El proyecto coordinado por ECMWF para elaborar un prototipo para un servicio de CO2 de Copernicus (CoCO2) para monitorear las emisiones antropogénicas de CO2 en todo el mundo ha entrado en su último año.

El prototipo contribuirá a una iniciativa financiada por la UE para implementar un servicio operativo de apoyo a la verificación y el seguimiento de las emisiones antropogénicas de gases de efecto invernadero (CO2MVS). Este servicio proporcionará un seguimiento continuo de las emisiones y los flujos de dióxido de carbono (CO2) y metano (CH4) mediante una combinación de observaciones y modelos del sistema terrestre.

CO2MVS se está desarrollando como parte del Servicio de Monitoreo de la Atmósfera Copernicus (CAMS) de la UE implementado por ECMWF.

Proyecto CO2MVS

Para permitir que la Unión Europea (UE) avance hacia una economía baja en carbono e implemente sus compromisos bajo el Acuerdo de París y el Acuerdo Verde Europeo, se han establecido objetivos ambiciosos para reducir las emisiones en la UE.

Para evaluar de forma independiente el progreso de los países hacia sus objetivos, se necesita una forma objetiva de monitorear las emisiones antropogénicas de CO2 y su evolución a lo largo del tiempo. Tal capacidad proporcionaría información consistente y confiable para apoyar procesos informados de toma de decisiones y políticas, tanto a nivel nacional como europeo. Para mantener la independencia en este ámbito, la Comisión Europea propuso establecer una capacidad operativa de verificación y seguimiento de las emisiones antropogénicas de CO2 (CO2 emissions Monitoring and Verification Support capacity, CO2MVS) como un nuevo servicio de CO2 que formará parte del Servicio de Monitoreo de la Atmósfera (CAMS) del programa Copernicus.

Concepto CO2MVS

El concepto general del CO2MVS combina la información de conjuntos de datos de observación (satélites e in situ) y la información de conocimientos previos (por ejemplo, inventarios de emisiones reales, estimadas o proyectadas) con modelos informáticos detallados del sistema terrestre que representan en particular las fuentes, sumideros y transporte de CO2 en la atmósfera en un marco de estimación bayesiano; es decir, minimizando una función de costo en un enfoque matemáticamente riguroso para tener en cuenta correctamente las incertidumbres en las observaciones, y modelos para estimar las salidas requeridas, en este caso las emisiones de CO2 antropogénico a varias escalas. Esto aportará el mismo nivel de rigor matemático al sistema CO2MVS que ha demostrado ser de vital importancia en otras áreas de aplicación, como la predicción numérica del tiempo y la previsión de la calidad del aire.

El CO2MVS debe abordar dos desafíos principales:

i) las observaciones no miden directamente las emisiones antropogénicas, y

ii) la señal de las emisiones antropogénicas en las variables que podemos observar (p. ej., CO2 atmosférico) es muy pequeña en relación con la señal de los flujos naturales entre las superficies terrestres y oceánicas y la atmósfera.

Para hacer frente a estos desafíos, el CO2MVS prevé modelos informáticos de última generación del sistema terrestre que pueden simular las variables que se observan en función de las emisiones y los flujos prescritos o modelados. Los métodos avanzados de asimilación de datos pueden luego hacer ajustes a las emisiones y flujos para que sean consistentes con la información de las observaciones y con el conocimiento físico embebido en los modelos. Los modelos deben ser completos y detallados para capturar todos los procesos relevantes que determinan el valor de las variables observadas.

\»Tendremos la posibilidad de verificar las emisiones usando un modelo numérico y compararlas con las observaciones entrantes, y de alguna manera cerrar el ciclo, y asegurarnos de que lo que pensamos que emitimos en términos de emisiones de CO2 es realmente lo que hay en la atmósfera\», explica Vincent-Henri Peuch, director del Servicio de Monitoreo de la Atmósfera de Copernicus.

CO2MVS promete un alcance de dos kilómetros. Eso significa que los países descubrirán con precisión de dónde proviene el CO2, incluida la detección de fuentes que pueden haber sido subestimadas, sobreestimadas o simplemente invisibles hasta ahora.

Se espera que el CO2MVS entre en pleno funcionamiento en 2026, al mismo tiempo que el lanzamiento de una misión satelital Copernicus dedicada, CO2M, que proporcionará observaciones de CO2 y CH4.

Sistema prototipo para un servicio de seguimiento de emisiones de CO2 de Copernicus

El proyecto CoCO2 contribuirá al desarrollo de la capacidad europea CO2MVS. CoCO2 entregará los sistemas prototipo en las escalas espaciales requeridas que formarán parte de la implementación general en el programa Copernicus. Los prototipos se vincularán con la mayor cantidad posible de la infraestructura Copernicus ya existente y garantizarán que todos los componentes necesarios para la atribución de las emisiones de CO2 estén diseñados y desarrollados:

• Modelos del sistema terrestre,
• Técnicas de asimilación de datos,
• Estimación previa de emisiones,
• Optimizar el uso de observaciones satelitales e in situ,
• Evaluación y control de calidad,
• Interfaz a los usuarios.

