文章亮点

1. 在北溪发生严重的甲烷泄漏事故后，卫星和地面站点的观测均显示了大气中甲烷浓度快速上升，北欧南部地区地面站点观测的小时甲烷浓度最高增幅达17%；

2. 地面观测反演的结果显示，泄漏事件发生后，早期的甲烷排放速率高达约5000 t·h^-1，此后逐渐下降；

3. 甲烷泄漏总量约为（22 ± 3）万t。

文章简介

2022年9月26日，北溪公司两条由俄罗斯向德国输送天然气的海底管道突然发生严重泄漏。卫星观测数据显示，丹麦附近的波罗的海海面出现了巨大的气泡，大量的甲烷从海底管道内渗漏出，进入大气层。Planet、Landsat-8、GF5-02-AHSI、Sentinel-2和Sentinel-1等卫星都探测到了海面气泡（图1）。从9月26日至10月1日，卫星观测到直径为0.5～0.7 km的巨型气泡。甲烷是仅次于二氧化碳的第二大温室气体，这次突如其来的巨量甲烷泄漏很可能会加剧温室效应，致使缓解全球变暖更加困难。波罗的海周边多个观测站点的数据显示，相比泄漏事故发生前，近地面小时甲烷浓度上升最高达17%（图2）。

图1  北溪一号和北溪二号的泄漏点分布和遥感影像：(a) 黑点是ICOS位于Birkenes (BIR)、Hyltemossa (HTM)、Norunda (NOR)和Utö-Baltic sea (UTO)的甲烷观测点，红星是26日发现的泄漏点位置；(b-c) 北溪一号管道泄漏区域的Sentinel-1遥感影像；(d-g) 北溪二号管道泄漏区域的Planet、Landsat-8、GF5-02-AHSI和Sentinel-1遥感影像

图2  2022年9月26日至10月1日北欧4个站点观测的甲烷浓度增幅（a）和峰值时刻对应的羽流模拟（b-g）

为了定量反演甲烷泄漏量，作者收集了地面站点和卫星观测数据，应用三种反演方法进行了甲烷泄漏量的反演。基于地面站点的观测数据，分别利用欧拉大气化学传输模式WRF-CMAQ结合欧洲中长期天气预报中心的气象再分析数据ERA5（M1），以及拉格朗日大气传输模式STILT结合美国气象环境预报中心的GFS数据（M2），模拟了泄漏点的排放和观测站点的浓度响应关系，结合相应的反演算法，得到了每12小时的排放变化速率。另外，采用基于比尔-朗伯定律的简化反演算法以及综合质量增强模型（M3），使用星载成像光谱仪监测了卫星过境时刻海面的甲烷泄漏情况。

三种反演方法的结果表现出良好的一致性。从排放速率变化趋势上来看，M1和M2呈现出总体下降趋势（图3d），与挪威空气研究所反演的排放趋势一致。此外，M1和M2反演排放速率增加的时间与泄漏点数量增多的时间也是一致的。从排放速率的数值来看，M1和M2的结果也很接近。使用M1和M2估计的26日—28日的甲烷排放速率分别为1005～5340 t·h^-1（M1）和810～4961 t·h^-1（M2）。尽管M1和M2所用的传输模型、气象数据和反演算法完全不同，但对总泄漏的估计高度一致，表明估算结果的可靠性。由于M1提供了更长时间序列的反演结果，因此作者用M1方法评估了该事件的排放总量。10月1日中午之前，甲烷泄漏总量为（22 ± 3）万t。该结果也与根据北溪管道的长度（1224 km）、内径（1.153 m）以及泄漏前后气压的变化（从105 bar到7 bar）估算的结果（23万t）高度吻合。哥白尼大气监测服务（CAMS）估算的26日—27日排放量为17.5万t，与M1方法估算的15.9万t较为接近。挪威空气研究所估算本次泄漏量为5.6～15.5万t，低于本研究的结果。

