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

Новости проекта

Американские ученые представили обзор развертывания недорогих датчиков газовой фазы на открытом воздухе

Мы проанализировали 60 сенсорных сетей и 15 связанных с ними работ (обзорные статьи по датчикам и проекты по обеспечению доступности данных), чтобы лучше понять ландшафт стационарных недорогих сетей датчиков газовой фазы, развернутых на открытом воздухе по всему миру. Данное исследование не является исчерпывающим для каждой сети датчиков газовой фазы на земном шаре, а скорее предназначено для классификации типов сетей датчиков по их ключевым характеристикам и изучения общих тенденций. Это также выявляет пробелы в усилиях по мониторингу на сегодняшний день, особенно в отношении доступности измерений газовой фазы по сравнению с твердыми частицами и географические пробелы в охвате (глобальный юг, сельские районы). Мы классифицируем наземные сети, измеряющие газофазные загрязнители воздуха, на две основные подгруппы в зависимости от типа их развертывания: квазипостоянные (долгосрочные) и кампании (краткосрочные и среднесрочные) и исследуем общепринятую практику, сильные и слабые стороны стационарных сетей мониторинга. В заключение мы приводим краткое описание усилий по объединению сетей и контролю качества. Эта работа призвана помочь ученым, желающим создать сеть датчиков, изучить передовой опыт и общие пути, а конечным пользователям - найти недорогие наборы данных датчиков, отвечающие их потребностям.

Исследование опубликовано в Сборнике препринтов

Американские ученые опубликовали экспертный обзор природных климатических решений

Для достижения климатических целей, сформулированных в международных соглашениях, таких как Парижское соглашение, необходимы жизнеспособные природные климатические решения (ПКС). Многие пути ПКС имеют прочные научные основы и могут принести значительную пользу климату, но эффективное смягчение последствий подрывается путями с меньшей научной уверенностью. В данной работе мы объединили обширный обзор литературы с экспертным опросом по 43 путям и пришли к выводу, что в настоящее время наиболее используемые пути, такие как сохранение тропических лесов, имеют прочную научную основу для смягчения последствий. Однако, по мнению экспертов, некоторые пути, многие из которых имеют право на получение углеродных кредитов и рыночную активность, остаются неопределенными с точки зрения их эффективности для смягчения климата. Источники неопределенности включают неполное измерение и учет парниковых газов. Мы рекомендуем сосредоточиться на разрешении этих неопределенностей, прежде чем широкомасштабно внедрять эти пути в планы по снижению количественных выбросов или секвестрации. При необходимости эти пути следует поддерживать с учетом их сопутствующих выгод, таких как биоразнообразие и продовольственная безопасность.

Исследование опубликовано в журнале Nature Climate Change

Китайские ученые выяснили, что распределение технологий борьбы с метаном и его выбросы не совпадают

Существенное сокращение выбросов метана - самый быстрый способ сдержать скорое потепление и важнейшее условие для достижения цели в 1,5 °C. Однако знания о глобальной тенденции изобретений, отраслевом и национальном распределении и международном распространении технологий борьбы с метаном (ТБМ) остаются ограниченными. На основе патентных данных мы выявили более 175 000 предложений ТБМ, примененных в период с 1990 по 2019 год 133 странами или зависимыми территориями. Наши результаты показали, что после устойчивого роста более чем в четыре раза количество глобальных высококачественных изобретений ТБМ сокращалось на 3,5% в год с 2010 по 2019 год. Отраслевое и национальное распределение изобретений ТБМ и выбросов метана сильно не совпадают. Кроме того, международное распространение ТБМ на 11,1 % ниже, чем распространение общих технологий смягчения последствий изменения климата, и большинство трансфертов происходит между развитыми странами или направляется в Китай, Южную Корею и Бразилию; однако другие развивающиеся и наименее развитые страны вовлекаются в этот процесс редко.

Исследование опубликовано в журнале Nature Climate Change

Международный коллектив ученых исследовал плантации зрелой масличной пальмы на тропическом торфянике в Юго-Восточной Азии

