Дайджест за январь 2024 г.: обзор последних исследований в области газообмена между поверхностью и атмосферой

Новости проекта

Международный коллектив ученых сравнил интерпретацию поверхностного обмена CO2 на основе измерений соотношения трассеров на одной высоте с измерениями на нескольких высотах

Соотношения атмосферных трассеров часто используются для интерпретации местного бюджета CO2, при этом предполагается, что измерения на одной высоте представляют сигнатуры местных потоков. В качестве альтернативы, эти сигнатуры могут быть получены из прямых измерений потоков или с использованием потоков, полученных из измерений на нескольких высотах. В данном исследовании мы сравниваем интерпретацию поверхностного обмена CO2 на основе измерений соотношения трассеров на одной высоте с измерениями на нескольких высотах. В частности, мы анализируем соотношение между O2 и CO2 в атмосфере (коэффициент обмена, ER) над пологом леса. Мы рассматриваем два альтернативных подхода: коэффициент обмена в лесу (ERforest), полученный из соотношения поверхностных потоков O2 и CO2, полученных из их вертикальных градиентов, измеренных на нескольких высотах, и коэффициент обмена в атмосфере (ERatmos), полученный из изменений мольных долей O2 и CO2 во времени, измеренных на одной высоте измерения. Мы исследуем суточный цикл обоих сигналов ER, чтобы связать сигнал ERatmos с сигналом ERforest и понять биофизический смысл сигнала ERatmos. Мы объединили измерения CO2 и O2 в Хютияле (Финляндия) весной и летом 2018 и 2019 годов с концептуальной моделью "земля-атмосфера" и теоретической связью между ERatmos и ERforest, чтобы исследовать поведение ERatmos и ERforest в различных внешних условиях. Мы показали, что сигнал ERatmos редко напрямую отражает лесной обмен, в основном потому, что на него влияет увлечение воздуха из свободной тропосферы в атмосферный пограничный слой. Влияние этих более масштабных сигналов приводит к очень высоким значениям ERatmos (даже больше 2), особенно при раннем утреннем переходе. Эти высокие значения не являются прямым отражением процессов углеродного цикла, а скорее представляют собой смесь различных сигналов. Мы показываем, что результирующий сигнал ERatmos не является средним значением процессов, вносящих свой вклад, а скорее указывает на влияние крупномасштабных процессов, таких как унос или адвекция. Наши результаты показывают, что на эти процессы также влияют климатические условия, такие как аномальная жара 2018 года, через их зависимость от влажности и температуры почвы. Мы пришли к выводу, что сигнал ERatmos, полученный в результате единичных измерений высоты, редко напрямую отражает ERforest и, следовательно, обеспечивает лишь слабое ограничение поверхностного обмена CO2 в местных масштабах, поскольку крупномасштабные процессы сбивают сигнал. Поэтому одиночные измерения высоты всегда требуют тщательного выбора времени суток и должны сочетаться с атмосферным моделированием, чтобы получить значимое представление об углеродном обмене в лесу. В целом, мы рекомендуем всегда проводить измерения на нескольких высотах при использовании многокомпонентных измерений для изучения поверхностного обмена CO2.

Исследование опубликовано в сборнике препринтов

Немецкие ученые измерили потоки парниковых газов и параметры почвы в отдельных точках

Повышение масштаба камерных измерений потоков парниковых газов (ПГ) в почве от точечных до ландшафтных масштабов остается сложной задачей из-за высокой изменчивости потоков в пространстве и времени. В данном исследовании были измерены потоки парниковых газов и параметры почвы в отдельных точках (n=268), что позволило реализовать стратифицированный подход к отбору проб на ландшафте со смешанным использованием земель (∼5,8 км2). На основе этих полевых измерений и данных дистанционного зондирования о свойствах ландшафта и растительности мы использовали модель ‘random forest” (RF) для прогнозирования потоков парниковых газов в масштабе ландшафта (разрешение 1 м) летом и осенью. RF-модели, объединяющие измеренные в полевых условиях параметры почвы и данные дистанционного зондирования, превосходили модели, в которых использовались только измеренные в полевых условиях предикторы или данные дистанционного зондирования. Имеющиеся спутниковые данные Sentinel-2 о растительном покрове и содержании воды сыграли более значительную роль, чем атрибуты, полученные на основе цифровой модели рельефа, возможно, благодаря их способности отражать пространственные и сезонные изменения параметров экосистемы в пределах ландшафта. Как в измеренных, так и в прогнозируемых ландшафтных потоках наблюдались сходные сезонные закономерности: более высокие потоки почвенного/экосистемного дыхания (SR/ER-CO2) и закиси азота (N2O) летом и более высокое поглощение метана (CH4) осенью. На основе увеличенных потоков мы также оценили вклад "горячих точек" в суммарные ландшафтные потоки. Выявленные очаги выбросов занимали небольшую площадь ландшафта (от 7 до 16 %), но на них приходилось до 42 % ландшафтных потоков ПГ. Наше исследование показало, что сочетание данных дистанционного зондирования с камерными измерениями и свойствами почвы является перспективным подходом для выявления пространственных закономерностей и "горячих точек" потоков ПГ в гетерогенных ландшафтах. Такая информация может быть использована для разработки целевых стратегий по снижению воздействия на окружающую среду в масштабах ландшафта.

