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

Новости проекта

Японские исследователи изучили влияние рельефа и растительности на пространственно-временную изменчивость потоков CH₄

Лесные почвы обычно считаются поглотителями атмосферного метана (СН4), но скорость их поглощения может значительно варьироваться в зависимости от пространства и времени. В этом исследовании изучалась роль рельефа и растительности в потоках CH4 в почве и временные закономерности пространственно изменяющихся потоков CH4 в почве в сложных с точки зрения рельефа горных лесах с умеренным климатом в центральной Японии. Мы измеряли потоки CH4 в почве девять раз в течение бесснежного сезона в нескольких местах на площади 40 га в лесистом водоразделе. Переувлажненные почвы поглощали CH4, в то время как небольшие участки водно-болотных угодий постоянно выделяли CH4 на протяжении всего периода исследования. Мы использовали подход машинного обучения для приведения измеренных потоков CH4 в почве к ландшафтному масштабу для не переувлажненных почв на каждую дату измерения, используя топографические характеристики и характеристики растительности, полученные на основе цифровой модели рельефа и аэрофотоснимков. Точность прогнозируемых потоков варьировалась в зависимости от сезона, при этом наибольшая эффективность модели наблюдалась в начале осени (R2=0,67), а наименьшая - в середине лета (R2=0,31). Прогнозируемые потоки CH4 значительно различались в зависимости от топографического положения, причем на горных хребтах и склонах они были более интенсивными, чем на равнинах и у подножия гор. Топография играла преобладающую роль в пространственной изменчивости потоков CH4 по сравнению с растительностью. Прогнозируемые потоки CH4 в ландшафтном масштабе на незатопленной территории варьировались от -0,34 до -0,60 гCH4 га-1 ч−1 весной, от -0,39 до -1,28 гCH4 га-1 ч−1 летом и от -0,48 до -0,89 гCH4 га-1 ч−1 осенью. Сезонные потоки сильно коррелировали с индексом выпадения осадков за 20 дней до этого (R2=0,70), что указывает на важность сезонных условий влажности в регулировании динамики потоков CH4. Это исследование подчеркнуло важность топографии для контроля потоков CH4 в почве и эффективность подходов дистанционного зондирования и машинного обучения для масштабирования полевых измерений до уровня ландшафта, что позволяет визуализировать пространственные закономерности потоков по всему ландшафту с течением времени, несмотря на высокую неопределенность в отношении некоторых дат измерений, особенно для пикселей с низкой высотой.

Исследование опубликовано в журнале Biogeosciences.

Американские исследователи выявили ключевые источники неопределенности в моделировании потоков CH₄ в Канаде и на Аляске

Оценки потоков метана (CH4) из высокоширотных водно-болотных угодий Северной Америки остаются весьма неопределенными по величине, сезонности и пространственному распределению. В этом исследовании мы оцениваем десятилетние (2007-2017 гг.) оценки потоков CH4, сравнивая 16 моделей, основанных на технологических процессах, с атмосферными наблюдениями CH4, полученными с помощью стационарных вышек. Мы сравниваем модели, основанные на процессах Глобального углеродного проекта (GCP), с проведенным десятилетием ранее сравнением моделей под названием "Проект взаимного сравнения моделей водно-болотных угодий и водно-болотных угодий с CH4" (WETCHIMP). Наш анализ показывает, что модели GCP имеют гораздо меньшую межмодельную неопределенность и имеют среднюю величину, которая в 1,5 раза меньше по Канаде и Аляске. Однако текущие модели GCP, вероятно, завышают потоки в водно-болотных угодьях Канады и Аляски в два и более раза на основе наблюдений атмосферного CH4 с вышек. Различия в величинах потоков между моделями GCP, скорее всего, обусловлены неопределенностями в количестве почвенного углерода или пространственной протяженности затопления, чем в температурных зависимостях, таких как факторы Q10. Модели GCP не согласуются во времени и амплитуде сезонного цикла, и мы обнаружили, что модели с сезонным пиком в июле и августе демонстрируют наилучшее соответствие с атмосферными наблюдениями. Модели, которые наилучшим образом подходят для наблюдений за атмосферой, также имеют сходное пространственное распределение; эти модели концентрируют потоки вблизи канадской низменности Гудзонова залива. Современные модели, основанные на технологических процессах, гораздо лучше согласуются с атмосферными наблюдениями, чем модели десятилетней давности, но наш анализ показывает, что по-прежнему существует множество возможностей для совершенствования.

