Потоки и изотопный состав метана над неоднородными ландшафтами вечной мерзлоты в Арктике и торфяных болот в Сибири

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 22-47-04408

НазваниеПотоки и изотопный состав метана над неоднородными ландшафтами вечной мерзлоты в Арктике и торфяных болот в Сибири

Руководитель Репина Ирина Анатольевна, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова Российской академии наук , г Москва

Конкурс №54 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (DFG)

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-604 - Атмосферный пограничный слой

Ключевые слова климат, эмиссия метана, турбулентность в пограничном слое, болота, вечная мерзлота, неоднородная поверхность, беспилотные летательные аппараты

Код ГРНТИ37.21.35

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Метан является одним из важнейших парниковых газов наряду с углекислым газом и водяным паром. Его поглощающая способность во много раз превосходит поглощающую способность углекислого газа. Поэтому повышение точности оценок глобальной и региональной эмиссии метана является крайне актуальной задачей. При этом неопределенность таких оценок велика из-за недостаточного количества наблюдений и их локального характера, т.е. малого пространственного покрытия. Эта проблема стоит особенно остро для труднодоступных и удаленных ландшафтов в Арктике и Субарктике и торфяных болот Западной Сибири. Оба типа ландшафтов являются крупными резервуарами органического углерода. Более того, наблюдаемое изменение климата в высоких и средних широтах ведет к таянию вечной мерзлоты, что может привести к дальнейшему увеличению эмиссии метана из Арктического и Субарктического региона. Болота также являются хрупкими экосистемами, подверженными влиянию климатических изменений. Большая неопределенность оценок эмиссии метана из этих экосистем связана с сильной пространственной неоднородностью свойств подстилающей поверхности и вызванной этим пространственной изменчивостью составляющих баланса тепла и влаги, а также характеристик газообмена. Учет влияния структурных и температурных неоднородностей поверхности на турбулентный обмен представляет собой еще не решенную проблему. Проект MICHAEL ставит своей целью оценку репрезентативности локальных измерений эмиссий метана традиционно используемых для оценок региональных эмиссий. Основные задачи проекта следующие: 1) Количественная оценка микро- и мезомасштабной изменчивости эмиссии метана, его изотопного состава, турбулентных потоков тепла и влаги, радиационных потоков; 2) Исследование влияния неоднородностей ландшафта на эмиссии метана, его изотопный состав и составляющие баланса тепла и влаги. 3) Оценка адекватности и дальнейшее развитие существующих методов учета влияния неоднородностей ландшафта, применяемых для оценок региональной эмиссии метана, а также в численных моделях климатической системы. Решение этих задач опирается на совместное использование традиционных и новых оригинальных методов измерений в сочетании с численным моделированием. Измерительные кампании будут проводится на двух научных станциях: на острове Самойловский в дельте Лены и в Мухрино в центральной части Западной Сибири. Первая расположены среди мерзлотных ландшафтов, преимущественно полигональной тундры, а вторая находится среди торфяных болот. Обе станции входят в международную сеть INTERACT и имеют развитую инфраструктуру. На обеих станциях ведутся непрерывные многолетние наблюдения потоков парниковых газов и составляющих теплового баланса. Во время интенсивных измерительных кампаний в рамках проекта MICHAEL эти непрерывные наблюдения дополнят измерения с помощью беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) следующих параметров: турбулентных потоков тепла и метана, поток коротковолновой и длинноволновой радиации, вертикальных профилей концентрации и изотопного состава метана. Будут задействованы три системы на базе БПЛА: БПЛА самолетного типа для метеорологических наблюдений, включая турбулентные пульсации трех компонент скорости ветра и температуры; квадрокоптер для измерения вертикальных профилей концентрации метана и отбора проб воздуха для дальнейшего лабораторного анализа; БПЛА самолетного типа вертикального взлета и посадки, измеряющий турбулентный поток метана. БПЛА будут совершать измерения в различных районах в радиусе до 10 км от стационарных наблюдений и, в результате, позволят получить трехмерные поля турбулентных статистик, потоков тепла, концентраций и эмиссий метана. В дополнение к натурным наблюдениям, в рамках проекта будет использована модель деятельного слоя суши, входящая в модель климатической системы Института вычислительной математики РАН INMCM5. Модель будет задействована для воспроизведения баланса тепла и влаги деятельного слоя, а также углеродного цикла на сезонных и суточных масштабах. Модель будет адаптирована к исследуемым ландшафтам и верифицирована на основе сравнения с данными наблюдений. На основе результатов моделирования будут сделаны оценки влияния подсеточных неоднородностей ландшафтов на эмиссию метана и баланс тепла и влаги. Также будет сделан вывод о том, можно ли рекомендовать данную версию модели деятельного слоя суши в качестве инструмента, который может быть использован для оценки региональных выбросов метана. Для периодов измерительных кампаний, численная модель атмосферы Weather Research and Forecasting (WRF) с высоким разрешением будет использована для оценки влияния неоднородностей ландшафта и синоптических условий на динамику атмосферного пограничного слоя и энергообмен атмосферы с подстилающей поверхностью. Особое внимание уделяется анализу свойств пограничного слоя атмосферы и мезомасштабных циркуляций, которые могут сильно повлиять на изменчивость концентрации метана. Результаты моделирования дополняют наблюдения для оценки суточного цикла свойств пограничного слоя, турбулентных масштабов, связанных со стратификацией и высотой пограничного слоя, процессов горизонтальной и вертикальной адвекции и возможного влияния удаленных источников. Результаты моделирования по сравнению с наблюдениями также используются для оценки параметризации турбулентного обмена, используемого в модели WRF. Результаты выполнения проекта используются в учебном процессе при проведении полевых практик, лекционных и семинарских занятой со студентами соответствующих специальностей географического факультета Московского государственного университета и Югорского государственного университета.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Мершавка А.Д., Репина И.А., Макаров Р.Д., Денисов Е.А., Ивахов В.М., Лыков А.Д. Исследование применимости полупроводниковых метановых датчиков в измерении эмиссии метана с поверхности водных объектов Оптика атмосферы и океана, Т. 36. № 03. С. 224–238. (год публикации - 2023)
10.15372/AOO20230309

