Article Dans Une Revue Environmental Science and Technology Année : 2026

High-resolution modelling of methane plumes: validation and sensitivity experiments to explore emission quantification approaches

Modélisation haute résolution des panaches de méthane : validation et expériences de sensibilité pour explorer les approches de quantification des émissions

Résumé

Methane (C H 4 ) emissions from natural gas, waste, and industrial sources are routinely detected by satellite and aerial platforms; however, quantifying these plumes remains challenging due to their complex structure and rapidly changing fine-scale atmospheric dynamics. This study directly addresses the resulting uncertainties in UAV flight measurements by employing the Fire Dynamics Simulation (FDS) in Large Eddy Simulation (LES) mode, leveraging mean wind data derived from LiDAR datasets. The FDS model was validated with in-situ CH 4 concentration data collected by Uncrewed Aerial Vehicles (UAVs) during controlled release experiments. Our analysis of ten extensively sampled plumes shows that FDS accurately reproduces the magnitude and spatiotemporal variations of the observed plumes for sufficiently large pipes (diameter > 0.6 cm). We found that factors such as gas exit velocity, obstacles, and terrain topography significantly affect the near-field dynamics of the plumes. To a lesser extent, the temperature of the gas influences plume behaviour at higher mass-flow rates. We highlight the added value of high-resolution LES modelling to understand CH 4 plume dynamics captured by various sensors, aiming to improve current emissions quantification methods

Les émissions de méthane (CH4​) provenant du gaz naturel, des déchets et des sources industrielles sont couramment détectées par des plateformes satellitaires et aériennes ; cependant, la quantification de ces panaches reste complexe en raison de leur structure multidimensionnelle et de la dynamique atmosphérique fine, qui évolue rapidement. Cette étude traite directement les incertitudes résultant des mesures par vol de drones (UAV) en employant la simulation de dynamique d'incendie (FDS) en mode de simulation des grandes échelles (LES), en exploitant les données de vent moyen dérivées de jeux de données LiDAR. Le modèle FDS a été validé avec des données de concentration de CH4​ recueillies in situ par des drones lors d'expériences de rejets contrôlés. Notre analyse de dix panaches largement échantillonnés montre que le modèle FDS reproduit avec précision l'ampleur et les variations spatiotemporelles des panaches observés pour des conduites de diamètre suffisant (diamètre > 0,6 cm). Nous avons constaté que des facteurs tels que la vitesse de sortie du gaz, les obstacles et la topographie du terrain affectent de manière significative la dynamique en champ proche des panaches. Dans une moindre mesure, la température du gaz influence le comportement du panache à des débits massiques plus élevés. Nous soulignons la valeur ajoutée de la modélisation LES à haute résolution pour comprendre la dynamique des panaches de CH4​ captée par divers capteurs, dans le but d'améliorer les méthodes actuelles de quantification des émissions.

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hal-05500324 , version 1 (09-02-2026)

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Citer

Rakesh Yuvaraj, Thomas Lauvaux, Charbel Abdallah, Philippe Ciais, Julian Akani Guery, et al.. High-resolution modelling of methane plumes: validation and sensitivity experiments to explore emission quantification approaches. Environmental Science and Technology, 2026, ⟨10.1021/acs.est.5c15941⟩. ⟨hal-05500324⟩
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