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

Новости проекта

Китайские ученые оценили выбросы метана из озер

Вклад пресноводных экосистем в глобальный бюджет метана остается наиболее неопределенным среди природных источников. При потеплении и сопутствующем ему выделении углерода из оттаявшей вечной мерзлоты и расширением термокарстовых озер увеличение выбросов метана может быть значительным. Однако влияние и относительная важность различных факторов, связанных с потеплением, остаются неопределенными. На основе различных характеристик озер, включенных в моделирование и данные наблюдений, мы калибруем и проверяем модель биогеохимии озер. Затем модель применяется для оценки глобальных выбросов метана из озер и изучения влияния повышения температуры в первые и последние десятилетия 21 века при различных климатических сценариях. Мы обнаружили, что текущие выбросы составляют 24,0 ± 8,4 ТгCH4/год из озер площадью более 0,1 км2, что составляет 11% от общего глобального природного источника, оцененного на основе атмосферной инверсии. Будущие прогнозы по сценарию RCP8.5 предполагают рост выбросов из озер на 58%-86%. Анализ чувствительности нашей модели показывает, что дополнительные углеродные субстраты из оттаивающей вечной мерзлоты могут увеличить производство метана при потеплении в Арктике. Усиленное потеплением окисление метана в озерной воде может стать эффективным поглотителем для снижения чистого выброса из глобальных озер.

Коллектив китайских ученых продемонстрировал ансамблирование классических моделей оценки GPP с использованием алгоритмов машинного обучения

Наземная валовая первичная продукция (GPP) представляет собой интенсивность поглощения CO2 за счёт фотосинтеза растительности и является ключевой переменной для циклов углерода между биосферой и атмосферой. Модели эффективности использования света (LUE) широко используются для оценки GPP благодаря своим физиологическим механизмам и доступности получения и реализации данных, однако каждая отдельная модель GPP имеет большие неопределенности из-за ошибок ввода и структуры модели, и для дальнейшего улучшения оценки GPP необходимы дальнейшие валидации, сравнение и объединение этих моделей с данными пульсационных измерений (EC) для различных типов экосистем. Авторы исследования сравнили и объединили пять моделей GPP (VPM, EC-LUE, GOL-PEM, CHJ и C-Fix) для восьми экосистем на основе набора данных FLUXNET2015, используя ансамблевые методы байесового осреднения моделей (BMA), вычисления сингулярных векторов (SVM) и алгоритма случайного леса (RF) по отдельности. Результаты исследования показывают, что для отдельных моделей EC-LUE лучше других моделей отражает межгодовую изменчивость GPP, за ней следуют VPM и GLO-PEM, в то время как CHJ и C-Fix хуже согласуются с наблюдениями. Обнаружено, что RF и SVM лучше BMA при объединении отдельных моделей на различных функциональных типах растений (PFT) и в масштабе отдельных участков. На основе отдельных моделей методы слияния BMA, SVM и RF были проверены путем пятикратной перекрестной валидации для каждого типа экосистем, и каждый метод успешно улучшил среднюю точность оценки на 8%, 18% и 19%, соответственно.

Коллектив американских исследователей показал, как на потоки парниковых газов на поверхности озер влияют температура поверхности и растворенное флуоресцентное органическое вещество

Малые пресноводные водоемы распространены повсеместно и, вероятно, играют важную роль в глобальном бюджете парниковых газов (ПГ) в связи с их ограниченной площадью водной поверхности. Однако определение годовых потоков ПГ в малых пресноводных водоемах является сложной задачей, учитывая их площадь и пространственно-временную изменчивость выбросов. Для количественной оценки бюджета ПГ небольшого (0,1 км2) водоема исследователи установили мачту для проведения пульсационных измерений (EC) в небольшом водоеме, расположенном в юго-западной Вирджинии (США). Измерения проводились в течение 2 лет практически непрерывно. Получено, что водохранилище является крупным источником CO2 (633-731 гC/(м2 год)) и CH4 (1,02-1,29 гC/(м2 год)) в атмосферу, со значительной суточной, межсуточной, недельной и сезонной изменчивостью. Например, потоки были значительно больше в летом чем зимой. Кроме того, авторы наблюдали значительно большие потоки ПГ во время зимнего прерывистого ледостава по сравнению с постоянным ледоставом, что позволяет предположить, что выбросы ПГ из озер и водохранилищ могут увеличиваться при прогнозируемом уменьшении зимнего ледяного покрова. Наконец, было определно несколько ключевых переменных окружающей среды, которые могут определять потоки парниковых газов в водохранилищах на различных временных масштабах, включая температуру поверхностных вод и глубину термоклина, а также флуоресцентное растворенное органическое вещество. В целом, новые круглогодичные данные по ЕС в небольшом водохранилище показывают, что эти пресноводные экосистемы, вероятно, вносят существенный вклад в глобальный бюджет ПГ в виде CO2 и CH4 относительно их площади поверхности.

