Fernerkundungsüberwachung der Methansäulenkonzentration von Punktquellen in typischen Kohleabbaugebieten der Provinz Anhui

Methan ist ein radioaktives und chemisch reaktives Gas in der Atmosphäre, das sowohl die Strahlungsbilanz der Erde als auch atmosphärische chemische Prozesse beeinflusst. Als zweitwichtigstes Treibhausgas ist seine durchschnittliche Jahreskonzentration mehr als 2,5-mal so hoch wie vor der Industriellen Revolution. Das Treibhauspotenzial von Methan ist auf einen Zeitraum von 20 Jahren etwa 84-mal und auf einen Zeitraum von 100 Jahren etwa 30-mal so hoch wie das von Kohlendioxid. Die atmosphärische Lebensdauer von Methan beträgt nur etwa 12 Jahre und ist damit deutlich kürzer als die von Kohlendioxid (das Hunderte von Jahren verbleibt). Die Kontrolle der Methanemissionen hat einen schnelleren Effekt auf die Abschwächung der globalen Erwärmung und ist besonders wichtig für das Erreichen der Klimaneutralität.

Das Funktionsprinzip von Methanüberwachungssatelliten besteht darin, die Methanemissionen durch die Erfassung der spektralen Absorption von Methan bei verschiedenen Wellenlängen mithilfe von Treibhausgas-Messgeräten zu schätzen. Die Inversion ist eine Top-Down-Methode, die Beobachtungsdaten und atmosphärische Transportmodelle kombiniert, um die Emissionen zu optimieren (Cai Xiaoli, 2025). Zu den CH4-Inversionsmethoden gehören hauptsächlich Algorithmen für atmosphärische chemische Transportmodelle, physikalische Algorithmen, Mehrband-Mehrkanal-Methoden und Deep-Learning-Algorithmen.

Diese Arbeit untersucht 19 typische Kohleabbaugebiete in der Provinz Anhui. Basierend auf hyperspektralen Fernerkundungsdaten des Satelliten Gaofen-5 02 (GF5B) wird mithilfe eines angepassten Filteralgorithmus die Methansäulenkonzentration in diesen Gebieten ferngesteuert überwacht. Ziel ist es, Daten und eine wissenschaftliche Grundlage für die dynamische Überwachung regionaler Methanemissionsquellen zu schaffen.

Im Karbon und Perm erfuhr die Nordchinesische Platte tektonische Entwicklungen, wodurch sich mehrere kohleführende Schichten bildeten und große Kohlevorkommen wie das Huaihe-Flussbecken und West-Shandong entstanden. Das Huaihe-Flussbecken, das sich über fünf Städte im nördlichen Anhui erstreckt, birgt Kohlevorräte von 33,817 Milliarden Tonnen und ist ein bedeutendes Energiezentrum Ostchinas. Geologisch liegt es im Xuhuai-Block am südöstlichen Rand der Nordchinesischen Platte und wird durch die Bengbu-Aufwölbung in das Huaihe-Flussbecken und das südliche Huaihe-Fluss-Kohlefeld unterteilt.

Abbildung 1. Tektonischer Umriss der Nordchinesischen Platte, tektonische Lage des Lianghuai-Kohlefelds und Verteilung der stillgelegten Kohlebergwerke (Jiang Jianming, 2024).

Abbildung 2. Fernerkundungsbild des Untersuchungsgebiets und Verteilungskarte der Mineralvorkommen.

Die angepasste Filterung ist eine datengetriebene Methode, bei der die spektrale Information als überlagerte spektrale Störung des mittleren Spektrums charakterisiert werden kann, die durch Schwankungen der Methansäulenkonzentration verursacht wird. Dieser Algorithmus maximiert das Signal-Rausch-Verhältnis und wird häufig für die Fernerkundungsinversion von Methan-Punktquellen eingesetzt. Basierend auf dem Lambert-Beer-Theorem wird er mithilfe einer Taylor-Entwicklung erster Ordnung linearisiert.

