[論文レビュー] Global to local impacts on atmospheric CO2 caused by COVID-19 lockdown

Ning Zeng, Pengfei Han+11 more|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2020

Atmospheric and Environmental Gas Dynamics参考文献 16被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、高解像度の大気輸送モデルと観測データを用いて、COVID-19封鎖措置が大気中のCO2に与える影響を定量的に評価し、2020年2月から4月にかけて世界規模で0.13 ppmの低下を検出。これは主に化石燃料排出の削減（54％）に起因し、生物圏と気象変動がそれぞれ23％ずつ寄与。この信号は小さくはあるが、過去10年間で最大の年間未満の異常であり、人工衛星および地上観測システムによって観測可能である。

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.

研究の動機と目的

• 2020年のCOVID-19封鎖措置が全球的および地域的大気CO2に与える反応を定量すること。
• 観測されたCO2変化に寄与する化石燃料排出、生物圏フラックス、気象変動の寄与を解明すること。
• 現在の人工衛星および地上観測システムを用いて、封鎖に起因するCO2信号の検出可能性を評価すること。
• 観測されたCO2異常が自然変動の上に測定可能な信号として認識可能かどうかを評価すること。
• 今後の気候モニタリングを支援するため、現在の炭素観測システムの感度と能力を評価すること。

提案手法

• 最新の大気輸送モデルを用いて、新規の日次化石燃料排出データセットを用いてCO2分布をシミュレートした。
• 観測された気候変動を駆動要因とする炭素サイクルモデルから得た毎時生物圏フラックスを組み込んだ。
• 2010年から2019年までの10年間の気候学的ベースラインを用いて、2020年2月から4月のCO2異常値を計算した。
• 化石燃料排出、生物圏、天候変動の寄与を分離するためのモデル感度実験を実施した。
• GOSAT人工衛星の独立観測および北京の地上CO2測定値と照合して、結果の妥当性を検証した。
• 封鎖期間中の交通排出削減を評価するため、北京における道路上CO2増加量を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2020年のCOVID-19封鎖措置は、全球的および地域的に大気CO2濃度をどの程度低下させたか？
• RQ2 化石燃料排出、生物圏フラックス、気象変動は、観測されたCO2異常に対してそれぞれどのように寄与しているか？
• RQ3 現在の監視システムを用いて、封鎖に起因するCO2信号が自然変動の上に検出可能か？
• RQ4 北半球および全球におけるCO2異常の大きさと空間的パターンは何か？
• RQ5 地上観測と人工衛星観測は、排出削減に起因する短期的CO2信号をどの程度正確に検出できるか？

主な発見

• 4か月間にわたり化石燃料CO2排出が7.9％削減された結果、2020年2月から4月にかけて世界のコラムCO2が0.13 ppm低下した。
• 観測されたCO2異常は主に化石燃料排出（54％）に起因し、生物圏と気象変動がそれぞれ23％ずつ寄与した。
• 0.13 ppmの低下は、過去10年間で最大の年間未満のCO2異常であり、現在のCO2アナライザーで検出可能であった。
• GOSAT人工衛星観測がモデルによるCO2低下を確認し、モデルが信号を的確に捉えていることを裏付けた。
• 北京では、封鎖期間中に道路上CO2増加量が20–30 ppm低下し、交通量の減少と局所的排出削減と整合的であった。
• 現在の炭素モニタリングシステムは、2世紀にわたる化石燃料使用による背景蓄積がある中でも、短期的で小規模なCO2信号を検出可能である。