2. Рязанова А.А., Богомолов В.Ю., Степаненко В.М. Применимость различных педострансферных функций к описанию гидрофизических характеристик почвогрунтов Водные ресурсы, T. 50, № 5, стр. 585-601 (год публикации - 2023)
10.31857/S0321059623600114

3. Дюкарев Е.А. Comparison of Artificial Neural Network and Regression Models for Filling Temporal Gaps of Meteorological Variables Time Series Applied Sciences, V.13, p.2646 (год публикации - 2023)
10.3390/app13042646

4. Варенцов М.И., Варенцов А.И., Репина И.А., Артамонов А.Ю., Дрозд И.Д., Мамонтов А.Е., Степаненко В.М. Опыт мониторинга термической структуры поверхности неоднородных ландшафтов с использованием БПЛА Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics, Т. 60, №. 3. С. 334–350 (год публикации - 2024)
10.1134/s0001433824700269

5. Чечин Д.Г., Репина И.А., Артамонов А.Ю., Дрозд И.Д., Дюкарев Е.А., Казанцев В.С., Кривенок Л.А., Ларина А.В., Пашкин А.Д., Шмонин К.Н., Степаненко В.М., Варенцов М.И. Quantifying spatial heterogeneities of surface heat budget and methane emissions over West-Siberian peatland: highlights from the Mukhrino 2022 campaign Forests (год публикации - 2024)

6. В.И. Суязова, А.В. Дебольский, Е.В. Мортиков Моделирование турбулентных потоков над неоднородной поверхностью с использованием мезомасштабного и вихреразрешающего моделирования Метеорология и гидрология (год публикации - 2025)