Dabei ist k der Absorptionskoeffizient von Methan, der die Fähigkeit von atmosphärischem Methan zur Absorption von Strahlung bei einer bestimmten Wellenlänge charakterisiert. Er entspricht der Summe der Absorptionsquerschnitte der Methanmoleküle in vertikaler Richtung und wird sowohl durch die Absorptionsweglänge als auch durch den Absorptionsquerschnitt von Methan bestimmt._DieDie vom Satelliten empfangene mittlere Strahlungsintensität μ kann als Näherungswert, d. h. als Referenzspektrum, verwendet werden. Das Zielspektrum t(I)_DieDer Wert repräsentiert die durch die erhöhte Methansäulenkonzentration verursachte Störung der Hintergrundstrahlungsintensität. Der Koeffizient k kann mithilfe eines Strahlungstransportmodells bestimmt werden.

Unter der Annahme, dass die spektrale Änderung ausschließlich durch die Änderung der Methankonzentration verursacht wird und dass sich die Absorptionseigenschaften von Methan nicht ändern, kann die Erhöhung der Methansäulenkonzentration durch Anwendung der Gaußschen Log-Likelihood auf Gleichung (3-1) und Optimierung der Zielformel, wie in Gleichung (3-2) gezeigt, ermittelt werden:

In der Formel ist C die Hintergrundkovarianzmatrix, während μ näherungsweise I ausdrückt._DieDie Formel zur Berechnung von t(μ) lautet t(μ) = μ·k

Die Fernerkundung der Methansäulenkonzentration in 19 typischen Kohleabbaugebieten der Provinz Anhui erfolgte mithilfe von AHSI-Daten des Satelliten Gaofen-5 02 und angepasster Filterung (MF). Die räumliche Verteilung der erhöhten Methansäulenkonzentration und die räumliche Verteilung der Methanfahne in einigen Kohleabbaugebieten sind unten dargestellt:

Abbildung 3. Räumliche Verteilung der Erhöhung der Methansäulenkonzentration in einem typischen Kohleabbaugebiet.

Abbildung 4. Lage des Kohlebergwerks Dingji und räumliche Verteilung der Methanfahne

Abbildung 5. Lage des Kohlebergwerks Pansan und räumliche Verteilung der Methanfahne

Abbildung 6. Lage des Kohlebergwerks Zhujidong und räumliche Verteilung der Methanfahne

Diese Studie nutzte hyperspektrale Fernerkundungsdaten des AHSI-Satelliten Gaofen-5 02 (GF5B) und einen angepassten Filteralgorithmus zur Fernerkundung der Methansäulenkonzentrationen in 19 typischen Kohleabbaugebieten der Provinz Anhui. Aufgrund von Unvollkommenheiten im Genauigkeitsprüfungssystem und Störungen durch komplexe meteorologische Bedingungen weist die Fernerkundungsinversion der Methansäulenkonzentrationen von Punktquellen jedoch erhebliche Unsicherheiten auf, was weitere detaillierte Untersuchungen erforderlich macht.

Referenzen

[1] Cai Xiaoli, Bao Yunfei, Huang Qiaolin. Ein Überblick über die Technologie zur Detektion und Inversion von atmosphärischem Methan mittels Satellitenfernerkundung [J]. Space Return and Remote Sensing, 2025, 46(01):160-173.

[2] Jiang Jianming, Han Feng, Ding Hai u. a. Umfassende Untersuchung, Entwicklungs- und Nutzungsstatus sowie Perspektiven der verbleibenden Ressourcen in stillgelegten Kohlebergwerken des Lianghuai-Kohlefelds, Provinz Anhui [J]. China Mining, 2024, 33(08):46-58.

[3] Li Fei, Sun Shiwei, Zhang Yongguang et al. Fernerkundungsinversion und -analyse typischer Methan-Superemissionsquellen in China und den Vereinigten Staaten mittels des Hyperspektral-Imagers des Satelliten Gaofen-5 02 [J]. Journal of Remote Sensing, 2024, 28(08):1986-2001.

[4] Qin Kai, He Qin, Kang Hanshu et al. Forschungsfortschritt und Aussichten der Satellitenfernerkundung von Methanemissionen in der Kohleindustrie [J]. Acta Optica Sinica, 2023, 43(18):118-130.

[5] Jiang Yuhan. Leistungsstudie zur satellitengestützten Fernerkundung von Methan-Punktquellen [D]. Chinesische Akademie der Meteorologischen Wissenschaften, 2025.