北溪天然气管道突发泄漏：甲烷大气释放量地面观测和卫星数据分析

环境科学与生态技术12（2022）100210短通信北溪管道天然气泄漏向大气中释放了约贾孟伟a，1，李飞a，1，张玉忠b，吴茂松a，李英松a，冯淑庄a，王恒茂a，陈慧琳c，鞠伟民a，林俊d，蔡建伟d，张永光a，e，f，蒋飞a，g，h，*a南京大学国际地球系统科学研究所地理信息科学与技术江苏省重点实验室地址：江苏省南京市南京路210023b西湖大学工学院浙江省海岸带环境与资源重点实验室，浙江省杭州市，310030c南京大学大气科学学院大气与地球系统科学国际联合研究实验室，江苏省南京市，210023d中国资源卫星数据和应用中心，中国北京，100094e国际碳中和联合实验室，江苏省南京市，210023，中国中国江苏省南通市南通智能传感研究院226000g江苏省地理信息资源开发与应用协同创新中心，江苏省南京市，210023南京大学临界地球物质循环前沿科学中心，江苏省南京市，210023我的天啊N F O文章历史：接收日期：2022年10月15日接收日期：2022年2022年10月24日接受A B S T R A C T2022年9月底至10月初，位于波罗的海（丹麦）的两条北溪天然气管道突然发生特大天然气泄漏，向大气中释放大量甲烷。我们推断的甲烷排放量的地面原位观测的基础上，使用两种反演方法和两个气象再分析数据集，辅以卫星观测。我们得出结论，从2022年9月26日到10月1日，大约有220±30 Gg的甲烷被释放。©2022作者出版社：Elsevier B.V.代表中国环境科学学会这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。2022年9月下旬，据丹麦能源署称，瑞典附近波罗的海的NordStream 1和Nord Stream 2天然气管道被淹没，发现了几处泄漏，丹麦[1]。9月26日上午，在丹麦博恩霍尔姆岛东南部（北纬54.88度，东经15.41度）发现北溪2号那个夏娃-同时，北溪1号管道在博恩霍尔姆东北部的两个位置（55.54北纬，15.60东经和55.56北纬，15.79东经）也开始泄漏（图1 a）。 尽管这两条管道都没有运送虽然在泄漏发生时，天然气中仍然含有大量的加压甲烷，这些甲烷被喷出并在海面上产生大气泡（图1b）。 为*通讯作者。南京大学国际地球系统科学研究所，江苏省地理信息科学与技术重点实验室，江苏省南京市，210023电子邮件地址：jiangf@nju.edu.cn（F. Jiang）。[1]这些作者对这项工作作出了同样的贡献。加压甲烷通过破裂的管道泄漏并向海面移动，气泡的大小随着周围压力的降低而增加。巨大的气泡一到达海面，就在Planet，Landsat-8，GF5 -02-AHSI，Sentinel-2和Sentinel-1卫星都获得了相对精确的气泡图像。从9月26日到10月1日，不同的卫星平台观测到直径为0.5e0.7 km的气泡（图1c）。丹麦能源署10月2日宣布，北溪管道的天然气泄漏已经终止。甲烷是一种比同等质量的二氧化碳更强大的温室气体，自工业化以来，甲烷对直接和间接辐射强迫的贡献为1.2 W m-2，使其成为影响气候变化的第二大温室气体[2]。最全球科学家和决策者已就减少和控制甲烷排放的必要性达成共识[3，4]。由于甲烷的寿命大约为十年，这种突然的甲烷大泄漏可能会加剧已经存在的https://doi.org/10.1016/j.ese.2022.1002102666-4984/©2022作者。由Elsevier B.V.代表中国环境科学学会、哈尔滨工业大学、中国环境科学研究院出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表环境科学与生态技术期刊主页：www.journals.elsevier.com/environmental-science-and-www.example.comM. Jia，F.Li，Y.Zhang等人环境科学与生态技术12（2022）1002102图1. a.