Аннотация результатов, полученных в 2014 году
Программа проведенных в 2014 году исследований состояла из экспериментальной и теоретической (модельной) части и была направлена на достижение основной цели проекта по оценке влияния процесса обезлесения и изменения структуры землепользования территории Верхней Волги на климатические условия и потоки тепла, водяного пара и СО2 между земной поверхностью и атмосферой в локальном и региональном масштабе. Экспериментальная часть исследований включала составление карт структуры землепользования территории Верхней Волги по спектрозональным данным со спутника Modis, приобретение и тестирование научного оборудования для микроклиматических наблюдений, оценку влияния сплошной вырубки на эмиссию СО2 с поверхности почвы, и реконструкцию динамики растительности и климата на исследуемой территории в голоцене. В связи с сокращением финансирования запланированное приобретение системы для пульсационных измерений (eddy covariance) потоков СО2 и Н2О оказалось в 2014 году невозможным. Теоретическая часть включала разработку комплекса процесс-ориентированных двух- и трехмерных моделей переноса солнечной радиации, СО2 и Н2О обмена, их применение для оценки влияния пространственной неоднородности растительного покрова на процессы переноса СО2 и Н2О между земной поверхностью и приземным слоем воздуха в локальном масштабе, и проведение расчетов с помощью мезомасштабной климатической модели COSMO_CLM (Community-Model of the German Climate Research) для оценки точности и качества воспроизведения моделью пространственных полей метеорологических характеристик на основе сравнения их с данными станционных измерений в бассейне реки Волги. Процедура построения карт растительного покрова и структуры землепользования территории Верхней Волги состояла из нескольких этапов и включала отбор снимков MODIS TERRA с пространственным разрешением 500м х 500м, расчет спектрозональных характеристик и индексов для каждой из выбранных сцен, анализ изображений методом главных компонент, позволяющим выделить основные параметры и свойства подстилающей поверхности и исключить из анализа возможные искажения и артефакты съемки. На основании проведенного анализа были проведены оценки площадей территории Верхней Волги занятых хвойными, смешанными и лиственными лесами, лугами, а также болотами. Площадь, занимаемая еловыми лесами, составляет 31.2 %. Мелколиственно-еловые леса покрывают площадь около 25.2%, смешанные леса - 11.4%, широколиственные леса - 13.1%, верховые болота - 2.7, луга - 9.9%. Применение метода палеоаналогов для задачи прогноза возможных изменений растительности в исследуемом регионе на фоне прогнозируемых изменений климатических условий в 21 веке показало, что оптимум последнего межледниковья может служить хорошим аналогом возможного развития растительного покрова при прогнозируемом росте температуры к середине текущего столетия. Потепление может привести к изменениям внутренней структуры растительных сообществ, и к увеличению доли широколиственных пород в древостоях и в подлеске. Могут произойти сокращение площадей, занятых ельниками, и увеличение доли вторичных березовых и осиновых лесов, распространившихся после распада еловых древостоев. Результаты полевых экспериментов по оценке и сравнению эмиссии СО2 с поверхности почвы на свежей вырубке и в близлежащем ельнике идентичном вырубленному, проведенных с помощью метода экспозиционных камер, показали, что в течение периода измерений (с августа по октябрь 2014 года) эмиссия СО2 с поверхности почвы на вырубке в два раза превышала эмиссию СО2 под пологом леса. Ключевым фактором, определяющим данную закономерность, явилась влажность верхнего слоя почвы. На вырубке за исследуемый период она составила в среднем около 42%, в то время как в лесу она была существенно ниже и составляла всего 16.5%. Влияние температуры почвы на интенсивность эмиссии СО2 прослеживалось лишь на фоне сезонной изменчивости температуры. Влияние суточной динамики температуры почвы на скорость СО2 обмена было довольно незначительным. Внутри леса в измерениях прослеживалась устойчивая закономерность по уменьшению скорости эмиссии СО2 по мере удаления от стволов деревьев. На вырубке минимальные значения дыхания наблюдались на участках с поврежденным лесозаготовительной техникой верхним дерновым слоем почвы, а максимальные - на неповрежденных участках и участках, присыпанных порубочными остатками и хвоей. На основании проведенных модельных экспериментов с помощью разработанной двумерной модели было показано (Мухартова с соавт. в печати), что на границах раздела растительных сообществ с разными свойствами и структурой (в частности, наветренные и подветренные участки поляны или участки сплошной вырубки) возникает существенная деформация поля ветра и коэффициентов турбулентной диффузии и, как следствие, возмущения в структуре вертикального переноса атмосферных газов (СО2, Н2О). Структура возмущений зависит от свойств растительности (высота, плотность, наличие подлеска), размеров лесного массива и участков открытого пространства. Пренебрежение неоднородностью растительного покрова при рассмотрении процессов вертикального переноса газовых субстанций (СО2, Н2О) в приземном слое атмосферы может привести к существенным погрешностям в оценках интегральных потоков. По результатам проведенных исследований в 2014 году было подготовлено к печати 4 публикации в рецензируемых научных журналах.