Исследование опубликовано в журнале Atmospheric Chemistry and Physics.

Международный коллектив ученых применил XGBoost и спутниковые данные для заполнения пробелов в потоках CO₂ в лесных экосистемах

Заполнение пробелов в данных о потоках CO2 пульсационных измерений (EC) имеет решающее значение для количественной оценки баланса углерода в экосистемах, однако традиционные методы, такие как отбор проб с предельным распределением (MDS), неадекватно отражают субсуточные потоки углерода и не учитывают динамику растительности, что особенно проблематично при заполнении пробелов продолжительностью более одной недели. В этом исследовании оценивается потенциал экстремального повышения градиента (XGBoost), подхода к машинному обучению, для улучшения заполнения пробелов в чистом экосистемном обмене (NEE) и валовом первичном производстве (GPP) путем интеграции данных дистанционного зондирования (RS) и экологических данных, полученных как из измерений на месте, так и из повторного анализа ERA5 модель над сосновым лесом умеренного пояса (территория ICOS BE-Bra). Мы сравниваем три модели XGBoost: (1) локальные (метеорологические данные, влажность почвы и индуцированная солнцем флуоресценция хлорофилла (SIF) на основе башни), (2) крупномасштабные (индексы растительности, полученные на основе ERA5 и Sentinel-2) и (3) гибридные (сочетание ERA5 и Sentinel-2 для индексов растительности с использованием локальных измерений радиации). Результаты показывают, что XGBoost превосходит MDS по скорости заполнения пробелов NEE во всех своих сценариях с минимальным снижением производительности при разрывах до 56 дней. Влажность почвы и SIF улучшали прогнозы в теплые периоды (температура воздуха > 25°C), когда эти данные были получены из местных источников. Анализ SHAP выявил, что факторы, связанные с освещенностью, являются доминирующими. Во время периодов сильной жары, которые обычно сопровождаются высокой освещенностью, содержание влаги в почве становится важным фактором. В целом, гибридная модель достигла показателей, сравнимых с моделями с натурными данными, демонстрируя жизнеспособность спутниковой РС и повторного анализа для оперативного устранения пробелов. Однако облучение на месте оказалось значительно более полезным по сравнению с облучением на основе повторного анализа. Наши результаты свидетельствуют в пользу того, что XGBoost является надежным инструментом для интеграции данных из нескольких источников, позволяющим проводить количественную оценку потоков углерода, выходящую за рамки традиционных методов, особенно когда речь заходит о моделировании субсуточных потоков углерода, что важно при использовании данных ЕС для оценки потоков углерода на основе дистанционного зондирования.

Исследование опубликовано в журнале Agricultural and Forest Meteorology.

Новозеландские исследователи использовали моделирование и наблюдения для объяснения аномальных потоков метана в пастбищах

