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

Новости проекта

Международный коллектив ученых собрал последние достижения в области микроволнового дистанционного зондирования

Космическое микроволновое дистанционное зондирование (300 МГц-100 ГГц) представляет собой ценный метод для характеристики изменений окружающей среды, особенно в арктических и бореальных регионах (АБР), где наземные наблюдения, как правило, пространственно и временно ограничены. Хотя прямые измерения потоков углерода невозможны, космические микроволновые радиометры и радары могут контролировать различные важные поверхностные и приповерхностные переменные, влияющие на наземные процессы углеродного цикла, такие как дыхательные потоки углекислого газа CO2, фотосинтетическое поглощение CO2 и процессы, связанные с чистым обменом метана CH4, включая производство, перенос и потребление CH4. Примерами такого контроля являются влажность и температура почвы, циклы поверхностного замерзания и оттаивания, накопление воды растительностью, свойства снежного покрова и почвенного покрова. Микроволновое дистанционное зондирование также позволяет получить независимые оценки надземной биомассы, которые могут быть использованы для оценки запасов углерода в надземной части. Запись микроволновых данных охватывает несколько десятилетий, начиная с 1970-х годов, с частым (от ежедневного до еженедельного) глобальным покрытием, не зависящим от атмосферных условий и солнечной освещенности. Все эти преимущества в совокупности дают значительный неиспользованный потенциал для мониторинга и лучшего понимания процессов углеродного цикла в АБР. Учитывая быстрое потепление климата в АБР и связанные с этим обратные связи углеродного цикла с глобальной климатической системой, данный обзор доказывает важность быстрой интеграции микроволновой информации в науку о наземном углеродном цикле в АБР.

Исследование опубликовано в журнале Biogeosciences

Для оценки AGB четырех типов лесов китайскими учеными были построены алгоритмы машинного обучения

Важно повысить точность моделей оценки надземной биомассы AGB на больших территориях со сложной географией и высокой неоднородностью лесов. В данном исследовании для оценки AGB четырех типов лесов на основе экологических факторов и переменных, отобранных алгоритмом Борута, в провинции Юньнань были построены алгоритмы машинного обучения k-nearest neighbors (k-NN), gradient boosting machine (GBM), random forest (RF), quantile random forest (QRF), regularized random forest (RRF) и Bayesian regularization neural network (BRNN) с использованием интегрированных изображений Landsat 8 OLI и Sentinel 2A. Результаты показали, что (1) С точки зрения эффективности конкретных моделей для четырех типов леса, RRF оказалась лучшей моделью как для оценки AGB хвойных лесов, так и смешанных лесов; коэффициент детерминации R2 и среднеквадратичная ошибка RMSE для хвойных лесов составили 0,63 и 43,23 Мг га-1, соответственно, а R2 и RMSE для смешанных лесов - 0,56 и 47,79 Мг га-1, соответственно. Наилучшие результаты при оценке AGB вечнозеленых широколиственных лесов показала BRNN: R2 составил 0,53, а RMSE - 68,16 Мг га-1. QRF оказался лучшим при оценке AGB лиственных широколиственных лесов: R2 составил 0,43, а RMSE - 45,09 Мг га-1. (3) RRF оказалась лучшей моделью для четырех типов леса по средним значениям, R2 и RMSE составили 0,503 и 52,335 Мг га-1, соответственно. В заключение следует отметить, что при оценке AGB различных типов леса необходимо учитывать различные переменные и подходящие модели. Данное исследование может послужить ориентиром для оценки AGB лесов на основе дистанционного зондирования в районах со сложным рельефом и высокой степенью неоднородности лесов.

Исследование опубликовано в журнале Remote Sensing

Российские ученые оценили поглощение лесными сообществами СО2 из атмосферы при современном глобальном потеплении и их адаптацию к изменениям климата