7. Кривенок Л.А., Устинов Н.Б., Репина И.А. Удельные потоки парниковых газов из типичных экосистем полигональной тундры острова Самойловский (Северо-Восточная Сибирь) Водные ресурсы (год публикации - 2025)

8. Дюкарев Е.А., Веретенникова Е.Э. , Сабреков А.Ф. , Кулик А.А. , Заров Е.А. ВЗАИМОСВЯЗЬ ПОТОКОВ МЕТАНА И УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА ПО ДАННЫМ АВТОМАТИЧЕСКИХ КАМЕРНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ НА ГРЯДОВО-МОЧАЖИННОМ КОМПЛЕКСЕ БОЛОТА МУХРИНО Динамика окружающей среды и глобальные изменения климата (год публикации - 2025)

9. А.А. Рязанова, В.Ю. Богомолов, В.М. Степаненко, М.И. Варенцов, А.И. Медведев TerMPS: программное обеспечение для подготовки данных о параметрах поверхности суши, используемых в моделях деятельного слоя суши и моделях Земной системы Вычислительные методы и программирование, 2024, Специальный выпуск, 1–19 (год публикации - 2024)

10. Согачев А.Ф., Репина И.А. Область формирования турбулентных потоков (футпринт): концепция и методы оценки Известия РАН. Физика атмосферы и океана (год публикации - 2025)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
1. По наблюдениям на полевом стационаре Мухрино установлено, что суммарно за год, комплексное болото аккумулирует углекислый газ из атмосферы, при этом болото выделяет значительное количество метана. Облесенное болото аккумулирует немного меньшее количество СО2 за год, но эмиссия метана здесь в три раза меньше, что приводит к схожим оценкам углеродного баланса и более значительным оценкам потенциала глобального потепления. Интенсификация выделения метана связана с разрушением сезонно-мерзлого слоя, эмиссией метана, накопившегося за зимний период, из глубоких слоев торфа. Кроме того, весенний подъем уровня болотных вод приводит к вытеснению метана из поверхностных слоев. Получены оценки средних значений потоков СО2 и СН4 с поверхности болота камерным методом; показаны различия в функционировании гряды и мочажины: медианные значения потока СО2 свидетельствуют о большем его поглощении на гряде; потоки метана на гряде в среднем в 20 раз меньше, чем на мочажине. Выявлены корреляционные зависимости потоков парниковых газов с факторами среды: наибольшие связи выявлены с интенсивностью приходящей солнечной, фотосинтетически активной радиации, температурой и относительной влажностью воздуха. Исследования потоков метана и углекислого газа, проведенные методом автоматических камер на олиготрофном грядово-мочажинном болотном комплексе выполненные с высоким временным разрешением, показали, что интенсивность среднего удельного потока метана на мочажине в 24 раза выше, чем на гряде. Для исследования источников концентраций метена на полигоне о. Самойловский был проведен изотопный анализ проб метана. Рассчитанные кажущиеся коэффициенты фракционирования углерода на всех точках пробоотбора, независимо от глубины и обводненности, указывают на ацетат как на основной субстрат метаногенеза Изотопные сигнатуры проб воздуха, отобранных из камер, над отдельными элементами ландшафта указывают на обогащенность приземного слоя воздуха метаном, образовавшимся в болотной экосистеме за счёт деятельности метанотрофов. 2. Установлено, что суточная динамика удельного потока CH4 и CO2 на участках полигональной тундры существенно зависит от влажности и типа экосистемы; наиболее выраженную амплитуду суточных колебаний продемонстрировали УП на обводненных центрах полигонов. В результате работ впервые на о. Самойловский выявлена выраженная суточная динамика УП метана и углекислого газа из центров обводненных полигонов с использованием статического камерного метода. Измерения с использованием БПЛА показали существенную пространственную изменчивость концентраций метана в воздухе. Максимум наблюдается в районе наибольшей концентрации внутриполигональных озерков. Вертикальный профиль показывает наибольшие концентрации метана на высоте 350 м. что в условиях устойчивой стратификации может соответствовать высоте пограничного