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大気観測が捉えた新型ウイルスによる中国の
二酸化炭素放出量の減少
〜波照間島で観測されたCO2とCH4の変動比の解析〜

中国・武漢における新型コロナウイルスの感染拡大を食い止めるため、中国政府は2020年1月末から都市封鎖や都市間交通の停止、社会経済活動の制限等の対策を段階的に進めました。こうした対策により、中国における化石燃料の消費量は2~3月の段階で20%程度減少したのではないかと予測されました^*1。実際に、衛星から観測される大気中の汚染物質である窒素酸化物の分布には急激な減少が認められました^*2。しかしながら、新型コロナウイルスの感染拡大に伴う大気中のCO₂濃度の減少を検出したという報告はいまだになされていません。これは、CO₂の大気中の寿命が長いため、放出量の変化に対する濃度変化が相対的に小さくなってしまうことに起因します。大気中のCO₂濃度は放出量だけでなく、大気輸送や混合によっても変化するため、CO₂濃度のわずかな変化から放出量の影響のみを抽出することを著しく困難にしているのです。
2015年に採択されたパリ協定^*3では今世紀半ばまでに温室効果ガス放出量を実質的にゼロにすることが各国間で合意されました。実効的な放出量削減を推進するためには、国や地域といった規模で削減対策の実施状況を客観的かつ科学的な手法によって検証することが重要とされています。現在、世界中の研究機関は大気中の温室効果ガスを高精度に観測するためのネットワークを精力的に展開しています。これは、単に大気中の濃度増加を調べるためだけでなく、大気観測から国や地域といったレベルでの温室効果ガス放出量を推定することを目的としています。今回の新型コロナウイルスによる化石燃料消費量の減少を大気観測から捉えることは、我々研究者にとって大きな課題となっているのです。

国立環境研究所・地球環境研究センターは波照間島^*4にモニタリングステーションを建設し、温室効果ガスや関連成分の大気中の動態を調べるための定常観測を実施してきました。モニタリングステーションは島の東端に位置し、高さ37mのタワーの上部から大気試料を引き込んで観測しています。波照間島は人口500人ほどの小さな離島で、周囲に大きな都市等もないため、近傍からの放出の影響を受けることなく周辺域や風上域を代表する空気の観測ができます。
これまでの解析から、波照間では秋から春にかけてCO₂やCH₄等の濃度が高まる汚染イベント(短時間のうちに急激な濃度上昇が見られる現象)がしばしば観測されることが分かりました。これは、大陸からの放出により各種成分の濃度が上昇した空気が冬季に卓越する季節風に乗って運ばれてくるための現象と説明されました。また、こうした汚染イベントではCO₂とCH₄の変動パターンが非常に似ている(両者の間に強い相関関係がある)ことも分かりました。さらに、CO₂の変動量に対するCH₄の変動量の比(ΔCO₂/ΔCH₄)は大陸(主に中国)での両者の「放出量比」を反映して経年的に変化していることも分かってきました^*5。すなわち、波照間での大気観測で大陸の放出量に関する情報を知ることができるのです。
そこで、本研究では主に冬季に波照間で観測されるCO₂とCH₄の変動比に着目し、新型コロナウイルスの影響による化石燃料起源CO₂放出量の変化を捉えることができるかどうかを明らかにすることを目的としました。なお、化石燃料の燃焼過程ではCH₄はほとんど発生しないことや、発生源の大きな割合を占める生物起源CH₄(下水処理、埋立地、家畜から放出されるCH₄)や炭鉱から漏出するCH₄の放出量は急激に変化しにくいことから、新型コロナウイルスの影響下でもその放出量はほとんど変化しないと仮定できます。また、CO₂放出量変化の影響を捉えることができた場合は、大気輸送モデルを利用して中国のCO₂放出量がどの程度の変化したのかを定量的に推定することも目的としました。