Крупномасштабное преобразование тропических торфяных болот в сельскохозяйственные плантации привело к значительным выбросам углекислого газа CO2. Несмотря на консенсус относительно важности этих выбросов, причина большого разброса в величинах зарегистрированных значений остается неясной. Различия в зарегистрированных потоках могут быть обусловлены факторами, связанными с конкретным местом, и/или потенциальными ограничениями обычно используемых ручных потоковых камер. Важно изучить любые погрешности на уровне участка, поскольку они в конечном итоге влияют на региональные и глобальные оценки выбросов. Поэтому целью данного исследования является определение того, приводит ли время проведения измерений с помощью обычно используемых нечастых ручных камер к смещенным оценкам выбросов. В этом исследовании мы используем данные автоматических камер за шесть месяцев, чтобы получить полунепрерывный временной ряд. Этот временной ряд используется для изучения возможности смещения выборки по времени суток при нечастых ежемесячных измерениях в ручных камерах на торфяной плантации масличной пальмы в малайзийском Борнео. Потоки от основания пальмы, тропы сбора урожая, кучи прутьев, дренажа и междурядных микроформ регистрировались ежечасно с помощью автоматических камер. На основе этих почасовых данных были получены средние суточные характеристики потоков. Эти суточные закономерности использовались для характеристики смещений в более крупном наборе данных ежемесячных ручных камерных потоков. Этот ежемесячный набор ручных данных собирался в течение шести лет на одном и том же участке и микроформах, причем отдельные измерения проводились в дневное время. Наибольшие смещения были отмечены для тропы сбора урожая (от -18 до 24 %), за ней следуют пальмовая плантация (от -13 до 11 %), дренаж (от -10 до 9 %) и куча прутьев (от -5 до 3 %). Оценки годовой эмиссии в масштабах плантации за шесть лет с поправкой на смещение выборки варьировались от 36 до 53 МгCO2 га-1 год-1. Мы рекомендуем тщательно учитывать артефакты, которые может внести время отбора проб при любом дизайне отбора проб, и, по возможности, корректировать потоки с помощью измеренных суточных для каждой рассматриваемой микроформы.

Исследование опубликовано в журнале Agricultural and Forest Meteorology

Ученые изучили выбросы метана в животноводстве и выработали микрометеорологические решения для сложных ситуаций их измерения

Метан CH4 является вторым по значимости парниковым газом по общему вкладу в глобальное потепление, и на животноводство приходится значительная доля его выбросов. В данной статье рассматриваются специфические проблемы измерения выбросов CH4 из систем животноводства и решения, которые могут предложить микрометеорологические методы. Рассмотренные методы включают методы массового бюджета, вихревой ковариации, градиентные методы, решение обратной задачи (РОЗ) и методы соотношения между концентрациями примесей, основанные на атмосферном переносе. Фактические источники CH4 в животноводстве включают самих животных, навозохранилища и очистные сооружения, а также пастбищные почвы. Для каждого из них обсуждаются конкретные проблемы измерения и рассматриваются методы, используемые для их решения. Животные являются движущимися точечными источниками CH4, и они управляются в системах выпаса или откорма, где их плотность может сильно варьироваться. Все вышеперечисленные микрометеорологические методы использовались в некоторых конфигурациях для количественного определения выбросов CH4 животными, как правило, с относительной точностью, приближающейся к ±10%. Дальнейшее улучшение этого показателя возможно при тщательно продуманных экспериментах с параллельным сравнением двух групп животных. Такие эксперименты могут обеспечить проверку подходов к снижению выбросов, основанных на методах управления, которые нелегко применить в условиях контролируемой камеры или небольшого участка. Для выбросов от хранения и обработки навоза основной проблемой микрометеорологических методов обычно является нарушение потока, которое можно преодолеть с помощью методов РОЗ и бюджета массы, и эти методы хорошо подходят для количественной оценки влияния подходов к смягчению последствий. Для эмиссий из почвы основной проблемой является разрешение; в целом, почвы вносят незначительный вклад в общий объем выбросов CH4 от животноводства. Микрометеорологические методы также используются для интеграции выбросов по целым фермам и регионам с помощью мобильных платформ, чтобы подтвердить расчеты кадастра. Задача на будущее - разработать методы, которые позволят определять выбросы CH4 от стада животных на ферме достаточно надежно, чтобы положить их в основу систем учета.

Исследование опубликовано в журнале Agricultural and Forest Meteorology

Российские ученые изучили чувствительность температуры придонного слоя морей арктического шельфа к температуре воздуха в XX–XXIII вв.

