Влияние экстремальных явлений погоды на потоки парниковых газов в лесах умеренных и тропических широт

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-17-00073

НазваниеВлияние экстремальных явлений погоды на потоки парниковых газов в лесах умеренных и тропических широт

Руководитель Ольчев Александр Валентинович, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова» , г Москва

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-704 - География климата

Ключевые слова экстремальные явления погоды, лесные экосистемы, тропические и умеренные широты, потоки парниковых газов, реанализ, пульсационные измерения, валовая первичная продукция, экосистемное дыхание, эвапотранспирация

Код ГРНТИ37.23.51

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Современные изменения климата, сопровождающиеся резким ростом глобальной температуры, изменением режима осадков, увеличением повторяемости и интенсивности опасных явлений погоды, могут оказать значительное влияние на рост и развитие растительных сообществ, а также на их устойчивость (IPCC 2021). Экстремальные явления погоды, такие как волны жары, катастрофические засухи, ураганы и интенсивные ливни в краткосрочной перспективе могут привести к нарушению состояния и функционирования растительных сообществ, что незамедлительно может проявиться в изменении транспирации, фотосинтеза, дыхания и нетто СО2 обмена растений с атмосферой. Значительная часть поверхности суши покрыта лесами и они очевидно играют значительную роль в глобальной климатической системе, регулируя процессы обмена парниковыми газами между земной поверхностью и атмосферой, выполняя важную водорегулирующую и водосберегающую функцию, формируя радиационный и тепловой баланс земной поверхности, определяя микроклимат обширных территорий и поглощая и удерживая атмосферный углерод в связанном состоянии на протяжении значительных интервалов времени. Эффект влияния экстремальных явлений погоды на функционирование и продуктивность лесных растительных сообществ на протяжении последних десятилетий неоднократно рассматривался в научных исследованиях, однако акцент в этих работах делался преимущественно на анализ процессов в отдельно взятых экосистемах (case study) без возможного регионального и глобального обобщения. В рамках данного проекта планируется решение комплекса задач по оценке и выявлению возможных отличий в отклике лесных экосистем умеренных и тропических широт, расположенных на разных континентах, на экстремальные явления погоды (аномально высокие или низкие температуры, почвенные засухи, интенсивные осадки и др.), а также на экстремальные климатические события (явления Эль-Ниньо, Ла-Ниньа, Индийский диполь и др.). Леса умеренных и тропических широт покрывают значительные территории в северном и южном полушарии и изучение их отклика на внешние воздействия чрезвычайно важно для более глубокого понимания и прогноза состояния атмосферы и климата. Одним из наиболее эффективных подходов для мониторинга состояния растительных сообществ являются наблюдения за обменом растений водяным паром и диоксидом углерода с окружающим воздухом, проводимые с использованием различных экспериментальных подходов (метод турбулентных пульсаций, экспозиционных камер, и др.). Испарение, скорость фотосинтеза и дыхания являются универсальными характеристиками, определяющими состояние и функционирование растительных сообществ в разных географических широтах и, можно предположить, что сопряженный анализ данных по потокам и метеорологическим полям в глобальном масштабе может дать новые данные об особенностях отклика лесных экосистем в разных географических регионах на внешние воздействия. В качестве рабочей гипотезы в исследовании сделано предположение о различной реакции лесной растительности в разных регионах на аномальные явления погоды разной интенсивности. Для решения поставленной задачи планируется использование данных реанализа, а также данных наблюдений за потоками парниковых газов сети FLUXNET (https://fluxnet.org/data/). Кроме того, для более детального изучения процессов взаимодействия лесных экосистем и атмосферы на Европейской территории России в проекте планируется использование данных наблюдений за потоками парниковых газов в Московской области и Краснодарском крае на вновь создаваемых лесных станциях мониторинга потоков парниковых газов в рамках проекта "Карбоновые полигоны" Минобрнауки России. До настоящего времени вклад смешанных лесов южнотаежной зоны Европейской территории России и лиственных лесов Кубани в баланс парниковых газов исследован достаточно слабо, и новые экспериментальные данные о потоках позволят существенно дополнить современную пространственную картину распределения источников и стоков парниковых газов на территории Российской Федерации.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Ольчев А.В., Зырянов В.И., Панов А.В., Сатосина Е.М., Мухартова Ю.В., Новенко Е.Ю., Прокушкин А.С. Seasonal variability of carbon dioxide and methane fluxes in a subarctic palsa mire in North-Central Siberia Environmental Sciences Proceedings, Vol.19(1), 52 (год публикации - 2022)
10.3390/ecas2022-12837

