Дайджест за февраль 2025 г.: обзор последних исследований в области газообмена между поверхностью и атмосферой

Новости проекта

Американские ученые проанализировали влияние сельскохозяйственной деятельности на глобальные выбросы парниковых газов

Сельское хозяйство служит как источником, так и поглотителем глобальных парниковых газов (ПГ), причем интенсификация сельского хозяйства продолжает способствовать увеличению выбросов ПГ. Климатически грамотное сельское хозяйство, включающее в себя как природные, так и технологические меры, предлагает перспективные решения для снижения выбросов ПГ. Мы обобщили глобальные данные Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (ФАО) за период с 1990 по 2021 год, чтобы проанализировать влияние сельскохозяйственной деятельности на глобальные выбросы парниковых газов с сельскохозяйственных земель с помощью моделирования структурных уравнений. Затем мы получили прогнозные оценки сельскохозяйственных выбросов ПГ на будущий период 2022-2050 годов с помощью моделей глубокого обучения. Данные ФАО показывают, что с 1990 по 2021 год глобальное поголовье скота, использование неорганических азотных удобрений (N), остатки сельскохозяйственных культур и площадь орошения увеличились на 27%, 47%, 49% и 37% соответственно. Увеличение поголовья скота способствовало увеличению выбросов CH4 и N2O, а неорганические азотные удобрения, растительные остатки и ирригация в основном способствовали увеличению выбросов N2O. Выбросы CO2 снизились из-за сокращения чистой потери лесов на 29%. В результате сокращения выбросов от обезлесения общий объем выбросов ПГ в сельском хозяйстве снизился с 11,50 до 10,89 ГтCO2-экв с 1990 по 2021 год, несмотря на увеличение поголовья скота, неорганических азотных удобрений, растительных остатков и ирригации. В перспективе наша модель предсказывает, что при сохранении текущих тенденций в сельском хозяйстве выбросы ПГ вырастут до 11,82 ± 0,07 ГтCO2-экв. в 2050 году. Однако сохранение сельскохозяйственных выбросов ПГ на уровне 2021 года до 2050 года возможно, если темпы сокращения чистой потери лесов будут удвоены. Более того, если этот показатель увеличить в три раза, то выбросы ПГ в сельском хозяйстве можно ограничить до 9,85 ± 0,07 ГтCO2-экв. в 2050 году. Наши выводы свидетельствуют о том, что сокращение выбросов ПГ в сельском хозяйстве, наряду с устойчивой интенсификацией сельского хозяйства и климатически рациональными методами ведения сельского хозяйства, может быть достигнуто за счет параллельных усилий, направленных на ускоренное сохранение лесов.

Исследование опубликовано в журнале Global Change Biology.

Американские ученые представили способ дистанционного зондированиея точечных источников метана с помощью бортового спектрометра MthanAIR

Спектрометр с формированием изображений MethaneAIR был первоначально разработан для измерения состава воздуха в рамках спутниковой миссии MethaneSAT. MethaneAIR позволяет точно определять концентрацию метана по результатам измерений с высоким спектральным разрешением в области 1650-нм поглощения метана при номинальной пространственной дискретизации 5x25 м. В данной работе мы представляем вычислительно-эффективную цепочку обработки данных, оптимизированную для обнаружения и количественной оценки метановых шлейфов с помощью MethaneAIR. Она включает в себя извлечение улучшений концентрации метана ΔXCH4 с помощью высокоточного извлечения с согласованным фильтром, которое впервые применяется к 1650-нм извлечениям. Метановые шлейфы обнаруживаются путем визуального осмотра полученных карт ΔXCH4. Интенсивность потока оценивается по обнаруженным шлейфам с помощью метода интегрального увеличения массы (IME). Оценка предложенных методов включала сравнение с моделируемыми шлейфами, с существующими методами обнаружения и количественной оценки шлейфов для MethaneAIR, а также с контролируемыми выбросами метана. Мы применили нашу цепочку обработки к наборам данных MethaneAIR, полученных над пермским бассейном во время полетов в 2021 и 2023 годах, что привело к обнаружению сотен точечных источников с интенсивностью свыше 100-200 кг/ч, при консервативном пределе обнаружения около 120 кг/ч. Наши результаты свидетельствуют о согласованности результатов определения ΔXCH4 с помощью согласованных фильтров MethaneAIR, а также об их потенциале для обнаружения и количественного определения точечных источников метана на больших территориях.

Исследование опубликовано в сборнике препринтов.

