日本國立環境研究所與氣象廳氣象研究所利用日本航空公司（JAL）的客機實施的溫室氣體觀測專案（CONTRAIL專案）分析了在2005年至2016年的約10年中取得的二氧化碳濃度觀測資料，明確了全球34座城市上空的二氧化碳濃度變化特點。
在各城市的上空對上風側和下風側進行比較，能觀測到城市下風側的二氧化碳濃度明顯增加，可以看出城市地區排放的二氧化碳的影響。由此應答，各城市上空的二氧化碳濃度變化半徑反映了城市排放的二氧化碳的影響，二氧化碳排放量越大的城市，其上空的二氧化碳濃度變化半徑也就越大。
CONTRAIL是世界上唯一一個透過民航客機提供全球都市上空二氧化碳濃度資料的專案，今後，透過將這些觀測資料用於檢測都市區域及世界各國的二氧化碳排放，還有助於提高溫室氣體清單的精度。
1．研究背景
大氣中的二氧化碳濃度以每年約2～3ppm的速度持續增加。增加的主要原因是燃燒化石燃料產生的人為二氧化碳排放，不過，燃燒化石燃料的程序中排放到大氣中的二氧化碳被認爲大約有一半會被陸地上的植物和海洋吸收。定量理解包括這種自然吸收及人爲和自然排放在内的二氧化碳循環（碳循環），對根據《巴黎協定》制定有效的減排目標至關重要。
在以往的研究中，基於排放統計（清單）的化石燃料燃燒排放量被認爲是已知的，並以此爲基礎使收支與大氣觀測資料保持一致，由此來推算自然吸收量和排放量。但近年來，隨着排放量清單不完善的新興市場國家的排放量迅速增加，基於化石燃料燃燒的排放量清單的不確定性增大，以此爲基礎推算的自然吸收量和排放量也可能會出現偏差。
有報告稱，人爲排放的二氧化碳中，約70％來自人口數量佔全球總人口50％左右的城市地區。要想降低推算的城市地區二氧化碳排放量的不確定性，必須採取各種措施，措施之一就是掌握城市大氣中的實際二氧化碳濃度，並利用觀測資料推算城市的排放量。實際上，近年來業界積極構築了覆蓋特定城區的地面大氣觀測網路，並利用人造衛星推進了城市大氣觀測研究。
此次研究着眼於利用日本航空客機的CONTRAIL專案獲得的全球都市上空的二氧化碳濃度垂直分佈資料。終極因數是，很多主要機場都位於大城市近郊，因此機場上空的二氧化碳濃度資料可用來評估城市的二氧化碳排放。該研究利用這種客機觀測優勢，對全球34座城市機場上空的二氧化碳濃度資料實施了統計解析。另外，還調查了由此獲得的二氧化碳濃度統計解析結果與目標城市的二氧化碳排放量之間的關係。
2．觀測資料
國立環境研究所與氣象廳氣象研究所2005年起動利用日本航空的客機推進溫室氣體觀測專案CONTRAIL（Comprehensive Observation Network for Trace gases by Airliner，圖1）。此次研究解析了在2005年至2016年的約10年裏，利用客機配備的二氧化碳濃度連續量測裝置（CME）在全球34座城市上空觀測的二氧化碳濃度資料。
圖1：日本航空公司從羽田機場起飛的帶有CONTRAIL標誌的特殊塗裝機型（左圖由日本航空提供）及二氧化碳濃度連續量測裝置（CME，右）。
從2005年至2016年底，共透過13,000多次觀測航班取得了700多萬份二氧化碳濃度資料。另外，關於在機場上空起飛和降落時取得的垂直分佈資料，成田機場上空約爲7,700次，羽田機場上空約爲4,400次，火奴魯魯機場上空約爲2,100次，曼谷機場上空約爲1,700次，悉尼機場上空約爲1,600次，新加坡機場上空約爲900次，香港機場上空約爲800次，德里機場和巴黎機場上空約爲700次，在世界各國的城市上空都獲得了非常充足的資料（圖2）。
各機場的觀測資料數量取決於觀測用客機的運行情況，因此，除作爲觀測機基地的成田和羽田機場外，其他機場不一定能定期進行觀測。另一方面，大氣中的二氧化碳濃度變化存在年度變化和季節變化。因此，對於2005年至2016年的所有CONTRAIL觀測資料，根據觀測地點單獨評估了年度變化和季節變化，並將其從觀測資料中去除，由此計算了「二氧化碳增量」，「二氧化碳增量」被認爲可以反映各地區的排放導致的濃度增加。
圖2：各城市和機場的垂直分佈資料取得數量（2005年~2016年）。
3．研究結果與考察
研究對圖2所示的世界各國機場上空的二氧化碳增量變化進行了統計調查。作爲其中一例，圖3展示了東京（成田機場）的結果。首先，如圖3d所示，成田機場（白色方塊）位於東京市中心以東約60km處。從地圖上的黑色圓圈羣可以看出，CONTRAIL觀測機起飛和降落時的飛行高度在2km以下，觀測資料是在東京市中心東側周圍獲得的（隨着飛行高度升高，觀測機的位置朝着各自的飛行目的地方向擴散）。圖3b調查了東京以東1.0~1.5km高度處的二氧化碳增量與風向和風速的關係。