Un sistema de monitoreo maduro y creíble para las emisiones antropogénicas de CO2 requiere la integración de todos los flujos de información disponibles, lo cual es una tarea compleja y requiere una cuidadosa consideración de todos los componentes e interfaces.

El proyecto CoCO2 es una continuación del proyecto CO2 Human Emissions (CHE) y continuará parte del trabajo iniciado en el proyecto Verification Greenhouse Gas Emissions (VERIFY).

Objetivos del proyecto CoCO2

De 2021 a 2023, CoCO2 trabajará hacia los siguientes objetivos clave:

1. Entregar prototipos de sistemas antropogénicos de estimación de emisiones de CO2 a escala global, regional y local;
2. Involucrarse con las comunidades de usuarios para codiseñar una cartera de servicios que garantice la idoneidad para el propósito de los sistemas prototipo;
3. Desarrollar metodologías para evaluar la propagación de incertidumbres dentro del sistema, así como de los resultados que resultan en un marco de Evaluación y Control de Calidad;
4. Proporcionar los primeros aportes al proceso de balance global a tiempo para el primer balance global en 2023;
5. Proporcionar recomendaciones para la implementación operativa del CO2MVS dentro del programa Copernicus.

Avances en 2022

En una reunión en diciembre de 2022, se presentaron los avances del proyecto CoCO2. El trabajo para construir el sistema prototipo para monitorear las emisiones antropogénicas de CO2 y CH4 es amplio. Incluye, por ejemplo, trabajo sobre fuentes de datos, modelos de vegetación, modelos de transporte y métodos de asimilación de datos.

La clave es la capacidad de separar las ocurrencias naturales de CO2 o CH4 de las antropogénicas. Para hacer esto, el sistema combinará muchas fuentes de datos que brindan información sobre diferentes partes del ciclo completo del carbono. Estos incluyen, por ejemplo, observaciones de CO2 atmosférico, CH4 y dióxido de nitrógeno (NO2); modelos de vegetación; y conocimientos previos sobre las fuentes de emisión.

Simulaciones de la pluma de CH4 proveniente de las fugas de la tubería Nord Stream el 27 de septiembre de 2022 utilizando dos esquemas de advección diferentes. MPDATA (izquierda) es un esquema de conservación de masa local, que en principio es más preciso que el esquema de advección semi-lagrangiana. A la derecha, se muestra un esquema semi-Lagrangiano con interpolación COMAD y un fijador de masa, que produce resultados comparables; CAMS utilizará un esquema muy similar a partir de finales de este año.

Algunos aspectos destacados del progreso realizado en 2022 incluyen:

• Un mosaico global de inventarios de emisiones regionales para 2015, que integra los inventarios de emisiones regionales existentes (por lo general, proporciona la información más detallada) para tener una referencia aceptada regionalmente para evaluar los inventarios de emisiones globales utilizados en las inversiones globales.
• La extensión del Sistema Integrado de Pronóstico (IFS) de ECMWF para permitir la estimación de emisiones de CO2, CH4, NO2 y otras sustancias, dentro de un ciclo de asimilación de datos de 24 horas.
• La evaluación de modelos a escala local y métodos de estimación de emisiones para penachos de emisión individuales y el desarrollo de métodos mejorados.
• Una presentación al 1er Inventario Global de la CMNUCC, que presenta datos de cinco demostradores que ilustran las capacidades del futuro CO2MVS, impulsado por las observaciones actuales.

Este es un programa de investigación activo con ya 19 artículos publicados en revistas en diciembre de 2022.

Observaciones futuras

Como parte del programa Copernicus Sentinel, la Agencia Espacial Europea (ESA) y la Organización Europea para la Explotación de Satélites Meteorológicos (EUMETSAT) están desarrollando una constelación de satélites para respaldar el CO2MVS.

Podrán medir las concentraciones de CO2 y CH4 en la atmósfera con una combinación sin precedentes de precisión, cobertura y detalle.

Los satélites observarán todo el mundo en solo unos días y podrán observar fuentes individuales de dióxido de carbono y metano, como plantas de energía y sitios de producción de combustibles fósiles. Se espera que entren en operaciones en 2026.

El proyecto CORSO

El 1 de enero se inició un nuevo proyecto de apoyo al CO2MVS. Este proyecto financiado por la UE, llamado CORSO (CO2MVS Research on Supplementary Observations), tiene la intención de seguir apoyando el desarrollo de CO2MVS y mejorar su capacidad para evaluar emisiones antropogénicas de CO2.

Se centra en el uso de observaciones de especies coemitidas (p. ej., NO2 y CO), radiocarbono y la biosfera terrestre para distinguir mejor entre los efectos de los combustibles fósiles y los flujos biosféricos en las concentraciones atmosféricas de CO2.

“A medida que comienza el último año de CoCO2, los diferentes elementos para la ambiciosa capacidad de CO2MVS se están uniendo”, dice Anna Agusti-Panareda, científica del ECMWF que trabaja en el proyecto CoCO2. “Esperamos que para fin de año pueda comenzar una primera fase del CO2MVS antes de que esté completamente operativo en 2026”.

Agradecimientos

El proyecto CoCO2 ha recibido financiación del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea en virtud del Acuerdo de subvención n.º 958927.

Artículo original publicado en ECMWF News, el 24 de enero de 2023.