Китайские ученые разработали набор данных чистого экосистемного обмена на основе метеорологических станций

Нехватка и неравномерное глобальное распределение башен, производящих пульсационные измерения (БПИ), являются ключевыми факторами, которые вносят значительные неопределенности в исследования углеродного цикла в наземных экосистемах. Для решения этой проблемы, связанной с ограниченностью башен БПИ, Zhang et al. (2023b) разработали набор данных чистого экосистемного обмена (NEE) на основе метеорологических станций. Этот набор данных включает 4674 глобальные метеорологические станции, что в 22 раза больше по сравнению с 212 существующими БПИ и охватывает более широкий спектр типов экосистем. Здесь мы предлагаем систематическую основу для комплексной оценки пространственно-временной репрезентативности и глобальной неопределенности набора данных о потоке углерода, основанного на метеорологических станциях. Метеорологические станции эффективно повышают пространственную репрезентативность БПИ и снижают широтную изменчивость пространственной репрезентативности. В большинстве регионов временные тренды данных о потоке углерода, полученных с метеорологических станций, существенно не отличались от тех, которые наблюдались с помощью БПИ (p < 0,001). Глобальная неопределенность потоков углерода от метеорологических станций составляет 0,37, за ними следуют продукты VISIT и FLUXCOM с неопределенностями 0,44 и 0,45, соответственно. В целом, потоки углерода, полученные с метеорологических станций, демонстрируют более высокую пространственную и временную репрезентативность по сравнению с данными наблюдений с БПИ и обладают меньшей глобальной неопределенностью по сравнению с существующими продуктами по потокам углерода на сетке. Следовательно, данные о потоке углерода, полученные с метеорологических станций, представляют собой компромиссный набор данных, который позволяет решить проблему низкой пространственной репрезентативности БПИ и высокой неопределенности продуктов, построенных по сетке координат. Он эффективно дополняет существующие данные башенных БПИ, обеспечивая при этом точность. Разработка этого набора данных сыграет важную роль в снижении неопределенности исследований, связанных с глобальным поглощением углерода.

Исследование опубликовано в журнале Agricultural and Forest Meteorology.

Датские ученые спрогнозировали смягчение последствий изменения климата за счет захоронения углерода в экосистемах «голубого углерода»

В данном исследовании концепция «голубого углерода» критически оценивается с точки зрения ее определений, подходов к измерению и временных масштабов. Голубой углерод, отложенный в океанических осадках, может противостоять антропогенным выбросам парниковых газов (ПГ) только в том случае, если он будет храниться на долгосрочной основе. Основное внимание здесь уделяется прибрежным экосистемам голубого углерода (ЭГУ), мангровым лесам, солончакам и лугам морской травы из-за их высокой первичной продукции и больших запасов углерода. Секвестрация голубого углерода в ЭГУ обычно оценивается либо с помощью: 1. инвентаризации углерода в донных отложениях в сочетании с темпами аккреции или 2. баланса массы углерода между поступлением в донные отложения и выходом из них. Подход, основанный на инвентаризации, скомпрометирован отсутствием точных оценок аккреции в течение длительных периодов времени. Таким образом, краткосрочные анализы осадконакопления не могут быть надежно экстраполированы на длительные временные шкалы. С другой стороны, использование долгосрочных трассеров, таких как 210Pb, в большинстве ЭГУ не представляется возможным из-за подвижности осадка в результате биотурбации и других физических нарушений. Хотя подход, основанный на балансе массы, дает разумные краткосрочные (месяцы) оценки, он часто не работает при экстраполяции на более длительные периоды времени (> 100 лет) из-за климатических колебаний. Кроме того, многие опубликованные бюджеты, основанные на балансе массы, не включают все соответствующие источники и поглотители углерода. Моделирование долгосрочного разложения подстилки мангровых деревьев, солончаков (Spartina sp.) и элграсса (Zostera sp.) с помощью экспоненциальной модели 3-G показывает, что текущие оценки поглощения углерода, основанные на инвентаризации и балансе массы, завышены в 3-18 раз. Поэтому большинство опубликованных оценок поглощения углерода в ЭГУ следует считать завышенными. Потенциал голубого углерода в ЭГУ по смягчению последствий для климата также ограничивается избыточными выбросами ПГ метана и закиси азота из биогенных структур в мангровых лесах и донных отложениях солончаков. Таким образом, во многих случаях связывание углерода в донных отложениях ЭГУ не успевает за одновременными выбросами ПГ в эквиваленте CO2.

Исследование опубликовано в журнале Global Change Biology.