北溪1号和2号管道泄漏的位置。 黑点标识Birkenes（BIR），Hyltemossa（HTM），Norunda（NOR）和Utoo€eBalticSea（UTO）的综合碳观测系统（ICOS）站点，而红星代表2022年9月26日检测到的Lea k s的位置。 例如，记录逃逸气体的感测图像。9月29日（b）和10月1日（c）北溪1号管道泄漏区域的遥感图像，由哨兵1号卫星获取。北溪2号管道泄漏区域的遥感图像，由Planet（d）、Landsat-8（e）、GF 5 -02-AHSI（f）和Sentinel-1卫星（g）于2022年9月26日至10月1日采集我们在本文中使用协调世界时（UTC）全球气候变化形势严峻。因此，迫切需要量化与此事件相关的实际排放量。本文利用现场观测和卫星观测资料，采用多源反演方法，估算了北溪天然气管道泄漏点的甲烷排放速率及其变化，并量化了综合碳观测系统（ICOS）在北欧南部地区的几个地点监测到的甲烷浓度（图1）。1a），以及通过羽流模型模拟的甲烷运输，证实泄漏在最初发生后的短时间内影响了欧洲的大片地区。位于泄漏区域北部的Birkenes（BIR），Hyltemossa（HTM），Norun da（NOR）和Utoo€eBalticSea（UTO）的甲烷浓度从9月27日起都出现了多个明显的峰值和甲烷浓度的急剧波动（图11）。 2 a）。在社区多尺度空气质量模式（CMAQ）中模拟在线烟羽上升计算（方法S1），补充资料）表明，甲烷在9月27日早些时候被输送到UTO和NOR（图2b和c）。然后，烟羽从9月27日晚些时候到28日向西移动，甲烷在穿过挪威西部的海洋后到达挪威西部HTM和BIR（图） 2 d和e）。9月28日，系统进入英国，并于9月29日继续向西移动。虽然9月29日的甲烷浓度波动幅度比前两天小得多，但HTM的甲烷浓度仍然出现了明显的波动（图1）。 2 f和g）。随着管道燃气压力的降低，甲烷泄漏率可能会逐渐降低9月30日，泄漏仍在继续，并影响到泄漏区以东的地区随着泄漏强度的减小，北欧站点的甲烷峰值浓度降低，运输方向发生了变化。与泄漏前的时期相比，9月27日至30日期间HTM、BIR、NOR和UTO的最高小时甲烷浓度分别增加了317、351、306和317。63 ppb，分别比泄漏前水平增加17.4%、15.7%、15.1%和3.1%。虽然光学卫星可以提供水面甲烷气泡半径的信息本文采用三种不同观测资料的大气反演方法（M1、M2和M3）对甲烷排放量进行了定量分析。M1和M2使用不同的大气传输模型（即，天气研究和预报（WRF）-社区多尺度空气质量模式M. Jia，F.Li，Y.Zhang等人环境科学与生态技术12（2022）1002103×××图2. a，BIR、HTM、NOR和UTO四个ICOS位点处的甲烷增量。2022年9月26日至10月 1日峰值浓度的羽流模拟（CMAQ）[5]和随机时间反演拉格朗日传输（STILT）模型[6，7]）和气象信息（即，第五代全球气候大气再分析（ERA5）[8]和全球预报系统（GFS）[9]数据集），从而提供对运输错误的评估M3利用星载成像光谱仪，通过采用简单的比尔定律反演[10]和综合质量增强法（IME）[11]，绘制在M1和M2中，我们使用四个ICOS站点（BIR、HTM、NOR和UTO）的现场浓度测量值估算了这些泄漏的甲烷排放量的时间变化[12e15]。我们将四个地点的背景甲烷水平确定为9月之前所有9月观测的中位数26，并通过从原始数据中去除背景值来计算甲烷增强。在M1中，我们假设初始排放速率为1000 t h-1，用WRF-CMAQ模式计算了9月26日至10月1日各站每12 h排放期的小时WRF-CMAQ仿真是由由ERA5的0.25×0.25× 104全球气象场计算，空间分辨率为9公里。然后通过应用初始猜测（1000 t h-1）与模拟浓度贡献和观测到的甲烷增强的比率来推导每个时间段的甲烷排放速率我们还检查了使用替代背景的排放估计的程度.在M2中，我们使用STILT模型来表征大气传输。