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2021年7月20日

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大気汚染物質(NO2)との同時観測により燃焼由来のCO2排出量を精度よく推定する新手法を開発

(筑波研究学園都市記者会、環境省記者クラブ、環境記者会文部科学記者会、科学記者会、その他JAXA配布先同時配布)

2021年7月20日(火)
国立研究開発法人 国立環境研究所
地球システム領域    室長    谷本浩志
           任期付研究員 藤縄環
国立研究開発法人 宇宙航空研究開発機構
地球観測研究センター 研究領域主幹 久世暁彦
国立研究開発法人 海洋研究開発機構
地球表層システム研究センター 上席研究員 金谷有剛
 

   国立環境研究所地球システム領域の谷本浩志室長、藤縄環任期付研究員、宇宙航空研究開発機構の久世暁彦研究領域主幹、海洋研究開発機構の金谷有剛上席研究員らの研究チームは、航空機を用いた二酸化炭素(CO2)と二酸化窒素(NO2)の同時観測データから、燃焼由来のCO2排出量を精度よく推定する新手法を開発しました。脱炭素社会に向けて、温室効果ガスであるCO2の削減とその監視が求められる中、⾃然起源と⼈為起源の排出源から発⽣源別に排出量を推定することが望まれています。人工衛星からの観測では地球全体を対象にできますが、⼀⽅で観測データには測定誤差があるため、⼤気中に⻑期に蓄積されたCO2と燃焼により排出されたCO2を発生源別に分離するのは困難です。そこで、燃焼とともにCO2と同時に発⽣するNO2が、CO2の排出源同定とその排出量推定に有効である可能性に注目が集まっています。本研究では、航空機を用いたCO2とNO2の同時観測を世界で初めて行い、NO2観測によるCO2の排出量推定の高精度化を実証しました。この手法を使うことにより、従来の統計データでは識別が難しいCO2排出源の発見や、CO2排出量推計の高精度化が期待されます。
   本研究の成果は、2021年7月20日に米国地球物理学連合の専門誌「Geophysical Research Letters」にオンライン掲載されます。
 

1.研究の背景

 パリ協定の発効により、温室効果ガスを早期に削減してゆくことは世界的な約束事となり、様々な排出源から大気中に放出される温室効果ガスの排出量を正確に把握する重要性はますます増しています。2021年4月、我が国も2050年のカーボンニュートラル、2030年の温室効果ガス排出量46%削減(2013年比)の目標を掲げました。温室効果ガスの排出量のうち、エネルギー起源のCO2排出が占める割合は大きく、そのうち発電による排出は42%を占めます。例えば火力発電所など、一つ一つの排出源からのCO2排出量を大気観測から導出する重要性への認識が高まっており、中でも、宇宙からの衛星観測データを用いた導出には世界的に大きな期待が寄せられ、2009年に日本が打ち上げた温室効果ガス観測技術衛星「いぶき」(GOSAT)や、欧米から打ち上げられた人工衛星による観測データを用いて個々の排出源からのプルーム(煙)を捉え、排出量を推定する試みがなされてきました。しかしながら、大気中のCO2全体量と比較して人為排出による変化量は小さく、日中は植生による吸収の変動が大きいため、人為排出されたプルームを正確に捉えることは、測定精度と空間分解能が高くない人工衛星の観測では極めて難しいことが課題でした。
 このため、我が国では温室効果ガス・水循環観測技術衛星(GOSAT-GW: Global Observing SATellite for Greenhouse gases and Water cycle)を2023年度に打ち上げ予定です。GOSAT-GWでは搭載する温室効果ガス観測センサ3型(TANSO-3)を用いて新たにNO2の観測が可能となります。我々は、衛星データから発生源別の排出量を捉え、高い精度及び世界トップレベルでの空間分解能を有する観測を目指しています※1
 今回、宇宙航空研究開発機構がチャーター航空機を用いてプルーム中のCO2とNO2の同時観測を行い、そのデータを国立環境研究所と海洋研究開発機構も共同で解析することで、NO2観測データを用いたCO2の排出量を評価・推計する手法を開発しました。

2.観測手法とデータ

 本研究では、国内有数の大都市圏の一つである中京圏で航空機観測を行いました。都市圏には、工場、自動車、船舶、オフィス、家庭、発電所等といった人間活動による様々なCO2排出源があります。航空機にはNO2及びCO2の量を測定するため、それぞれ可視、短波赤外を対象とするイメージング分光計※2が搭載されました。分光計から得られたスペクトルデータ※3により、観測地点におけるNO2とCO2のカラム量を導出し、面的な分布図を作成することが可能です。この面的な分布図を用いて、都市圏の排出源の一つである火力発電所から排出されるプルームの形状を割り出し、風速データと合わせて排出量を推定しました。
 図1は、NO2を用いたCO2検出の高精度化のイメージ図です。CO2は人為起源の他に、自然起源の吸収や排出もあり、大気中の滞留時間も長く、周辺大気と排出源の差が小さいため、観測ノイズにより排出源の情報が容易に消失してしまいます。一方でNO2は、周辺大気と排出源の差が大きく、観測ノイズがある条件でも、その排出源の位置とプルームの形状を特定しやすいという特徴があります。この特徴をいかして、NO2を用いて未知のCO2排出源の同定と排出量推定の精度向上を達成することが最終的な目標です。

NO2を用いたCO2排出の高度化のイメージ図
図1. NO2を用いたCO2排出の高度化のイメージ。CO2観測は、ノイズの影響により、煙源の位置と、プルームの形状が消失しやすいのに対し、NO2観測はノイズが増加しても、それらの情報を保持しています。