Аннотация результатов, полученных в 2015 году
В 2015 году в рамках реализации проекта был проведен комплекс исследований, направленный на решение основной задачи проекта по оценке влияния процесса обезлесения и изменения структуры землепользования территории Верхней Волги на потоки тепла, водяного пара и СО2 между земной поверхностью и атмосферой. Для достижения поставленных задач использовался комплексный подход, включающий проведение экспериментальных наблюдений за потоками СО2, анализ данных дистанционного зондирования, проведение палеогеографических реконструкций климата и растительности, а также модельные эксперименты с применением локальных гидродинамических моделей переноса и мезомасштабной климатической модели. В ходе полевых экспериментов были получены новые данные о масштабах пространственно-временной изменчивости эмиссии СО2 с поверхности почвы на сплошной вырубке с применением метода экспозиционных камер. Сравнение результатов измерений эмиссии СО2 с поверхности почвы на сплошной вырубке, и внутри леса идентичного вырубленному, проведенных в течение первых двух лет после рубки в 2014 и 2015 годах показали, что эмиссия СО2 с поверхности почвы на вырубке существенно превосходит эмиссию СО2 с контрольных участков почвы внутри леса (Молчанов с соавт., подг. к печати). На фоне хорошо выраженного сезонного хода почвенного дыхания отмечается довольно слабая амплитуда его изменчивости в течение светового дня. Выявлена устойчивая зависимость эмиссии СО2 с поверхности почвы от температуры и влажности верхнего почвенного горизонта. В частности, показано, что зависимость интенсивности почвенного дыхания от температуры, хорошо аппроксимируется с помощью уравнения Аррениуса. В ходе измерений были выявлены существенные различия в интенсивности почвенного дыхания, а также различия в его зависимости от условий внешней среды, для участков почвы с различной степенью поврежденности верхнего гумусового горизонта, а также для участков с древесным опадом и порубочными остатками на поверхности. Также на основании анализа полученных данных отмечены различия в интенсивности почвенного дыхания внутри контрольного древостоя на участках по-разному удаленных от стволов деревьев. Для организации проведения измерений потоков Н2О и СО2 на экосистемном уровне было приобретено оборудование, сформирован и протестирован комплекс для проведения непрерывных метеорологических и пульсационных (eddy covariance) измерений потоков водяного пара и СО2 на сплошной вырубке. Измерительный комплекс по составу оборудования идентичен комплексам, установленным на расположенных вблизи лесных станциях мониторинга (2 типа лесных растительных сообществ), что обеспечит хорошую сопоставимость получаемых экспериментальных данных. Для оценки влияния сплошной вырубки на процессы турбулентного переноса СО2 между земной поверхностью и атмосферой были проведены модельные расчеты с помощью разработанного комплекса двух- и трехмерных гидродинамических моделей переноса (Мухартова с соавт. 2015, Левашова с соавт. в печати). При модельных расчетах суммарных экосистемных потоков данные измерений интенсивности почвенного дыхания, полученные с помощью метода экспозиционных камер, использовались в качестве начальных и граничных условий. Для расчетов были выбраны несколько трансект, проведенных через участки леса со сплошной вырубкой. Результаты модельных расчетов показали существенную неоднородность поля ветра и турбулентности, а также неоднородность вертикальных потоков на разных высотах внутри приземного слоя атмосферы (приложение 1). После вырубки леса отмечается резкое увеличение скорости горизонтального переноса в приземном слое, усиление вертикального обмена вблизи наветренных участков леса и его ослабление - на его подветренных участках (Мухартова с соавт. 