Исследование опубликовано в Biogeosciences

Международный коллектив ученых оценил влияние различных фаз южного колебания Эль-Ниньо на трех участках ЕС

Тропический сухой лес (TDF) - это своеобразная экосистема, характеризующаяся ярко выраженными сезонными изменениями и состоящая в основном из лиственных деревьев, приспособленных к длительным периодам засухи. Получение измерений потоков в масштабе экосистемы с помощью пульсационного метода имеет решающее значение для понимания пространственно-временной динамики взаимодействия между землей и атмосферой. Для оценки влияния изменения микроклиматических переменных на площади источника вклада в поток (FFA) крайне важно иметь информацию об изменчивости FFA. В данном исследовании мы описываем и оцениваем влияние различных фаз южного колебания Эль-Ниньо (ENSO) на пространственно-временную климатологию FFA на трех участках ЕС в пределах ИВС Национального парка-экологического суперсайта Санта-Роза (SRNP-EMSS). Наш анализ охватывал период с 2014 по 2021 год в сезонном масштабе и использовал 2D модель. Полученные нами результаты свидетельствуют о том, что: а) сезонные климатологические FFA изменяются в разных местах и во времени под влиянием таких факторов, как высота лесного полога, топография местности, направление ветра и условия стабильности атмосферы; б) FFA меньше в сухой сезон по сравнению с влажным; и в) несколько фаз ENSO (холодная, нейтральная и теплая) существенно влияют на сезонные климатологические FFA. Примечательно, что во время умеренной фазы Ла-Нинья (2020/2021 гг.) средний размер FFA составил 4,20 км2, что на 23,80% больше, чем средний размер ФФА во время интенсивной фазы Эль-Ниньо (2015/2016 гг.) - 3,20 км2. Кроме того, во время фазы Ла-Нинья ФФА были более асимметрично распределены вокруг башни ЭК по сравнению с фазой Эль-Ниньо, со средними индексами симметрии 0,35 и 0,29, соответственно. Наконец, перекрытие между тремя ФФА климатологии ЕС во время фаз Ла-Нинья было на 35% больше, чем во время фаз Эль-Ниньо. Наше исследование подчеркивает, что вариации ФФА могут существенно влиять на внутригодовые оценки потоков.

Исследование опубликовано в Agricultural and Forest Meteorology

Немецкие ученые провели мониторинг суточного обмена углекислого газа на пахотных землях с помощью спутниковых снимков

