Дайджест за январь 2026 г.: обзор последних исследований в области газообмена между поверхностью и атмосферой

Новости проекта

Европейские исследователи применили методы машинного обучения для повышения качества спутникового мониторинга CO₂ и CH₄

Точное измерение концентраций парниковых газов для выявления региональных источников и поглотителей имеет важное значение для эффективного мониторинга и смягчения их воздействия на изменяющийся климат Земли. В этой статье мы представляем научные данные о XCO2 и XCH4, полученные с помощью RemoTeC со спутника для наблюдения за парниковыми газами-2 (GOSAT-2), которые охватывают временной диапазон в 5 лет. GOSAT-2 способен измерять общее содержание CO2 и CH4 в соответствии с необходимыми требованиями, установленными Глобальной системой наблюдения за климатом (GCOS), которые определяют указанные требования как точность <10 ppmv и <0,5 ppmv для XCH4 и XCO2 соответственно, а также стабильность и для XCH4 и XCO2 соответственно. Ключевым моментом в обеспечении качества наборов данных XCO2 и XCH4 является этап проверки качества после извлечения. При фильтрации испольовался метод машинного обучения, известный как модели случайного лесного классификатора (RFC). Этот метод разработан в рамках программы Европейского космического агентства (ЕКА) "Инициатива по изменению климата+" (CCI+) и применяется к данным, полученным с GOSAT-2. Для обучения моделей RFC используются данные сети наблюдений за общим содержанием углеродного столба (TCCON), где результаты поиска классифицируются как хорошего или плохого качества на основе расхождений между измерениями GOSAT-2 и TCCON. TCCON - это глобальная сеть спектрометров с преобразованием Фурье, которые измеряют спектры теллурического поглощения в инфракрасном диапазоне длин волн. Она служит стандартом научного сообщества для проверки достоверности спутниковых данных XCO2 и XCH4. Наши результаты показывают, что качественная фильтрация на основе машинного обучения позволяет значительно улучшить качество обработки данных, увеличив выход данных до 85%, а RMSE - до 30% по сравнению с традиционной фильтрацией на основе пороговых значений. Кроме того, сравнение с прибором мониторинга тропосферы (TROPOMI) показывает, что модели RFC с качественной фильтрацией хорошо подходят для всего набора данных, поскольку ожидаемое поведение воспроизводится в глобальном масштабе. Низкие систематические погрешности необходимы для извлечения значимых потоков из спутниковых данных. В ходе проверки TCCON мы обнаружили, что все данные соответствуют установленным требованиям к максимальной погрешности, с RMSE для XCH4 < 15 ppb и XCO2 < 2 ppm. Мы получаем смещения от станции к станции, равные 4,2 ppb и 0,5 ppm для XCH4 и XCO2 соответственно, и линейный дрейф, равный 0,6 ppb в годовом исчислении и 0,2 ppm в годовом исчислении для XCH4 и XCO2 соответственно. Для XCH4 GOSAT-2 и TROPOMI имеют высокую корреляцию со стандартными отклонениями менее 18 ppb. Межспутниковое смещение между GOSAT и GOSAT-2 значительно, в среднем глобальное смещение составляет -15 ppb. Это сопоставимо с тем, что наблюдается между GOSAT и TROPOMI, что согласуется с нашими выводами о том, что GOSAT-2 и TROPOMI находятся в близком согласии.

Исследование опубликовано в Atmospheric Measurement Techniques.

Немецкие учёные применили спутниковое и воздушное дистанционное зондирование для измерения крупных выбросов CH₄ в окрестностях Мадрида

