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

Новости проекта

Китайские ученые изучили повышение уровня грунтовых вод в осушенных водно-болотных угодьях

Считается, что осушенные водно-болотные угодья являются «горячими точками» источников углерода (C), и для смягчения последствий изменения климата предлагается восстановить накопление углерода в осушенных водно-болотных угодьях путем орошения. Однако современные оценки баланса углерода в водно-болотных угодьях в основном сосредоточены на вертикальных потоках между землей и атмосферой, часто игнорируя латеральные потоки углерода и влияние землепользования. Здесь мы проводим глобальный синтез 893 ежегодных показателей чистого экосистемного баланса углерода (NECB), включающих чистый экосистемный обмен CO2, а также поступление углерода через удобрение навозом и удаление углерода через сбор биомассы или гидрологический экспорт растворенного органического и неорганического углерода, для водно-болотных угодий различного статуса и землепользования. Мы обнаружили, что повышение уровня грунтовых вод существенно снижает чистые экосистемные потери углерода, при этом ежегодный NECB уменьшается с 2579 (95% интервал: 1976 - 3214) кгC га-1 год-1 на осушенных водно-болотных угодьях до -422 (-658 - -176) кгC га-1 год-1 на естественных водно-болотных угодьях и до -934 (-1532 - -399) кгC га-1 год-1 на переувлажненных водно-болотных угодьях в глобальном масштабе. Климат, история землепользования и время, прошедшее с момента изменения уровня грунтовых вод, вносят свои коррективы: осушение для нужд (субтропического) сельского или лесного хозяйства показывает высокие ежегодные потери углерода, в то время как чистые потери углерода из осушенных водно-болотных угодий могут продолжать влиять на почвенные резервуары углерода в течение нескольких десятилетий. Необходимо заново увлажнять все типы осушенных водно-болотных угодий, особенно те, которые ранее использовались в сельском хозяйстве (субтропические водно-болотные угодья), где чистые потери углерода экосистемой могут быть значительно снижены.

Исследование опубликовано в журнале Global Change Biology.

Российские учение изучили естественные стоки и источники CO2 и CH4 в атмосфере российских регионов и их вклад в изменения климата в XXI веке

Проведен анализ естественных потоков CO2 и CH4 в атмосферу с территории России в XXI в. с использованием результатов расчетов с ансамблем глобальных климатических моделей международного проекта CMIP6. Оценки природных потоков CO2 для российских регионов сильно различаются для разных моделей. Их значения для начала XXI в. находятся в пределах от –1 до 1 ГтС/год. В XXI в. различия модельных оценок потоков растут и в конце XXI в. при сценарии с наибольшими антропогенными воздействиями SSP5-8.5 находятся в диапазоне от –2.5 до 2.5 ГтС/год. Оценки естественных эмиссий метана в атмосферу с территории России также сильно различаются для разных моделей – современные эмиссии метана оцениваются в диапазоне от 10 до 35 МтCH4 /год, при этом рост в XXI в. может достигать 300%. В ансамблевых модельных расчетах проявляются общие тенденции для изменений естественных потоков парниковых газов. Для большинства моделей ансамбля CMIP6 характерно достижение максимума поглощения CO2 наземными экосистемами и его дальнейшее сокращение к концу XXI в., а естественные эмиссии метана в атмосферу для всех моделей и сценариев антропогенных воздействий растут на протяжении XXI в. Кумулятивный температурный потенциал естественных потоков CO2 на территории России в XXI в. оценен, в зависимости от сценария антропогенных воздействий, от –0.3 до 0.1 K, а ускоряющее потепление воздействие естественных эмиссий CH4 – в диапазоне 0.03–0.09 K.

Исследование опубликовано в журнале Физика атмосферы и океана.