Немецкие ученые разработали систему отбора проб вихревых накопительных колб для разделения потоков ископаемого и неископаемого CO2

Была разработана и протестирована система расслабленного вихревого накопления (REA), которая позволяет условно отбирать пробы воздуха для последующего анализа 14CO2. Она позволяет разделить на основе наблюдений суммарные потоки CO2, измеренные в городских условиях методом вихревой ковариации, на ископаемые и неископаемые компоненты. Цель данной статьи - описать систему REA, оценить ее работу и оценить неопределенности. В системе REA два отдельных впускных трубопровода, оснащенных быстродействующими клапанами и системами контуров, адаптированными к техническим требованиям, позволяют условно собирать воздух в два комплекта алюминиевых цилиндров для отбора проб восходящей и нисходящей струей соответственно. Таким образом, переключение между отбором проб восходящей, нисходящей и резервным режимом определяется вертикальным ветром, измеряемым с частотой 20 Гц расположенным рядом ультразвуковым 3D-анемометром. Программа регистратора предоставляет различные варианты определения мертвой зоны, которая используется для увеличения разницы концентраций между пробами восходящего и нисходящего потока. По окончании интервала отбора проб накопленный воздух переносится автоматическим 24-портовым колбовым пробоотборником в стеклянные колбы объемом 3 л, которые могут быть проанализированы в лаборатории, а баллоны повторно эвакуируются для следующего отбора проб. Система REA была протестирована в лаборатории, а также на высокой башне в центре Цюриха, Швейцария. В период с июля 2022 г. по апрель 2023 г. с высокой башни были отобраны 103 пары колб с восходящей и нисходящей тягой REA и девять пар колб из тестов контроля качества для лабораторного анализа, исходя из подходящих микрометеорологических условий. Неопределенности в разнице концентраций CO2 между колбами с восходящей и нисходящей тягой были оценены путем моделирования с использованием измерений 20 Гц на месте с помощью газоанализатора с закрытым и открытым контуром, расположенного вместе с ультразвуковым анемометром. Измерения показали, что нет значительной погрешности в разнице концентраций между образцами восходящей и нисходящей струи, и что неопределенности, связанные с процессом отбора проб, незначительны при оценке сигналов CO2 ископаемого топлива. При измерениях в Цюрихе разность концентраций CO2 между парами колб совпала с разностью измерений in situ в пределах -0,005 ± 0,227 ppm. Самым большим источником неопределенности и основным ограничением в разделении сигналов ископаемого и неископаемого CO2 в Цюрихе было малое отношение сигнал/шум разницы Δ14C, измеренной с помощью ускорительной масс-спектрометрии между колбами с восходящей и нисходящей тягой. Новая система отбора проб из колбы REA отвечает высоким техническим требованиям метода REA и является перспективной технологией для оценки потоков CO2 ископаемого топлива на основе наблюдений.

Исследование опубликовано в сборнике препринтов.

Международный коллектив ученых оценил выбросы CO2 от ископаемого топлива в Европе

Независимая оценка и проверка выбросов ископаемого CO2 в региональном и национальном масштабе имеют решающее значение для оценки выбросов и сокращений ископаемого CO2, о которых сообщают страны в рамках своих национально определенных вкладов. Для этой цели все чаще используются нисходящие методы, такие как ассимиляция данных наблюдений in situ и спутниковых наблюдений за различными трассерами (например, CO2, CO, Δ14CO2, XCO2). В данной работе мы используем алгоритм модульной инверсии Лундского университета (LUMIA) для оценки ископаемых выбросов CO2 и естественных потоков путем одновременной инверсии синтетических наблюдений in situ за CO2 и Δ14CO2 над Европой. Мы оцениваем систему инверсии, проводя серию экспериментов по моделированию системы наблюдений (OSSE). Мы обнаружили, что в регионах с плотной сетью выборки, таких как Западная/Центральная Европа, добавление наблюдений Δ14CO2 в эксперимент, в котором предварительные потоки ископаемого CO2 и биосферы установлены на ноль, позволяет LUMIA восстановить временные ряды обеих категорий. Это уменьшает среднеквадратичную ошибку между предварительными и истинными данными с 1,26 до 0,12 ТгС сут-1 для ископаемого CO2 и с 0,97 до 0,17 ТгС сут-1 для биосферных потоков, отражая истинный общий бюджет CO2 на 91 %. Во второй серии экспериментов с использованием реалистичных предварительных потоков мы обнаружили, что в дополнение к получению временных рядов оптимизированных потоков, мы можем восстановить истинный региональный бюджет ископаемого CO2 в Западной/Центральной Европе на 95 % и в Германии на 97 %. Во всех экспериментах регионы с низким охватом выборки, такие как Южная Европа и Британские острова, демонстрируют плохое разрешение апостериорных ископаемых выбросов CO2. Хотя апостериорные биосферные потоки в этих регионах следуют сезонным закономерностям истинных потоков, значительное смещение остается, что делает невозможным закрытие общего бюджета CO2. Мы обнаружили, что предварительная неопределенность ископаемых выбросов CO2 не оказывает существенного влияния на апостериорные оценки, демонстрируя аналогичные результаты в регионах с хорошим охватом выборки, таких как Западная/Центральная Европа и Северная Европа. Наконец, наличие хорошей предварительной оценки изотопологии суши важно для того, чтобы избежать внесения дополнительного шума в апостериорные потоки ископаемого CO2.