3.研究結果と考察

 図2は、火力発電所付近のNO2とCO2の空間的な存在量を示したマップです。どちらのガスについても暖色系の色になるほど、その存在量が多いことを示しています。白い菱形の地点が、今回注目した火力発電所の2つの煙突の位置を示しています。図2から、CO2、NO2ともに2つの煙突から排出されたプルームが、北西の風により南東方向に流れていく様子がわかります。航空機観測により、同時に排出されたCO2とNO2のプルームが拡がる様子を捉えたのは、この研究が世界初です。また、図3は、図2中の白破線領域におけるNO2(青)とCO2(赤)の存在量を、風方向から見た中心線からの距離に対してプロットした図です。それぞれの色で塗り潰された部分は、ガウス関数を仮定してフィッティングされた、煙突A、B(それぞれ南側、北側)から排出されたCO2、NO2それぞれのプルームの断面図を表しています。本研究では、NO2のプルームフィッティングの結果をCO2フィッティング時の初期値として使用することで、より現実に近いCO2のプルームフィッティングに成功しています。

火力発電所上空のNO2鉛直カラム量(左)とXCO2値(右)のメッシュプロット図
図2. 火力発電所上空のNO2鉛直カラム量(左)とXCO2値(右)のメッシュプロット。どちらも暖色なほど、存在量が大きいことを示しています。白い菱形の点が2つの煙突の位置を示し、白矢印は気象値における風向、黒矢印はNO2のプルーム形状を基に調節した風向を示しています。白破線は、2つの煙突の中間地点から調節した風向に400 m離れた地点を中心とした、800 m×2000 mの領域を示しています。

 2種のトップダウン推定手法※4を用いてCO2の排出量の推定を行い、ボトムアップ手法※5で導出された排出インベントリのひとつであるREAS v3.1※6と比較を行いました。REAS v3.1を真値としてその相対誤差を求めると、CO2の誤差は–7%〜40%と推定されました。NO2データを使用せずCO2データのみで推計した場合は、–51〜106%の誤差となり、NO2を用いることにより、推計精度が3倍程度向上しうることが示唆されました。今後はこの誤差を小さくして推計手法を精緻化し、衛星観測に応用していきます。

図2中の白破線で囲われた領域におけるNO2鉛直カラム量(青)とXCO2値(赤)を、破線領域の中心線からの距離に対してプロットした図
図3. 図2中の白破線で囲われた領域におけるNO2鉛直カラム量(青)とXCO2値(赤)を、破線領域の中心線からの距離に対してプロットした図。各色の点は、各グリッドのNO2鉛直カラム量とXCO2値を表しており、線はガウス関数でフィッティングを行なった結果を表しています。また、色付きのエリアは各煙突からの排出を考慮にいれたNO2及び、CO2のフィッティング結果を示しています。

4.今後の展望

 今回、航空機観測で実証された排出量の評価方法は、今後の人工衛星からの観測についても応用されます。世界各国では2015年12月に採択されたパリ協定の目標達成に向けた進捗確認サイクルであるグローバルストックテイクに貢献するため、人工衛星観測データを用いて、一つ一つの排出源からCO2の排出量を導出する研究開発が急ピッチで進められています。我々は、2023年度に打ち上げ予定のGOSAT-GW衛星データから発生源別の排出量を捉え、国や地域のインベントリデータの精度を確認し信頼性を上げることにより、グローバルストックテイクへの科学面での貢献につなげたいと考えています。

5.注釈

※1:環境省と国立環境研究所が共同で実施するプロジェクトで、
GOSAT,GOSAT-2に続くシリーズ3つ目のミッション
https://www.satnavi.jaxa.jp/project/gosat_gw/【外部サイトに接続します】)。
※2:分光情報を二次元で得ることができる分光計。
※3:波長方向に分解された光の放射輝度データ。
※4:大気観測データから数値輸送モデルを用いて、排出量を逆推計する手法。
※5:統計的な推定手法。発電所の場合は、燃料燃焼量に排出係数を乗じて算出している。
※6:日本の研究者によって開発されている排出統計インベントリ
https://www.nies.go.jp/REAS/index.html)。

6.研究助成

 本研究では、TCR-2再解析データ(https://tes.jpl.nasa.gov/tes/chemical-reanalysis/products/monthly-mean/【外部サイトに接続します】)、気象庁が作成するメソ数値予報モデル格子点データ(http://www.jmbsc.or.jp/jp/online/file/f-online10200.html【外部サイトに接続します】)、及びオランダ王立研究所のHenk Eskes博士より提供いただいたSentinel-5P(TROPOMI)衛星データを使用して実施されました。
 本研究は、国立環境研究所の課題解決型研究プログラム「低炭素研究プログラム」(2016-2020年度)及び戦略的研究プログラムである「気候変動・大気質研究プログラム」 (https://esd.nies.go.jp/ja/climate-air/)(2021-2025年度)の一環として実施されました。

7.発表論文

【タイトル】First Concurrent Observations of NO2 and CO2 from Power Plant Plumes by Airborne Remote Sensing
【著者】Tamaki Fujinawa, Akihiko Kuze, Hiroshi Suto, Kei Shiomi, Yugo Kanaya, Takahiro Kawashima, Fumie Kataoka, Shigetaka Mori, Henk Eskes and Hiroshi Tanimoto
【雑誌】Geophysical Research Letters
【DOI】10.1029/2021GL092685

8.問い合わせ先

【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
地球システム領域 地球大気化学研究室
室長 谷本 浩志
任期付研究員 藤縄 環

【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