Метан (CH4), наряду с углекислым газом (CO2), является важной причиной антропогенного изменения климата. Сокращение выбросов CH4 имеет решающее значение для краткосрочного смягчения последствий изменения климата. Деятельность, связанная с отходами, такая как свалки, является основным источником CH4 даже в развитых странах. Измерения концентрации в атмосфере с помощью дистанционного зондирования (ДЗЗ) являются эффективным способом количественной оценки этих выбросов. Мы изучаем объекты по переработке отходов недалеко от Мадрида, Испания, где спутниковые данные указывают на высокие выбросы CH4. Впервые мы объединяем пассивную визуализацию (Methane Airborne Mapper 2D – Light, MAMAP2DL) и активное дистанционное зондирование с помощью лидара (дистанционный мониторинг атмосферы CO2 и CH4 – Flugzeug, CHARM-F) на борту немецкого исследовательского самолета HALO, работающего на больших высотах и дальних расстояниях, при поддержке приборов in situ для количественной оценки Выбросы CH4. Используя данные по столбцу CH4 и информацию о ветре модели ERA5 Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды (ECMWF), подтвержденную воздушными измерениями, мы оцениваем выбросы на свалках с использованием метода баланса массы в поперечном сечении. 4 августа 2022 года сильные выбросы были зафиксированы на расстоянии до 20 км с подветренной стороны, при этом самые высокие аномалии в столбцах CH4 наблюдались на действующих свалках в окрестностях Мадрида, Испания. Общий объем выбросов оценивается в ~13 т ч−1. Значения пересечения одиночных шлейфов, полученные с помощью обоих приборов, хорошо согласуются в пределах 1,2 т ч-1 (или 13 %). Погрешности измерения потока колеблются от ≈ 25 % до 40 %, в основном из-за пограничного слоя (ПС) и изменчивости скорости ветра. Это тематическое исследование не только демонстрирует возможности применения простого подхода к балансу массы поперечного сечения, наряду с его ограничениями, связанными со сложными условиями в пограничном слое атмосферы, но и демонстрирует, насколько нам известно, первое успешное использование как активного, так и пассивного дистанционного зондирования воздуха для количественной оценки выбросов метана от сильных источников.

Исследование опубликовано в Atmospheric Chemistry and Physics.

Бельгийские исследователи объединили полевые данные и БПЛА для картирования выбросов CO₂ на торфяниках умеренного пояса

Выбросы CO2 из торфяников демонстрируют значительную пространственно-временную изменчивость, что создает проблемы для выявления основных факторов, а также для точной количественной оценки и моделирования потоков CO2. Мы объединили полевые измерения с мультисенсорным дистанционным зондированием на базе беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), чтобы исследовать дыхание почвы на торфяниках умеренного пояса. Наше исследование было посвящено двум ключевым вопросам: (1) Как факторы окружающей среды влияют на пространственно-временное распределение почвенного дыхания в сложных ландшафтах? (2) Как пространственные и временные пики (т.е. "горячие точки" и "горячие моменты") биогеохимических процессов влияют на потоки CO2 на ландшафтном уровне? Мы обнаружили, что динамические переменные (т.е. температура и влажность почвы) играют значительную роль в формировании вариаций потока CO2, внося 43 % в сезонную изменчивость и 29 % в пространственную дисперсию, за которыми следуют полудинамические переменные (т.е. нормализованный разностный вегетационный индекс (NDVI) и биомасса корней) (19 % и 24 %). Относительно статичные переменные (например, запасы органического углерода в почве и соотношение углерода и азота) оказывают минимальное влияние на сезонные колебания (2 %), но в большей степени влияют на пространственные различия (10 %). Кроме того, прогнозирование временных рядов выбросов CO2 возможно с использованием ключевых переменных окружающей среды (тестовый набор: коэффициент детерминации (R2) = 0,74, среднеквадратичная ошибка (RMSE) = 0,57 мкмоль м-2 с-1, эффективность Клинга-Гупты (KGE) = 0,77), в то время как дистанционное зондирование с помощью беспилотных летательных аппаратов является эффективным инструментом для составления ежедневных карт. дневное дыхание почвы (тестовый набор: R2=0,75, RMSE = 0,56 мкмоль м-2 с-1, KGE = 0,83). Благодаря интеграции покадрового мониторинга с высоким разрешением на месте и пространственного картографирования мы обнаружили, что, несмотря на то, что это происходит в 10% случаев в году, "горячие моменты" (т.е. периоды времени, когда наблюдается непропорционально высокий (>90-го процентиля) уровень выбросов CO2 по сравнению с фоном) составляют 28-31 % от годовых выбросов CO2. Между тем, на горячие точки (т.е. места, где концентрация CO2 превышает 90–й процентиль), составляющие 10 % площади, приходится около 20 % выбросов CO2 по всему ландшафту. Наше исследование показывает, что интеграция дистанционного зондирования с помощью беспилотных летательных аппаратов с полевыми исследованиями улучшает понимание механизмов почвенного дыхания в сложных ландшафтах на разных временных уровнях. Это позволит получить представление о динамике выбросов углерода и поддержит усилия по сохранению торфяников и смягчению последствий изменения климата.

