Дайджест за март 2023 г.: обзор последних исследований в области газообмена между поверхностью и атмосферой

Новости проекта

Немецкими учеными опубликовано исследование влияния вырубки лесов на характеристики почв

Вызванное изменением климата рампространение сельского хозяйства к полюсам может привести к вырубке субарктических лесов. Вырубка леса изменяет микроклимат и, следовательно, температуру почвы. Последствия изменения землепользования для температуры почвы и разложения органики в экосистемах изучены недостаточно хорошо. В исследовании немецких ученых были закопаны чайные пакетики с регистраторами температуры почвы на двух глубинах (10 и 50 см) в почвах коренных субарктических лесов и прилегающих сельскохозяйственных угодий на территории Юкон, Канада. Всего было создано 37 участков на широком диапазоне различных почв и повторно взяты пробы через 2 года для количественной оценки влияния землепользования на температуру почвы и разложение свежего органического вещества. Средняя температура почвы по всему почвенному профилю была на 2,1 ± 1,0 и 2,0 ± 0,8 ∘C выше на пахотных и луговых почвах по сравнению с лесными почвами. Кумулятивные градусо-дни (годовая сумма среднесуточных температур > 0 ∘C) значительно увеличились на 773 ± 243 (пашня) и 670 ± 285 (луг). Разложение почвенной подстилки было усилено на 2,0 ± 10,4 % и 7,5 ± 8,6 % в пахотном слое почвы и подпочве по сравнению с лесными почвами, но не было обнаружено существенной разницы в разложении между луговыми и лесными почвами. Усиленное разложение подстилки может быть связано не только с повышением температуры, но и с хозяйственным воздействием, таким как орошение пахотных земель. Результаты показывают, что изменения температуры, вызванные обезлесением, превышают повышение температуры почвы, которое уже наблюдается в Канаде в связи с изменением климата. Таким образом, вырубка лесов усиливает обратную связь между климатом и углеродом, увеличивая потепление почвы и разложение органического вещества.

Исследование опубликовано в журнале Biogeosciences

Российские ученые опубликовали новую методику сегментации изображений беспилотных летательных аппаратов с помощью нейронных сетей

Беспилотные летательные аппараты (БПЛА) получили широкое распространение в различных отраслях народного хозяйства, в том числе в сельском хозяйстве. Их преимущество заключается в высокой скорости и значительной площади сельскохозяйственных полей, захватываемых цифровым изображением (ортофотопланы). Это снижает долю рутинной работы и сокращает время контроля за состоянием с.-х. культур соответствующими специалистами. Значительный технологический прогресс в области средств разработки конструкции БПЛА, методик измерений, программного обеспечения обработки результатов измерений (изображений) позволил сформировать такое направление, как «точное земледелие». Обработка полученных изображений типично выполняется или методами компьютерного зрения, или с помощью нейронных сетей, а в последнее время — с помощью свёрточных нейронных сетей (СНС). Несмотря на то, что СНС стали мощным инструментом решения задач обработки изображений БПЛА, есть задачи, которые ещё решаются недостаточно точно с помощью как методов компьютерного зрения, так и СНС. В публикации приведена методика сегментации СНС изображений с.-х. полей, полученных с помощью БПЛА. Рассмотрены особенности решения задачи с учётом малого количества материалов для обучения СНС, а также приведены полученные результаты.

Исследование опубликовано в журнале "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса", 2023, Т. 20. № 1. С. 55-66.

