![]() |
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИПМех РАН |
||
Цель проекта – исследование пространственно-временной изменчивости углеродного баланса наземных экосистем ЕТР по данным измерений и математического моделирования.
The aim of this project is to investigate the spatial and temporal variability of the carbon balance of terrestrial ecosystems of the ETR based on measurements and mathematical modeling. Achievement of the goal implies solving the following tasks: - Creation of a universal constructor of carbon cycle (CC) models in soil and vegetation (NIVC) within the framework of the numerical model of the land active layer (LAL) of the IWM RAS-MSU. - Verification and calibration of the DSS model on the data of point measurements of CO2 fluxes and carbon (C) pools in soil and vegetation, including data from carbon polygons in the ETR ("Chashnikovo"), as well as on digital maps of CO2 fluxes and C pools in soil and vegetation in the ETR (NIVC, Department of Soil Science, Faculty of Geography). - Development of a reliable and robust measurement, reporting and verification (MRV) platform in the assessment of CO2 emissions and changes in soil C pools based on the RothC carbon model, using experimental data on CO2 fluxes of carbonaceous polygons in the ETR ("Chashnikovo", etc.) (NIVC, Department of Soil Science, Faculty of Geography). - Development of a conceptual model of a new generation of soil CA with different pools in terms of turnover rates and stabilization mechanisms, its numerical implementation and verification using experimental data from carbon polygons (Faculty of Soil Science).- Implementation of the RothC carbon model and conceptual model of a new generation of soil CA together with parameterizations of key physical processes responsible for the conditions of CA formation in the DSS within the framework of the CA Designer of the DSS model (SIVC, Faculty of Soil Science).- Creation of updated coordinated digital maps of the stockpile. Taking into account the adopted strategy of decarbonization of the Russian economy and the key role of natural ecosystems of Russia in achieving carbon neutrality, the developed model and experimental data will make a significant contribution to obtaining representative estimates of carbon balance and greenhouse gas fluxes in terrestrial ecosystems of the Russian Federation. Also, the results obtained can make a significant contribution to solving the tasks of the Federal Scientific and Technical Program of the Government of the Russian Federation in the field of environmental development of the Russian Federation and climate change for 2021 - 2030. The project corresponds to the fulfillment of task 6.5 of the "Strategy of long-term development of the Russian Federation with low greenhouse gas emissions until 2050" - "modeling of processes occurring in the climate system, including modeling of consequences of various forms of active impact on these processes on global, regional and local scales".
• Создание в рамках численной модели деятельного слоя суши (ДСС) ИВМ РАН-МГУ универсального конструктора моделей углеродного цикла (УЦ) в почве и растительности для возможности реализации широкого спектра существующих и перспективных моделей УЦ для задач климатологии, экологии и рационального природопользования.• Реализация в модели ДСС передовых параметризаций биохимических и физических процессов, ответственных за формирование пулов углерода и потоков CO2 в ДСС; потоки СО2 будут увязаны с процессами фотосинтеза растений и потерями СО2 за счет автотрофного дыхания растениями и гетеротрофного дыхания почвенных организмов. Потоки будут учитывать изменение температуры, баланса питательных веществ и воды. Получаемые измерения динамики СО2 с помощью непрерывных пульсационных и камерных измерений потоков СО2 будут впоследствии использованы для оценки способности модели ДСС воспроизводить сезонную и межгодичную динамику СО2.• Верификация и калибровка модели ДСС на данных точечных измерений потоков CO2 и пулов углерода в почве и растительности, включая данные карбоновых полигонов на ЕТР («Чашниково»); после калибровки модель ДСС позволит более качественно моделировать отдельные составляющие нетто экосистемного обмена, которые не могут быть измерены непосредственно с помощью непрерывных пульсационных измерений и экстраполировать данные о потоках CO2 и пулах С в почве и растительности во времени (ежедневная, сезонная и межгодичная динамика) и пространстве.• Верификация и калибровка модели ДСС по доступным региональным цифровым картам потоков CO2 и пулов углерода в почве и растительности на ЕТР; для калибровки по пулам С в почве планируется использование «Информационной системы “Почвенно-географическая база данных России”», включая цифровую карту запасов органического углерода в 30-см слое почв России с пространственным разрешением сетки ½ угловой минуты, цифровой карты «Продукционные характеристики естественных экосистем» и карты современной распаханности территории ЕТР»; будет отработана методика экстраполяции точечных данных моделирования.