本研究では、波照間島で観測されたCO₂およびCH₄の大気中濃度の1時間平均値を利用し解析を行いました。まず、24時間の時間窓内のCO₂およびCH₄の濃度について相関関係の有無を調べ、ある基準以上の高い相関関係が認めらえた場合に(ここでは相関係数が0.7以上の時)変動比(ΔCO₂/ΔCH₄比)を計算します。この計算操作を24時間の時間窓を1時間ずつずらしながら、観測期間全体にわたって続けます。このようにして、計算されるΔCO₂/ΔCH₄比は比較的大きな変動を示しますが、例えば1ヶ月間の平均を計算すると一定の値に収れんします。そこで、こうして求められる平均値が経時的にどのように変化するかを調べました。
また、中国における放出量の変化が波照間で観測されるCO₂およびCH₄の変動比にどのように影響するかを定量的に評価するため、大気輸送モデル^*6とCO₂およびCH₄の地表面からの放出・吸収量を用いて波照間における濃度変動をシミュレーションによって再現しました。再現されたCO₂およびCH₄についても観測結果と同じ計算手順に従ってΔCO₂/ΔCH₄比を求めました。また、シミュレーションでは中国からのフラックスを変化させた場合に波照間で観測されるΔCO₂/ΔCH₄比がどのように影響を受けるかも調べ、観測結果との比較を行いました。

波照間での観測に基づくΔCO₂/ΔCH₄比の1~3月の月平均値が1998年から2020年までの23年間でどのように変化していたかを図1に示しました。ΔCO₂/ΔCH₄比は2002年頃から増加傾向を見せ、2011年以降2019年まではほぼ一定の値を示しました。図1には中国からの化石燃料起源CO₂放出量の推定結果もプロットしましたが、その変化傾向は観測されたΔCO₂/ΔCH₄比の変化傾向とよく一致することが分かりました。つまり、冬季に波照間で観測されるΔCO₂/ΔCH₄比の変化は中国における化石燃料消費量の変化傾向をかなりよくとらえているということです。また、2020年2月のΔCO₂/ΔCH₄比を見ると、過去10年間の変動から予想される変動範囲を超えて減少していることが分かりました。3月は減少量は少なくなっていますが、それでも低い値を示しました。

そこで、2019年12月から2020年4月までの5ヶ月間のΔCO₂/ΔCH₄比の変化を詳しく調べると、過去10年間の平均的な変化に比べて2020年1月から2月にかけて急激な減少が見られ、2月中旬に最低値を示し、3月から4月にかけて徐々に平均的な値に戻ってゆく様子が見られました(図2-a)。また、新型コロナウイルスの感染対策に伴う中国の化石燃料起源CO₂放出量の減少率についての推定結果(図2-b)と比べると、波照間におけるΔCO₂/ΔCH₄比の変化は非常によく似ていることが分かりました。さらに、大気輸送モデルを用いたシミュレーション結果を見ると、最も大きな減少予測(図2-b)に従って計算されたΔCO₂/ΔCH₄比が観測された減少をよく再現することが分かりました。

観測されたΔCO₂/ΔCH₄比の月平均値を、中国からの化石燃料起源CO₂放出量を変化させながらシミュレーションによって求めた複数のΔCO₂/ΔCH₄比と比較することで、中国からのCO₂放出量を求めました(図3)。なお、ここでの推定では新型コロナウイルス対策と関連したCH₄放出量の変化によるΔCO₂/ΔCH₄比への影響は小さいと仮定していますが、様々な状況を検討するとかなり確かな仮定と考えられます。その結果、2020年2月には32±12%、3月には19±15%減少したと推定されました。
中国における各種経済活動の制限指標の変化から化石燃料消費に伴うCO₂放出量は2月に11~30%、3月に2~13%減少したとの推定結果が報告されていますが^*1、本研究の推定結果は上記報告値の上限に近い値となることが示されました。