Французские ученые продемонстрировали способ с высокой точностью получать оценки выбросов CO2 в масштабе города практически в режиме реального времени

Существующие данные о выбросах CO2, представленные в городских кадастрах, обычно отстают от реального времени на год или более и подвержены большим неопределенностям. Представленное исследование отвечает растущей потребности в своевременной и точной оценке городских выбросов CO2 для поддержки нынешних и будущих мер и политики по смягчению последствий. Авторы статьи сосредоточились на Парижском столичном регионе, крупнейшем городском регионе Европейского Союза и городе с самой плотной сетью наблюдений за атмосферным CO2 в Европе. Были проведены долгосрочные атмосферные инверсии для количественной оценки общегородских выбросов CO2, как ископаемого топлива, так и биогенных источников и поглотителей, за шесть лет (2016-2021 гг.) с использованием байесовской системы обратного моделирования. Система инверсии использует новый почасовой кадастр выбросов CO2 от ископаемого топлива (Origins.earth) в режиме близком к реальному времени с пространственным разрешением 1 км. В дополнение к наблюдениям в середине дня исследователи попытались ассимилировать утренние концентрации CO2, основываясь на способности транспортной модели WRF-Chem моделировать динамику атмосферного пограничного слоя, ограниченную наблюдаемыми высотами слоя. Результаты показывают долгосрочную тенденцию снижения годовых выбросов CO2 над Парижским регионом примерно на 2 % в год. Влияние пандемии COVID-19 привело к сокращению годовых выбросов CO2 от ископаемого топлива на 13±1% в 2020 году по сравнению с 2019 годом. Затем годовые выбросы увеличились на 5,2 % с 32,6±2,2 МтCO2 в 2020 году до 34,3±2,3 МтCO2 в 2021 году. Основываясь на сочетании современных кадастров, моделирования атмосферы с высоким разрешением и высокоточных наблюдений, нынешние возможности позволяют получить оценки выбросов CO2 в масштабе города в режиме реального времени менее чем за месяц, и результаты согласуются в пределах 10 % с независимыми оценками, полученными из нескольких городских кадастров.

Коллектив голландских авторов провел количественную оценку выбросов N2O и CH4 в смешанном сельскохозяйственно-городском регионе

Кадастровые оценки выбросов N2O и CH4 не учитывают временные и пространственные вариации, что затрудняет поиск эффективных местных стратегий по снижению выбросов парниковых газов. Авторы исследования провели количественную оценку выбросов N2O и CH4 в смешанном сельскохозяйственно-городском регионе с использованием двух независимых подходов, т.е. метода вертикального градиента (VGM) и метода радон-трассера (RTM), сравнили оцененные годовые потоки с выбросами EDGARv6.0, выявили сезонные колебания потоков VGM и определили источники, которые, скорее всего, вызывают сезонные колебания на основе анализа следов, несмотря на то, что упомянутые методы не позволяют отнести различные источники. Было показано, что годовые оценки МТР, представленные модой логнормального соответствия для N2O и CH4, составляют 0,4 г м-2 год-1 и 12 г м-2 год-1, а оценки VGM - 0,6 ± 0,3 г м-2 год-1 и 13 ± 4 г м-2 год-1, соответственно. Кроме того, средние выбросы EDGARv6.0 по данным VGM и RTM, составляют 1,3 г м-2 год-1 и 0,9 г м-2 год-1 для N2O, и 21 г м-2 год-1 и 18 г м-2 год-1 для CH4. По сравнению с оцененными потоками, выбросы N2O и CH4 в EDGARv6.0 завышены; для N2O это в основном вызвано завышением выбросов химической промышленности. Более того, в отличие от почти постоянных ежемесячных выбросов EDGARv6.0 в течение года, оценки N2O и CH4 в VGM показывают сезонные колебания с относительно высокими значениями с марта по сентябрь, что, скорее всего, вызвано сельскохозяйственной деятельностью. Исследование демонстрирует, что большие ночные вертикальные градиенты мольных долей N2O и CH4 в атмосфере на высокой башне могут быть использованы для получения поверхностных потоков с помощью VGM; взятые вместе с потоками RTM, годовые средние и временные вариации выбросов N2O и CH4 могут быть ограничены в региональном масштабе.