Луговые почвы, как правило, считаются небольшим поглотителем метана (СН4), что в основном основано на результатах камерных экспериментов. Однако микрометеорологические исследования с использованием методов пульсационных измерений (EC) и градиентных измерений (FG) часто выявляли восходящие потоки CH4 над пастбищами в отсутствие пасущихся животных. Здесь мы сопоставляем имеющиеся данные по EC и FG по пастбищным системам Новой Зеландии, выявляя преобладание восходящих потоков, обычно ≈ 5-10 мг м-2 сут.-1. Затем мы исследуем, представляют ли эти потоки реальные выбросы от пастбищ, и приходим к выводу, что это не так. Скорее всего, эти небольшие восходящие потоки, вероятно, являются результатом сильных выбросов CH4 из подветренных источников, расположенных на расстоянии порядка 1 км или более, за пределами зоны, которая обычно считается зоной воздействия потока. Другими словами, горизонтальная адвекция часто является существенным фактором в массовом балансе CH4, и допущение об однородности для EC и FG нарушается. Этот вывод основан на следующих фактических данных: 1) Предварительные исследования с камерными измерениями на трех фермах, где проводились измерения EC и FG, выявили небольшие уровни поглощения CH4. 2) Моделирование с использованием модели рассеивания выбросов коров на расстоянии 800-900 м с наветренной стороны от точки измерения на высоте 2 м над землей показало систематические восходящие потоки EC, составляющие 1-25 мг м-2 сут.-1, и восходящие потоки FG аналогичной величины для достаточно стабильной или нестабильной стратификации, демонстрируя, что потоки наблюдаемой величины могут быть полностью изменены. вызванный адвекцией. 3) Коспектры CH4 и вертикального ветра сравнивались с их аналогами по диоксиду углерода (CO2), поскольку известно, что CO2 поглощается или выбрасывается локально и пространственно однородно, а коспектры CH4 существенно отличались, преобладая при малых волновых числах, что указывает на перенос крупными организованными структурами. Основываясь на нашем анализе, мы настоятельно рекомендуем соблюдать осторожность при интерпретации микрометеорологических данных о потоках CH4 в ландшафтах, где присутствуют крупные временные источники выбросов.

Исследование опубликовано в журнале Agricultural and Forest Meteorology.

Американские исследователи сравнили данные башен AmeriFlux и NEON для оценки потоков CO₂ в лесной экосистеме

Долгосрочные экологические данные необходимы для выявления последствий изменения климата и других факторов глобальных изменений, а также для составления обоснованных прогнозов относительно будущих изменений. Однако долгосрочные измерения редко воспроизводятся на уровне объекта, что вызывает вопросы относительно их репрезентативности. Мы использовали многомасштабный подход для оценки соответствия результатов параллельных наблюдений с башен AmeriFlux и NEON (Национальная сеть экологических обсерваторий) в экспериментальном лесу Бартлетт, Нью-Гэмпшир, США. Две башни разделены расстоянием по горизонтали в 93 метра. Мы сосредоточили наш анализ на стандартных метеорологических переменных; потоках CO2, ощутимой и скрытой теплоте, измеренных с помощью вихревой ковариации; и фенологии, полученной на основе изображений PhenoCam. Результаты свидетельствуют о превосходном согласии между AmeriFlux и NEON в метеорологии и фенологии, а также о хорошем совпадении потоков в получасовом масштабе. Однако в годовом масштабе наблюдались значительные различия в потоках CO2 и скрытого тепла, что особенно сказалось на углеродном балансе лесов. Измерения на башне AmeriFlux указывают на участок, близкий к углеродно-нейтральному (-8 ± 65 г м-2 год-1, среднее значение ± 1 SD), в то время как измерения на башне NEON указывают на лес, который является поглотителем углерода (-137 ± 10 г м-2 год-1). Причинами этого расхождения могут быть высота измерения (26 м против 35 м), что привело к различиям в измерении потока на двух башнях, а также различия в системах измерения потока. Наши результаты свидетельствуют о необходимости проявлять осторожность при попытке объединить долгосрочные данные о потоках с двух разных измерительных платформ и при использовании измерений с любой одной измерительной платформы для принятия обоснованных решений по вопросам, связанным с учетом выбросов углерода или решениями, связанными с естественным климатом.

Исследование опубликовано в журнале Agricultural and Forest Meteorology.

Международный коллектив ученых оценил долгосрочную динамику парниковых газов при восстановлении торфяных водно-болотных угодий