На примере лесов Окского бассейна проведен опыт численного решения двуединой задачи, поставленной Парижским (2015) Соглашением по изменению климата: оценить поглощение лесными сообществами СО2 из атмосферы при современном глобальном потеплении и их адаптацию к изменениям климата. С помощью эмпирико-статистического моделирования раскрыты механизмы регуляции лесным покровом углеродного цикла, с эффектом смягчения прогнозируемого потепления. Проведены оценки адаптивного потенциала лесов и его роли в адсорбции и консервации углерода. В качестве показателя адаптации использован предложенный индекс упруго-пластичной функциональной устойчивости лесных экосистем. Статистически установлена роль устойчивости лесов как прямого экологического фактора поглощения парниковых газов. Получена однозначная картина существенного роста экологических ресурсов бореальных и неморальных лесов – их адсорбционной способности при повышении адаптивного потенциала. Установлено, что в течение прогнозируемого 100-летнего периода общая упруго-пластичная устойчивость лесных формаций в регионе должна увеличиваться, особенно при современных темпах глобального потеплении. За счет этого следует ожидать и значительное повышение способности бореальных и в меньшей степени неморальных лесов поглощать парниковые газы. Полученные результаты регионального прогнозного моделирования демонстрируют эффективность сопряженного исследования адсорбционной способности лесных биомов и их адаптации к меняющемуся климату.

Исследование опубликовано в Докладах Российской академии наук. Науки о Земле

Американские ученые оценили углеродные затраты на глобальную заготовку древесины

После сельского хозяйства заготовка древесины - это вид деятельности человека, который в наибольшей степени сокращает накопление углерода в растительности и почве. Несмотря на то, что срубленная древесина выделяет углерод в атмосферу на различных этапах, тот факт, что растущие деревья поглощают углерод, привел к появлению различных подходов к учету углерода при использовании древесины, дающих самые разные оценки стоимости углерода. Многие подходы создают впечатление низкого, нулевого или даже отрицательного уровня выбросов парниковых газов при заготовке древесины, поскольку в них различным образом компенсируются потери углерода при новой заготовке за счет поглощения углерода в результате роста обширных лесных массивов. Приписывать это поглощение новым рубкам неправомерно, поскольку этот рост лесов происходил бы независимо от новых рубок и обычно является результатом отказа от сельского хозяйства, восстановления после предыдущих рубок и самого изменения климата. Тем не менее, в некоторых работах валовые выбросы считаются ежегодно, что не учитывает способность вновь заготовленных лесов восстанавливаться и приближаться к запасам углерода в не заготовленных лесах. Здесь мы представляем результаты новой модели, использующей дисконтирование по времени для оценки текущих и будущих углеродных затрат на глобальную заготовку древесины при различных сценариях. Мы обнаружили, что в период с 2010 по 2050 гг. ежегодные углеродные издержки лесозаготовок, вероятно, составят 3,5-4,2 ГтCO2-э год-1, что приближается к общепринятым оценкам ежегодных выбросов от изменения землепользования в результате расширения сельского хозяйства.

Исследование опубликовано в журнале Nature

В журнале Agricultural and Forest Meteorology провели анализ обмена CO2 в агроэкосистемах на основе модели почвенных культур

Выбросы углерода в сельском хозяйстве играют важную роль в изменении климата. Моделирование позволяет изучить последствия изменения климата для сельскохозяйственных культур с учетом обратных связей между органическим углеродом почвы и концентрацией CO2. Однако крайне важно, чтобы модели сельскохозяйственных культур должным образом учитывали обмен CO2 на уровне севооборотов, выходящих за рамки цикла одной культуры. С этой целью мы использовали выходные данные почвенно-сельскохозяйственной модели STICS в ее стандартной предварительно параметризованной версии для моделирования (i) валовой первичной продуктивности (GPP), определяемой на основе автотрофного дыхания и чистой первичной продуктивности, которая рассчитывается через ежедневное изменение пулов углерода (C) в растениях; (ii) дыхание экосистемы (RECO), автотрофная составляющая которого определяется биомассой растений, концентрацией азота в растениях и GPP, а гетеротрофная - минерализацией остатков и органического вещества; и (iii) чистый обмен экосистемы, равный сумме GPP и RECO. Сравнение результатов моделирования с данными полевых наблюдений показывает, что модель способна точно имитировать суточные потоки CO2, возникающие в результате длительного и диверсифицированного севооборота (эффективность EF равна 0,79 для GPP, 0,59 для RECO и 0,67 для NEE). Что касается оценки суммарных потоков за 16 лет севооборота, то модель способна точно оценить их для RECO с небольшой недооценкой (нормированное отклонение ND = 15,7%) и очень точно для GPP (ND = 5,12%). Однако для NEE относительная переоценка выше (ND = 62,2%), что указывает на необходимость более точной оценки HR для получения надежных бюджетов чистого углерода. Модель также успешно отражает тенденции влияния ряда экологических факторов на потоки CO2. В целом она оказывается ценным инструментом для исследования обмена CO2 в севообороте в исторических и будущих климатических условиях.

