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民間旅客機が捉えた都市域からのCO2排出
〜世界34都市上空でのCO2観測データの統計解析〜

大気中の二酸化炭素濃度は、年間約2〜3 ppm^*4の割合で増加を続けています。この増加の主な原因は化石燃料の燃焼による人為的なCO₂の排出ですが、化石燃料の使用にともなって大気中に排出されるCO₂のうち、約半分は陸上植物と海洋によって吸収されていると考えられています。このような自然吸収と人為・自然排出を含めたCO₂の循環(炭素循環)を定量的に理解することは、パリ協定のもとでの実効的な排出削減目標の作成にとっても極めて重要です。従来の研究においては、排出統計(インベントリ)に基づいた化石燃料消費による排出量は既知との考えに基づいて、大気観測データに収支を合わせるようにして自然吸収・排出量の推定が行われてきました。しかし、近年では排出量インベントリの整備が不十分な新興国で排出量が急増することで、化石燃料消費による排出量インベントリの不確実性が増大し、それに基づいて推定される自然吸収・排出量にもバイアスが生じることが懸念されています。
人為的なCO₂排出の約70%は、世界の人口の約50%を抱える都市域に起因すると言われています。都市域のCO₂排出量推定の不確実性を低減するためには様々な取り組みが不可欠であり、都市大気中CO₂濃度の実態把握とその観測データを利用した都市排出量の推定はその一つです。実際に、特定の都市域をカバーする地上の大気観測ネットワークの構築や衛星を利用した都市大気観測の研究が近年盛んに行われています。
本研究においては、日本航空の旅客機を利用したCONTRAILプロジェクトによって取得された世界の都市上空のCO₂濃度の鉛直分布データに着目しました。多くの主要な空港は大都市近郊に位置しているため、空港上空のCO₂濃度のデータは都市からのCO₂排出の評価に有用であると考えられるためです。本研究では、このような旅客機観測の利点を活かし、世界34都市の空港上空のCO₂濃度データの統計解析を実施しました。さらに、このようなCO₂濃度の統計解析の結果と対象都市のCO₂排出量との関係についても調査しました。

国立環境研究所と気象庁気象研究所は、日本航空が運航する旅客機を利用した温室効果ガス観測プロジェクトCONTRAIL (Comprehensive Observation Network for Trace gases by Airliner)を2005年から展開しています(図1)。本研究では、旅客機に搭載されたCO₂濃度連続測定装置(CME)によって、2005年から2016年の約10年間にわたり観測された世界34都市の上空のCO₂濃度観測データを解析しました。

CONTRAIL観測が開始された2005年以降、2016年末の時点で13,000を超える観測フライトから700万点を超えるCO₂濃度データを取得しました。また、空港上空の上昇・下降時に取得した鉛直分布データは、成田空港上でおよそ7,700回、羽田空港上で4,400回、ホノルル空港で2,100回、バンコク空港上で1,700回、シドニー空港で1,600回、シンガポール空港で900回、香港空港で800回、デリー空港やパリ空港で700回など、世界各国の都市上空で非常に充実したデータが得られました(図2)。
各空港での観測データ数は観測に使用される旅客機の運用によるため、観測機のベースである成田・羽田空港を除いて、必ずしも定期的な観測が実施できるとは限りません。一方で、大気中のCO₂濃度の変動には経年変動や季節変動が存在します。そこで、2005年から2016年までのCONTRAILの全観測データについて、観測地点別に独自に経年変動と季節変動を評価しそれらを観測データから除去することで、地域スケールの排出に起因する濃度増加を反映すると考えられる「CO₂増分」を計算しました。

