[論文レビュー] Changes in air quality and human mobility in the U.S. during the COVID-19 pandemic

Cristina L. Archer, Guido Cervone+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2020

COVID-19 impact on air quality参考文献 22被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、COVID-19パンデミック期における米国の大気質と人的移動の変化を分析し、地上観測データと衛星データを用いて、移動の減少と関連する顕著なNO₂低下（最大8 ppb、平均2 ppb）を示した。一方、PM₂.₅濃度はほとんど変化がなかった。主な発見は、乗用車の減少がNO₂低下を引き起こしたが、ディーゼル駆動の商業車両と発電所が、PM₂.₅排出を継続的に維持していたことである。

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.

研究の動機と目的

• パンデミック期の米国におけるNO₂およびPM₂.₅濃度の空間的・時間的変化を、2015–2019年の前 pandemic 水準と比較して定量すること。
• 移動制限が広範に及んだにもかかわらず、NO₂は顕著に低下したがPM₂.₅は低下しなかった理由を調査すること。
• パンデミック期の実際の人的移動パターンと観測された大気汚染の変化との相関関係を検討すること。
• 移動データを排出量変化や汚染反応の代理指標として用いる際の限界を評価すること。

提案手法

• 2020年4月の地上観測所データ（NO₂：240施設、PM₂.₅：480施設）を、2015–2019年の4月の平均と比較して、汚染の変化を定量した。
• ナサのOMIから得られる衛星由来のNO₂柱総量を用いて、地上観測の妥当性を検証し、全国的な傾向を評価した。
• Descartes Labsが提供する匿名化された携帯電話位置データに基づいて算出された郡レベルの移動インデックスを、人的移動の変化を表すものとした。
• 郡レベルでのNO₂およびPM₂.₅濃度の変化と移動減少の相関関係を分析し、因果関係を評価した。
• 汚染と移動変化の空間的パターンを分析し、ホットスポットや地域差を特定した。
• ディーゼル車両排出と発電所活動が、乗用車交通の減少にもかかわらず、PM₂.₅濃度を維持しているという仮説を提示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2020年4月の米国におけるNO₂およびPM₂.₅濃度は、前回の5年間（2015–2019年）の同じ月と比較してどの程度変化したか？
• RQ2 パンデミック期におけるNO₂濃度の変化は、人的移動の減少とどの程度相関しているか？
• RQ3 乗用車の交通が顕著に減少したにもかかわらず、PM₂.₅濃度がほとんど変化しなかったのはなぜか？
• RQ4 移動パターンは、米国の異なる郡におけるNO₂およびPM₂.₅汚染の変動をどの程度説明できるか？
• RQ5 パンデミック期において、移動が減少しても依然としてPM₂.₅濃度を維持している主な排出源は何か？

主な発見

• 2020年4月に、米国の観測所におけるNO₂濃度は顕著に低下し、2015–2019年の平均と比較して平均で2 ppb低下した。
• 衛星データは、2020年4月に全国平均で対流圏NO₂柱総量が前回の5年間と比較して13%減少したことを確認した。
• 移動がほぼゼロに近づいた郡では、NO₂の低下が最大8 ppbに達し、移動減少と汚染低減の間に非線形な相関関係が明確に認められた。
• NO₂観測所の65%以上で統計的に有意な低下が観察され、特にニューヨーク州やカリフォルニア州など移動減少が著しい地域で顕著だった。
• 2020年4月にPM₂.₅濃度は有意な低下を示さず、約20%の観測所では前年より高い水準にあった。
• 人的移動の変化とPM₂.₅濃度の変化との間に明確な相関関係は認められず、乗用車の減少だけではPM₂.₅濃度を低下させることはできないことが示唆された。