Китайские ученые оценили эффект грунтования при разложении органического вещества почвы

Эффект грунтования при разложении органического вещества почвы имеет решающее значение для определения бюджета и оборота углерода в почве. Тем не менее, общее направление и интенсивность почвенного прайминга остаются предметом дискуссий. Был проведен мета-анализ второго порядка с использованием 9296 парных наблюдений из 363 первичных исследований, чтобы определить интенсивность и общее направление эффектов прайминга в зависимости от типа соединения, наличия питательных веществ и типа экосистемы. Мы обнаружили, что поступление свежего углерода вызывало положительный эффект прайминга (+37%) в 97% парных наблюдений. Лабильные соединения вызывали больший эффект прайминга (+73%), чем сложные органические соединения (+33%). Питательные вещества (например, N, P), добавленные к органическим соединениям, снижали интенсивность эффектов прайминга по сравнению с соединениями без N и P, что отражает «извлечение питательных веществ из органического вещества почвы» как один из основных механизмов эффектов прайминга. Примечательно, что тундровые, озерные, водно-болотные и вулканические почвы показали гораздо более значительный эффект прайминга (+125 %) по сравнению с почвами под лесами, пашнями и лугами (+24...+32 %). Наши результаты свидетельствуют о том, что положительные эффекты грунтования преобладают в большинстве почв в глобальном масштабе. Необходимо срочно оптимизировать стратегии включения свежего органического вещества и питательных веществ, чтобы компенсировать вызванный грунтованием ускоренный оборот органического углерода и возможные потери.

Исследование опубликовано в журнале Global Change Biology.

Канаские ученые провели оценку выбросов метана в стране

Канада имеет крупные источники атмосферного метана CH4, занимая второе место в мире по величине бореальных водно-болотных угодий и четвертое место в мире по добыче природного газа. Однако оценки выбросов CH4 в Канаде остаются неопределенными. Более точное количественное определение и характеристика выбросов CH4 в Канаде имеют решающее значение для стратегий по смягчению последствий изменения климата. Чтобы улучшить наше понимание выбросов CH4 в Канаде, мы провели ансамблевую региональную инверсию за 2007-2017 годы, ограниченную сетью поверхностных измерений Канады по окружающей среде и изменению климата ECCC. Десятилетние оценки интенсивности эмиссий CH4 не показывают значительных тенденций, в отличие от некоторых исследований, в которых сообщалось о долгосрочных тенденциях. Общая оценка интенсивности эмиссий CH4 составляет 17,4 (15,3-19,5) ТгCH4 год-1, разделенная на природные и антропогенные источники в 10,8 (7,5-13,2) и 6,6 (6,2-7,8) ТгCH4 год-1, соответственно. Оценка антропогенной эмиссии превышает данные инвентаризации, в основном в западной Канаде (за счет промышленности ископаемого топлива). Кроме того, результаты показывают заметные пространственно-временные характеристики. Во-первых, смоделированные различия в атмосферном CH4 между площадками показывают улучшение после инверсии по сравнению с наблюдениями, что означает, что различия в CH4 по наблюдениям могут помочь в проверке результатов инверсии. Во-вторых, сезонные вариации демонстрируют медленное начало и позднелетний максимум, что указывает на гистерезисную зависимость потока CH4 в болотах от температуры воздуха. В-третьих, естественные зимние выбросы CH4 в бореальной зоне, которые обычно считаются незначительными, представляются количественно измеримыми (≥ 20 % от годовых выбросов). Понимание зимних выбросов важно для прогнозирования климата, поскольку зима в Канаде теплеет быстрее, чем лето. В-четвертых, межгодовая изменчивость расчетных выбросов CH4 положительно коррелирует с летними аномалиями температуры воздуха. Это может увеличить естественную эмиссию CH4 в Канаде в условиях потепления климата.

Исследование опубликовано в журнале Atmospheric Chemistry and Physics .

