[논문 리뷰] Global to local impacts on atmospheric CO2 caused by COVID-19 lockdown

Ning Zeng, Pengfei Han외 11명|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 25.

Atmospheric and Environmental Gas Dynamics참고 문헌 16인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 고해상도 대기 이동 모델과 관측 데이터를 사용하여 코로나19 봉쇄 조치가 대기 중 CO2에 미친 영향을 정량화하며, 2020년 2월에서 4월 사이에 전 세계 기상열린 CO2가 0.13 ppm 감소한 것으로 밝혀졌다. 이는 주로 화석연료 배출 감소(54%)로 인한 것으로, 생태계와 기상 변화는 각각 23%씩 기여하였다. 이 신호는 작지만 지난 10년간 가장 큰 연간 이하의 변동이며, 위성 및 지상 기반 측정 시스템을 통해 관측 가능하다.

ABSTRACT

The world-wide lockdown in response to the COVID-19 pandemic in year 2020 led to economic slowdown and large reduction of fossil fuel CO2 emissions, but it is unclear how much it would reduce atmospheric CO2 concentration, and whether it can be observed. We estimated that a 7.9% reduction in emissions for 4 months would result in a 0.25 ppm decrease in the Northern Hemisphere CO2, an increment that is within the capability of current CO2 analyzers, but is a few times smaller than natural CO2 variabilities caused by weather and the biosphere such as El Nino. We used a state-of-the-art atmospheric transport model to simulate CO2, driven by a new daily fossil fuel emissions dataset and hourly biospheric fluxes from a carbon cycle model forced with observed climate variability. Our results show a 0.13 ppm decrease in atmospheric column CO2 anomaly averaged over 50S-50N for the period February-April 2020 relative to a 10-year climatology. A similar decrease was observed by the carbon satellite GOSAT3. Using model sensitivity experiments, we further found that COVID, the biosphere and weather contributed 54%, 23%, and 23% respectively. This seemingly small change stands out as the largest sub-annual anomaly in the last 10 years. Measurements from global ground stations were analyzed. At city scale, on-road CO2 enhancement measured in Beijing shows reduction of 20-30 ppm, consistent with drastically reduced traffic during the lockdown. The ability of our current carbon monitoring systems in detecting the small and short-lasting COVID signal on the background of fossil fuel CO2 accumulated over the last two centuries is encouraging. The COVID-19 pandemic is an unintended experiment whose impact suggests that to keep atmospheric CO2 at a climate-safe level will require sustained effort of similar magnitude and improved accuracy and expanded spatiotemporal coverage of our monitoring systems.

연구 동기 및 목표

• 2020년 코로나19 봉쇄 조치가 전 세계 및 지역적으로 대기 중 CO2에 미친 영향을 정량화하기 위해.
• 관측된 CO2 변화에 기여한 화석연료 배출, 생태계 순환, 기상 변화의 기여도를 분리하여 분석하기 위해.
• 현재의 위성 및 지상 기반 모니터링 시스템을 통해 봉쇄 조치로 인한 CO2 신호의 감지 가능성 평가하기 위해.
• 관측된 CO2 이상 현상이 자연적 변동성 이외의 측정 가능한 신호인지 평가하기 위해.
• 향후 기후 모니터링을 지원하기 위해 현재 탄소 관측 시스템의 민감도와 능력을 평가하기 위해.

제안 방법

• 최신 기술의 대기 이동 모델을 사용하여, 새로운 일일 화석연료 배출 데이터셋을 기반으로 CO2 분포를 시뮬레이션하였다.
• 관측된 기후 변화를 기반으로 구동된 탄소 순환 모델에서 도출된 시간당 생태계 순환 유량을 통합하였다.
• 2010–2019년의 10년간 기상기록 기반 기준치를 사용하여 2020년 2월에서 4월 사이의 CO2 이상치를 계산하였다.
• 화석연료 배출, 생태계, 기상 변화의 기여도를 분리하기 위해 모델 민감도 실험을 수행하였다.
• GOSAT 위성 관측과 베이징의 지상 기반 CO2 측정 자료를 바탕으로 결과를 검증하였다.
• 봉쇄 기간 동안의 도로상 CO2 농도 상승을 분석하여 지역 수준의 배출 감소를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2020년 코로나19 봉쇄 조치가 전 세계 및 지역적으로 대기 중 CO2 농도에 얼마나 큰 영향을 미쳤는가?
• RQ2 화석연료 배출, 생태계 순환, 기상 변화는 관측된 CO2 이상 현상에 각각 어떤 기여를 하는가?
• RQ3 현재의 모니터링 시스템을 통해 봉쇄 조치로 인한 CO2 신호가 자연적 변동성 이외의 신호로 감지 가능한가?
• RQ4 북반구 및 전 세계에서 CO2 이상 현상의 크기와 공간적 패턴은 어떠한가?
• RQ5 지상 기반 관측과 위성 관측은 짧은 기간 동안의 CO2 신호 감지를 위해 어떻게 비교 가능한가?

주요 결과

• 사면 개월 동안 화석연료 CO2 배출이 7.9% 감소하면서, 2020년 2월에서 4월 사이에 전 세계 기상열린 CO2가 0.13 ppm 감소하였다.
• 관측된 CO2 이상 현상은 주로 화석연료 배출(54%)에 의해 주도되었으며, 생태계와 기상 변화는 각각 23%씩 기여하였다.
• 0.13 ppm의 감소는 지난 10년간 가장 큰 연간 이하의 CO2 이상 현상이었으며, 현재의 CO2 분석기로도 감지 가능하였다.
• GOSAT 위성 관측 결과는 모델에서 예측한 CO2 감소를 확인하였으며, 모델이 이 신호를 정확히 반영하고 있음을 입증하였다.
• 베이징에서는 봉쇄 기간 동안 도로상 CO2 농도 상승이 20–30 ppm 감소하였으며, 이는 교통 감소와 지역 배출 감소와 일치하였다.
• 현재 탄소 모니터링 시스템는 200년간의 화석연료 사용으로 인한 배경 농도 축적에도 불구하고, 짧은 기간 동안의 소규모 CO2 신호를 감지할 수 있는 능력을 지녔다.