本研究では、図2に示した世界各国の空港について、その上空のCO₂増分の変動を統計的に調べました。その一例として、東京(成田空港)の結果を図3に示します。まず、図3dの通り、成田空港(白抜きダイヤ)は東京都心から約60 km東方に位置しています。地図中の黒丸の群れで示されるように、CONTRAILの観測機は離着陸の際の高度2 km以下で、東京都心の東側を囲うように観測データを取得したことがわかります(観測機の位置は、高度を上げるにつれて各フライトの目的地方向へ様々に広がります)。東京東方の高度1.0–1.5 kmで、CO₂増分と風向・風速との関係を調べたのが図3bです。この図は、各風向・風速格子でのCO₂増分の最大値を示しており、すなわち、どのような風向・風速時に高いCO₂濃度が出現するかを示します。この図では、弱い西風の時に高いCO₂増分が出現していることが明らかです。これは観測地点から見て強いCO₂排出源(東京大都市圏)が西方に位置していること、また風の弱い時ほど東京大都市圏からの排出が近傍風下の大気下層(大気境界層)に蓄積しやすいことと整合します。このような都市域の排出影響は上空に行くほど弱まります(図3a)。また、図3cを見ると、CO₂増分の変動幅(ばらつき)は大気下層ほど大きく、この様子にも地表の都市排出の影響を見出すことができます。

このようなCO₂増分の統計解析を世界の36空港について調べたところ、多くの空港において、(1)高度約1 kmにおいて高いCO₂濃度が出現する風向が特定でき、その方向は空港近隣都市の方向に一致していること、(2)大きなCO₂濃度の増加は風速が弱い時に観測されやすいこと、(3)CO₂増分の変動幅は下層ほど大きいが、高度4 km程度の上空に達すると地表の排出吸収の影響がほとんど到達しない清浄大気の特徴を示すこと、が明らかになりました。すなわち、CONTRAILによる空港近傍での観測結果が近隣都市域のCO₂排出の影響を明瞭に捉えていることがわかりました。
各空港上空の高度約1 kmのCO₂増分の変動幅(標準偏差)を計算すると、世界の都市の中でも大都市近郊の空港上空で大きな変動が見られることがわかりました(図4)。特に大都市圏人口で世界上位10位に入る東京、デリー、メキシコシティ、上海、大阪などの上空で非常に大きなCO₂濃度の変動が観測されたことがわかります。一方、沿岸部に位置する比較的規模の小さな都市上空のCO₂変動は小さい傾向も見えてきました。

そこで本研究では、CO₂増分の変動幅を各都市のCO₂排出量の推定値に対して図示しました(図5)。各都市のCO₂排出量は化石燃料の燃焼による人為起源CO₂排出量データベース(ODIAC^*5)から計算しました。この図に見られるように、高度約4 km(図5の水色)では直下の都市域のCO₂排出量に関わらずCO₂増分の変動幅は小さいのですが、大気下層(高度約1 km、図5の赤色)ではCO₂排出量の大きな都市域近郊の空港上空ほどCO₂増分の変動幅が明らかに大きいことがわかります。すなわち、都市域上空のCO₂濃度の主要な変動要因は都市からのCO₂排出であり、観測フライト時の気象条件が様々に変動することによって、そのような排出影響が上空の高度1 km程度まで伝搬していることが明らかになりました。

それでは、このような都市上空のCO₂濃度の変動幅とCO₂排出量の関係はどのように理解できるでしょうか。一般に、地表のCO₂排出は大気下層(大気境界層)に蓄積され、これに伴うCO₂の濃度増加量は排出量に比例すると考えられます。都市域上空に生じるこのような高濃度CO₂領域の分布は、都市域の排出の地理的な分布ならびに排出されたCO₂の蓄積場となる大気境界層の状態によると考えられます。旅客機フライトから得られたCONTRAILの観測データでは、観測地点と都市のCO₂排出域との地理的関係は空港別に大きく異なりますし、日変動や季節変動をともなう大気境界層の状態も空港別のフライトスケジュールによって様々なケースがあると言えます。したがって、都市域からのCO₂排出量を1回や2回の限られた観測で定量的に捉えるのは困難です。しかし、本研究では多数の観測で様々な都市域上空のCO₂濃度の変動幅を捉えることによって、そのCO₂の変動幅が都市からの排出に関係していることを統計的に明らかにしました。このようなCO₂濃度の鉛直分布データが蓄積されることによって近隣都市からのCO₂排出量推定の高精度化に貢献できることが期待できます。