Французские ученые разработали сеть мониторинга датчиков CO2 для количественной оценки городских выбросов в Париже

Для эффективного мониторинга сильно неоднородных городских выбросов CO2 с помощью атмосферных наблюдений необходимо развернуть экономически эффективные датчики CO2 в нескольких точках города с достаточной точностью, чтобы уловить градиенты концентрации в городской среде. Эти плотные измерения могут быть использованы в качестве входных данных системы инверсии атмосферы для количественной оценки выбросов в масштабах города или отдельных секторов. Такая количественная оценка позволит получить ценные сведения об эффективности местных инициатив, а также выявить неизвестные «горячие точки» выбросов, требующие внимания. Здесь мы представляем разработку и оценку среднего по стоимости прибора для непрерывного мониторинга концентрации CO2 в атмосфере с точностью до 1 ppm для среднечасовых измерений. Мы оцениваем чувствительность датчика в зависимости от факторов окружающей среды, таких как влажность, давление, температура и сигнал CO2, что приводит к разработке эффективного алгоритма калибровки. С июля 2020 года в Париже и его окрестностях было установлено восемь недорогих приборов для непрерывных измерений CO2, дополняющих семь высокоточных станций спектроскопии с кольцом резонатора (CRDS), которые работают с 2016 года. Для автоматического контроля качества, калибровки и хранения данных была внедрена система обработки данных под названием CO2calqual, которая позволяет управлять обширными измерениями CO2 в сети мониторинга в режиме реального времени. Оценки размещения высокоточных приборов показывают, что точность восьми недорогих приборов находится в диапазоне от 1,0 до 2,4 промилле при ежечасных измерениях во второй половине дня (12:00-17:00 UTC). Проблемы долгосрочной стабильности требуют ручной проверки данных и технического обслуживания приборов. Анализ показывает, что измерения CO2 могут служить доказательством недооценки выбросов CO2 в Парижском регионе и отсутствия нескольких точечных источников выбросов в кадастре выбросов. Наше исследование демонстрирует многообещающие перспективы интеграции среднезатратных измерений наряду с высокоточными данными в последующее инверсионное моделирование атмосферы для повышения точности количественной оценки мелкомасштабных выбросов CO2 в парижском мегаполисе.

Исследование опубликовано в журнале Atmospheric Measurement Techniques .

Ученые из Индии собрали обзор наблюдений, дистанционного зондирования и исследований по моделированию над Южной Азией

Наземные экосистемы накапливают огромное количество углерода в биомассе и выступают в качестве основного поглотителя углерода. Интенсивность общей первичной продукции измеряет скорость ассимиляции углерода в наземных экосистемах. Точная количественная оценка и пространственно-временной анализ GPP стали важнейшими показателями различных управленческих, политических и восстановительных мероприятий в последние десятилетия благодаря установке новых наземных станций, разработке надежных моделей и использованию спутниковых данных наблюдения Земли. Значения GPP, рассчитанные с помощью моделей и полученных со спутников, значительно отличаются от данных наземных наблюдений из-за структуры и подхода к моделированию, исходных данных, коэффициентов и параметров, а также различных допущений. Следовательно, между наборами данных и их сопоставлением существует значительная неоднозначность. Кроме того, продуктивность экосистем регулируется физиологическими характеристиками в сочетании с местными условиями окружающей среды. В данном обзоре представлен обзор экологических и антропогенных переменных, которые регулируют продуктивность и создают проблемы при оценке GPP и оценке имеющихся продуктов GPP. В нем также оцениваются различные имеющиеся наборы данных/продукты GPP и методы/модели оценки, а также сравнивается продуктивность экосистем в широких природных и измененных человеком экосистемах Южной Азии. Кроме того, данное исследование включает в себя анализ пяти глобально доступных продуктов GPP с переменным пространственно-временным разрешением, таких как спектрорадиометр с формированием изображений умеренного разрешения (MODIS), модель фотосинтеза растительности (VPM), глобальный спутник поверхности земли (GLASS), продукт SIF на основе Global OCO-2 (GOSIF) и Penman-Monteith-Leuning (PML) в трех основных типах почвенного покрова Южной Азии (лес, пашня и луг) в сравнении с данными вихревой ковариации (EC) по потоку с башни. Результаты показали лучшую производительность данных GOSIF и GLASS по сравнению с другими продуктами GPP. Цель исследования - дать представление о преобладающих экологических условиях и связывании углерода в различных экосистемах и помочь в разработке стратегий устойчивого управления ландшафтом для сокращения выбросов углерода и смягчения последствий изменения климата.