2. Железнова И.В., Гущина Д.Ю., Мейрамов Ж.М., Ольчев А.В. Temporal and Spatial Variability of Dryness Conditions in Kazakhstan during 1979–2021 Based on Reanalysis Data CLIMATE, Zheleznova, I.; Gushchina, D.; Meiramov, Z.; Olchev, A. Temporal and Spatial Variability of Dryness Conditions in Kazakhstan during 1979–2021 Based on Reanalysis Data. Climate 2022, 10, 144. (год публикации - 2022)
10.3390/cli10100144

3. Мухартова Ю.В., Железнова И.В., Несвятипаска А.И., Кислов А.В. The Vorticity Budget of an Individual Atmospheric Vortex for the Hawaiian High Environmental Sciences Proceedings, Vol. 19 (1), 4 (год публикации - 2022)
10.3390/ecas2022-12853

4. Ольчев А.В., Зырянов В.И., Сатосина Е.М., Фокеев Е.В., Мухартова Ю.В., Новенко Е.Ю., Прокушкин А.С. Сезонная изменчивость потоков диоксида углерода, явного и скрытого тепла в северотаежном лиственничном лесу Cредней Cибири по данным пульсационных измерений Метеорология и Гидрология, №10, С.111-120 (год публикации - 2022)
10.52002/0130-2906-2022-10-111-120

5. Железнова И.В., Гущина Д.Ю. Изменчивость экстремальных температур воздуха и осадков в различных природных зонах. Всероссийская конференция, посвященная памяти академика А.М. Обухова "ТУРБУЛЕНТНОСТЬ, ДИНАМИКА АТМОСФЕРЫ И КЛИМАТА" 22-24 ноября 2022 года. Сборник тезисов докладов., с.66 (год публикации - 2022)

Публикации

1. Гущина Д.Ю., Тарасова М.А., Сатосина Е.М., Железнова И.В., Емельянова Е.Р., Новикова Е.В., Ольчев А.В. Effects of Extreme Temperature and Precipitation Events on Daily CO2 Fluxes in the Tropics CLIMATE, 11, 117 (год публикации - 2023)
10.3390/cli11060117

2. Сатосина Е.М., Зырянов В.И., Ольчев А.В., Прокушкин А.С., Панов А.В., Мухартова Ю.В., Новенко Е.Ю. Временная изменчивость потоков диоксида углерода, метана, явного и скрытого тепла в субарктической болотной экосистеме Центральной Сибири ГЕОСИСТЕМЫ СЕВЕРО-ВОСТОЧНОЙ АЗИИ: природные, природно-ресурсные и социально-экономические структуры. Сборник научных статей, Владивосток, стр. 118-123 (год публикации - 2023)
10.35735/9785604844175_118

3. Сатосина Е.М., Тарасова М.А., Гущина Д.Ю., Железнова И.В., Емельянова Е.Р., Гибадуллин Р.Р., Осипов А.М., Ольчев А.В. Влияние экстремальных явлений погоды на потоки парниковых газов в лесных экосистемах умеренных и тропических широт Мониторинг состояния и загрязнения окружающей среды: приземный климат, загрязняющие и климатически активные вещества. Материалы III всероссийской научной конференции с международным участием. Москва, 15-17 ноября 2023 г. М.: ФГБУ «ИГКЭ»., стр. 407-411 (год публикации - 2023)

4. Новенко Е., Руденко О., Мазей Н., Куприянов Д., Андреев Р., Шатунов А., Кусильман М., Прокушкин А., Ольчев А. Effects of Climate Change and Fire on the Middle and Late Holocene Forest History in Yenisei Siberia Forests, 14(12), 2321 (год публикации - 2023)
10.3390/f14122321

5. Гущина Дарья, Арсланова Ясмин, Ольчев Александр Impact of extreme weather conditions on carbon dioxide fluxes in Northern Eurasian forests Abstracts of Japan Geoscience Union Meeting 2023, Makuhari Messe, Chiba, Japan, 21-26.05.2023, P. MIS01–P02. (год публикации - 2023)