Повышение точности мониторинга обмена CO2 на пахотных землях в неоднородных пространственных масштабах имеет большое значение для ограничения пространственной и временной неопределенности динамических оценок углерода (C) на суше. Сочетание данных о потоке CO2, полученных с помощью пульсационного метода (EC) в масштабе поля, и пространственно согласованных вегетационных индексов (ВИ), полученных с помощью Sentinel-2, было протестировано в качестве подхода к повышению уровня сельскохозяйственного потока углерода. Оценивалась способность различных ВИ оценивать ежедневный чистый экосистемный обмен (NEE) и валовую первичную продуктивность (GPP) на основе линейных регрессионных моделей. Большинство ВИ показали высокие (>0,9) и статистически значимые (p<0,001) корреляции с GPP и полным экосистемным обменом NEE, хотя некоторые ВИ отклонялись от сезонного паттерна обмена CO2. В отличие от этого, корреляции между дыханием экосистемы (Reco) и ВИ были слабыми и статистически не значимыми, и попытка оценить Reco по ВИ не предпринималась. Линейные регрессионные модели объясняли в целом более 80 % и 70 % изменчивости NEE и GPP, соответственно, при высокой изменчивости между отдельными ВИ. Эффективность оценки суточных потоков углерода варьировала среди ВИ в зависимости от компонента потока углерода (NEE или GPP) и периода наблюдений. Значения RMSE варьировали от 1,35 гС м-2 сут-1 при использовании индекса зеленой нормированной разности растительности (GNDVI) для NEE до 5 гС м-2 сут-1 при использовании простого коэффициента (SR) для GPP. Это привело к недооценке чистого поглощения углерода всего на 41 гС м-2 сут-1 (18 %) и переоценке кумулятивного поглощения углерода на 854 гС м-2 (73 %). Различия между измеренными и расчетными потоками углерода в основном объяснялись расхождением сигналов потоков углерода и ВИ в зимний период, когда поглощение углерода оставалось низким, а значения ВИ указывали на повышенное поглощение углерода из-за относительно высокой площади листьев культуры. В целом, результаты демонстрировали схожие пределы погрешности с механистическими моделями сельскохозяйственных культур. Таким образом, они указывают на пригодность и возможность разработки предложенного подхода для мониторинга обмена углерода на пахотных землях с помощью ВИ, полученных со спутника.

Исследование опубликовано в сборнике препринтов

Российские ученые оценили сток СО2 в лесную экосистему по результатам наземного гиперспектрального зондирования атмосферы

Приведены результаты гиперспектрального зондирования атмосферы на Уральской атмосферной станции в пос. Коуровка Свердловской обл. за период 2012–2022 гг. Показано, что средняя скорость роста СО2 в атмосфере данного региона составляет ~ 2,5 ppm/год. Двумя независимыми методами оценено количество поглощаемого из атмосферы углекислого газа лесной экосистемой на единицу площади за вегетационный период (апрель – сентябрь) в окрестности карбонового полигона в Коуровке. Первый метод основан на использовании данных о содержании СО2 в атмосферном столбе, полученных при зондировании атмосферы наземным ИК-Фурье-спектрометром высокого разрешения, а во втором методе применяется оригинальная нейросетевая модель, на вход которой подаются данные спектральных каналов спутникового сенсора MODIS. Полученные результаты демонстрируют хорошее согласие: количество СО2, поглощенного лесной экосистемой из атмосферы, в окрестности карбонового полигона за вегетационный период 2022 г. составляет ~ 1,5 т/га (первый метод) и ~ 1,3 т/га (второй метод).

Исследование опубликовано в журнале Оптика атмосферы и океана

Российские ученые оценили эмиссию углекислого газа из пресноводных систем Западной Сибири

Одним из возможных источников поступления углекислого газа в атмосферу могут быть речные экосистемы. Приводятся результаты измерения потоков СО2 с поверхности нескольких рек и озер Томской обл. Показано, что в период экспериментов средние потоки углекислого газа составляли для р. Оби 143,7 ± 21,7 (13–14.08.2023 г.), 53,3 ± 21,2 (19.08.2023 г.) и 80,4 ± 59,9 мгС × м-2 × ч-1 (20.08.2023 г.); для р. Кеть – 66,1 ± 17,3; болотного озера Карасевое – 33,3 ± 17,3; р. Суйга 50,2 ± 23,0; р. Икса – 81,9 ± 11,5 мгС × м-2 × ч-1. Их величина существенно зависела не только от объекта исследования, но и от гидрометеорологических условий.

Исследование опубликовано в журнале Оптика атмосферы и океана

Международный коллектив ученых предложил новую систему машинного обучения

Точная и экономически эффективная количественная оценка углеродного цикла в агроэкосистемах в масштабах, важных для принятия решений, имеет решающее значение для смягчения последствий изменения климата и обеспечения устойчивого производства продуктов питания. Однако традиционные подходы к моделированию, основанные на процессах или данных, сами по себе имеют большие погрешности в прогнозировании из-за сложных биогеохимических процессов, которые необходимо моделировать, и недостатка наблюдений для ограничения многих ключевых переменных состояния и потоков. Здесь мы предлагаем систему машинного обучения на основе знаний (Knowledge-Guided Machine Learning, KGML), которая решает вышеуказанные проблемы путем интеграции знаний, заложенных в модели, основанной на процессах, наблюдений дистанционного зондирования высокого разрешения и методов машинного обучения (ML). Используя кукурузный пояс США в качестве тестовой площадки, мы демонстрируем, что KGML может превзойти обычные модели, основанные на процессах, и модели "черного ящика" ML в количественной оценке динамики углеродного цикла. Наш подход с высоким разрешением количественно раскрывает на 86% больше пространственных деталей изменений органического углерода в почве, чем традиционные подходы с грубым разрешением. Более того, мы описываем протокол для улучшения KGML различными путями, который может быть обобщен для разработки гибридных моделей для лучшего прогнозирования динамики сложных земных систем.