Исследование опубликовано в журнале Theoretical and Applied Climatology .

Французские ученые ведут мониторинг парниковых газов (CO2, CH4) в Парижском регионе

Растет интерес к изучению выбросов парниковых газов над городскими территориями. В связи с этим в 2015 году в Париже была создана сеть для измерения концентраций парниковых газов. С тех пор семь станций, расположенных в Париже и его окрестностях и оснащенных спектрометрами с кольцевым спуском (CRDS), ведут непрерывный мониторинг концентраций газов различных видов (CO2, CH4, CO). Процедуры технического обслуживания, калибровки и обработки данных были адаптированы для обеспечения работоспособности сети, предоставляющей данные хорошего качества в режиме близком к реальному времени и с высокой степенью готовности. Концентрации CO2 и CH4 показывают темпы роста базовых (линейный тренд усредненных концентраций по Парижскому региону) концентраций (+2,34 ppm CO2/год и +11,1 ppb CH4/год) в период с 2015 по 2022 год, соответствующие тем, которые наблюдаются в удаленных обсерваториях, таких как Jungfraujoch (Швейцария). Амплитуда сезонного цикла CO2 составляет около 20 ppm (т.е. около 5 %), а CH4 - 40 ppb (т.е. около 2 %). Градиенты концентрации, рассчитанные как разница между концентрациями на ветру и против ветра, могут быть использованы для определения выбросов долгоживущих видов. Мы используем измерения со 100-метровой башни Сакле, расположенной за пределами Парижа, в качестве регионального фона при подходящих условиях направления ветра. Наибольшие различия с этими фоновыми измерениями наблюдаются на двух станциях, расположенных в пределах Парижа (JUS и CDS), с городским смещением до ~ 50 ppm CO2 и ~ 100 ppb CH4 зимой и ~ 10 ppm CO2 и ~ 50 ppb CH4 летом. Зимой совместная изменчивость почасовых измерений CO и CO2 (коэффициент корреляции r ~ 0,9 на всех станциях) указывает на то, что изменчивость концентрации обусловлена антропогенными выбросами. Напротив, летом более низкие корреляции между концентрациями этих двух газов (r ~ 0,3 на пригородных станциях и r ~ 0,6 на CDS и JUS) свидетельствуют о более доминирующей роли потоков растительности.

Исследование опубликовано в сборнике препринтов.

Китайские ученые оценили влияние колебаний концентрации CO2 на оценку чистого экосистемного обмена лесов умеренного пояса