图3  基于卫星观测的泄漏点相对增强值和基于站点观测的甲烷排放反演结果。北溪二号泄漏点羽流的相对增强值是根据（a）9月29日的Landsat-8-OLI卫星和（b）9月30日的Sentinel-2B卫星反演的；(c) 9月30日M1（蓝色）和M3（灰色）中各个泄漏点的排放率，黑色线段表示不确定性范围；(d) 基于站点观测的甲烷排放的反演结果，实线和虚线分别是12小时的平均值和排放速率的线性拟合，灰色阴影区域表示不确定性

作者也尝试使用Landsat-8-OLI和Sentinel-2B卫星的监测数据进行了北溪二号的甲烷泄漏估算（M3）。Sentinel-2B在9月30日10:07:29 UTC的反演结果显示：ΔX_CH4高达约15 ppm，甲烷泄漏速率约为（72 ± 38）t·h^-1。虽然这个排放速率与M1的大气反演结果（122 ± 11）t·h^-1相当，但卫星反演结果仍存在极大不确定性，因为气泡反射率以及海水对短波红外范围内的太阳辐射吸收等因素对卫星观测的光谱信号有很大影响。所幸的是，卫星在耀斑观测模式下可以在一定程度上减少海水吸收对反演结果带来的干扰。9 月 30 日，GHGSat卫星通过对北溪二号泄漏点的观测，估算了10:28:12 UTC时甲烷泄漏速率为79 t·h^-1，而12:56:32 UTC时为29 t·h^-1。3小时内，泄漏速率从79 t·h^-1下降至29 t·h^-1，这可能是受卫星观测时太阳辐射强度变化的影响。未来需要进一步研究以解决卫星观测的问题，特别是如何解决由于气泡影响而产生的伪影干扰问题。

小结

在两条北溪管道突发特大泄漏事故后，卫星和地面站点的观测数据显示了大量甲烷排放信号。结果表明，北欧南部地区站点观测的小时甲烷浓度最高增幅达17%。基于地面站点观测，作者利用两种不同的大气反演方法估算了本次事件中排放速率随时间变化的情况。作者发现在早期阶段泄漏速率高达5000 t·h^-1，此后排放速率总体上逐渐下降。从9月26日至10月1日中午（10月2日气泡消失，甲烷泄漏基本结束），甲烷泄漏总量估计为（22 ± 3）万t。这一排放量超过了2015年美国加利福尼亚州阿利索峡谷天然气井喷的泄漏量（10万t），致使本次北溪事件成为有史以来最大的天然气泄漏事件。以2019年世界各国人为甲烷排放量作为参考，北溪事件的甲烷泄漏量与奥地利全年人为甲烷排放量相当，约为丹麦的85%，全球的0.08%。

作者信息

第一作者  贾梦唯，特任助理研究员，南京大学国际地球系统科学研究所。主要从事大气污染物和温室气体排放反演，大气输送与扩散模拟研究。现已在国内外期刊发表学术论文13篇，其中SCI论文7篇。

李飞，博士研究生，南京大学国际地球系统科学研究所。从事甲烷等大气痕量气体监测方面的研究工作。目前在国内外期刊发表学术论文5篇，公示专利1项。

通讯作者  江飞，教授，博士生导师，南京大学国际地球系统科学研究所。主要从事碳循环与空气污染的模拟与数据同化研究，先后研发了我国新一代基于卫星遥感的全球碳同化系统GCASv2，区域大气污染物同化系统RAPAS，和区域空气质量循环同化预报系统等。现已在GRL、ESSD、JGR-A等期刊上发表学术论文103篇，其中SCI论文75篇，引用2860余次；授权国家发明专利3件；获得了全国遥感青年科技人才奖、教育部自然科学二等奖等奖项；受聘为杭州G20峰会、上海进博会等8次国家重大活动的空气质量保障专家。研究成果入选了国家“十三五”科技创新成就展，在国家气象局、国家环境监测总站等单位得到了应用。

论文ID

原文题目  The Nord Stream pipeline gas leaks released approximately 220,000 tonnes of methane into the atmosphere

引用信息  Jia, M., Li, F., Zhang, Y., Wu, M., Li, Y., Feng, S., ... & Jiang, F. (2022). The Nord Stream pipeline gas leaks released approximately 220,000 tonnes of methane into the atmosphere. Environmental Science and Ecotechnology 12: 100210.

doi: https://doi.org/10.1016/j.ese.2022.100210