲烷的光谱指纹，目前已确定了来自中亚、中东和美国西南部的50多个甲烷超级排放源。据地球表面矿物尘源调查估计，美国二叠纪地区甲烷排放速率总计约为18300千克/时，土库曼斯坦总计为50400千克/时，伊朗为8500千克/时[17]。

为了准确获取甲烷排放信息，除了依赖光谱仪所测量的高质量数据，还需要通过先进的反演算法、陆基测量数据、大气信息及其他卫星数据来推算和校验测量区域的甲烷浓度，这一系统工程加大了甲烷卫星遥感监测的难度，同时也提升了该领域的技术壁垒，导致全球甲烷排放的信息大部分掌握在少数发达国家的手中。

4 甲烷卫星遥感技术在油气行业的应用及影响

目前，欧美等发达国家通过发射遥感卫星，拟以油气行业作为突破口，试图对全球油气生产设施和重要管线进行全天候监测，逐步构建全球甲烷监测网络，掌握甲烷排放核查标准制定及监管主导权，从而影响传统能源的竞争格局。

一方面，甲烷卫星遥感监测技术可直接追踪地面单一矿井设施的甲烷排放情况，监测精度大幅提升。2016年，美国NASA的地球观测者卫星1号（EO-1）首次利用低空轨道探测到美国阿利索峡谷一处天然气井泄漏情况，由此拉开了利用遥感技术监测油气设施的序幕。随后在2017—2019年，欧洲航天局利用搭载在“哥白尼”哨兵-5P卫星上的对流层监测仪器（TROPOMI），成功监测到美国俄亥俄州、得克萨斯州等油气生产设施的甲烷泄漏情况，并对此进行了公开披露[6,18]。瓦伦西亚理工大学、上海技术物理研究所以及加拿大卫星公司GHGSat等针对美国油气产区二叠盆地150千米×200千米的样本区域，通过意大利PRISMA（PRS）、中国高分五号（GF5）与资源1号（ZY1）卫星对2019—2020年间4个日期的30副图像进行2100～2450纳米波段的红外光谱信息分析，发现37股通量大于500千克/时的羽流，占样本区排放量31%～53%。该研究也发现，油气产区中新设施的甲烷排放量是旧设施的2倍，排放频率为旧设施的2.6倍；从排放源来看，该区域地面甲烷排放源主要分为4类，即压缩机站、储罐区、火炬以及井口，排放量占比依次为50%、24%、21%和6%，其中火炬的甲烷排放速率约为1640～2640千克/时[19]。美国环保协会计划发射的Methane SAT卫星具有100米×400米的高空间分辨率，其搭载的高灵敏度成像光谱仪对甲烷的预测精度最高可达2ppb（10亿分之一，10-9）[20]。Methane SAT卫星将每4天对全球80%以上的油气产区的甲烷排放情况进行量化监测，并通过高分辨率的区域排放监测定位主要排放源，为点源的排放估算提供数据基础[21]。在先进人工智能算法帮助下，卫星观测者可对油气设施包括油井、压气站、炼油厂、液化天然气储罐等运行情况进行分析，并获取重要运行信息。

另一方面，甲烷排放信息透明度不断提升，或使油气企业因信息不对称而陷入被动局面。近年来，随着甲烷减排成为全球共识，对独立高排放源进行的讨论也越来越多。在一般由国家航天机构主导的甲烷遥感监测领域中，已出现了私营卫星公司、数据分析公司和非营利性环保组织的身影。在政策、技术和资本推动下，这些公司通过研制微型卫星加速构建全球温室气体监测网络。除了针对美国二叠纪盆地、墨西哥海上油气生产平台等独立排放源进行排放信息披露外，近期这些公司也发布了俄罗斯天然气公司、土库曼斯坦国家石油公司等的甲烷泄漏报告[22]，采用多种方式公开披露油气设施位置坐标及甲烷排放量等数据，并借助政府外交渠道或非盈利组织对涉事企业进行施压。据卫星数据分析商Kayrros最新报道，2022年全球通过卫星共监测出559起油气行业高排放源甲烷泄露事件，其中仅土库曼斯坦就涉及184起，美国154起[23]。相关报道披露了甲烷泄露的具体位置，但涉事企业往往因为信息不对称而疲于应对，导致公司运营和甲烷减排成本升高，企业声誉也面临损失的风险。

