背景介紹

美國約有360萬口廢棄或孤兒油氣井，甲烷（CH?）年排放總量估計為0.23–2.6太克（Tg），其中10%以下的“超級排放源”可能貢獻超過90%的總排放量。由于這些井多處于無業主監管、位置偏遠、排放差異大，國家和州政府亟需一種高靈敏度、成本可控、可擴展性強的泄漏量化方法，以優先確定封堵對象并進行碳減排核算。 當前多數遙感平臺（如衛星、航空）對于10 kg/h 以下的泄漏無探測能力，而傳統方法如艙室法、渦動相關法則受限于成本、布設難度與空間分辨率。因此，現場地面傳感器+無人機平臺結合的新型觀測系統正在成為突破點。來自洛斯阿拉莫斯國家實驗室（Los Alamos National Laboratory）等單位的研究團隊采用Aeris MIRA Pico 與 MIRA Ultra 中紅外激光氣體分析儀，構建了一個多平臺、多距離、近地面與空中協同的觀測與反演體系，重點解決以下問題：                
如何可靠地定量低于10 kg/h 的中等強度孤兒井排放？
如何在野外排除背景干擾并區分污染源？
如何構建適用于單傳感器布設的大規模應用技術路徑？

研究方法

1、實驗地點與對象

本研究針對新墨西哥州Hobbs地區一口已識別的高排放孤兒井Foster 1S進行野外采樣。該井歷史上具有高壓甲烷積聚，存在主泄漏（閥門放空）與次泄漏（套管微滲）兩種排放路徑。

2、地面布設與儀器部署

使用4套激光光譜儀，沿主風向部署于7.5m、15m、22.5m與47m位置，所有儀器采樣頻率為1 Hz，傳感器高度約1.6 m，與煙羽高度一致。            
7.5 m：MIRA Ultra（測CH?+C?H?+C?H?）+風速儀    
 15 m：MIRA Pico（CH?+C?H?）+風速儀    
  22.5 m：Picarro G4302（CH?）    
47 m：MIRA Pico（CH?+C?H?）

3. 無人機穿越觀測（UAS）

搭載MIRA Pico Methane-Ethane分析儀與Trisonica Mini風速儀（該平臺在團隊之前發表的文獻中有詳細的描述與介紹https://mp.weixin.qq.com/s/XbynsHsgD2_2P-fjpyPgqw），沿多個橫截面（60–140 m）多高度反復穿越煙羽，獲得橫向濃度積分數據，并通過風速矢量轉換為通量估算。

結 果

1、主泄漏量化（閥門放空）

 地面反演法（Pico/Ultra）：10.53 ± 1.16 kg CH?/h
  直接流量法（Ventbuster）：9.0 ± 0.25 kg CH?/h
  誤差約15%，優于傳統方法（偏差高達數倍）

2、次泄漏量化（表層套管）

 地面反演：0.67 ± 0.08 kg CH?/h
 UAS 穿越：0.38 ± 0.10 kg CH?/h
觀測前后間隔2小時，風速與方向相近，驗證兩者一致性

3、CH?-C?H? 同步測量：驗證污染源

 MIRA Pico（15 m）測得 C?H?/CH? 比為0.121 mol/mol
 實驗室氣相色譜GC比值為0.124 mol/mol
 證明觀測值來自Foster 1S，未被區域背景或生物源干擾

討 論

Aeris MIRA Pico / Ultra 分析儀的關鍵優勢

CH?-C?H? 同時測量的科學與應用意義            
 ?污染源甄別：石油天然氣逸散有C?H?，生物源甲烷無；乙烷比例穩定性可直接識別油氣源  
 信號濾波與校準：使用C?H?作為輔助參數識別混入背景風、非典型突增等異常
多組分排放核算：未來可支持聯合甲烷+VOC排放因子體系建設，適用于碳核查、政策執行

結論

本研究展示了一套由Aeris MIRA Pico / Ultra 中紅外激光氣體分析儀構成的地面-無人機協同觀測體系，結合實測風場與煙羽反演模型，實現在不依賴大型平臺或高昂設備條件下，對孤兒油氣井 0.5–10 kg CH?/h 范圍排放的高精度定量。其主要貢獻包括：            
 構建了一種 低成本、高靈敏、可規模化復制 的甲烷泄漏監測技術路徑；
 提出以 實測煙羽結構 替代傳統穩定度模型的新方法，顯著提升反演準確性;
 驗證了 CH?-C?H? 同步觀測在源識別與背景排除中的關鍵價值。
在孤兒井數量龐大、排放異質性強的現實背景下，該技術體系具備大范圍推廣潛力，并可進一步擴展至城市天然氣管網泄漏監測、設施級排放監管、碳信用核算等領域，成為下一代甲烷減排與氣候行動支撐工具的基礎。