Исследование опубликовано в Biogeosciences.

Международная группа исследователей оценила точность спутникового мониторинга выбросов метана из угольных шахт

Выбросы метана из угольных шахт, особенно при наземных работах, распределены в пространстве, что создает значительные трудности для точной количественной оценки. Такие спутники, как TROPOMI, GHGSat, PRISMA, GaoFen-5 и GOSAT, широко используются для обнаружения выбросов метана в различных масштабах, от отдельных точечных источников до региональных и глобальных оценок. Несмотря на различные достижения, количественная оценка метана с помощью спутниковых наблюдений по-прежнему сопряжена с рядом проблем. Различные методы количественной оценки для одного и того же наблюдения могут привести к различным результатам. Кроме того, метеорологические условия, сложность рельефа и неоднородность поверхности вносят неопределенность в оценки выбросов. Выбор скорости и направления ветра, а также ограничения алгоритма поиска могут привести к значительным расхождениям в сообщаемых данных о выбросах. Кроме того, спутниковые наблюдения фиксируют выбросы только в определенное время прохождения эстакады, что может привести к временной неопределенности по сравнению с кадастрами, полученными на основе непрерывных оценок выбросов. Это исследование содержит всесторонний обзор спутникового мониторинга шахтного метана (ШМ), оценку существующих методик, их ограничений и последних технологических достижений. Мы обсудили потенциал новых методов машинного обучения, усовершенствованного атмосферного моделирования и комплексных подходов к наблюдениям для улучшения количественной оценки выбросов метана. Благодаря совершенствованию методов спутникового мониторинга и решению существующих проблем, это исследование будет способствовать разработке более точных кадастров выбросов и эффективных стратегий смягчения последствий для угледобывающего сектора.

Исследование опубликовано в Remote Sensing.

Китайские исследователи проверили соответствие спутниковых данных OCO‑2 и GOSAT с TCCON для анализа региональной изменчивости CO₂

Точная количественная оценка источников и поглотителей диоксида углерода (CO2) становится ключевым аспектом недавних исследований углеродных потоков, однако наше понимание характеристик спутников в региональном масштабе остается недостаточным. В этой работе усредненная по столбцам молярная доля CO2 в сухом воздухе, полученная из OCO-2 v11.1r и GOSAT v03.05, была оценена с помощью CarbonTracker (CT) с использованием данных за период с марта 2022 по август 2023 года. Кроме того, спутниковые данные были сверены с данными Сети наблюдений за общим содержанием углерода (TCCON) за период с марта 2022 по февраль 2024 года. Сравнение с CT показало, что оба спутника имеют общее отрицательное смещение относительно суши и наилучшие показатели весной. В наземных регионах Южного полушария спутники надежно фиксировали месячную изменчивость, а OCO-2 получал наиболее точные месячные концентрации. В наземных регионах Северного полушария CT продемонстрировал наилучшие результаты, хотя оба спутника точно определили месячные колебания в некоторых регионах. В тропических регионах ни один из спутников не показал лучших результатов. Данные OCO-2 показали особенности смещения в субрегиональных областях, таких как Восточная и Южная Азия. Для океанических регионов смещение было наибольшим весной. Смещение фаз, небольшое занижение концентраций и сезонные отклонения были обнаружены в нескольких океанических регионах во временных рядах OCO-2, в то время как GOSAT не смог предоставить обоснованные результаты. При сравнении TCCON с данными OCO-2 и GOSAT мы обнаружили систематические ошибки в -0,12 и -0,56 ppm и среднеквадратичные ошибки в 1,08 и 1,70 ppm соответственно, которые в основном обусловлены топографическими изменениями и аэрозольной нагрузкой. Ошибки были наименьшими весной и более значительными летом и зимой. Анализы, проведенные как с помощью компьютерной томографии, так и с помощью TCCON, показали, что современные спутниковые продукты могут работать лучше в условиях пустынь. Облака, аэрозоли и приземное давление по-прежнему затрудняют поиск OCO-2, в то время как для GOSAT можно сделать упор на процесс коррекции смещения.