5 启示与建议

基于当前全球甲烷排放情况及甲烷卫星遥感技术发展情况，为应对欧美等发达国家通过遥感卫星构建全球甲烷监测网络，建议中国油气行业从以下四方面采取有效应对措施，避免全球能源竞争格局因甲烷卫星监测技术发展而过度向欧美倾斜。

5.1 强化甲烷卫星遥感监测技术的支持力度

近年来，中国相继发射了首颗二氧化碳观测科学实验卫星TanSat和高光谱观测卫星“高分五号02星”，全球温室气体遥感监测能力得到明显增强。然而，在甲烷气体监测方面，中国与欧美国家在空间分辨率、监测阈值、排放源识别及重访周期等指标上还存在明显差距，尚未形成全球范围的监测体系。建议国家层面统筹推进甲烷卫星监测技术的研发与应用，重点针对高光谱遥感、在线连续监测、超低浓度甲烷排放源识别等核心技术设立专项资金予以支持，强化遥感监测、大数据分析以及人工智能等学科交叉融合。同时，引导和支持民用卫星公司开发甲烷专用监测卫星，在财税方面对相关企业提供政策倾斜；在技术方面可由国家航天局组织实施，对相关企业给予技术支持与咨询，加快国产甲烷卫星的研发和发射组网，为实现“双碳”目标提供坚实的技术基础。

5.2 推动甲烷遥感监测技术在油气行业的应用，促进跨领域合作

油气行业的甲烷排放具有集中度高、减排技术相对成熟的特点，因此聚焦油气行业已成为全球甲烷遥感监测的主要发展方向。中国应加快推进甲烷遥感监测技术在能源领域特别是油气行业的应用，可由中国油气企业甲烷控排联盟牵头，探索与甲烷遥感监测机构或企业展开深度合作，比如建立跨行业的甲烷排放数据共享中心，收集和管理重点排放企业相关设施的现场实测数据（“自下而上”数据）和甲烷卫星遥感监测数据（“自上而下”数据③“自下而上”是将现场站点或网格的结果进行空间尺度外推；“自上而下”是基于卫星探测获取大气成分浓度数据和排放清单数据，通过数据同化方法进行通量估算。），逐步构建中国甲烷排放清单数据库，形成“星-空-地-海”一体化甲烷监测体系，为中国争取国际气候治理话语权提供有力支撑。

5.3 建立健全油气行业甲烷排放核算、报告与核查（MRV）体系

准确的甲烷排放数据是评价甲烷减排工作成效的基础。首先，应充分发挥中国油气企业甲烷控排联盟的行业引领作用，尽快识别油气行业排放源，并修订完善甲烷排放因子等关键指标，制定与国际接轨的油气行业甲烷排放清单计量方法和核算标准。其次，建议对重点油气设施、场站和区块等制定甲烷排放监测技术指南，利用卫星遥感监测等手段提高油气行业甲烷排放数据的透明度与准确性，规范油气行业自主开展甲烷排放数据核查行为。其中，应重点关注天然气生产、运输等全生命周期的甲烷排放数据库的建立，使天然气更好地发挥过渡能源的作用。最后，结合“自上而下”与“自下而上”的清单编制方法，研究油气行业甲烷排放清单编制范式与方法学，实现减排数据的相互比较与减排绩效的持续追踪。

5.4 强化油气企业主动披露甲烷排放信息的意识

香港联交所、美国证券交易委员会以及国际可持续发展准则理事会等均对气候信息披露提出了相关要求，石油与天然气相关企业作为甲烷排放的重点单位，未来将面临较大的气候信息披露压力。建议油气企业先行开展对重点排放源基础设施及其组件的甲烷浓度、流量等监测，通过主动披露、主动减排来减少因信息不对称而造成的风险。同时鼓励油气企业在实现中国油气企业甲烷控排联盟所承诺的“2025年天然气生产过程甲烷平均排放强度降到0.25%以下”目标的基础之上，继续设定2030年、2060年的长远甲烷减排目标，进一步提高中国油气企业甲烷减排的力度与水平。