Американские ученые исследовали источники неопределенностей при измерении потоков водяного пара ковариационным методом

Потоки водяного пара являются основным компонентом поверхностного энергетического баланса, гидрологического цикла и экосистемных процессов. По мере разработки новых датчиков для вихревых ковариационных измерений необходимо оценивать роль различных технологий и погрешностей калибровки на потоки H2O и закрытие поверхностного энергетического баланса. Здесь описывается полевое сравнение исторически значимых гигрометров с быстрым откликом: Lyman-α, KH2O, LI-7000, LI-7500, LI-7200, EC155 и EC150. Исследование проводилось в юго-восточном Вайоминге в сентябре 2015 года. Исследованы три метода калибровки: стандартная калибровка с помощью генератора точки росы и газа с нулевым воздухом, привязка к гигрометру с медленным откликом по первым принципам, а также поэтапная калибровка между гигрометрами с быстрым откликом на основе блоков времени с последовательной связью между 5-минутными данными. Различия в потоках между инфракрасными газоанализаторами были наибольшими при использовании стандартной калибровки (максимальное различие 15,9%, стандартные отклонения различий 4,1-6,0%), при этом различия уменьшались на 0,3-0,6 × при привязке калибровок к первопринципному гигрометру. Наименьшие различия наблюдались при использовании калибровки по частям, что подчеркивает внутренние различия между технологиями датчиков, где различия были уменьшены на 0,04-0,09 × (максимальное различие 8,2%, стандартные отклонения различий 2,3-3,0%). Датчики Лаймана-α и KH2O испытали серьезные дрейфы, хотя их кусочные калибровки в целом находились в пределах диапазона остальных. Двумя наиболее значимыми факторами, выходящими за пределы погрешности калибровки, были кислородная поправка для датчиков ультрафиолетового поглощения, особенно для KH2O, и спектральная поправка на ослабление трубки для анализаторов с закрытым контуром, в основном для анализатора EC155 с меньшим расходом. Влияние гигрометров на закрытие энергетического баланса было незначительным с некоторой неопределенностью, связанной со стандартной калибровкой, хотя это было меньше, чем изменение закрытия, связанное с выбором звукового анемометра. Эти результаты обращают внимание на необходимость дальнейшей разработки точных методик калибровки пульсационных измерений с мачт.

Китайские ученые опубликовали результаты 14-летнего исследования влияния выпаса скота на дыхание почвы

Работ по оценке влияния ограждения и выпаса на дыхание почвы на основе долгосрочных непрерывных полевых наблюдений мало, а сезонная динамика зависимости дыхания почвы от гидротермических факторов (влажность и температура почвы) и регуляция дыхания почвы климатом окружающей среды (осадки и температура воздуха) при длительном ограждении и выпасе до сих пор была известна плохо. В Китае на пастбище умеренного пояса был проведен 14-летний эксперимент с непрерывными полевыми наблюдениями. Результаты показали, что выпас скота снизил среднее дыхание почвы за весь год и вегетационный период на 19,52% и 21,90%, соответственно. Кроме того, выпас увеличил зависимость дыхания почвы от влажности почвы в годовом масштабе, но уменьшил зависимость дыхания почвы от температуры в течение вегетационного периода. Климат окружающей среды определял направление межгодовой вариации дыхания почвы, в то время как меры по управлению пастбищами изменяли величину влияния климата окружающей среды на дыхание почвы. Это подчеркивает, что климат окружающей среды играет решающую роль в регулировании реакции почвенного дыхания на изменение мер по управлению пастбищами.

Коллектив американских авторов продемонстрировал уточненный способ оценки углеродоемкости добычи углеводородных энергоносителей

Мексиканский залив является крупнейшим морским бассейном добычи ископаемого топлива в США. Решения о расширении добычи в регионе по закону зависят от оценки воздействия нового роста на климат. В исследовании были собраны данные наблюдений с воздуха и объединены с результатами предыдущих исследований и инвентаризаций для оценки воздействия на климат текущих работ на месторождении. Ученые оценили все основные выбросы парниковых газов на месте, двуокись углерода (CO2) от сжигания и метан от потерь и вентиляции. Используя эти данные, было оценено воздействие на климат на единицу энергии добытых нефти и газа (углеродоемкость). Исследователи обнаружили высокие выбросы метана (0,60 Тг/год [0,41-0,81, 95% доверительный интервал]), превышающие данные инвентаризации. Это повышает среднюю углеродоемкость по бассейну до 5,3 г CO2e/МДж [4,1 - 6,7] (100-летний горизонт), что в два раза превышает кадастры. Углеродоемкость по всему заливу различается: при добыче на глубоководье наблюдается низкая углеродоемкость, в которой преобладают выбросы от сжигания (1,1 г CO2e/МДж), в то время как в мелководных федеральных водах и водах штатов наблюдается чрезвычайно высокая углеродоемкость (16 и 43 г CO2e/МДж), в основном обусловленная выбросами метана от центральных узловых установок (посредников по сбору и переработке). Это показывает, что добыча на мелководье в том виде, в котором она ведется в настоящее время, оказывает чрезмерное воздействие на климат. Чтобы смягчить это воздействие на климат, необходимо решить проблему выбросов метана на мелководье путем эффективного сжигания в факелах вместо сброса в атмосферу и ремонта, реконструкции или ликвидации плохо обслуживаемой инфраструктуры. В статье продемонстрирован подход к оценке углеродоемкости добычи ископаемого топлива с помощью наблюдений, учитывая все прямые производственные выбросы при распределении на все ископаемые продукты.