Исследование опубликовано в журнале Agricultural and Forest Meteorology

Международный коллектив ученых оценил эффективность развертывания системы CBECCS в Китае

Учитывая, что мировой парк угольных электростанций в основном новый, электростанции, работающие на угле и биомассе, с дооборудованными системами улавливания и хранения углерода (CBECCS) рассматриваются как перспективный вариант снижения выбросов CO2. Однако эффективность CBECCS остается практически неизученной. В данной работе мы разработали комплексную систему оценки, включающую макроэнергетическую систему с пространственно явными источниками биомассы, угольными установками и геологическими хранилищами. Мы применяем эту систему для исследования пространственно-временного развертывания системы CBECCS в Китае. Результаты показывают, что переход на CBECCS в 2025 году может обеспечить потенциал секвестрации 0,97 ГтCO2 год-1, причем 90% - при уровне затрат от $30 до $50 тCO2-1. В 2040 году за счет увеличения часов использования энергоблоков может быть достигнуто более высокое снижение выбросов CO2 - 1,6 Гт год-1, что соответствует совокупному вкладу в 41,2 ГтCO2 за период 2025-2060 годов. Данное исследование представляет собой полезный справочный материал для преобразования энергосистем с преобладанием угля.

Исследование опубликовано в журнале Nature Climate Change

Американские ученые создали пространственную базу данных глобальной нефтегазовой инфраструктуры

Сокращение выбросов метана из нефтяных и газовых месторождений имеет огромное значение для ограничения темпов антропогенного потепления климата. По мере развития в последние годы возможностей многомасштабных измерений глобальных нефтегазовых выбросов метана, в том числе с помощью развивающейся экосистемы спутниковых и авиационных платформ дистанционного зондирования, возникла очевидная необходимость в открыто доступном и регулярно обновляемом глобальном кадастре нефтегазовой инфраструктуры как важном инструменте для определения характеристик и отслеживания источников выбросов метана. В данном исследовании мы создаем пространственную базу данных глобальной нефтегазовой инфраструктуры, уделяя особое внимание сбору, хранению и интеграции геопространственных данных, находящихся в открытом доступе, которые предоставляются официальными правительственными источниками, а также промышленными предприятиями, академическими исследовательскими институтами и другими негосударственными организациями. Мы сосредоточились на основных типах нефтегазовых объектов, являющихся ключевыми источниками измеренных выбросов метана, включая добывающие скважины, морские добывающие платформы, компрессорные станции, перерабатывающие предприятия, предприятия по производству сжиженного природного газа, нефтеперерабатывающие заводы и трубопроводы. Первая версия этой глобальной геопространственной базы данных (Oil and Gas Infrastructure Mapping database, OGIM_v1) содержит в общей сложности ∼ 6 млн. объектов, включая 2,6 млн. точек расположения основных типов нефтегазовых объектов и более 2,6 млн км трубопроводов по всему миру. Для каждой записи об объекте мы включаем ключевые атрибуты, такие как тип объекта, его эксплуатационный статус, информация о добыче нефти и газа и мощности, имена операторов и даты установки, что позволяет проводить детальную оценку источников метана и анализировать их отнесение к объектам. Используя базу данных OGIM, мы продемонстрировали атрибуцию источника на уровне объекта для нескольких обнаруженных с помощью дистанционного зондирования воздуха точечных источников метана в бассейне Permian, который является крупнейшим нефтедобывающим бассейном в США. Помимо атрибуции источников, мы представляем другие важные приложения этой базы данных нефтегазовой инфраструктуры для оценки выбросов метана, включая разработку улучшенного кадастра выбросов метана "снизу вверх" с высоким разрешением (1 км × 1 км). Мы также обсуждаем отслеживание изменений нефтегазовой активности на уровне бассейнов и разработку аналитических материалов, имеющих важное политическое значение, для целенаправленного снижения выбросов метана. Эта работа и база данных OGIM, которую мы планируем регулярно обновлять, помогают удовлетворить важнейшую потребность в геопространственных данных по нефти и газу, что способствует оценке, атрибуции и снижению глобальных выбросов метана в атмосферу с высоким разрешением.