Опубликованы результаты исследования роли ассимиляции спутниковых данных поверхностной концентрации хлорофилла a в Азовском море

Одной из основных проблем при использовании спутниковых данных о пространственных примесях в верхнем слое моря выступают помехи, создаваемые, например, облачностью или различными аэрозолями, продуктами горения и т. д. Часто эти помехи могут прерывать поступление данных о состоянии поверхности моря. Поэтому задача определения значений концентрации для областей с отсутствующей информацией (англ. gap filling) считается важной и актуальной. Для решения такой задачи может быть применён вариационный алгоритм ассимиляции данных измерений на некотором промежутке времени в модели переноса исследуемой примеси. С помощью информации для различных моментов времени на данном промежутке времени и используемой модели в качестве пространственно-временного интерполянта можно получить решение, согласованное с данными измерений и с самой моделью. В настоящей работе за счёт идентификации начального поля концентрации при минимизации квадратичного функционала качества прогноза было получено решение для всего промежутка времени. При проведении численных экспериментов использовались реальные данные о концентрации хлорофилла a, информация о ветровом воздействии над Азовским морем и облачности. При помощи модели циркуляции Азовского моря в сигма-координатах были получены поля течений, коэффициенты турбулентной диффузии при северном и северо-западном ветровом воздействии, которое преобладало в наблюдаемый период времени. Полученные модельные поля использовались в качестве входной информации для модели переноса пассивной примеси. В результате работы вариационной процедуры ассимиляции данных измерений найденные поля концентрации для используемого промежутка времени (пять суток) согласованны с данными измерений и с моделью переноса.

Исследование опубликовано в журнале «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (2023, Т. 20. № 1. С. 76-83)

Китайскими учеными опубликованы результаты изучения динамики эмиссии углекислого газа из болотных почв

Длительные низкие температуры в лесных водосборах средних широт могут замедлять разложение мёртвого покрова почвы в периоды замерзания или оттаивания и высвобождать больше питательных веществ из поверхностного слоя в дождливые сезоны. Растворенное в воде органическое вещество переносится в водно-болотные угодья ниже по течению и влияет на выбросы CO2 из почвы. В исследовании, представленном в журнале Agricultural and Forest Meteorology были использованы различные подходы для уточнения эмиссии CO2 из почвы на водно-болотных угодьях в средних широтах. Во-первых, были сопоставлены данные измерений скорости эмиссии CO2 в почве in situ и численности микроорганизмов в период замерзания-оттаивания и в сезон дождей. Водно-болотная почва могла выделять большое количество CO2 в сезон дождей, что в значительной степени стимулировалось родами Vicinamibacterales и Basidiomycota. Во-вторых, методы микрометеорологии in situ, измерения качества воды и моделирования были использованы для выявления факторов, влияющих на эмиссию CO2 из болотной почвы в сезон дождей. Концентрация растворенного органического углерода сильно коррелировала с потоком эмиссии CO2 из болотной почвы, а их величина контролировалась компонентами DOM в верхнем течении реки. Кроме того, на гидрологические потоки DOM влияли режимы выпадения осадков, и при увеличении частоты сильных дождей из горных лесов выделялось больше низкомолекулярных соединений. Наконец, в исследовании была смоделирована эмиссия CO2 из почвы водосборного бассейна с помощью модели денитрификации и разложения, и глобально проанализировали влияние широты на эмиссию CO2 из почвы.

Китайскими учеными опубликованы оценки репрезентативности измерений потоков с использованием вышек в условиях лесного ландшафта

Ключевой проблемой в исследованиях экосистем является количественная оценка того, насколько надежно мачта для пульсационных измерений представляет лес большой площади. В исследовании, опубликованном коллективом китайских ученых в журнале Agricultural and Forest Meteorology, задача оценки репрезентативности пульсационных измерений была решена с использованием нормализованного разностного индекса растительности (NDVI) и валовой первичной продуктивности (GPP), в частности, полученных по измерениям с беспилотного летательного аппарата (БПЛА) с разрешением 5 см, спутников (Landsat 8 и VENμS) с разрешением 30 м и 5 м. и многолетних мониторинговых данных пульсационных измерений в центре полузасушливого леса Ятир площадью 3000 га в Израиле. NDVI на уровне деревьев, GPP на уровне участка, размер деревьев, плотность древостоя и топографические параметры были получены на 14 участках (0,36 га каждый) по всему лесу в течение двух лет. Эти результаты сравнивались с оценками GPP, полученными с помощью ковариационной станции. Результаты показали значительные пространственные различия GPP между этими данными для всего леса. Для участка в целом GPP измерения МПИ согласуются по среднему значению и для диапазона значений с другими измерениями. Результаты обеспечивают уверенность в долгосрочных измерениях потока на ковариационных станциях на исследуемом участке.