Во всем мире водно-болотные угодья могут поглощать и накапливать большое количество почвенного углерода в течение длительного времени благодаря высокой первичной продуктивности и медленному разложению. Однако многовековая практика осушения для сельского хозяйства и развития превратила многие из этих поглотителей углерода в источники парниковых газов (ПГ). Восстановление деградировавших водно-болотных угодий, особенно в богатых торфом ландшафтах, все чаще пропагандируется как природоохранное решение для смягчения последствий изменения климата. Однако траектория и сроки восстановления остаются неопределенными, особенно учитывая сложную взаимосвязь между динамикой растительности, гидрологией и потоками парниковых газов. В этом исследовании мы проанализировали результаты 44-летних непрерывных измерений вихревой ковариации потоков углекислого газа (CO2) и метана (CH4) на восстановленных водно-болотных угодьях в дельте Сакраменто-Сан-Хоакин в Калифорнии. Наши результаты свидетельствуют о существенной межгодовой изменчивости в обмене парниковыми газами на разных участках, обусловленной различиями в планировании восстановительных работ, управлении водными ресурсами и формировании растительности. Хотя быстрый рост растительности, особенно густых зарослей макрофитов, может увеличить поглощение CO2, он часто приводит к увеличению выбросов CH4 и усложняет прогнозы того, когда водно-болотные угодья станут чистыми поглотителями парниковых газов. Важно отметить, что водно-болотные угодья с задержкой формирования растительности из-за высокого или непостоянного уровня воды (например, из-за значительного сокращения) оставались постоянными источниками выбросов парниковых газов даже спустя годы после восстановления. И наоборот, участки с специально подобранной посадкой или естественной и быстрой реколонизацией демонстрировали более ранние переходы к статусу чистого поглотителя, включая более ранние сдвиги в сторону чистого отрицательного радиационного воздействия после восстановления. В исследовании подчеркивается важность адаптивных стратегий восстановления в зависимости от конкретного участка и долгосрочного мониторинга для выявления динамики перехода от источников к поглотителям. По мере роста глобальных инвестиций в восстановление водно-болотных угодий, наши выводы подчеркивают необходимость сбалансировать цели по смягчению последствий изменения климата с экологическими реалиями и саморегулирующимися процессами сукцессии растительности.

Исследование опубликовано в журнале Global Change Biology.

Международная группа ученых протестировала масштабируемую систему мониторинга CO₂ с использованием бюджетных сенсоров

Городские районы являются основными источниками антропогенных выбросов CO2, однако детальный мониторинг остается сложной задачей из-за стоимости и эксплуатационных ограничений традиционных сенсорных сетей. В качестве масштабируемой альтернативы мы создали сеть ACROPOLIS (Автономная и откалиброванная обсерватория на крыше для мониторинга городской среды) в столичном регионе Мюнхен, используя недорогие датчики для обеспечения плотного наблюдения в масштабах города. В этой работе описывается разработка аппаратного и программного обеспечения системы, ее производительность и первые 1,5 года эксплуатации, в течение которых было произведено более 90 миллионов измерений CO2 в городских, пригородных и сельских условиях. Основная цель состояла в том, чтобы оценить, могут ли недорогие датчики Vaisala GMP343 в сочетании с внутренними настройками производителя и стабилизацией состояния окружающей среды надежно измерять концентрацию CO2 с достаточной точностью для решения городских задач. Мы внедрили полностью автоматизированную процедуру калибровки по 2 точкам с использованием синтетических сухих эталонных газов и провели многонедельное параллельное сравнение с высокоточным эталонным прибором Picarro для оценки характеристик датчика. Наши результаты показывают, что, несмотря на различия в температурной чувствительности между датчиками, почасовая агрегированная среднеквадратичная ошибка (RMSE) всех датчиков составляет 1,16 промилле в диапазоне от 0,57 до 2,58 ppmv. Анализ пространственных и временных закономерностей выявляет четкие сезонные циклы, градиенты концентрации между городом и сельской местностью и ночные явления накопления, соответствующие ожидаемой биогенной и антропогенной активности, а также механизмам атмосферного переноса. Мы пришли к выводу, что городские сети средней стоимости могут предоставлять ценные с научной точки зрения данные наблюдений за парниковыми газами с высоким пространственным разрешением, если они подкреплены соответствующими методами калибровки и стабилизации. Дизайн с открытым исходным кодом и продемонстрированная эффективность сети ACROPOLIS закладывают основу для будущего развертывания в других городах, стремясь улучшить мониторинг выбросов и городскую климатическую политику.

Исследование опубликовано в журнале Atmospheric Measurement Techniques.