Общее накопление CO2 (Fs) - это накопление или уменьшение количества CO2 за определенный период в экосистеме. Наряду с потоком вихревой ковариации и адвекцией COб ветровым потоком оно является основным членом в уравнении чистого экосистемного обмена CO2 (NEE). Накопление CO2 доминирует в уравнении NEE при стабильной стратификации атмосферы, когда это уравнение используется для лесных экосистем на сложных рельефах. Однако оценка Fs остается сложной из-за частых порывов и случайных колебаний потоков в пограничном слое, которые приводят к огромным трудностям в улавливании истинной тенденции изменений CO2 для использования в оценке хранилища по вихревой ковариации наряду с методами атмосферного профиля. Используя измерения с башен Цинъюань Кер, оснащенных системами приборов NEE, отдельно охватывающих башни смешанного широколиственного, дубового и лиственничного леса в горном водоразделе, в данном исследовании изучаются периоды порывов и величины колебаний CO2, а также их влияние на оценку Fs в зависимости от индекса сложности рельефа (TCI). Порывы вызывают колебания CO2 в течение многочисленных периодов от 1 до 10 мин на протяжении 2 ч. Суточные, сезонные и пространственные различия (P < 0,01) в максимальной амплитуде колебаний CO2 (Am) составляют от 1,6 до 136,7 ppm, и эти различия составляют от 140 до 170 с во времени (Pm) при том же уровне значимости. Am и Pm значимо коррелируют с величиной и случайной ошибкой Fs с суточными и сезонными различиями. Эти корреляции уменьшаются по мере увеличения времени усреднения CO2. Для минимизации неопределенностей в Fs постоянное временное окно усреднения концентрации CO2 для оценок Fs не является идеальным. Динамические временные окна усреднения и модель слияния на уровне принятия решений могут уменьшить потенциальную недооценку Fs на 29 %-33 % для лесов умеренной зоны в сложном рельефе. В нашем исследовании относительный вклад Fs в 30-минутные наблюдения NEE варьировался от 17 % до 82 % в зависимости от турбулентного перемешивания и TCI. Подход исследования примечателен тем, что он включает в себя TCI и использует три башни для репликации потоков, что делает полученные результаты релевантными для аналогичных регионов с одной башней.

Исследование опубликовано в журнале Atmospheric Measurement Techniques.

Европейские ученые оценили выбросы CO2 от осушенных прибрежных торфяников в Нидерландах и потенциальное сокращение выбросов за счет систем инфильтрации воды

Во всем мире осушение торфяников превратило эти системы из поглотителей CO2 в источники. В Нидерландах, где ∼7 % поверхности суши составляют торфяники, осушенные торфяные почвы вносят > 90 % и ∼3 % в почвенные и общие выбросы CO2 в стране, соответственно. Поэтому в Национальном климатическом соглашении Нидерландов установлены цели по сокращению этих выбросов. Одной из потенциальных мер по снижению выбросов является применение систем инфильтрации подпочвенных вод, состоящих из подпочвенных труб, соединенных с канавой. Эти системы направлены на повышение глубины грунтовых вод WTD в засушливые периоды для ограничения окисления торфа при сохранении текущей практики землепользования. Здесь мы использовали автоматические прозрачные камеры на 12 участках торфяных пастбищ в Нидерландах для измерения потоков CO2 с высокой частотой и оценки (1) взаимосвязи между WTD и выбросами CO2 для голландских торфяников и (2) эффективности систем инфильтрации в снижении выбросов. Чистые экосистемные балансы углерода NECB (до 4 лет для каждого участка, 2020-2023 гг.) составили в среднем 3,77 и 2,66 тС га-1 год-1 для контрольных участков и участков ИСВ, соответственно. Величина NECB и наклон взаимосвязи между WTD и NECB находятся в пределах диапазона наблюдений, полученных в ходе более ранних исследований в Европе, хотя они были значительно ниже, чем результаты, основанные на измерениях в закрытых камерах в ходе кампании. Взаимосвязь между годовым открытым углеродом (C; определяется как общее количество углерода в почве выше среднегодового WTD) и NECB объясняла большую дисперсию, чем взаимосвязь WTD-NECB.Величина NECB составляла в среднем 1,0 % от годовой экспозиции C, с максимумом 2,4 %. Мы обнаружили убедительные доказательства уменьшающего влияния систем инфильтрации на выбросы CO2, сократив выбросы на 2,1 (95 % доверительный интервал 1,2-3,0) тС га-1 год-1 , и не обнаружили доказательств влияния этих систем на взаимосвязь WTD-NECB. Это означает, что для оценки сокращения выбросов при данном вызванном система инфильтрации увеличении WTD или выбросов углерода можно использовать зависимости между WTD или выбросами углерода и NECB. Высокий разброс NECB от года к году требует проведения многолетних измерений и достаточного количества репрезентативных лет измерений для каждого участка, как было продемонстрировано в данном исследовании с 35 наблюдениями за год на участке.

Исследование опубликовано в журнале Biogeosciences.