2015). Максимальное влияние вырубки на потоки СО2 в приземном слое над лесом проявляется в дневное время в летний период. В ночное время, а также зимой, влияние вырубки на потоки СО2 - менее значительно. Результаты модельных расчетов, также отмечают существенное влияние сложного изреженного рельефа местности на потоки и процессы обмена (приложение 1). Для выявления современной динамики растительности и структуры землепользования на территории Верхней Волги в исследовании были использованы данные, полученные системой MODIS за период с 2001 по 2013 год. Результаты проведенного анализа отмечают за исследуемый период, с одной стороны, уменьшение площади хвойных лесов с 3.7 до 1.4% и незначительное увеличение доли широколиственных лесов (с 0.3 до 0.6%), а с другой, существенный рост доли смешанных лесов (с 68.5 до 77.8%). Если уменьшение площади еловых лесов может быть объяснено их активной вырубкой и медленным возобновлением, то главной причиной значительного роста площади смешанных древостоев можно считать активные процессы зарастания вырубок, вывалов, заброшенных сельскохозяйственных земель и лугов. Зарастанием брошенных земель и ветровалами можно также и объяснить и увеличение площади территорий занятых кустарником (с 0.2 до 0.9%). Увеличение площади болот (с 1.4 до 2.2%) может быть объяснено как изменениями интенсивности дренирования территории и увеличением скорости торфонакопления, так и бесконтрольными сплошными рубками, в том числе заболоченных ельников. В рамках развития новых методов для определения потоков парниковых газов (СО2, Н2О) на земной поверхности с применением средств дистанционного зондирования в проекте были проанализированы методические аспекты термодинамического подхода, позволяющего оценить эвапотранспирацию земной поверхности по результатам расчетов эксергии и внутренней энергии подстилающей поверхности (Белотелов 2015, Белотелов, в печати). Для прогноза возможных будущих изменений в структуре землепользования и растительности в верховьях Волги, а также для оценки влияния изменяющихся климатический условий на растительный покров в исследовании были выполнены реконструкции климата и растительности в прошлые эпохи (голоцен). Полученные климатические реконструкции для голоцена показали, что на фоне общего климатического тренда к похолоданию во вторую половину голоцена происходили четко выраженные потепления и похолодания второго порядка. Похолодания климата соответствуют временным интервалам 5700-5000, 4500-3800, 2700-2100 и 1500-1000 кал. л.н., при этом амплитуды изменений среднегодовых и зимних температур составляли 1-2°С. Во всех рассмотренных палеоклиматических реконструкциях четко выделяется похолодание Малого ледникового периода (650-150 кал. л.н.), когда все температурные показатели понизились примерно на 3°С. За исключением периода 2700-2100 кал. л.н., снижение теплообеспеченности происходило одновременно с увеличением среднегодового количества осадков. Изменения климата сопровождались существенными изменениями структуры и видового состава растительного покрова. В частности на протяжении термического максимума голоцена (8000-5700 кал. л.н.) на территории Верхней Волги существовала единая зона широколиственных лесов, образованная дубом с участием вяза и липы. На основе выявленных тенденций изменения видового состава растительности и темпов обезлесения в разные периоды истории с помощью мезомасштабной модели COSMO_CLM (базовой модели для метеорологического прогноза в России) были проведены комплексные расчеты по оценке влияния региональных изменений растительности и структуры землепользования на климатическую систему. Для расчетов были выбраны несколько сценариев, предусматривающих как минимальное антропогенное влияние на лесные экосистемы и учет лишь изменений растительности, связанных с изменением климатических факторов, так и сценарии, основанные на прогнозе изменения площади лесов при бесконтрольной рубке. Результаты проведенных расчетов отмечают, что для условий современного климата максимальное влияние процесса обезлесения на климатические условия теплого времени года отмечается при более влажных и прохладных погодных условиях, а минимальное - для более засушливых (Приложение 1). В частности, в условиях современного климата экстремально сильное обезлесение территории (на 50%) может привести для летних месяцев года с дождливой и прохладной погодой к росту температур на 0.2°С, и уменьшению осадков - на 12% (Konstantinov, Varentsov 2015). Для более засушливого года 50% обезлесение территории к каким-либо существенным региональным изменениям в режиме летних температур и осадков не приводит, что является в целом довольно неожиданным результатом, и очевидно требует дополнительной проверки с помощью расчетов для более продолжительных интервалов времени, а также, возможно, с применением альтернативных мезомасштабных моделей.