Исследование опубликовано в журнале Atmospheric Chemistry and Physics.

Финские ученые применили методы машинного обучения для моделирования чистого экосистемного обмена в бореальных лесах

В настоящее время растет интерес к применению методов машинного обучения для прогнозирования чистого экосистемного обмена (NEE) на основе информации об участке и климатических переменных. Мы применили четыре модели машинного обучения (кубист, случайный лес, усредненные нейронные сети и линейная регрессия) для прогнозирования NEE экосистем бореальных лесов на основе климатических и площадных переменных. Мы используем наборы данных с двух станций в бореальном лесу Финляндии (южная станция Хютияля и северная станция Вяррио) и моделируем NEE в пик вегетационного периода и в течение всего года. Для Хютияля все нелинейные модели показали схожие результаты с R2 = 0,88 для пика вегетационного периода и R2 = 0,90 для всего года. Для Вяррьё нелинейные модели дали R2 = 0,73-0,76 для пика вегетационного периода. Используя объяснимые методы искусственного интеллекта, мы показали, что наиболее важными входными переменными в пиковый сезон являются фотосинтетически активная радиация, диффузная радиация и дефицит давления пара (или температура воздуха), в то время как в масштабе всего года дефицит давления пара (или температура воздуха) заменяется температурой почвы. Когда наборы данных с обеих станций были смешаны, содержание воды в почве, единственная переменная, явно отличающаяся между наборами данных Хютияла и Вяррьё, оказалась одной из наиболее важных переменных, но ее значение уменьшилось, когда были добавлены входные переменные, маркирующие участки. Кроме того, мы анализируем зависимость NEE от входных переменных в сравнении с существующим теоретическим пониманием факторов NEE. Мы показываем, что, несмотря на то, что статистические оценки некоторых моделей могут быть очень хорошими, к результатам следует относиться с осторожностью, особенно когда они применяются для масштабирования. В модельной установке с несколькими взаимозависимыми переменными, повсеместно встречающимися в атмосферных измерениях, некоторые модели демонстрируют сильную обратную зависимость от этих переменных. Такое поведение может иметь негативные последствия, если модели будут применяться к наборам данных в будущих климатических условиях. Наши результаты подчеркивают важность объяснимых методов искусственного интеллекта для интерпретации результатов, полученных с помощью моделей машинного обучения, особенно когда в качестве входных данных модели используется набор взаимозависимых переменных.

Исследование опубликовано в журнале Biogeosciences.

Американские ученые провели калибровку спутниковых карт с полевыми данными для улучшения прогнозов лесной биомассы

Пространственная количественная оценка биомассы лесов важна для мониторинга состояния лесов и учета углерода. Прямые полевые измерения биомассы трудоемки и дороги, что обычно ограничивает их пространственную и временную плотность выборки и, следовательно, точность и разрешение получаемых выводов. Спутники могут давать прогнозы биомассы с гораздо большей плотностью, но эти прогнозы часто смещены по сравнению с полевыми измерениями и имеют неоднородные ошибки. Мы разработали и внедрили модель корегионализации между разреженными полевыми измерениями и прогностической спутниковой картой, чтобы получить улучшенные прогнозы плотности биомассы с разрешением 1 км2 на всей территории тихоокеанских штатов Калифорния, Орегон и Вашингтон. Модель учитывает нулевую инфляцию в полевых измерениях и неоднородные ошибки в спутниковых прогнозах. Стохастический подход к пространственному моделированию с использованием частичных дифференциальных уравнений применяется для обработки большого объема спутниковых данных. Пространственная детализация, получаемая с помощью модели, намного мельче, чем это было бы возможно при использовании только полевых измерений, и модель обеспечивает значительную фильтрацию шумов и коррекцию смещения спутниковой карты.

Исследование опубликовано в журнале Environmetrics.