6. Железнова И.В., Гущина Д.Ю. Изменчивость экстремальных температур воздуха и осадков в конце XX и в начале XXI веков в различных природных зонах земли по данным реанализа ERA5 Известия РАН. Физика атмосферы и океана, 5, 59, 549–559 (год публикации - 2023)
10.31857/S0002351523050139

7. Гущина Д.Ю., Тарасова М.А., Сатосина Е.М., Железнова И.В. , Емельянова Е.Р., Гибадуллин Р.Р., Осипов А.М., Ольчев А.В. The Response of Daily Carbon Dioxide and Water Vapor Fluxes to Temperature and Precipitation Extremes in Temperate and Boreal Forests CLIMATE, 11, 206. (год публикации - 2023)
10.3390/cli11100206

8. Железнова И.В., Гущина Д.Ю., Мейрамов Ж.М. Роль крупномасштабных и региональных климатических мод в формировании условий засушливости на территории Казахстана Международная конференция «Изменения климата: причины, риски, последствия, проблемы адаптации и регулирования. Климат-2023». 9–13 октября 2023 года. Сборник тезисов докладов, стр. 43 (год публикации - 2023)

9. Железнова И.В., Гущина Д.Ю., Мейрамов Ж.М. Пространственно-временная изменчивость условий засушливости на территории Республики Казахстан в 1979-2021 гг. по данным реанализа ERA5 Международная конференция «Изменения климата: причины, риски, последствия, проблемы адаптации и регулирования. Климат-2023». 9–13 октября 2023 года. Сборник тезисов докладов, стр. 44 (год публикации - 2023)

