[논문 리뷰] Changes in air quality and human mobility in the U.S. during the COVID-19 pandemic

Cristina L. Archer, Guido Cervone외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 27.

COVID-19 impact on air quality참고 문헌 22인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 코로나19 팬데믹 기간 동안 미국의 대기질과 인구 이동성의 변화를 분석하며, 지상 모니터링 및 인공위성 데이터를 사용하여 NO₂ 농도가 크게 감소함(최대 8 ppb, 평균 2 ppb)하고 이는 이동성 감소와 관련이 있음을 보여주지만, PM₂.₅ 농도는 대부분 변화가 없음을 밝혔다. 주요 발견은 승용차 수요 감소가 NO₂ 감소를 이끌었지만, 디젤 기반 상용차와 발전소는 PM₂.₅ 배출을 유지했다는 것이다.

ABSTRACT

The first goal of this study is to quantify the magnitude and spatial variability of air quality changes in the US during the COVID-19 pandemic. We focus on two federally regulated pollutants, nitrogen dioxide (NO2), and fine particulate matter (PM2.5). Observed concentrations at all available ground monitoring sites (240 and 480 for NO2 and PM2.5, respectively) were compared between April 2020 and April of the prior five years, 2015-2019, as the baseline. Large statistically significant decreases in NO2 concentrations were found at more than 65% of the monitoring sites, with an average drop of 2 ppb when compared to the mean of the previous five years. The same patterns are confirmed by satellite-derived NO2 column totals from NASA OMI. PM2.5 concentrations from the ground monitoring sites, however, were more likely to be higher. The second goal of this study is to explain the different responses of the two pollutants during the COVID-19 pandemic. The hypothesis put forward is that the shelter-in-place measures affected peoples' driving patterns most dramatically, thus passenger vehicle NO2 emissions were reduced. Commercial vehicles and electricity demand for all purposes remained relatively unchanged, thus PM2.5 concentrations did not drop significantly. To establish a correlation between the observed NO2 changes and the extent to which people were sheltering in place, we use a mobility index, which was produced and made public by Descartes Labs. This mobility index aggregates cell phone usage at the county level to capture changes in human movement over time. We found a strong correlation between the observed decreases in NO2 concentrations and decreases in human mobility. By contrast, no discernible pattern was detected between mobility and PM2.5 concentrations changes, suggesting that decreases in personal-vehicle traffic alone may not be effective at reducing PM2.5 pollution.

연구 동기 및 목표

• 팬데믹 기간 동안 미국 전역에서 NO₂ 및 PM₂.₅ 농도의 공간적·시간적 변화를 이전 팬데믹 전 수준(2015–2019년)과 비교하여 정량화하기.
• 광범위한 이동 제한에도 불구하고 NO₂는 크게 감소했지만 PM₂.₅는 감소하지 않은 이유를 조사하기.
• 팬데믹 기간 동안 실제 인구 이동 패턴과 관측된 대기오염 변화 간의 상관관계를 분석하기.
• 이동성 데이터를 배출량 변화 및 오염 반응의 대체 지표로 사용할 경우의 한계를 평가하기.

제안 방법

• 2020년 4월의 지상 모니터링 지점 데이터(240개소: NO₂, 480개소: PM₂.₅)를 2015–2019년 동안의 4월 평균과 비교하여 오염 변화를 정량화함.
• 나사의 OMI 인공위성 데이터를 활용해 NO₂ 기상층 총량을 유도하여 지상 측정값을 검증하고 국가 수준의 추세를 분석함.
• Descartes Labs에서 제공한 익명화된 휴대전화 위치 데이터를 기반으로 한 카운티 수준의 이동성 지수를 활용하여 인구 이동 변화를 표현함.
• 카운티 수준에서 NO₂ 및 PM₂.₅ 농도 변화와 이동성 감소 간의 상관관계를 분석하여 인과관계 평가함.
• 오염 및 이동성 변화의 공간적 패턴을 분석하여 핫스팟과 지역적 변동성을 규명함.
• 승용차 수요 감소와는 별개로 디젤 차량 배출 및 발전소 활동이 지속적인 PM₂.₅ 농도를 이끌 가능성을 제안하는 가설 수립함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2020년 4월에 미국 전역에서 NO₂ 및 PM₂.₅ 농도는 이전 5년 동안의 동일한 월과 비교해 얼마나 변화했는가?
• RQ2 팬데믹 기간 동안 NO₂ 농도 변화는 얼마나 강하게 인구 이동 감소와 상관관계가 있는가?
• RQ3 광범위한 승용차 운행 감소에도 불구하고 PM₂.₅ 농도가 왜 크게 감소하지 않았는가?
• RQ4 이동 패턴은 미국 내 다양한 카운티에서 NO₂ 및 PM₂.₅ 오염 수준의 변동성을 얼마나 설명하는가?
• RQ5 이동성 감소에도 불구하고 지속적인 PM₂.₅ 농도를 유지하는 주요 배출원은 무엇인가?

주요 결과

• 2020년 4월 동안 NO₂ 농도는 미국 전역의 모니터링 지점에서 평균 2 ppb 감소하여 유의미하게 감소함.
• 인공위성 데이터는 2020년 4월에 전국 평균으로 대류권 NO₂ 기상층 총량이 이전 5년 평균 대비 13% 감소했음을 확인함.
• 이동성이 거의 0에 가까워진 카운티에서 NO₂ 감소가 가장 두드러졌으며(최대 8 ppb), 이동성 감소와 오염 감소 사이에 비선형적 상관관계가 존재함.
• NO₂ 모니터링 지점의 65% 이상에서 통계적으로 유의미한 감소가 관측되었으며, 특히 뉴잉글랜드 및 캘리포니아와 같은 이동 감소 비율이 높은 지역에서 두드러짐.
• 2020년 4월에 PM₂.₅ 농도는 유의미한 감소를 보이지 않았고, 약 20%의 모니터링 지점에서 이전 연도보다 높은 수준을 기록함.
• 인간 이동 변화와 PM₂.₅ 농도 변화 간에 명백한 상관관계가 없었으며, 이는 승용차 감소만으로는 PM₂.₅ 농도를 낮추기에는 부족하다는 것을 시사함.