新型コロナウイルスの影響で2020年の全世界の化石燃料起源CO₂放出量は5~8%程度減少するのではないかと推定されています^*1。現在、全世界から放出される化石燃料起源CO₂の量は大気中のCO₂濃度の年間増加量約5ppmに相当しますが、実際に観測される増加量は年間2〜3ppm^*7程度になります。これは、残りのCO₂を陸上生態系や海洋が吸収してくれるからです。ところで、仮に2020年の放出量が前年に比べて10%減少したとすると、CO₂の年間放出量の減少分は大気中濃度約0.5ppmに相当することになります。しかし、大気中の年間増加量は、陸上生態系や海洋のCO₂吸収量の年々変動の影響で年間1ppm以上の変動を示すため、化石燃料起源の変化を分離するためには上記の自然吸収量の変化を正確に予測する必要があります。さらに、リアルタイムでの放出量変化を捉えるためにはさらなる観測・解析体制の強化が必要です。本研究では大気中のCO₂とCH₄の変動比に着目することで、観測地点に影響を与える領域からの放出量比をほぼリアルタイムで推定する可能性を秘めた手法といえます。パリ協定では各国の放出削減量を検証することが強く求められていますが、本研究で提案された手法は、適切な観測網の構築と組み合わせることで、国・地域レベルでの放出量をほぼリアルタイムで推定する方法の一つとして期待されます。

※(注記)1 新型コロナウイルスのCO₂放出への影響:本研究では新型コロナウイルス対策によって減少したCO₂放出量の推定値として、Le Quéréら(Le Quéré et al., 2020)の社会経済活動度の変化に基づく研究を参照し、特に中国の放出量減少結果については本研究の結果と比較した。

※(注記)2 窒素酸化物の急激な減少:衛星観測に基づく中国上空の窒素酸化物(NO₂)濃度の急激な減少は、例えばNASAのホームページで報告されている。
(https://www.earthobservatory.nasa.gov/images/146362/airborne-nitorgen-dioxide-plummets-over-china.【外部サイトに接続します】)

※(注記)3 パリ協定:2015年12月にパリで採択された気候変動抑制に関する多国間協定。産業革命以降の世界平均気温の上昇を2°C未満に抑え、可能な限り1.5°C未満を目指すことなどが決められた。詳しくは、環境研のホームページ(https://www.nies.go.jp/event/cop/cop21/20151212.html)を参照。

※(注記)4 波照間島(北緯24度3分、東経123度48分)は沖縄県八重山諸島に属する日本最南端の有人島である。国立環境研究所・地球環境研究センターは1992年に温室効果ガスの観測拠点としてモニタリングステーションを建設し、その後順次大気観測を開始してきた。詳しくは、環境研のホームページ(http://db.cger.nies.go.jp/gem/ja/ground/)を参照。

※(注記)5 波照間におけるCO₂とCH₄の変動比に関する研究:以前の研究では、波照間で観測されるCH₄/CO₂変動比が徐々に減少していることを示した。これは、中国の化石燃料消費量の増加に起因する。詳しくは、Tohjima et al., (2014)を参照。

※(注記)6 大気輸送モデル:大気の移流・混合過程の物理方程式に従い、大気成分濃度の分布や時間変化を、大型計算機を用いて計算する数値モデル。本研究では、正20面体格子大気モデル(NICAM)をベースとした大気輸送モデルNICAM-TMを用いた。

※(注記)7 ppm:100万分率。CO₂濃度は乾燥空気に対する割合として表される。400ppmとは乾燥空気(水蒸気を含まない空気)の粒100万個に対して400個がCO₂であることを表す。

本研究は、(独)環境再生保全機構の環境研究総合推進費(JPMEERF20172010, JPMEERF20172001 )および環境省の地球環境保全試験研究費(地球一括計上)環0955「炭素循環の気候応答解明を目指した大気中酸素・二酸化炭素同位体の統合的観測研究」、環1451「地球表層環境への温暖化影響の監視を目指した酸素・二酸化炭素同位体の長期広域観測」の支援を受けて実施されました。

【タイトル】Detection of fossil-fuel CO₂ plummet in China due to COVID-19 by observation at Hateruma

【著者】Yasunori Tohjima, Prabir K. Patra, Yosuke Niwa, Hitoshi Mukai, Motoki Sasakawa, and Toshinobu Machida.

【雑誌】Scientific Reports

【DOI】10.1038/s41598-020-75763-6

【URL】www.nature.com/articles/s41598-020-75763-6【外部サイトに接続します】

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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 室長 遠嶋康徳

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