В журнале Earth-Science Reviews опубликован анализ динамики карбонатного насоса открытого океана в контексте перспектив испольвзоания данных дистанционного зондирования

Неорганическая петля углеродного цикла открытого океана представляет собой порождение и нисходящий поток частиц неорганического углерода в форме карбоната кальция, синтезируемого кальцифицирующим планктоном. Он работает параллельно с соответствующей органической петлей, которая связана с порождением и нисходящим потоком органического углерода, в основном в виде частиц. Этот органический углерод производимый нисходящим потоком, имеет высокую плотность и, согласно гипотезе, усиливает нисходящий поток органического углерода, повышая эффективность органической петли. В исследовании, опубликованном в журнале Earth-Science Reviews, Рассматривается современное количественное и механистическое понимание неорганической петли в открытом океане с относительным вкладом различных групп кальцифицирующего планктона (кокколитофоры, фораминиферы и птероподы) в производство и поток растворенного органического углерода на основе глобальных распределённых наблюдений.

В журнале ESSD опубликованы результаты исследований международного коллектива ученых относительно оценки биодоступности элементов панарктических почв

Арктические почвы хранят большое количество органического углерода и других элементов, таких как аморфный кремний, кремний, кальций, железо, алюминий и фосфор. Согласно прогнозам, глобальное потепление будет наиболее выраженным в Арктике, что приведет к оттаиванию вечной мерзлоты, которая, в свою очередь, изменит доступность элементов в почве. Для прогнозирования того, как изменение климата повлияет на биогеохимический круговорот в арктических экосистемах, необходимы данные о доступности элементов. В исследовании, опубликованном в журнале Earth System Science Data, были проанализированы содержание аморфного кремния (ASi) как твердой фракции почв, а также экстракты Мелиха III для определения биодоступности кремния (Si), кальция (Ca), железа (Fe), фосфора (P) и алюминия (Al) из 574 образцов почв приполярного арктического региона. Были показаны значительные различия во фракции ASi и в доступности Si, Ca, Fe, Al и P среди различных литологий и арктических регионов. Эти данные на панарктических картах фракции ASi и доступных концентраций Si, Ca, Fe, P и Al, были обобщены с фокусом на на верхних 100 см. арктической почвы. Кроме того, в публикации приводятся значения доступности элементов для органических и минеральных слоев сезонно оттаивающего активного слоя, а также для самого верхнего слоя вечной мерзлоты. Пространственные данные о различиях в доступности элементов между различными литологическими классами и регионами в настоящее время и в будущем позволят улучшить модели арктической системы Земли для оценки текущей и будущей обратной связи углерода и питательных веществ при изменении климата.

Международный коллектив ученых опубликовал согласованные оценки потоков парниковых газов, связанных с землепользованием

По мере того, как акцент в климатической политике смещается от обещаний к реализации, растет необходимость отслеживать прогресс в смягчении последствий изменения климата на уровне страны, особенно в секторе землепользования. Несмотря на новые инструменты и модели, предоставляющие беспрецедентные возможности мониторинга, сохраняются разительные различия в оценках антропогенных потоков CO2 в землепользовании между, с одной стороны, национальными кадастрами парниковых газов (НКПГ), используемыми для оценки выполнения национальных климатических целей в рамках Парижского соглашения, и, с другой стороны, Глобальным углеродным бюджетом и оценочными отчетами Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК), основанными на глобальных моделях инвентаризации (ГМИ).

Недавние исследования показали, что эти различия в основном обусловлены противоречивыми определениями антропогенных потоков CO2 в управляемых лесах. Страны предполагают, что под управлением находятся большие площади лесов, чем это делают ГМИ, из-за более широкого определения управляемых земель в НКПГ. Кроме того, доля поглощения земли, вызванная косвенными эффектами антропогенного изменения окружающей среды (например, влияние удобрений на рост растительности из-за увеличения концентрации CO2 в атмосфере) на управляемых землях, рассматривается как неантропогенная в ГМИ, но как антропогенная в большинстве НКПГ.