Европейские ученые оценили потенциала бортового LiDAR для прямой оценки объемной плотности топлива и распределения нагрузки для картирования опасности лесных пожаров

Крупномасштабное картирование топливной нагрузки и вертикального распределения топлива необходимо для оценки пожарной опасности, определения стратегических целей и действий, а также долгосрочных потребностей в ресурсах. Система Airborne LiDAR может решить эту задачу, точно отображая трехмерное расположение растительности в региональном и национальном масштабах. Мы разработали новый метод оценки нескольких показателей топливной нагрузки и вертикального распределения насыпной плотности для любого типа растительности. Метод использует закон Бира-Ламберта для инвертирования облака точек ALS в вертикальные профили плотности растительной площади, которые преобразуются в вертикальные профили распределения насыпной плотности с использованием видовых характеристик растений. Подход оценивается путем сравнения профилей растительности на основе ALS и показателей топлива с полевыми данными, полученными в юго-восточной Франции, Испании и Португалии для различных типов растительности. Вертикальные профили растительности на основе ALS и полевых данных совпадают. Диапазон значений показателей топливной нагрузки также соответствовал полевым данным. Хорошие корреляции и низкая погрешность были достигнуты для простой стратифицированной структуры с R2 0,6, 0,42 и 0,68 и погрешностью -5 %, -2 % и -3,3 % для высоты основания полога, топливной нагрузки на полог и насыпной плотности полога соответственно. Однако корреляции были низкими для сложных вертикальных структур. Использование видовых признаков растений оказалось полезным, поскольку для большинства видов уменьшилось отклонение между полевыми показателями и показателями, полученными с помощью ALS. Наша независимая от поля оценка метрики топлива показала сопоставимую производительность с результатами, полученными в литературе на основе классификационных подходов, обученных на полевых метриках, что подчеркивает общность нашего прямого подхода. Мы продемонстрировали, что наш подход является более релевантным, чем полевые данные, для определения вертикальных растительных страт в сложных лесных структурах. Мы продемонстрировали применение методов на примере картирования множества метрик в региональном масштабе (6343 км²), таких как высота основания полога, разрыв между топливными стратами, а также топливная нагрузка на полог и подстилку. Наш подход подходит для создания моделей следующего поколения для систем оценки риска лесных пожаров, которые будут дополнены более гибкими и точными данными о топливе, чем существующие типологии топлива.

Исследование опубликовано в журнале Agricultural and Forest Meteorology.

Французские ученые оценили влияние температурных аномалий на потоки CO2, зарегистрированные за 18 лет в системе горных лугов умеренного пояса

Температурные аномалии, такие как волны тепла и похолодания, становятся все более распространенными, представляя угрозу для функционирования экосистем и предоставляемых услуг. Хотя было показано, что температурные аномалии ограничивают широкомасштабные модели связывания углерода, детальные исследования потоков CO2 и температурных аномалий ограничены, а взаимодействие между температурными аномалиями и управлением сельским хозяйством остается малоизученным. Используя долгосрочные данные о потоках CO2 на лугах и температуре воздуха (2003-2021 гг.), мы изучили влияние температурных аномалий (холодных, теплых, экстремально холодных, экстремально теплых) на валовую первичную продуктивность и дыхание экосистем на прилегающих возвышенных мелкотравных лугах, подвергавшихся экстенсивному или интенсивному выпасу скота. В течение всего периода исследования наблюдались как теплые, так и холодные температурные аномалии, причем в среднем 40 дней в году были холоднее или теплее, чем обычно. Независимо от способа ведения хозяйства и типа потока, мы обнаружили, что температурные аномалии оказывают значительное влияние на величину потоков CO2, взаимосвязь между температурой воздуха и потоками CO2, а также на возникновение аномальных явлений в потоках. На величину потоков CO2 температурные аномалии оказывали наибольшее влияние в начале вегетационного периода, и потоки в целом были более чувствительны к теплым, чем к холодным температурным аномалиям. Однако аномалии холодной температуры способствовали асинхронности между поглощением и потерей углерода. Взаимосвязь между потоком углерода и температурой была повышена теплыми температурными аномалиями весной, но понижена летом и осенью, при этом скорость потоков была снижена в большей степени при интенсивном управлении. Тем не менее, температурные аномалии не были признаны сильным фактором, определяющим аномалии потоков в этой системе исследований. В целом, наши результаты показывают, что управление лугами взаимодействует со временем и характером температурных аномалий на потоки CO2, и предполагают, что низкая интенсивность управления лугами может буферизировать потоки CO2 против аномалий температуры теплого воздуха в системах холодного умеренного климата, что имеет значение для стратегий адаптации лугов в условиях изменения климата.

Исследование опубликовано в журнале Agricultural and Forest Meteorology.