Проведено исследование чувствительности температуры придонного слоя (ТВ) морей арктического шельфа к изменениям температуры воздуха (ТА) для периода 1850–2300 гг. на основе результатов пяти моделей из ансамбля CMIP6 (Coupled Models Intercomparison Project, phase 6) при сценарии с высокими антропогенными выбросами парниковых газов. Анализ был проведен в терминах ансамблевой статистики, а не отдельных моделей. Изменения обеих переменных рассчитывались как разница средних значений соответствующей переменной между заранее выбранными интервалами времени. Эти интервалы характеризовали доиндустриальное состояние (1850–1900 гг.), современность (2005–2015 гг.), конец XXI в. (2090–2100 гг.) и конец XXIII в. (2290–2300 гг.). Для периода 2005–2015 гг. для морей сибирского и северо-американского шельфов коэффициенты чувствительности ∆TB/∆TА (∆ указывает на изменения относительно доиндустриального периода) составили менее 0,1 для среднегодовых и зимних значений и до 0,4 летом. Полученные результаты для летнего периода хорошо согласуются с имеющимися данными измерений для Восточно-Сибирского шельфа. Для Баренцева моря уже в этот период коэффициенты чувствительности выше: 0,17–0,44 для среднегодовых значений и от 0,4 до 0,6 для летних температур. В XXI–XXIII вв. коэффициенты чувствительности заметно вырастают, особенно для той части арктического шельфа, которая освобождается ото льда. Наиболее заметно это для летнего периода в морях сибирского и северо-американского шельфа, где осредненные по региону значения коэффициентов чувствительности составили до 0,5 от доиндустриального к концу XXI в. и выросли до 0,8 к концу XXIII в. Для последнего изменения состояния коэффициенты чувствительности летом в секторе Баренцева моря будут близки к единице. Предложены аналитические аппроксимации указанных зависимостей, позволяющие проводить вычисления с моделью термофизики донных отложений шельфа.

Исследование опубликовано в Вестнике Московского университета

Немецкие ученые представили первые результаты наземного эксперимента по визуализации для количественной оценки выбросов CO2 от угольной электростанции

Мы представляем первые результаты наземного эксперимента по визуализации с помощью коротковолновой инфракрасной спектральной камеры для количественной оценки выбросов углекислого газа CO2 от угольной электростанции в Мангейме, Германия. Электростанция выбрасывает более 4,9 Мт CO2 в год и является возможностью проверки методики оценки выбросов. Камера представляет собой гиперспектральный спектрометр, который охватывает спектральный диапазон от 900 до 2500 нм со спектральным разрешением 7 нм. Мы определяем увеличение интенсивности выбросов CO2 на усредненных почасовых изображениях с помощью итеративного поиска по согласованному фильтру, используя полосу поглощения CO2 на 2000 нм. Мы представляем 11 изображений шлейфа за 5 дней в 2021 и 2022 годах, охватывающих различные условия окружающей среды. Мы разработали прямую модель, основанную на трехмерном, изогнутом гауссовом моделировании подъема шлейфа, и сравнили наши наблюдаемые шлейфы выбросов с прямой моделью. Модель зависит от параметров скорости окружающего ветра, направления ветра, дисперсии шлейфа и интенсивности выбросов. Мы определяем интенсивность выбросов, минимизируя разность наименьших квадратов между измеренными и смоделированными изображениями. Мы обнаружили общее разумное согласие между полученными и ожидаемыми выбросами для интенсивности выбросов электростанций от 223 до 587 тCO2 ч-1. Полученные выбросы составляют в среднем 84 % от ожидаемых и имеют среднюю относительную неопределенность 24 %. Методика работает при скорости ветра до 1,4 м с-1 и позволяет отслеживать суточную динамику выбросов. Мы также включаем наблюдения с неблагоприятными условиями окружающей среды, такими как неоднородность фона и острые углы наблюдения. Показано, что эти условия приводят к значительным смещениям в полученных значениях эмиссии, однако в большинстве случаев их можно надежно отфильтровать. Таким образом, данный метод оценки интенсивности выбросов является перспективным инструментом для независимой проверки заявленных выбросов от крупных точечных источников и предоставляет дополнительную информацию к существующим методам мониторинга.