Авторы исследования применяют подход, который добавляет поглощение CO2, вызванное экологическими изменениями в управляемых лесах стран (оцененное 16 динамическими глобальными моделями растительности), к потокам землепользования из трех ГМИ. Эта сумма концептуально более сопоставима с НКПГ, и поэтому ожидается, что количественно она будет более схожей. В анализе используются обновленные и более полные данные НКПГ, чем в предыдущих исследованиях, и представлены результаты моделирования на более высоком уровне разбивки по регионам, странам и категориям земель.

Результаты подтверждают значительную разницу (6,7 Гт CO2 в год) в глобальных потоках CO2 от землепользования между средним по ансамблю ГМИ (эмиссии интенсивностью 4,8 Гт CO2 в год за период 2000-2020 годов) и НКПГ (поглощение интенсивностью 1,9 Гт CO2 в год). Большая часть этого различия приходится на лесные земли (3,5 Гт CO2 в год), но различия также наблюдаются и для обезлесенных территорий (2,4 Гт CO2 в год), для потоков от других видов землепользования (1,0 Гт CO2 в год) и в меньшей степени для потоков от органических почв (0,2 Гт CO2 в год). При добавлении к оценкам ГМИ среднего значения поглотителя из ансамбля моделей растительности, возникающего в результате экологических изменений в управляемых лесах (-6,4 Гт CO2 в год), разрыв между ГМИ и НКПГ становится значительно меньше как в глобальном масштабе (остаточный разрыв: 0,3 Гт CO2 в год), так и в большинстве регионов и стран. Тем не менее, некоторые расхождения остаются и заслуживают дальнейшего изучения. Например, ГМИ в целом дают более высокие выбросы от обезлесения, чем НКПГ, а при корректировке с учетом поглощения в управляемых лесах, оцененного с помощью моделей динамики растительности, дают поглощение, которое часто больше, чем НКПГ.

Исследование опубликовано в журнале Earth System Science Data.

В статье голландских ученых опубликовано описание новых оценок потоков СО2 на Европейсмком континенте по данным высокоразрешающего моделирвоания

Представлена система CarbonTracker Europe High-Resolution (CTE-HR) для оценки обмена углекислого газа (CO2) над Европой с высоким разрешением (0,1 × 0,2∘) и в почти реальном времени (задержка около 2 месяцев). Она включает динамическую модель антропогенных выбросов, которая использует легкодоступные статистические данные об экономической деятельности, энергопотреблении и погоде для генерации антропогенных выбросов с динамическими временными профилями с высоким пространственным и временным разрешением (0,1×0,2∘, ежечасно). Почасовая чистая продуктивность экосистем (NEP), рассчитанная с помощью простой биосферной модели версии 4 (SiB4), определяется метеорологическими данными из набора данных реанализа 5-го поколения (ERA5) Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды (ECMWF). Эта NEP уменьшена до 0,1×0,2∘ с использованием карты почвенно-растительного покрова высокого разрешения Координации информации по окружающей среде (CORINE) и объединена с выбросами пожаров Глобальной системы ассимиляции пожаров (GFAS) для создания оценок наземных потоков углерода. Потоки CO2 в океане включены в этот продукт на основе потоков CO2 в океане Jena CarboScope. Совместно эти оценки потоков позволяют моделировать мольные доли CO2 в атмосфере над Европой.