STILT模拟由国家环境中心的0.25×0.25 × 0.25全球气象场驱动。NCEP业务GFS分析，空间分辨率为0.1毫米-0.1毫米。我们首先根据以下数据推导出每个ICOS站点的甲烷增加对排放率的敏感性：STILT模拟，这计算的颗粒运动从泄漏中释放出来。然后，我们解决了贝叶斯逆问题，以估计每小时的甲烷排放量（后验排放量）[16]。我们假设泄漏的先验发射为零，高斯先验误差为2500 t h-1，高斯观测误差为30 ppbv，主要归因于运输模型我们还计算了后验误差，以评估这种反演的不确定性。除了现场观测外，还利用卫星提供的甲烷监测数据进行了比较。在M3中，我们使用Landsat-8和Sentinel-2卫星探测到甲烷羽流。第一步是推导甲烷浓度增加（D×CH4）图。所应用的D×CH4检索方法是基于对甲烷敏感的谱带和对甲烷敏感的谱带之间的简单谱带比没有灵敏度（或最小灵敏度）光谱闭合带。在Landsat-8中，我们使用波段B7作为灵敏度最高的波段，B6作为灵敏度最低的最近波段，在Sentinel-2中，波段B12和B11的顺序相同。一旦我们得到了DXCH4地图，我们进行了一个羽掩模选择甲烷羽流像素并量化排放。最后，我们-通过应用IME方法将所选像素转换为100ux速率（Q）。使用上述方法（细节参考方法S2和 S4），我们对泄漏执行时间反演。M1和M2的时间分辨率分别为12和1小时为了进行比较，我们将M2在12小时内的结果平均，以报告甲烷排放速率。M1和M2的排放率都显示出随着泄漏的发展而减少的总体趋势（图3c），这与挪威空气研究所[17]的反演结果趋势此外，M1和M2的结果显示与泄漏点数量1号管道的两处泄漏比2号管道的泄漏晚了大约半天到一整天M1和M2都大幅增加，M. Jia，F.Li，Y.Zhang等人环境科学与生态技术12（2022）1002104×图三. 基于卫星观测（aeb）和现场观测（ced）甲烷排放反演结果的9月29日（a）和9月30日（b）分别从Landsat-8-OLI卫星和Sentinel-2B卫星计算了北溪2号泄漏点羽流的相对增强c，9月30日单个泄漏点的排放率，以M1（蓝色）和M3（灰色）表示，黑线表示不确定性范围。d，基于现场观测的甲烷排放量反演结果。实线和虚线分别表示排放速率的12小时平均值和线性拟合灰色阴影区域表示不确定性。9月27日上午的排放量9月28日夜间，1号管道再次发生泄漏，排放率反弹。利用M1和M2估算的28年9月26日甲烷排放速率分别为1005 ~5340 t·h-1（M1）和810~ 4961 t·h-1（M2）。哥白尼大气层-球体监测服务估计泄漏为175千兆克，事件发生的前两天（9月26日和 27日）[18]，略高于我们的M1和M2估计值159± 21，同期为119±39 Gg（表S1）。虽然M1和M2的模型和算法不同，但总泄漏量的估计高度一致，表明我们估计的可靠性此外，我们分别使用M1和M2的逆发射结果进行了正向模拟（图1和图2）。S2 eS3），模拟结果能够较好地反映ICOS观测点甲烷浓度的增加，验证了模拟结果的可靠性。由于M1提供了一个较长的时间序列，我们使用M1方法来评估整个事件期间的甲烷排放总量10月1日中午之前，甲烷泄漏总量估计为220± 30千兆克;也就是说，略高于挪威空气研究所同期的估计值（56和 155千兆克）[17]。这可能是因为这两种估计是基于不同分辨率和不同观测的模拟我们还使用管道尺寸和气体压力的变化估计了甲烷排放总量。首先，根据圆形管道的内径（1.153 m）和长度（1224 km）[19]，我们计算出管道体积为1.27 × 106 m3。接下来，使用天然气密度计算器 （ https://www.unitrove.com/engineering/tools/gas/natural-gas-density），并基于气体压力的变化（从105 bar下降到7 bar，参 见 https ： www.archyde.com/from-105-to-seven-bar-pressure-drop-in-nord-stream-2/）、气体温度（假定为5℃），以及管道中甲烷含量（假定为96.5%）时，计算出管道中气体密度的变化为93.583千克米-3。