10. Тарасова М.А., Гущина Д.Ю., Сатосина Е.М., Железнова И.В., Емельянова Е.Р., Гибадуллин Р.Р., Осипов А.М., Ольчев А.В. Отклик нетто CO2- и влаго- обмена лесных сообществ с атмосферой на экстремальные колебания температуры воздуха и количества осадков в лесных экосистемах умеренных широт Международная конференция «Изменения климата: причины, риски, последствия, проблемы адаптации и регулирования. Климат-2023». 9–13 октября 2023 года. Сборник тезисов докладов, стр. 208 (год публикации - 2023)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Исследования по оценке влияния аномалий температуры воздуха и осадков на потоки СО2 и испарение растительных сообществ в тропических и умеренных широтах, были сосредоточены в 2024 году на: - анализе повторяемости экстремальных температур и осадков в зависимости от фаз колебаний крупномасштабных климатических мод для Северного полушария для конца XX и начала XXI века с использованием данных реанализа ERA5; - оценке отклика потоков СО2 и Н2О в различных наземных экосистемах Северного полушария на аномальные погодные и климатические события; - определении различий в откликах потоков СО2 и Н2О в экосистемах разных широт на экстремальные погодные условия; - анализе взаимосвязи между аномалиями потоков парниковых газов и экстремальными колебаниями температуры воздуха и количества осадков в тундровых ландшафтах. - оценке отклика потоков парниковых газов на изменение условий внешней среды на карбоновых полигонах. Анализ влияния крупномасштабных климатических мод на повторяемость экстремальных температур воздуха и осадков в Северном полушарии показал, что основные моды климатической изменчивости оказывают различное влияние на повторяемость экстремальных условий в разных регионах Земного шара. Наиболее выраженный эффект на изменение частоты экстремальных температур (> 50% разницы между фазами) для исследуемого региона оказывают Арктическая Осцилляция (AO), индекс Восточная Атлантика – Западная Россия (EA-WR), Северо-Атлантическое колебание (NAO) и индекс Скандинавского колебания (SCAND). Наиболее сильный эффект на экстремальные осадки выявлен для Северо-Атлантического колебания, Арктической осцилляции, Скандинавского индекса и индекса Восточная Атлантика – Западная Россия. Для всех рассмотренных климатических мод линейный отклик (синхронное увеличение частоты экстремально высоких значений температур или осадков в положительную фазу и наоборот) преобладает над нелинейным откликом. Показано, что на одни и те же регионы значимое влияние могут оказывать сразу несколько климатических мод, которые имеют различный временной масштаб, и могут оказывать противоположный эффект на частоту возникновения экстремальных погодных условий. Это формирует сложный характер отклика экстремальных температур и осадков на моды климатической изменчивости. Воздействие ЭНЮК на потоки парниковых газов не зависит явным образом от типа биома: эффекты от колебаний аномалий ТПО в экваториальном Тихом океане в большей степени проявляются в тропической зоне. Влияние волн жары максимально для хвойных вечнозеленых лесов (аномальная эмиссия СО2), а также лиственных и хвойных вечнозеленых кустарничков и водно-болотных угодий (усиленное поглощение). Волны холода в теплый период случаются редко и сопровождались усиленной эмиссией СО2 только на двух станциях. Аномально высокие температуры для большинства экосистем умеренного пояса приводят к ослаблению фотосинтеза, уменьшению GPP и увеличению эмиссии CO2 в атмосферу, что обусловлено тепловым стрессом, негативно влияющим на функционирование растений. Отклик потоков CO2 в тропических и полярных широтах на аномально высокую температуру противоположен умеренным широтам. В тропиках в аномально жаркие периоды усиливается поглощение CO2 экосистемами, так как в тропиках температура не является фактором, лимитирующим фотосинтез при достаточном увлажнении. При этом жаркие периоды, как правило соответствуют малооблачным условиям с большим притоком солнечной радиации, что увеличивает GPP. В полярных широтах температуры, превышающие 95% квантиль, лежат в диапазоне 21-23°С, что обеспечивает термический режим, благоприятный для фотосинтеза. Испарение увеличивается при высоких температурах на всех исследованных станциях. Аномально низкие температуры приводят к ослаблению испарения во всех экосистемах, за исключением луговой растительности в тропиках и вечнозеленых кустарников в полярных широтах. Однозначного отклика потоков СО2 на уменьшение температуры в тропиках и умеренных широтах не выявлено. В полярных широтах, резкие похолодания преимущественно сопровождаются усилением эмиссии СО2, за счет ослабления фотосинтеза. Интенсивные осадки приводят к снижению фотосинтеза растений на фоне уменьшения прихода солнечной радиации, и к более ускоренному разложению почвенной органики и усилению дыхания почвы в период переувлажнения, вызывающих увеличение эмиссии CO2. Испарение ослабляется в период интенсивных осадков в умеренных и полярных широтах, что обусловлено значительной облачностью, сокращающей приток солнечной радиации. В тропиках, наоборот, в период интенсивных осадков испарение усиливается на фоне высокого фона температуры. Накопленный эффект выпавших интенсивных осадков, в основном, противоположен короткопериодному: наблюдается усиление поглощения CO2 и рост испарения в всех широтных зонах за исключением некоторых биомов, так как достаточное увлажнение почвы в период после выпадения осадков на фоне уменьшения облачности и увеличения притока солнечной радиации создает благоприятные условия для фотосинтеза и испарения влаги. Анализ реакции потоков СО2 на аномалии температуры и осадков в экосистемах полярных широт показал, что эмиссия СО2 при аномально высоких температурах наблюдалась только в экосистемах на южной границе полярного региона, где волны жары наблюдаются чаще. Поглощение СО2 при аномально высоких температурах наблюдалось в 16-46% дней в широколиственных лесах, водно-болотных угодьях и открытых кустарниковых ландшафтах. Аномально низкие температуры в основном приводят к слабой эмиссии СО2 в атмосферу из-за снижения GPP. Мгновенная реакция потоков СО2 на интенсивные осадки проявляется в увеличении эмиссии СО2 в атмосферу во всех экосистемах полярных широт. В тундровых и лесотундровых экосистемах полярных широт влияние температуры на потоки СО2 доминирует над влиянием влажности почвы. Анализ отклика потоков СО2 на экстремальные температуры воздуха и осадки в болотных экосистемах показал, что в умеренных широтах в течение теплого периода во время экстремально высоких температур наблюдалась преобладающая положительная аномалия потока CO2 (превышение эмиссии над поглощением СО2), при этом в полярных широтах отмечался противоположный отклик – увеличение нетто поглощения СО2 болотными экосистемами. Результаты измерений потоков CO2 и CH4 у поверхности почвы на карбоновых полигонах в Краснодарском крае показали, что при аномально высоких температурах выше 30°С на полигоне в Краснодарском крае, отмечается смена знака изменения почвенного дыхания от температуры (рост почвенного дыхания сменяется снижением с ростом температуры). При уменьшении влажности почвы в диапазоне <50% отмечалось уменьшение скорости почвенной эмиссии CO2, на фоне уменьшения скорости разложения почвенной органики и ослабления корневого дыхания растений. Анализ потоков СН4 показал снижение скорости поглощения СН4 с увеличением почвенного влагосодержания и уменьшением температуры почвы.