Немецкие исследователи проанализировали углеродный и энергетический баланс агролесомелиоративных систем на основе данных вихревой ковариации

Агролесомелиоративные системы считаются подходящими природоохранными решениями для смягчения последствий изменения климата. Однако долгосрочные измерения плотности потока CO2, суммарного испарения и ощутимой плотности теплового потока в значительной степени все еще отсутствуют. Здесь мы представляем уникальный набор данных о вихревой ковариации и метеорологических данных, собранных в общей сложности с десяти станций, расположенных в агролесоводстве и на открытых пахотных землях или пастбищах, расположенных на севере Германии. Данные были согласованы для создания согласованного набора данных, который включает в себя заполненные пробелами временные ряды метеорологических и недорогостоящих вихревых ковариационных измерений с использованием идентичных приборов, что составляет в общей сложности данные за семьдесят восемь лет наблюдений. Цель этого набора данных - предоставить данные наблюдений о различиях в метеорологических условиях, углеродном, водном и энергетическом балансах прилегающих агролесомелиоративных и открытых пахотных землях или пастбищах в пяти различных регионах Германии. Этот обширный, непрерывный набор данных может быть использован для изучения свойств экосистем и потенциальных преимуществ агролесомелиорации. Он также может быть использован, среди прочего, для параметризации моделей продуктивности сельскохозяйственных культур и биомассы или для оценки реакции таких агроэкосистем на сценарии изменения климата. Предполагаемыми ключевыми пользователями этого набора данных являются исследователи в области микрометеорологии, вихревой ковариации, агрономии и моделирования экосистем.

Исследование опубликовано в журнале Earth System Science Data.

Бразильские исследователи оценили потенциал углеродного земледелия для восстановления запасов почвенного углерода в сельскохозяйственных землях

Углеродное земледелие является фундаментальной стратегией смягчения последствий изменения климата. Бразилия, располагающая 276 миллионами гектаров сельскохозяйственных угодий, обладает большим потенциалом для того, чтобы возглавить эту программу, но неопределенность в отношении содержания углерода (С) в почве препятствует пониманию ее истинного потенциала в области смягчения последствий. Здесь мы оцениваем углеродный разрыв в почве, разницу между запасами органического углерода в почве (SOC) под местной растительностью и сельскохозяйственными угодьями в шести биомах Бразилии, что представляет собой теоретический потенциал для рекарбонизации почвы. Метаанализ с использованием обширной национальной базы данных SOC (4290 записей, 0-30 см) позволил оценить общий уровень выбросов углерода в 1,40 ± 0,1 ПгC. Результаты показывают, что устойчивые методы, такие как севооборот, междурядная обработка, отсутствие обработки почвы и интегрированные сельскохозяйственные системы, способствуют восстановлению SOC. Эти результаты подчеркивают способность Бразилии способствовать снижению глобальных выбросов, проводить низкоуглеродную политику и позиционировать страну как ключевого игрока на формирующемся глобальном углеродном рынке.

Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.

Американские исследователи оценили потоки парниковых газов в городской среде на основе многосайтовой EC-сети INFLUX

Вихревые ковариационные изменения используются различными дисциплинами для измерения атмосферных потоков как векторных, так и скалярных величин. Одним из таких был эксперимент Indianapolis Flux Experiment (INFLUX), в ходе которого в Индианаполисе, штат Индиана, США, были успешно развернуты и эксплуатировались вихревые ковариационные башни в одиннадцати местах в течение различных периодов времени, измеряющие потоки от типов растительного покрова в городской среде и вокруг нее. Данные, собранные с помощью этой сети вышек, были использованы для количественной оценки выбросов парниковых газов, энергии и импульса в городах, оценки эффективности численных моделей погоды и углеродного цикла, а также разработки новых методов анализа. В этом документе описываются доступные данные, связанные с сетью вихревых ковариационных измерений INFLUX, приводятся подробные сведения об обработке данных и контроле качества, а также описываются атрибуты сайта, помогающие в интерпретации данных.

Исследование опубликовано в журнале Earth System Science Data.