最后，我们计算出每条管道大约有115千兆克的甲烷泄漏，总共大约有230 Gg来自两条管道。我们的反演结果（220± 30 Gg）与这一计算结果非常一致。我们进一步使用了Landsat-8- OLI和Sentinel-2B在9月29日和30日获得的两张卫星图像来检测Nord Stream 2泄漏上方的甲烷羽流（图1）。 3 a和b）。例如，从Sentinel-2B得到的结果表明，DXCH4的含量高达约15 ppm（https://twitter.com/MethaneData/status/1575928109463138304）。根据Varon等人[11]的方法，甲烷点排放量约为72± 38 t h-1。虽然这个排放率通常与我们从大气逆温（即，9月30日上午为122 ± 11 t h-1（图3c）），包括重要的不确定归因于两个可能的原因。首先，气泡的光谱反射率（非常明亮）可能贡献了很大一部分反射辐射，这很难与SWIR波段中甲烷的吸收分开。这可能导致对D×CH4的估计过高. 第二，卫星图像遗漏了很大一部分因为水可以吸收大部分的SWIR 范 围 内 的 太 阳 光 用 于 甲 烷 反 演 ， 特 别 是 与 Landsat-8 和Sentinel-2的最低点观测有关。因此，考虑到气泡反射率和吸水率的影响，在北溪2号泄漏上检测到的两个羽流的相对增强如图3 a和b所示。幸运的是，对于太阳闪烁观测模式的卫星，海面的影响可以减少[20]，这是9月30日获得的GHGSat观测的情况。根据对北溪2号泄漏的测量，GHGSat估计，在10：28：12 UTC时，甲烷排放率为79 t h-1，协调世界时12点56分32秒然而，这种大的变化，在排放率内，3小时的周期可以指示在每次采集时不同日光强度的影响。未来需要做更多的工作来研究卫星观测方面的问题，特别是避免可能的人为因素，这些人为因素可归因于气泡的影响。在两条北溪管道突然发生大规模泄漏后，卫星和现场观测显示有大量甲烷排放的信号。结果表明，北欧南部地区的环境大气甲烷浓度增加了17%。使用不同的反演系统解释的多光谱观测，我们估计的甲烷排放率在此事件的演变。我们发现了一个漏洞在事件的早期阶段，排放速率约为5000 t h-1，此后排放速率总体上逐渐降低总10月1日中午前，甲烷泄漏量估计为220± 30千兆克这一数字超过了2015 年发生 在加利福尼亚 州的 Aliso Canyon 天然气 泄漏（ 100Gg），使Nord Stream泄漏成为有史以来报道的最大天然气泄漏在IPCC（AR6）[2]中，甲烷与二氧化碳的100年全球变暖潜能值范围这意味着220千兆克的甲烷与6200千兆克的二氧化碳具有相同的全球变暖潜力。使用世界资源研究所2019年人为甲烷排放数据（全部转换为二氧化碳当量（MtCO2 e））[22]，220± 30 Gg的甲烷分别约为全球和丹麦年度人为甲烷排放量的0. 08%和85%，与奥地利年度人为甲烷排放量（6. 20 MtCO2 e）相当。排放物、背景水平、溢出区域的小尺寸、气泡反射率和高吸水率的先验误差的不确定性导致了推导结果中不可避免的不确定性M. Jia，F.Li，Y.Zhang等人环境科学与生态技术12（2022）1002105¼ ¼ ¼¼竞争利益作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作。致谢本工作得到了国家重点研发计划（批准号：2021YFB3901001）、南 京 大 学 临 界 地 球 物 质 循 环 前 沿 科 学 中 心 研 究 基 金 （ 批 准 号 ：090414380031）和国家自然科学基金（批准号：42007198）的资助。我们很高兴能够获得综合碳观测系统甲烷观测数据集。我们要感谢欧洲航天局和美国地质调查局提供哨兵-2号和大地卫星-8号数据集。我们感谢生态环境部生态环境卫星应用中心和中国资源卫星数据与应用中心提供 GF 5 -02-AHSI 数 据 。 