Публикации

1. Сатосина Е.М., Гущина Д.Ю., Тарасова М.А., Железнова И.В., Емельянова Е.Р., Гибадуллин Р.Р., Осипов А.М., Ольчев А.В. Влияние аномалий температуры и осадков на потоки диоксида углерода во внетропических лесах Северного полушария Вестник Московского университета. Серия 5. География., Т.79, №2 , С. 19-30 (год публикации - 2024)
10.55959/MSU0579-9414.5.79.2.2

2. Железнова И.В., Новикова А.А., Гущина Д.Ю. The effects of the low frequency ocean-atmosphere variability on the extreme weather events in the Northern Hemisphere extratropics Japan Geoscience Union Meeting 2024, MIS01-P05 (год публикации - 2024)

3. Сатосина Е.М., Гущина Д.Ю., Тарасова М.А., Гибадуллин Р.Р., Железнова И.В., Емельянова Е.Р., Осипов А.М., Ольчев А.В. Effects of temperature and precipitation anomalies on carbon dioxide and latent heat fluxes in wetland ecosystems. Environmental Dynamics and Global Climate Change (год публикации - 2024)
10.18822/edgcc635041

4. Сатосина Е.М., Гущина Д.Ю., Тарасова М.А., Гибадуллин Р.Р., Железнова И.В., Емельянова Е.Р., Осипов А.М., Ольчев А.В. Влияние аномальных температур и осадков на потоки диоксида углерода и скрытого тепла в болотных экосистемах Западно-Сибирские торфяники и цикл углерода: прошлое и настоящее/ Материалы Седьмого международного полевого симпозиума (Ханты-Мансийск, Белоярский 15 – 27 августа 2024 г.). – Томск : Изд-во Томского государственного университета, стр. 47-48 (год публикации - 2024)

5. Сатосина Е.М., Гущина Д.Ю., Тарасова М.А., Железнова И.В., Емельянова Е.Р., Гибадуллин Р.Р., Осипов А.М., Ольчев А.В. Carbon dioxide fluxes in boreal and temperate forests affected by temperature and precipitation extremes Japan Geoscience Union Meeting 2024, MIS01-07 (год публикации - 2024)

6. Гущина Д.Ю., Тарасова М.А., Горбаренко Е.М., Железнова И.В., Емельянова Е.Р., Гибадуллин Р.Р., Ольчев А.В. Различия в отклике потоков CO2 на аномальные погодные условия в тропических, умеренных и полярных широтах Физматкнига, Москва, с.143 (год публикации - 2024)

7. Гущина Д.Ю., Тарасова М.А., Сатосина Е.М., Железнова И.В., Емельянова Е.Р., Гибадуллин Р.Р., Осипов А.М., Ольчев А.В. The different response of CO2 and H2O fluxes on the extreme weather conditions in ecosystems of tropical, moderate and boreal zones Japan Geoscience Union Meeting 2024, MIS01-07 (год публикации - 2024)

Возможность практического использования результатов
Потенциал для практического использования результатов выполненного проекта в экономике и социальной сфере заключается в возможности применения полученных данных о пространственной и временной изменчивости эмиссии и поглощения парниковых газов в природных экосистемах для национальной и региональной отчетности Российской Федерации по выбросам парниковых газов, а также в планировании и реализации природно-климатических проектов (например, лесо-климатических проектов), используемых предприятиями промышленности и сельского хозяйства для компенсации выбросов парниковых газов и приобретения углеродных единиц (в том числе на регулируемых и добровольных рынках углеродных оффсетов) для получения статуса углеродной нейтральности. Риски влияния экстремальных погодных явлений на функциональное состояние и рост растительных сообществ в условиях меняющегося климата пока полностью игнорируется в подобных проектах. Полученные в рамках проекта результаты, включая информацию о динамике потоков парниковых газов и повторяемости экстремальных явлений погоды, являются базовыми для планирования социально-экономического развития территорий при разных сценариях изменения климата на ближайшие десятилетия, а также для развития механизмов адаптации и смягчения последствий современных климатических изменений, и сокращению их негативного влияния на отрасли экономики и качество жизни людей (распоряжение правительства РФ от 11 марта 2023 г. № 559-р).