本研究によって、民間旅客機を利用した観測プロジェクトCONTRAILで取得された世界の空港上空でのCO₂濃度データが近隣都市からのCO₂排出の影響を明瞭に捉えていることが示されました。今後は、各都市域の排出統計の報告を観測データに基づいて長期的に監視することや、この観測データを個別の都市を対象とした研究にも活用し、地表からのCO₂排出の輸送過程の理解や各都市域のCO₂排出量推定の高精度化に貢献することが期待されます。最近では、世界の都市域からのCO₂排出量の推定を狙いとした観測ネットワークも展開されつつありますが、主に先進国での研究に限られます。民間旅客機の利点は、様々な理由で地上観測基地の設置が難しい地域においても大都市近郊の空港上空で鉛直分布の高精度観測データを取得できることです。現在、民間旅客機の国際線でCO₂観測を継続しているのはCONTRAILが世界で唯一のプロジェクトです。今後、欧州などの民間旅客機観測プロジェクトなども実用化され、CONTRAILと合わせた「民間旅客機による都市観測ネットワーク」が拡大されることを期待しています。

※(注記)1 CONTRAILプロジェクト:日本航空が運航する旅客機にCO₂濃度連続測定装置(CME:Continuous CO₂ measuring Equipment)と自動大気サンプリング装置(ASE: Automatic Air Sampling Equipment)を搭載して上空における温室効果ガスの分布や時間変動を高頻度・広範囲で観測するプロジェクト。完全自動化された連続測定装置を使ったCO₂濃度の観測は世界で唯一の取り組み。このプロジェクトは国立研究開発法人国立環境研究所、気象庁気象研究所、日本航空株式会社、株式会社ジャムコ、JAL財団が共同で実施している。
CONTRAILプロジェクトのホームページ(英語):
http://www.cger.nies.go.jp/contrail/
日本航空によるCONTRAILプロジェクトの紹介(日本語):
http://www.jal.com/ja/csr/environment/social/detail01.html【外部サイトに接続します】
※(注記)2 世界34都市:モスクワ、アムステルダム、ロンドン、バンクーバー、パリ、ミラノ、札幌、ボストン、シカゴ、ローマ、ニューヨーク、北京、サンフランシスコ、仁川、東京、名古屋、大阪、ロサンゼルス、福岡、サンディエゴ、上海、デリー、台北、香港、ホノルル、メキシコシティ、マニラ、バンコク、グアム、シンガポール、ジャカルタ、デンパサール、ブリスベン、シドニー(北から南への緯度順)
※(注記)3 温室効果ガスインベントリ:一国が1年間に排出・吸収する温室効果ガスの量をとりまとめたデータ。
※(注記)4 ppm:100万分率。CO₂濃度は乾燥空気に対する割合として測定される。
※(注記)5 ODIAC:化石燃料(石炭、石油、天然ガス)の燃焼による人為起源CO₂排出量の全球分布を1x1kmの空間解像度で提供するデータセット。高解像度の排出量空間分布は、発電所データベースならびに夜間光衛星データを組み合わせたモデルで推定されている。また、元となるCO₂排出量は毎年最新の燃料統計データを反映して更新されている。
ODIACデータのホームページ(英語):
http://db.cger.nies.go.jp/dataset/ODIAC/

本研究は、環境省および(独)環境再生保全機構の環境研究総合推進費(2-1401、2-1701)、環境省の地球環境保全試験研究費(地球一括計上)環1151「民間航空機によるグローバル観測ネットワークを活用した温室効果ガスの長期変動観測」、環1652「民間航空機による温室効果ガスの3次元長期観測とデータ提供システムの構築」、及びNASA炭素循環科学プログラム(NNX14AM76G)により実施されました。

【タイトル】
Statistical characterization of urban CO₂ emission signals observed by commercial airliner measurements
【著者】
Taku Umezawa, Hidekazu Matsueda, Tomohiro Oda, Kaz Higuchi, Yousuke Sawa, Toshinobu Machida, Yosuke Niwa, and Shamil Maksyutov
【雑誌】
Scientific Reports
【DOI】
10.1038/s41598-020-64769-9
【URL】
http://www.nature.com/articles/s41598-020-64769-9【外部サイトに接続します】

【研究に関する問い合わせ】
国立研究開発法人国立環境研究所 環境計測研究センター
動態化学研究室 研究員 梅澤拓

【報道に関する問い合わせ】
国立研究開発法人国立環境研究所 企画部広報室
kouhou0(末尾に@nies.go.jpをつけてください)
029-850-2308