Исследование опубликовано в Remote Sensing.

Китайские ученые предложили интегрированный подход с использованием радарных и оптических данных для улучшения оценки лесной биомассы

Технология радиолокации (radio detection and ranging) работает в любых погодных условиях и при любом освещении, что делает ее ценным инструментом для различных целей. Она обладает такими преимуществами, как способность проникать сквозь растительные покровы и поверхность земли. В этом исследовании рассматриваются прогресс, проблемы и перспективы использования радарной технологии для улучшения оценки биомассы в наземных экосистемах. Для оценки биомассы использовались различные датчики, включая радар с синтезированной апертурой (SAR), интерферометрический радар (InSAR) и георадар, проникающий в землю (GPR). В системах радиолокационной разведки в тропических лесах используются радиолокационные датчики C-диапазона, такие как Sentinal-1 A/B, в то время как RADARSAT-2 используется в лесах умеренного и субтропического пояса. Усовершенствованный SAR (ASAR) был эффективен как в тропических, так и в умеренных лесах. Радиолокационные датчики L-диапазона, такие как фазовая антенная решетка L-диапазона (PALSAR), используются в тропических, умеренных, бореальных и смешанных лесах, в то время как радиолокационная съемка беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) и поляриметрическая радиолокационная съемка L-диапазона (PLIS) используются в бореальных, смешанных и леса умеренного пояса, соответственно. InSAR L-диапазона используется в бореальных лесах, а InSAR X-диапазона, включая цифровую модель рельефа Tandem-X и Shuttle Radar Topography Mission (SRTM), была внедрена в бореальных, тропических и умеренных лесах. Радиолокационная станция P-диапазона и поляриметрическая интерферометрия SAR (PolInSAR) использовались с антенной системой ONERA SETHI в тропических лесах, а георадарная система field portable GEOTECH - в субтропических лесах. Датчики SAR сталкиваются с такими проблемами, как ослабление сигнала из-за угла падения, чувствительность к поляризации, неоднородность ландшафта, доступность данных и временная декорреляция. Датчики InSAR сталкиваются с фазовой декорреляцией, проблемами с базовой линией и различными ошибками. Георадарные датчики сталкиваются с проблемами ослабления сигнала, проникновения в грунт, обнаружения целей и достоверности наземных данных. Чтобы улучшить оценку биомассы, в этой статье предлагается рассмотреть модели, зависящие от типа леса, с использованием многочастотной радиолокационной станции (SAR), поляриметрической радиолокационной станции (PolSAR) для анализа рассеяния, интегрировать радар с данными об излучении и обнаружении света (LiDAR) или оптическими данными, внедрить передовые методы обработки данных и использовать искусственный интеллект (ИИ) и стохастические методы.

Исследование опубликовано в Earth-Science Reviews.

Международная группа исследователей количественно оценила выбросы закиси азота с обрабатываемых торфяников в Восточной Англии