Исследование опубликовано в журнале nature communications

Российские ученые описали результаты натурных измерений удельных потоков метана и углекислого газа на территории Норильского промышленного района

В настоящей работе описаны результаты натурных измерений удельных потоков метана и углекислого газа из естественных и антропогенно-измененных экосистем, расположенных на территории Норильского промышленного района. Ранее подобные исследования на данной территории не проводились. Точки исследования располагаются в различных ландшафтных районах, определяемых по различным условиям формирования толщи многолетнемерзлых пород. Большая часть изучаемой территории располагается в пределах зоны преимущественно сплошного распространения многолетнемерзлых пород. Выделено 6 ландшафтных районов. Измерения удельных потоков метана и углекислого газа проводились на выбранных типичных для каждого района ключевых участках. При выборе точек проведения исследования принималось во внимание разнообразие условий, влияющих на эмиссии метана и углекислого газа. В первую очередь к ним относится тип почв (минеральные и болотные) и локальные условия увлажнения. Для измерения эмиссий метана и углекислого газа использовался метод темных статических камер. Измерения концентраций парниковых газов в камере проводились поточным газоанализатором Li-7810. Полученные результаты показывают значительную вариабельность эмиссии парниковых газов для различных типов экосистем. На минеральных почвах и сухих участках болотных ландшафтов фиксируется поглощение метана почвами. Положительные значения эмиссии метана характерны для обводнённых участков болотных экосистем и озёр с максимальными значениям в мочажинах. Удельные потоки метана варьируются от слабоотрицательных на сухих участках болот с медианой -0,026 мгСН4 м-2 ч-1 до эмиссии в 0,802 мгСН4 м-2 ч-1 (медиана для обводненных частей болотных экосистем). Удельные потоки углекислого газа обратно коррелируют с увлажненностью экосистем и имеют разброс значений от 51,6 мгСO2 м-2 ч-1 (медиана для озер) до 576 мгСO2 м-2 ч-1 (медиана для минеральных почв). Обнаружена средней силы корреляция между температурой приземного слоя воздуха и интенсивностью поглощения метана минеральными почвами. Распределения плотностей вероятности значений удельных потоков метана и углекислого газа имеют разные типы модальностей.

Исследование опубликовано в журнале Арктика и Антарктика

Российские ученые провели количественную оценку пространственных контрастов условий поверхностного теплового бюджета и эмиссии метана на торфянике

В работе представлены первые результаты многоплатформенной наблюдательной кампании, проведенной на торфянике Мухрино в июне 2022 года. Основное внимание в исследовании уделено количественной оценке пространственных контрастов условий поверхностного теплового бюджета и эмиссии метана на торфянике, возникающих из-за наличия микроландшафтных неоднородностей. Установлено, что контрасты температуры поверхности торфяника превышают 10 °C в условиях ясного неба как днем, так и ночью. Суточные колебания приземной температуры были наиболее сильными над грядами и более сухими котловинами и наименьшими над заболоченными котловинами и мелкими озерами. Это привело к сильным пространственным вариациям потока явного тепла Н и коэффициента Боуэна, в то время как скрытое тепло изменялось гораздо меньше. В дни с ясным небом Н над рямом превышала таковую над обводненной котловиной более чем в два раза. Коэффициент Боуэна составил около единицы над рямом, что сходно со значениями над лесом. Эмиссия метана, рассчитанная по методу статической камеры, также сильно различалась в разных микроландшафтах: она была наибольшей в ложбине внутри грядово-мочажинного комплекса и наименьшей на хребте. Наблюдалось сильное ночное увеличение коэффициента перемешивания метана, которое было использовано в рамках метода бюджета пограничного слоя атмосферы для оценки ночных выбросов метана, которые оказались того же порядка величины, что и дневные выбросы. Наконец, намечены направления дальнейших исследований, включая проверку методов агрегирования потоков, параметризацию шероховатости поверхности и турбулентного обмена, а также оценку и разработку моделей поверхности суши.

Исследование опубликовано в журнале Forests