Аннотация результатов, полученных в 2016 году
В рамках реализации проекта в 2016 году для оценки влияния процессов обезлесения и изменения структуры землепользования территории верховьев Волги и центральных районов Европейской территории России (ЕТР) на потоки тепла, водяного пара и СО2 между земной поверхностью и атмосферой, а также на региональные климатические условия, использовался комплексный подход, включающий проведение экспериментальных полевых наблюдений за потоками Н2О и СО2, анализ данных дистанционного зондирования, проведение палеогеографических реконструкций климата и растительности, а также модельные эксперименты с применением локальных гидродинамических моделей турбулентного переноса и мезомасштабной климатической модели COSMO-CLM. Для оценки влияния сплошных рубок на потоки парниковых газов между земной поверхностью и атмосферой в период с апреля по октябрь 2016 года на свежей вырубке в Тверской области с помощью мобильной измерительной системы проводились непрерывные наблюдения за микроклиматическими условиями, а также измерения потоков тепла, водяного пара и СО2 методом турбулентных пульсаций (eddy covariance). Параллельно с пульсационными измерениями на вырубке проводились измерения потоков с помощью метода экспозиционных камер. С одной стороны, эти измерения позволили выполнить оценку пространственной неоднородности потоков СО2 и Н2О в пределах вырубки, а с другой, провести дополнительную верификацию данных пульсационных измерений. Результаты пульсационных измерений за составляющими теплового баланса показали, что динамика потоков явного (H) и скрытого (LE) тепла в течение всего периода измерений характеризовалось значительной изменчивостью. В весенний период на фоне достаточных условий почвенного увлажнения среднесуточные значения H были довольно высоки и были сопоставимы с LE. Начиная с начала июня на фоне активного роста на вырубке травянистой растительности и увеличения доли транспирации, структура теплового баланса существенно меняется (LE превышает H). Максимальные значения LE наблюдались в июне и достигали 6-8 МДж м-2 в день. Со второй половины июля величины LE существенно снижаются (до 2-3 МДж м-2 в день). Величины H в периоды с ясной солнечной погодой существенно превышали LE, достигая 9 МДж м-2 в день. Результаты измерений потоков СО2 показали, что сплошная вырубка в течение всего периода измерений являлась источником СО2. Суточные величины нетто СО2 обмена (NEE) в основном зависели от температурных условий и варьировали от 2.0 до 5.7 гС м-2 в день. Начиная с середины июня, межсуточная изменчивость NEE значительно возросла преимущественно за счёт фотосинтетической активности травянистой и кустарничковой растительности. Сравнение полученных результатов с результатами измерений потоков методом экспозиционных камер, показало их хорошее соответствие как при разных погодных условиях, так и при разных запасах фитомассы травянистой и кустарничковой растительности на вырубке. Выявленные незначительные различия объясняются в основном высокой неоднородностью растительного и почвенного покрова в пределах исследуемого участка. Для описания процессов турбулентного обмена над неоднородной подстилающей поверхностью с мозаичной растительностью (поляны, вырубки и др.) и сложным рельефам была разработана новая реализация двумерной (2D) модели переноса парниковых газов в приземном слое атмосферы, учитывающая взаимодействие воздушного потока с орографическими препятствиями и растительностью, а также процессы теплообмена между атмосферой и поверхностью почвы и элементами растительности. Модель турбулентного переноса основана на решении системы векторного уравнения Навье-Стокса и уравнения неразрывности. Модель использует замыкание 1.5-го порядка, предусматривающее применение гипотезы Буссинеска, а также выражение коэффициентов турбулентной диффузии через турбулентную кинетическую энергию и скорость её диссипации. При параметризации потоков СО2 на уровне экосистемы учитывается эмиссия СО2 с поверхности почвы, рассматриваемая как функция температуры и влажности почвы, а также скорости ветра в припочвенном слое, фотосинтез и дыхание напочвенной растительности. Для численного решения системы уравнений использован конечно-разностный подход, основанный на схеме с расщеплением по процессам. Для решения возникающих при этом вспомогательных одномерных задач применялись неявные безусловно устойчивые схемы, а также комплексные схемы Розенброка. Проверка модели была выполнена с привлечением результатов пульсационных измерений, в том числе, измерений потоков на станции мониторинга установленной на свежей вырубке. Для