我 们 也 感 谢 南 京 大 学 高 性 能 计 算 中 心（HPCC）在其刀片集群系统上执行本文中报告附录A. 补充数据本文的补充数据可以在https://doi.org/10.1016/j.ese.2022.100210上找到。引用[1] 丹麦能源署。https://ens.dk/en/press/leak-north-stream-2-baltic-海.（2022年10月12日查阅）。[2] P. Arias，N. Bellouin，E. 科波拉河 Jones，G. Krinner，J. Marotzke，V. 奈克，M. Palmer，G.Plattner，J.Rogelj，M.Rojas，J.Sillmann，T.Storelvmo山口索恩，B. Trewin，K.阿丘塔劳湾阿迪卡里河Allan，K.Armour，G.巴拉河巴里马拉拉，S. Berger，J.G.卡纳德尔角Cassou，A.Cherchi，W.柯林斯，W。Collins，S.康纳斯S. Corti，F. Cruz，F. 丹特纳角 Dereczynski，A. Di Luca，A. 丢娘，P.Doblas-Reyes，A.Dosio，H.Douville，F.Engelbrecht，V. Eyring，E.菲舍尔，P.Forster，B.作者：J. J.吉列特湖戈德法布I. Gorodetskaya，J.Hamdi，E.霍金斯，H.休伊特，P.霍普，A.伊斯兰角Jones，D.考夫曼河Kopp，Y. Kossin，S. Krakovska，J. 李，J. Lee，V. Masson-Delmotte，T.埃里森，T.梅科克，M. Meinshausen，S. 敏，T. Ngo Duc，F.奥托岛Pinto，A. 皮拉尼湾拉加万河 Ranasighe，A. 鲁安，L. Ruiz，J. Sallee e，B. Samset，S. Sathyendranath，P. Monteiro，S. 塞内维拉特尼，A. Sorensson，S. 索帕岛Takayabu ，A. 特雷吉耶湾 范登赫克河沃塔尔，K. Von Schuckmann，S.Zaehle，X.Zhang，K.Zickfeld，in：V.马森-德尔莫特P. Zhai，中国野牡丹A. Pirani，S. 康纳斯角 佩安，S。Berger，N. 考德岛 陈湖，澳-地戈德法布M. Gomis，M. Huang，K. Leitzell，E. 作者声明：J. 梅考克T. Water Field，O.耶莱克奇河于湾，澳-地Zhou（Eds.），《气候变化2021：物理科学基础》，第一工作组对政府间气候变化专门委员会第六次评估报告的贡献，剑桥大学出版社，2021年。[3]D. Shindell，J. Kuylenstierna，E. 维尼亚蒂河 van Dingenen，M. 阿曼，Z. Klimont，S.Anenberg，N.Muller，G.Janssens-Maenhout，F.Raes，J.施瓦茨，G. 法卢韦吉湖Pozzoli，K. 库皮艾宁湖 霍格伦德-伊萨克松湖恩伯森，D. Streets，V. Ramanathan，K.Hicks，N.Oanh，G.米莉，M。威廉姆斯，V. Demkine，D. Fowler，同时缓解近期气候变化和改善人类健康和粮食安全，科学335（2012）183E 189，https://doi.org/10.1126/science.1210026。[4] R. Alvarez，S.作者：J. Chameides，S.汉堡，需要更加关注天然气基础设施的甲烷泄漏 ， Proc.Natl 。Acad.Sci.U.S.A.109 （ 2012 ） 6435e6440 ，https://doi.org/10.1073/pnas.1202407109。[5] D. 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