Исследование опубликовано в журнале Earth System Science Data

На севере Англии проведен эксперимент по свободному обогащению воздуха CO2 в условиях длительного манипулирования питательными веществами

Рост содержания CO2 в атмосфере стимулирует продуктивность растений, и в настоящее время наземные экосистемы поглощают почти треть антропогенных выбросов CO2. Увеличение фотосинтеза может впоследствии привести к увеличению накопления углерода C в растениях и почве. Однако появляется все больше доказательств того, что доступность азота N сдерживает отклик на повышенный уровень CO2 в атмосфере (eCO2), в то время как о роли фосфорных ограничений P на продуктивность в условиях eCO2 мы знаем гораздо меньше. Это важно, поскольку экосистемы с ограниченным содержанием фосфора распространены во всем мире, а биогеохимические циклы азота и фосфора существенно различаются. В Национальном парке Пик-Дистрикт на севере Англии мы провели трехлетний эксперимент по свободному обогащению воздуха CO2 (FACE) на двух контрастных лугах с ограниченным содержанием P в условиях длительного манипулирования питательными веществами. Здесь мы показали, что конкуренция между растениями и микробами за P может определять реакцию растений на eCO2. На известняковом лугу продуктивность надземной части увеличилась (на 16%), а содержание Р в микробной биомассе осталось неизменным, тогда как на кислом лугу продуктивность надземной части и поглощение Р снизились (на 11% и 20%, соответственно), но иммобилизация Р в микробной биомассе увеличилась (на 36%). Наши результаты показывают, что сильная конкуренция с микробами может привести к снижению поглощения P растениями в условиях eCO2, что имеет значение для будущей продуктивности экосистем с ограниченным содержанием P в ответ на изменение климата.

Исследование опубликовано в журнале Nature Geoscience

Японские ученые оценили общие экономические издержки изменения климата при различных ставках дисконтирования

Какова будет совокупная стоимость изменения климата при достижении Парижского соглашения, включая смягчение последствий, адаптацию и остаточные последствия? В ряде исследований была проведена оценка совокупных затрат, но не всегда рассматривались важнейшие вопросы. В некоторых из них не учитываются нерыночные ценности, такие как биоразнообразие и здоровье человека, а в большинстве не рассматриваются дифференцированные ставки дисконтирования. В данном исследовании мы оцениваем совокупные затраты на изменение климата, используя интегрированную модель оценки, связанную с подробными моделями воздействия на климат, основанными на процессах, и различные ставки дисконтирования для рыночных и нерыночных ценностей. Анализ показывает, что климатическая политика с минимальными совокупными затратами чувствительна к социально-экономическим сценариям и методам применения ставок дисконтирования. Результаты показывают, что более низкая ставка дисконтирования для нерыночной стоимости, т.е. более высокая оценка будущей стоимости, делает совокупные затраты на достижение Парижского соглашения экономически обоснованными.

Исследование опубликовано в журнале Environmental Research Letters

Международный коллектив ученых оценил систему мониторинга углерода НАСА

Углерод влажных экосистем (УВЭ) являются важнейшей частью углеродного цикла, однако они недостаточно представлены во многих политических и научных сообществах из-за относительной нехватки инвестиций со стороны заинтересованных сторон и пограничных организаций. К экосистемам ВК относятся гидросфера и системы круговорота углерода, функционирующие в водно-болотных угодьях, океанах, реках, ручьях, озерах, прудах и вечной мерзлоте. В данной статье мы приводим данные кабинетного обзора заинтересованных сторон ВК, к которым относятся отдельные лица, группы или организации, подверженные влиянию изменения климата и использующие данные об углероде. Эти заинтересованные стороны участвуют в процессах принятия решений в экосистемах УВЭ и могут быть частными компаниями, неправительственными организациями, государственными учреждениями от местных до федеральных, полугосударственными, международными организациями и т.д. В данной работе мы выявляем и описываем связи и интересы заинтересованных сторон в ВК, а также анализируем пробелы между научным пониманием и информационными потребностями. Постоянное внимание к системам ВК может привести к расширению участия заинтересованных сторон, методологическому и научному прогрессу. Наше исследование показало, что интерес заинтересованных сторон к системам УВЭ определяется не столько их ролью в углеродном цикле, сколько их значимостью для местной политики, экономики и экологии. Для преодоления разрыва между заинтересованными сторонами и имеющимися данными УВЭ необходимо улучшить информирование о наличии и неопределенности данных, наращивание потенциала, взаимодействие между группами заинтересованных сторон и обеспечение непрерывности данных. Расширение взаимодействия заинтересованных сторон в различных системах будет способствовать более широкому использованию данных углеродного мониторинга, полученных с помощью дистанционного зондирования, что позволит создать более информированные заинтересованные стороны, а также более эффективные процессы принятия решений.

Исследование опубликовано в журнале Environmental Research Letters