Исследование опубликовано в журнале Atmospheric Measurement Techniques

Ученые изучили временные и пространственные изменения потоков закиси азота

Настоятельная необходимость смягчения последствий изменения климата вызвала широкий интерес к лучшему пониманию и оценке выбросов закиси азота N2O из различных экосистем. Часть неопределенности в оценках выбросов N2O все еще связана с недостаточным пониманием временной и мелкомасштабной пространственной изменчивости потоков N2O. Используя данные о потоках N2O за 4,5 года, собранные в осушенном торфяном лесу с помощью шести автоматических камер, мы изучили временную и мелкомасштабную пространственную изменчивость потоков N2O. Нейронная сеть была использован для поиска связей между потоком N2O и условиями окружающей среды по сезонам и годам. Пространственно-временная изменчивость потока N2O была значительной: среднесуточный поток N2O варьировал от -10 до +1760 мкгN2O м-2 год-1, а годовые бюджеты N2O в разных камерах - от +60 до +2110 мгN2O м-2 год-1. Пространственные различия в потоках сохранялись в течение многих лет с разными экологическими условиями. Влажность почвы, уровень грунтовых вод и температура воздуха были наиболее важными переменными, объясняющими временные изменения потоков N2O. Потоки N2O реагировали на выпадение осадков, причем пиковые значения потоков измерялись в среднем через 4 дня после пиков влажности почвы и уровня грунтовых вод. Длительность временных задержек варьировала в пространстве и между сезонами, что указывает на возможное взаимодействие с температурой и другими почвенными условиями. Высокая временная вариация потоков N2O была связана с (а) временными изменениями условий окружающей среды: самые высокие потоки N2O измерялись после летних осадков и зимнего промерзания почвы, и (б) с ежегодными сезонными изменениями погодных условий: самые высокие выбросы N2O измерялись во влажное лето и зиму с прерывистым снежным покровом. Таким образом, изменение климата может привести к увеличению зимних выбросов N2O, что может быть компенсировано снижением летних выбросов N2O в засушливые годы. Высокая чувствительность потоков N2O к сезонным погодным условиям предполагает увеличение изменчивости годовых бюджетов N2O торфяных лесов, поскольку прогнозируется увеличение частоты экстремальных погодных явлений, таких как засухи.

Исследование опубликовано в журнале Biogeosciences

Международный коллектив ученых выявил несоответствия в данных FLUXNET

Глобальные коллекции синтезированных башенных данных о потоках, такие как FLUXNET, ускорили научный прогресс за пределами сообщества вихревой ковариации. Однако остающиеся проблемы с данными FLUXNET создают трудности для пользователей, особенно при синтезе и моделировании на нескольких площадках. Здесь мы представляем дополнительные флаги согласованности (C2F) для данных башни потока, которые основаны на многочисленных признаках несогласованности между переменными, а также методологию для обнаружения разрывов во временных рядах. C2F относится к потокам углерода и энергии, а также к основным метеорологическим переменным и состоит из следующих элементов: (1) флаги для ежедневных значений данных, (2) флаги для переменных всего участка, и (3) флаги на временных отметках, которые отмечают большие разрывы во временном ряду. Отметка основана, прежде всего, на объединении оценок выбросов из набора заранее определенных взаимосвязей между переменными. Методика обнаружения точек разрыва во временном ряду основана на непараметрическом тесте на разницу в распределениях остатков модели.

Применение C2F к набору данных FLUXNET 2015 позволило выявить следующее: (1) среди рассматриваемых переменных данные о валовой первичной продуктивности и дыхании экосистем отмечались наиболее часто, в частности, во время дождевых импульсов в сухих и жарких условиях. Эта информация полезна для моделирования и анализа экогидрологических реакций. (2) Отмечается повышенная частота флагов для переменных радиации (коротковолновой, фотосинтетически активной и суммарной). Эта информация может улучшить интерпретацию и моделирование экосистемных потоков в связи с проблемами в драйвере. (3) Большинство долгосрочных участков демонстрируют временные разрывы во временных рядах скрытой энергии, чистого экосистемного обмена и радиационных переменных. Это должно быть полезно для тщательной оценки результатов с точки зрения межгодовых вариаций и тенденций экосистемных потоков. Методология C2F гибко настраивается и позволяет варьировать желаемую строгость согласованности. Мы обсуждаем ограничения подхода, которые могут послужить отправной точкой для будущих разработок.

Исследование опубликовано в журнале Biogeosciences

Ученые нашли способ увеличения потенциала поглощения углерода в китайских лесах за счет оптимального управления

Потенциал поглощения углерода лесами в Китае остается неопределенным из-за недостаточного отражения демографической динамики деревьев и отсутствия информации о воздействии рубок. В данном исследовании мы используем биогеохимическую модель, основанную на процессах, для составления прогнозов с использованием национальных лесных кадастров, охватывающих около 415 000 постоянных участков, и выявили увеличение запасов углерода в биомассе на 13,6 ± 1,5 ПгС с 2020 по 2100 год, с дополнительным поглощением за счет увеличения пула древесной продукции (0,6-2,0 ПгС) и пространственно-временной оптимизации управления лесами (2,3 ± 0,03 ПгС). Мы обнаружили, что статистическая модель может вызвать значительную погрешность в долгосрочном прогнозе из-за недоучета или игнорирования заготовки древесины и демографических изменений в лесу. Примечательно, что игнорирование влияния рубок на возраст леса может привести к преждевременному сдвигу сроков пика поглощения углерода на 1-3 десятилетия. Полученные нами данные подчеркивают настоятельную необходимость скорейшего внедрения оптимальных стратегий управления лесами для увеличения поглощения углерода.

Исследование опубликовано в журнале Nature Communications