Несмотря на то, что в последние годы увеличилось количество исследований, в которых оцениваются выбросы парниковых газов (ПГ), двуокиси углерода (CO2) и метана (CH4) в результате обработки торфяников, сохраняется высокая неопределенность в отношении масштабов и факторов, вызывающих выбросы мощного парникового газа закиси азота (N2O) из обрабатываемых торфяниками почв. В этом исследовании использовалась вихревая ковариация для измерения потоков N2O в течение 3-летнего периода на коммерческой ферме в болотах Восточной Англии, на поле с чередующимся посевом и поверхностным слоем торфянистой почвы 56 см. За 41-месячный период измерений среднее значение (±95% ДИ) ежемесячных выбросов в полевых условиях составило 0,50 ± 0,17 кгN2O-N га-1, что соответствует приблизительно 6,0 ± 2,0 кгN2O-N га-1 год-1. Выбросы N2O на месторождении контролировались пороговыми значениями как температуры почвы (низкие концентрации ниже ~12°C), так и объемного содержания воды (низкие концентрации ниже ~65%). Там, где эти пороговые значения были одновременно превышены на любой глубине в пределах верхнего метра профиля почвы, выбросы N2O увеличивались на порядок. Повышение уровня воды в летние месяцы привело к значительному увеличению ежегодных выбросов N2O, которые, по оценкам, на 10 кгN2O-N га-1 год-1, чем в годы, когда уровень грунтовых вод был ниже. Повышенные выбросы N2O в значительной степени контролировались условиями окружающей среды (например, влажностью и температурой). На эти условия, в свою очередь, повлияло управление растениеводством: при выращивании картофеля на поле наблюдались более высокие выбросы (по сравнению с пшеницей и фасолью), что мы объясняем сочетанием более высокого уровня полива, верхнего орошения, относительно низкой потребности растений в азоте и солнечного нагрева открытой поверхности почвы.

Исследование опубликовано в Global Change Biology.

Чилийские учёные разработали мобильную камеру с модулированным освещением для изучения фотосинтеза торфяников

Торфяники играют решающую роль в глобальном круговороте углерода, и среди нескольких ключевых процессов важно охарактеризовать кривые фотосинтеза и освещенности (PI), которые описывают взаимосвязь между доступностью света и усвоением углерода посредством фотосинтетической активности. Традиционные подходы, такие как вихревая ковариация, портативные системы фотосинтеза и камеры, предоставляют ценные данные на уровне экосистем, листьев и мезомасштабов, соответственно. Измерения в камерах особенно полезны на промежуточных уровнях, поскольку они фиксируют фотосинтетическую активность целых растительных сообществ, одновременно интегрируя процессы в микрогородках и под землей. Однако обычные камеры, как правило, требуют установки ограждений, что включает в себя вырубку растительности и рытье траншей, которые могут повлиять на потоки; это часто требует периода задержки, прежде чем можно будет начать надежные измерения, и снижает мобильность и применимость камерных методов в отдаленных торфяниках. В предыдущем исследовании мы представили камеру c минимальным влиянием на результаты измерения потока парниковых газов. Основываясь на этой конструкции, мы разработали камеру с модулированным освещением специально для определения PI-кривой. Эта камера позволяет на месте охарактеризовать реакции фотосинтеза в условиях естественного освещения с помощью регулируемых затеняющих экранов, сохраняя при этом мобильность и сводя к минимуму помехи. Полевые испытания в субантарктическом сфагновом болоте показали, что сгенерированные PI-кривые соответствуют установленным моделям и хорошо согласуются с измерениями вихревой ковариации. Таким образом, камера с модулированным освещением представляет собой экономичный и гибкий инструмент для изучения динамики углерода в низкогорных экосистемах торфяников с перспективным применением в гетерогенных ландшафтах.

Исследование опубликовано в Biogeosciences.

Немецкие исследователи объединили данные БПЛА и вихреразрешающего моделирования для оценки неоднородности потоков CO₂ в субарктических болотах