該圖顯示了不同風向和風速網格中的二氧化碳增量最大值，也就是說，顯示了在什麼風向和風速時會出現高二氧化碳濃度。從圖中可以看出，弱西持續吹風時間出現了高二氧化碳增量。這與從觀測地點來看強二氧化碳排放源（東京都會圈）位於西方，以及風力越弱時，來自東京都會圈的排放越容易在附近下風側的大氣下層（大氣邊界層）積聚的現象一致。離地面越遠，這種都市區域的排放影響越弱（圖3a）。另外，從圖3c可以看出，越在大氣下層，二氧化碳增量的變化半徑（波動範圍）越大，從這種現象中還可以看出城市排放對地表的影響。
圖3：成田機場上空的二氧化碳增量統計解析結果。
（a）高度爲4.0~4.5km處的二氧化碳增量最大值與觀測時的風向和風速之間的關係。以上爲北，角度表示風向，距圓心的距離表示風速，灰色同心圓的隔膜爲每秒5m。（b）與a相同。不過是高度爲1.0~1.5km處的觀測資料解析結果。（c）二氧化碳增量出現頻率的直方圖。紫色部分是高度爲4.0~4.5km處，紅色實線是高度爲1.0~1.5km處的觀測資料解析結果。左上方還顯示了各高度的觀測資料數量。各二氧化碳資料的季節變化偏差較小時，二氧化碳增量接近零。（d）表示成田機場周邊的土地利用情況，粉色對應都市區域。白色方塊表示成田機場的位置，其周圍的黑色部分（小的黑色圓圈的集合）表示高度在2km以下的觀測資料的取得位置（觀測機的位置）。
研究團隊在全球36個機場實施了這種二氧化碳增量統計解析，發現很多機場都具有以下特點：（1）可以確定在高度約1km處出現高二氧化碳濃度的風向，其方向與機場附近城市的方向一致；（2）風速較弱時更容易觀測到二氧化碳濃度的大幅增加；（3）越靠近下層二氧化碳增量的變化半徑越大，高度約爲4km的上空顯示出地表的排放吸收影響幾乎可以忽略不計的清潔大氣特徵。也就是說，機場附近的CONTRAIL觀測結果明確反映了附近都市區域的二氧化碳排放的影響。
計算各機場上空高度約1km處的二氧化碳增量變化半徑（標準差）發現，在全球的城市中，大城市近郊的機場上空會出現較大變化（圖4）。尤其是在都會圈人口數量排名全球前十位的東京、德里、墨西哥城、上海和大阪等的上空，觀測到了非常大的二氧化碳濃度變化。另一方面，在位於沿海地區的規模相對較小的城市上空，二氧化碳的變化一般也比較小。
圖4：世界各國機場上空高度約1km處的二氧化碳增量變化半徑（標準差）。
圓圈越大越紅，表示變化半徑越大。機場碼和城市名稱對應的城市參考圖2。
因此，該研究針對各城市的二氧化碳排放量推算值，用圖表顯示了二氧化碳增量的變化半徑（圖5）。根據燃燒化石燃料產生的人爲來源二氧化碳排放量資料庫（ODIAC），計算了各城市的二氧化碳排放量。從該圖中可以看出，在高度約4km（圖5淡藍色部分）處，無論下方都市區域的二氧化碳排放量如何，二氧化碳增量的變化半徑都比較小，但在大氣下層（高度約1km處，圖5紅色部分），越是二氧化碳排放量大的都市區域近郊機場上空，二氧化碳增量的變化半徑明顯越大。也就是說，都市區域上空的二氧化碳濃度的主要變化因素爲城市的二氧化碳排放，隨着觀測機飛行期間的氣象條件不斷變化，這種排放影響傳遞到了高度約爲1km的城市上空。
圖5：世界各國機場上空的二氧化碳增量變化半徑（標準差）與各城市的人爲來源二氧化碳排放量之間的關係。
紅色是高度約爲1km處，淡藍色是高度約爲4km處的觀測資料的解析結果。機場碼和城市名稱對應的城市參考圖2。
一般來說，地表排放的二氧化碳會積聚在大氣下層（大氣邊界層），由此產生的二氧化碳濃度增加量被認爲與排放量成正比。都市區域上空產生的這種高濃度二氧化碳的區域分佈，被認爲取決於城市地區排放的二氧化碳的地理分佈以及排放的二氧化碳積聚場所——大氣邊界層的狀態。可以說，在透過客機飛行獲得的CONTRAIL觀測資料中，觀測地點與城市的二氧化碳排放區域的地理關係因機場大不相同，隨時間和季節變化的大氣邊界層的狀態也因各機場的觀測機航班時刻而異。因此，很難透過一兩次的有限觀測定量獲得城市地區的二氧化碳排放量。
此次研究透過大量觀測獲得了不同城市地區上空的二氧化碳濃度變化半徑，由此透過統計證明，二氧化碳的變化半徑與城市地區的二氧化碳排放有關。透過積累這種二氧化碳濃度的垂直分佈資料，有望爲提高附近城市的二氧化碳排放量推算精度做出貢獻。
論文資訊
題目：Statistical characterization of urban co2 emission signals observed by commercial airliner measurements
期刊：《Scientific Reports》
DOI：10.1038/s41598-020-64769-9
文：JST客觀日本編輯部