выявления возможного эффекта влияния неоднородной структуры растительности на вертикальные потоки СО2 были выполнены два численных эксперимента по расчету потоков для трансекты, пересекающий участок местности со сложным рельефом и неоднородной растительностью. Первый модельный эксперимент (2D) включал расчет потоков с учетом возмущающего влияния неоднородной структуры растительности и рельефа на ветровой и турбулентный режим приземного слоя атмосферы. Второй эксперимент имитировал расчет вертикальных потоков с помощью одномерной (1D) модели. Для этого потоки рассчитывались 2D моделью отдельно для каждого участка трансекты с однородной растительностью. Влияние краевых эффектов, возникающих на границах раздела между растительными сообществами с разными свойствами, а также на неровностях рельефа, на турбулентный режим и процессы переноса не рассматривалось. Результаты расчетов показали, что для выбранной трансекты суммарная недооценка потока СО2 при использовании 1D подхода для летних погодных условий с оптимальным освещением и температурным режимом составила около 26%. Различия связаны главным образом с переоценкой эмиссии СО2 с поверхности почвы при использовании 1D подхода. Для анализа влияния процессов обезлесения и облесения центральных районов ЕТР на региональные климатические условия было проведено три модельных эксперимента с помощью климатической версии модели COSMO-CLM. Первый эксперимент имитировал метеорологические условия на ЕТР в случае полного сведения лесов в центральной части ЕТР в области, расположенной между 55° и 59° с.ш. и 28° и 37° в.д., а также их замещение травянистой растительностью. Второй эксперимент, был сценарием, наоборот, полного облесения центральных районов ЕТР. Увеличение лесистости в рассматриваемом сценарии происходило исключительно за счет увеличения доли пионерных мелколиственных пород деревьев. Третий, контрольный эксперимент, описывал распределение метеорологических величин при современной структуре землепользования и степени облесенности. Верификация современной структуры растительности проводилась по результатам спутниковой спектрозональной съемки. Проведенные расчеты на примере теплого периода 2010 года показали, что процессы обезлесения/облесения в природно-климатических условиях Центральной России могут привести к значимым изменениям режима температуры, осадков, относительной влажности, облачности нижнего яруса. В частности обезлесение территории приводит к увеличению приземной температуры воздуха и уменьшению сумм выпадающих осадков. При облесении территории модельные расчеты спрогнозировали обратные тенденции: уменьшение приземной температуры воздуха и увеличение сумм выпадающих осадков. Изменения температуры наиболее сильно проявляются в дневное время непосредственно в районах, где была проведена имитация изменения лесистости. Область влияния изменения лесистости на поля осадков оказалась существенно обширнее и затрагивала практически всю территорию ЕТР, для которой проводились вычисления. Для прогноза возможных изменений структуры и видового состава лесов на территории юга Валдайской возвышенности при различных сценариях будущих изменений климата был использован метод палеоаналогов. Принимая во внимание ландшафтно-климатические условия температурного оптимума голоцена как варианта возможного развития растительного покрова в исследуемом регионе к середине текущего столетия, можно ожидать изменений внутренней структуры растительных сообществ, таких как увеличение доли широколиственных пород в древостоях и в подлеске. Очевидно, может произойти сокращение площадей, занятых ельниками, и увеличение доли вторичных березовых и осиновых лесов. Учитывая инерцию адаптивных механизмов растительного покрова можно сделать предположение, что вероятность катастрофических изменений лесных экосистем юга Валдайской возвышенности к концу XXI века на фоне прогнозируемого резкого увеличения температур и изменения режима осадков за счет только климатических факторов довольно мала. Для оценки влияния изменений климатических условий, структуры и видового состава бореальных лесов на потоки СО2 и Н2О между земной поверхностью и атмосферой в исследуемом регионе была проведена серия численных экспериментов с помощью процесс-ориентированной модели Mixfor-SVAT. Результаты расчетов показали высокую чувствительность составляющих водного и углеродного баланса лесных экосистем к прогнозируемым изменениям климатических условий и содержания СО2 в воздухе, которая в значительной степени будет определяться динамикой поступления питательных веществ к растениям из почвы, и изменениями видового состава растительности.