Многие природные экосистемы состоят из разнородных участков, различающихся по уровню влажности и составу растительности, что приводит к мелкомасштабным изменениям в различных растительных покровах, которые могут быть сложными для количественной оценки. Здесь мы представляем тематическое исследование на болоте Стордален в субарктической Швеции, где мы провели измерения молярной доли CO2 с беспилотного летательного аппарата (БПЛА) и объединили их с вихреразрешающим моделированием (LES) с помощью метода инверсии на уровне объекта, чтобы различать характеристики скорости потока для различных типов участков. Мы используем модель LES EULAG (эйлерово-лагранжево уравнение) для моделирования потоков с высоким разрешением и сопоставления пространственной изменчивости смоделированных концентраций с данными сеточных исследований соотношения CO2 в смеси на основе беспилотных летательных аппаратов. Сопоставление результатов инверсии с измерениями вихрево-ковариационного потока (EC) за время полета беспилотного летательного аппарата позволяет количественно оценить интенсивость продуктивности CO2 для отдельных типов растительного покрова. Оценка модели показала, что R2 составил 0,70, при этом погрешности модели в основном связаны с неопределенностью транспортной модели и площадью выборки с беспилотного летательного аппарата, которая не обеспечивает равномерную выборку типов растительного покрова. Впоследствии инверсионные потоки были сопоставлены с измерениями содержания углекислого газа в камерах на уровне участков в Палсе, болоте и фене и показали хорошее соответствие в распределении потоков между этими типами участков, доминирующими на участке, отобранном с помощью БПЛА. Были рассмотрены различные схемы классификации растительного покрова, и результаты показали последовательное улучшение характеристик модели при дальнейшем представлении экологических и гидрологических неоднородностей. Наша новая методика показывает многообещающие результаты в оценке неоднородности потоков наземного типа в пределах границ вихрево-ковариационной башни, что обеспечивает основу для масштабирования потоков EC в более широкой области.

Исследование опубликовано в Atmospheric Measurement Techniques.

Международная коалиция Carbon Mapper запустила спутниковую систему Tanager для оперативного выявления сверхкрупных выбросов метана и CO₂ на уровне промышленных объектов

Система мониторинга выбросов Carbon Mapper вносит свой вклад в более широкую экосистему наблюдений за парниковыми газами, выявляя и количественно определяя источники сверхвысоких выбросов CH2 и CO2 в масштабах предприятий в приоритетных регионах по всему миру и делая данные доступными и действенными. Система включает в себя платформы для наблюдений, стратегию оперативного мониторинга, оптимизированную для смягчения воздействия, и платформу данных, которая предоставляет данные о CH4 и CO2 различным заинтересованным сторонам. Оперативное расширение системы сосредоточено на новой группировке гиперспектральных спутников. Каждый спутник Carbon Mapper Coalition (далее - Tanager) оснащен спектрометром для получения изображений, разработанным Лабораторией реактивного движения НАСА, который собирается, запускается и эксплуатируется компанией Planet Labs. Первый спутник Tanager (Танагер-1) был запущен 16 августа 2024 года, его ввод в эксплуатацию был завершен в январе 2025 года, и он продолжал повышать эффективность наблюдений до лета 2025 года. В настоящее время Planet работает над расширением группировки до четырех Танагеров. Каждый прибор для получения изображений-спектрометров имеет спектральный диапазон около 400-2500 нм, спектральную выборку 5 нм, надирное пространственное разрешение 30 м и ширину надирной полосы около 19 км на самой низкой высоте орбиты. Каждый спутник способен получать изображения площадью в среднем 250 000 км2 в день. Объединив результаты независимого тестирования контролируемого выброса с эмпирической оценкой радиометрических, спектральных, пространственных характеристик спектрометра Tanager-1 и характеристик шума при поиске данных, мы прогнозируем, что минимальные пределы обнаружения составляют около 64-126 кгCH4 ч−1 для точечных источников CH4 и около 10 078-18 994 кгCO2 ч−1 для точечных источников CO2. для изображений с альбедо 25 %, зенитным углом солнца 45° и скоростью ветра 3 м с-1. Обзор результатов первых 11 месяцев наблюдений Tanager-1 за СН4 и CO2, включая первоначальную валидацию с помощью скоординированных полетов воздушных судов под землей и испытаний с контролируемым выбросом незрячим способом, показывает, что система соответствует требованиям к производительности и во многих случаях превосходит ожидания. Мы также представляем предварительные оценки в сложных условиях наблюдений на суше и в море и обобщаем первое использование данных Tanager для своевременного снижения воздействия сверхвысокого уровня выбросов CH4.

Исследование опубликовано в Atmospheric Measurement Technique.