《Environmental Science & Technology Letters》：Monitoring Persistent Methane Emissions from the Secunda CTL Synthetic Fuel Plant Using Satellite Observations
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本综述系统阐述了如何结合TROPOMI（7×5.5 km2）与GHGSat（25×25 m2）多尺度卫星数据，通过CSF/IME/LIME/ADV四种算法量化南非塞康达CTL（煤制油）设施的甲烷排放。研究发现卫星估算值（TROPOMI年均13–22 t/h，GHGSat约6 t/h）与企业报告值（11.5 t/h）形成互补，凸显卫星遥感作为独立审计工具在验证排放清单、追踪全球甲烷承诺（Global Methane Pledge）进展中的关键作用，为多平台协同监测温室气体提供范式。
引言
甲烷（CH4）作为仅次于二氧化碳（CO2）的第二大人为温室气体，在100年时间尺度上的全球增温潜势（GWP）可达CO2的27.9倍。尽管其在大气中存留时间较短（约9年），减少甲烷排放仍是遏制近期全球变暖的有效策略。2021年COP26发起的《全球甲烷承诺》（Global Methane Pledge）设定了到2030年将甲烷排放降低30%的目标，而实现这一目标亟需透明、可行动的数据支持。在此背景下，卫星观测凭借其独立、多尺度的监测能力，成为补充传统清单报告的重要工具。
搭载于哨兵5号前哨卫星（Sentinel-5 Precursor）的对流层监测仪（TROPOMI）自2018年起提供每日全球CH4柱浓度（XCH4）数据，其当前星下点分辨率为7×5.5 km2。TROPOMI数据已广泛应用于全球、区域及局地尺度的甲烷排放估算，尤其擅长识别超级排放源（superemitters）。然而，其较低的空间分辨率限制了精准定位排放源的能力。与之互补的GHGSat商业卫星星座专为工业点源监测设计，空间分辨率达25×25 m2，可检测超过100 kg/h的排放源，但受限于观测覆盖范围与任务调度，重访周期较长。
本研究以南非塞康达煤制油（CTL）合成燃料工厂为对象，该设施被认定为全球最大的单一温室气体排放源，却未被纳入EDGAR（Emission Database for Global Atmospheric Research）等全球排放清单。此前研究多关注其CO2与氮氧化物（NOx）排放，而甲烷排放尚未通过卫星观测系统评估。塞康达工厂的甲烷排放来源复杂，包括煤气化过程的逃逸排放、管道泄漏、储罐挥发及间接发电等，因此成为多分辨率卫星联合监测的理想案例。
材料与方法
研究采用TROPOMI版本2.4.0及以上级别的再处理数据，并应用质量标志（QA>0.3）进行筛选。同时，通过欧洲空间局（ESA）第三方项目METSA获取了12景覆盖塞康达区域的GHGSat存档数据。排放量化方面，针对TROPOMI数据使用了三种基于烟羽反演的算法：截面通量法（CSF）、集成质量增强法（IME）和线性集成质量增强法（LIME），以及基于长期数据平均的平流/散度法（ADV）。GHGSat数据则采用其业务化IME算法估算排放率，并辅以LIME方法进行验证。风速数据分别采用ECMWF ERA5再分析资料（100米高度）及Open Weather Map/GEOS-FP数据集。此外，研究对比了自动化TROPOMI烟羽检测平台（SRON）的估算结果及运营商Sasol公布的年度报告数据。
结果与讨论
2023年至2024年间，研究在TROPOMI数据中识别出24个（2023年）和27个（2024年）源自塞康达设施的可用甲烷烟羽，多集中于4月至10月。烟羽尺度显示排放具有持续性，例如2023年6月23日TROPOMI观测到明显烟羽（图1B），而同日GHGSat在同一TROPOMI像元内识别出6个独立烟羽（图1C）。基于TROPOMI的年度平均排放估算显示，CSF、IME和LIME方法结果高度一致，2023年和2024年均值约为20 t/h，而ADV方法估算值分别为13.6±4.1 t/h（2023）和21.3±6.4 t/h（2024）。SRON自动化平台估算结果与手动反演值在不确定性范围内相符。GHGSat观测到的单日排放总和介于3–10 t/h，年均值约6 t/h，显著低于TROPOMI估算值。
排放差异主要源于观测尺度与探测限的差异：TROPOMI捕获的是设施整体排放的聚合烟羽（长度可达百公里），可能包含塞康达北部煤矿区及周边电厂（如Matla、Kriel电厂）的贡献；而GHGSat虽能精确定位厂区内点源，但可能遗漏低于100 kg/h阈值的排放或因气溶胶（如烟气）干扰未能识别的烟羽。此外，卫星观测存在时间代表性偏差，TROPOMI仅限每日相同时刻，且南半球夏季数据覆盖不足。对同一日期的同步观测对比（如2023年4月11日、6月23日）显示TROPOMI估算值较GHGSat高出50%–90%，进一步印证了尺度效应。
与企业报告对比发现，Sasol公布的2023年7月至2024年6月排放量为11.5 t/h，介于TROPOMI的ADV估算值（15.8±4.8 t/h）与GHGSat均值之间。 plume-based方法因仅针对可识别烟羽日进行分析，可能高估实际均值；而ADV方法基于全时段数据，更接近报告值。这一结果凸显了卫星遥感作为独立审计工具的价值：既能验证企业自报数据，又可填补全球清单漏洞，为Sasol设定的2030年减排目标提供追踪依据。
结论与展望
本研究证实，联合使用TROPOMI与GHGSat等多分辨率卫星数据，能有效实现从设施到点源的多级甲烷排放监测。未来，随着Carbon Mapper、MethaneSAT、CO2M（Copernicus Carbon Dioxide Monitoring mission）、TANGO（Transportation and Atmospheric Pollution Mission）等新一代温室气体监测任务的发射，以及静止轨道遥感（如非洲大气成分监测星座计划）对时间分辨率的提升，多平台协同监测体系将更趋完善。通过持续优化反演算法与数据融合策略，卫星观测必将在全球甲烷减排行动中发挥更关键的支撑作用。