Оценена способность потоков CO2 CTE-HR (a) воспроизводить наблюдаемые аномалии в биосферных потоках и мольных долях CO2 в атмосфере во время европейской засухи 2018 года, (b) отражать сокращение антропогенных выбросов из-за блокировки COVID-19, (c) для сопоставления наблюдений мольных долей на объектах Интегрированной системы наблюдения за углеродом (ICOS) по всей Европе после атмосферного переноса с помощью Транспортной модели версии 5 (TM5) и Стохастического инвертированного во времени лагранжевого переноса (STILT) и (d) для отражения величины и изменчивости измеренных потоков CO2 в центре города Амстердам (Нидерланды). Показано, что потоки CTE-HR воспроизводят крупномасштабные аномалии потоков, о которых сообщалось в предыдущих исследованиях как для биосферных потоков (засуха 2018 года), так и для антропогенных выбросов (пандемия COVID-19 в 2020 году). После применения переноса выброшенного CO2 потоки CTE-HR имеют более низкие медианные среднеквадратичные ошибки (RMSE) относительно наблюдений мольных долей, чем потоки, полученные в результате неинформированной оценки потоков, в которой биосферные потоки масштабируются в соответствии с глобальными темпами роста CO2. RMSE близки к показателям реанализа с системой ассимиляции данных CTE. Это обнадеживает, учитывая, что потоки CTE-HR не выиграли от еженедельной ассимиляции наблюдений CO2, как в CTE.

Кроме того, сравнены наблюдения за концентрацией CO2 на голландской прибрежной башне Льютевад, чтобы показать, что потоки высокого разрешения проявляют изменчивость, связанную с различными секторами выбросов летом и зимой. Интересно, что в периоды, когда изменчивость переноса синоптического масштаба доминирует над изменениями концентрации CO2, потоки CTE-HR работают аналогично потокам низкого разрешения (5-10-кратное увеличение). Оставшиеся 10 % смоделированной мольной доли CO2 отличаются более, чем на 2 ppm между представлениями потоков с низким и высоким разрешением и явно связаны с когерентными структурами ("плюмами"), исходящими из горячих точек выбросов, таких как электростанции. Поэтому отмечено, что дополнительное разрешение опубликованного продукта будет иметь наибольшее значение для очень конкретных мест и времени при использовании для моделирования атмосферного CO2. Наконец, в густонаселенном регионе, таком как центр Амстердама, смоделированные потоки недооценивают величину потоков, измеренных методом ковариации вихревых пульсаций, но хорошо отражают их существенные суточные колебания в летнее и зимнее время.

Международный коллектив авторов опубликовал новую консолидацию национальных бюджетов СО2 по данным наблюдений за период 2015-2020 гг.

Точный учет выбросов и поглощений CO2 имеет решающее значение для планирования и проверки целей по сокращению выбросов в поддержку Парижского соглашения. В статье, опубликованной в журнале Earth System Science Data, представлен пилотный набор данных о чистом углеродном обмене (NCE; ископаемые плюс потоки наземных экосистем) и изменениях запасов углерода в земле, предназначенный для информированого составления углеродных бюджетов стран. Эти оценки основаны на "нисходящих" результатах NCE, полученных в рамках проекта по сопоставлению моделей (MIP) v10 Орбитальной углеродной обсерватории (OCO-2), в ходе которого группа исследователей провела провела стандартизированные эксперименты с инверсными моделями, ассимилируя усредненные по колонке OCO-2 данные о мольной доле сухого воздуха (ACOS v10), измерения CO2 in situ или комбинации этих данных. Оценки NCE OCO-2 MIP v10 объединены с оценками "снизу вверх" выбросов ископаемого топлива и боковых потоков углерода для оценки изменений в запасах углерода суши, на которые влияют антропогенные и природные факторы. Эти оценки потоков и изменений запасов ежегодно (2015-2020 гг.) представляются как в виде глобального набора данных с сеткой 1∘ × 1∘, так и в виде набора данных на уровне стран и доступны для загрузки на веб-сайте Комитета по спутникам наблюдения Земли (КЕОС). По результатам экспериментов OCO-2 MIP v10 получено увеличение средних запасов углерода в атмосфере на 3,29-4,58 Пг CO2 в год (0,90-1,25 Пг C в год). Это является результатом существенного увеличения запасов углерода в суше в северных внетропических районах, в то время как в тропиках запасы в целом уменьшились, но со значительной региональной изменчивостью и различиями между экспериментами v10 OCO-2 MIP.