слоя. 3. Оценки вклада различных поверхностей в футпринт (область формирования потока при измерениях с мачты) позволили оценить степень влияния различных ландшафтов. Потоки метана согласно методу турбулентных ковариаций не продемонстрировали зависимость от количества осадков и уровня болотных вод, которую выявили камерные наблюдения. Это указывает на то, что отклик всей экосистемы на режим увлажнения более сложный, чем отклик эмиссий метана с отдельного элемента ландшафта. Проанализирована зависимость потока метана от параметра стратификации и от скорости трения. Поток метана убывает при росте устойчивости и уменьшении скорости трения. Для анализа вклада в футпринт термических неоднородностей исследовано распределение температуры поверхности методом дистанционного зондирования. Выявлена значительная суточная динамика температуры, различная для разных элементов ландшафтов. 4. Анализ результатов зондирований вертикальной структуры АПС позволил выявить особенности пограничного слоя над дельтой Лены, для которого характерна сложная структура, которая заключается в наличии нескольких перемешанных участков, между которыми наблюдаются скачки метеовеличин. Для о. Самойловского характерны так называемые струйные течения низкого уровня, которые выражаются в наличии максимума ветра в нижнем слое. Одной из наиболее вероятных причин таких особенностей являются неоднородные свойства поверхности – перемежаемость более нагретых и холодных участков, а также орография прибрежных районов. Для Мухрино характерны сильные ночные инверсии и формирование ярко выраженных устойчивых пограничных слоев, что также выражается в сильной ночной аккумуляции метана в пограничном слое – концентрация метана может вырастать ночью в приземном слое до величины, в полтора раза превышающей фоновые значения. Создана конфигурация визреразрешающей модели для описания неоднородной поверхности с двумя ее типами. Оценено влияние неоднородностей на характеристики турбулентного обмена. Различие в характеристиках турбулентного обмена, обусловленное неоднородностью поверхности, рассчитанное вихреразрешающей моделью, хорошо согласуется с наблюдаемыми различиями. На основе спектрального анализа результатов вихреразрешающего (LES) -моделирования и данных измерений предложен метод коррекции универсальных функций теории подобия Монина-Обухова для устойчивого атмосферного пограничного слоя над сложными поверхностями. 5. По данным проведенных измерительных кампаний на станциях Самойловский и Мухрино уточнены свойства подстилающей поверхности, задаваемые в численной модели деятельного слоя INMCM5. Тип подстилающей поверхности в модельных экспериментах задавался соответствующий растительному покрову площадок. Валидация модели проводилась с использованием данных измерений температуры потоков метана на выбранных площадках. Модель достаточно хорошо воспроизводит как динамику, так и значения температуры на поверхности на обеих площадках. Для площадки о. Самойловский также была проведена серия экспериментов на воспроизведения динамик температуры в почве и потоков явного скрытого тепла с поверхности. Получено хорошее согласие с данными измерений. 6. Используя карты типов подстилающей поверхности, типов растительности и свойств подстилающей поверхности, включая уточненные данные об альбедо, а также используя уточненную конфигурацию модели деятельного слоя INMCM5 были получены результаты численных экспериментов для территории стационара Мухрино и полигона о. Самойловский. Для о. Самойловский модель показала, что мерзлота существует и динамически меняется, явно воспроизводясь в модели деятельного слоя, и находится в равновесии с тепловым и радиационным балансом на поверхности. Результаты расчетов показывают, что вклад мочажин в поток метана является наиболее значимым и существенными с болотных угодий такого типа. Это подтверждает необходимость учета локальной неоднородности растительности и степени обводненности различных участков той или иной болотной экосистемы.

Публикации