Международный коллектив авторов опубликовал обзор методов для оценки характеристик углеродного цикла в океане по данным дистанционного зондирования Земли

Океан играет центральную роль в регулировании углеродного цикла Земли. Мониторинг изменения углеродного цикла в океане имеет фундаментальное значение для управления изменением климата. Спутниковое дистанционное зондирование в настоящее время является лучшим инструментом для глобального и систематического наблюдения за поверхностью океана с высоким пространственным и временным разрешением, и в последние несколько десятилетий наблюдается экспоненциальный рост исследований, использующих спутниковые данные для изучения углерода в океане. Спутниковые наблюдения должны сочетаться с натурными наблюдениями и моделями, чтобы получить всеобъемлющее представление о пулах и потоках углерода в океане. Чтобы помочь определить приоритеты будущих исследований в этой области, был организован семинар, в котором приняли участие ведущие эксперты по этой теме со всего мира, включая ученых, занимающихся дистанционным зондированием, полевых ученых и специалистов по моделированию, с целью сформулировать коллективный взгляд на текущее состояние исследований океанического углерода, определить пробелы в знаниях и сформулировать научную дорожную карту на следующее десятилетие с акцентом на оценку того, какой вклад может внести спутниковое дистанционное зондирование. В конференции приняли участие 449 ученых и заинтересованных сторон (со сбалансированным гендерным представительством) из Северной и Южной Америки, Европы, Азии, Африки и Океании. Заседания были посвящены неорганическим и органическим резервуарам углерода в океане, как в растворенном, так и в твердом виде, а также основным потокам углерода между резервуарами (например, первичная продукция) и на границах раздела (например, воздух-море и суша-океан). Экстремальные события, голубой углерод и бюджетирование углерода также были ключевыми темами обсуждения. Новые приоритеты включают: расширение сетей и повышение качества натурных наблюдений; улучшение спутниковых данных; улучшение количественной оценки неопределенности; улучшение понимания вертикальных распределений; интеграция с моделями; улучшение методов для объединения пространственных и временных масштабов различных источников данных; улучшение фундаментального понимания океанического углеродного цикла и взаимодействия между резервуарами углерода и света. Мы также сообщаем о приоритетах для конкретных изучаемых бассейнов и потоков, а также выделяем вопросы и проблемы, возникшие в ходе дискуссий, такие как необходимость рассмотрения воздействия спутников или космической деятельности на окружающую среду; роль, которую спутники могут играть в мониторинге подходов к удалению углекислого газа из океана; экономическая оценка спутниковой информации; рассмотреть, как спутники могут способствовать мониторингу циклов других важных климатически значимых соединений и элементов; содействовать разнообразию и инклюзивности в исследованиях океанического углерода; объединить сообщества, работающие над различными аспектами планетарного углерода; максимально использовать международные органы; следовать подходу открытой науки; исследовать новые и инновационные способы дистанционного мониторинга океанического углерода; и использовать квантовые вычисления. В целом, данный документ представляет собой комплексную научную дорожную карту на следующее десятилетие о том, как спутниковое дистанционное зондирование может помочь в мониторинге океанического углеродного цикла и его связей с другими областями, такими как суша и атмосфера.

В Известиях РАН опубликовано исследование модельной оценки закисленности атмосферных осадков за счет антропогенных соединений серы в ХХ веке

Проведен анализ кислотности осадков по расчетам со схемой серного цикла атмосферы ChAP-1.0 (Chemistry and Aerosol Processes), разработанной для моделей Земной системы промежуточной сложности (МЗСПС), при задании среднемесячных антропогенных эмиссий диоксида серы в атмосферу в 1850–2000 гг. по данным проекта CMIP5 (Coupled Models Intercomparison Project, phase 5), а полей метеорологических переменных – по многолетним средним (с учетом годового хода) данным реанализа ERA-Interim для 1979–2015 гг. Выявлено, что значимая кислотность осадков (минимальное pH гидрометеоров) характерна для регионов с высокой интенсивностью антропогенных эмиссий соединений серы в атмосферу – Европы, юго-восточной Азии, востока Северной Америки, юга Африки и запада Южной Америки. В этих регионах в последние десятилетия ХХ века типичные значения pH осадков составляют от 2.5 до 3.5, что хорошо согласуется с имеющимися данными измерений. Максимальная кислотность осадков (минимальное значение pH гидрометеоров, близкое к 2) из-за антропогенных соединений серы отмечена на востоке средиземноморского региона.