• Создание уточнённых согласованных цифровых карт запасов и составляющих баланса углерода экосистем ЕТР для условий современного климата на основе усовершенствованной и калиброванной модели ДСС; для создания карт будет проведено пространственно-временное моделирование с учётом классов растительности, типов землепользования, почвенных разностей в условиях современного климата.• Разработка достоверной и надёжной платформы измерений, отчётности и верификации (MRV) в оценке эмиссии СО2 и количественного описания изменения пулов почвенного углерода на основе классической динамической углеродной модели RothC, с использованием экспериментальных данных по потокам CO2 и её интеграция с моделью ДСС по данным карбонового полигона УОПЭЦ МГУ Чашниково и карбоновых полигонов на ЕТР; платформа MRV будет использована для исследования, насколько прямые регулярные измерения с помощью непрерывных пульсационных и камерных измерений потоков СО2 и мониторинг изменений запасов органического углерода в почве за короткие промежутки времени адекватно отражают длительные тенденции в возможностях управления пулами и потоками С.• Разработка концептуальной модели почвенной составляющей углеродного цикла нового поколения с различными по скоростям оборота пулами, отражающей современные концепции о механизмах стабилизации органического вещества в почве, ее численная компьютерная реализация и верификация с использованием экспериментальных данных по почвам карбоновых полигонов МГУ, оценка возможности использования её в качестве модуля усовершенствованной модели ДСС; будет проведена оценка возможности модели экстраполировать результаты на различные типы землепользования и условия окружающей среды.Результаты экспериментальных исследований на карбоновых полигонах ограничены локальным участком и складывающимися погодными условиями. Моделирование свободно от подобных ограничений, его результаты могут быть экстраполированы на бόльшую территорию, а влияние различных возможностей управления запасами и потоками С может быть оценено комплексно. Для достижения данной задачи предусмотрено два последовательных этапа развития модели ДСС за счёт универсального конструктора моделей углеродного цикла. Первый состоит в реализации в рамках конструктора УЦ модели ДСС углеродной модели RothC с параметризацией процессов формирования пулов углерода и потоков CO2. Второй состоит в использовании концептуальной модели почвенного углеродного цикла нового поколения с различными по скоростям оборота пулами в рамках конструктора УЦ ДСС. Таким образом, снижаются риски отрицательного результата в использовании мониторинговых данных пульсационных и камерных измерений потоков СО2 для параметризации сложной биосферной модели. Модель ДСС после усовершенствования может быть использована для оценки, какие факторы регулируют наблюдаемые изменения пулов углерода и потоков CO2, как можно ими управлять, а также будут ли проводимые меры экономически эффективными.
Компетенция и задел руководителей и основных исполнителей: 1) Степаненко В.М., д.ф.-м.н., число цитирований Scopus 949, H-index=16, известный специалист в области численного моделирования термогидродинамики и биогеохимии водных объектов и деятельного слоя суши, лидер группы разработчиков модели ДСС ИВМ РАН-МГУ;2) Романенков В.А., д.б.н., число цитирований Scopus 2677, H-index=15, признанный специалист по балансу углерода и биогенных элементов в естественных и возделываемых почвах;3) Рыжова И.М., д.б.н., число цитирований Scopus 343, H-index=9, авторитетный специалист в области математического моделирования процессов почвенного углеродного цикла; 4) Ольчев А.В., д.б.н., число цитирований Scopus 1733, H-index=17, один из ведущих в России специалистов по измерениям и моделированию потоков CO2 между системой «почва-растительность» и атмосферой.
МГУ имени M.В.Ломоносова, Московский университет или МГУ | Соисполнитель |
Правительство Российской Федерации, Программа развития Московского университета |
# | Сроки | Название |
1 | 1 августа 2023 г.-31 декабря 2023 г. | Пространственно-временная изменчивость углеродного баланса наземных экосистем ЕТР по данным измерений и математического моделирования (географический факультет) |
Результаты этапа: Измерения потоков СО2 с поверхности почвы на территории полигона проводились, начиная с февраля 2023 года на шести мониторинговых площадках в разных типах ландшафтов (хвойные и хвойно-широколиственные леса, агроландшафты с многолетними травами и черным паром, луга), с использованием портативного газоанализатора PS-9000 (LICA, Китай). Измерительная система работает по закрытой схеме, при которой скорость почвенной эмиссии определяется по скорости изменения содержания СО2 в закрытой почвенной камере. Определение скорости эмиссии с поверхности почвы на каждой выбранной площадке проводилось в 8-кратной повторности 2 раза в месяц, а также в ходе интенсивных полевых компаний. Параллельно с измерениями потоков определялись температура и влажность почвы. Результаты измерений эмиссии СО2 с поверхности почвы показали значительную временную и пространственную изменчивость потоков. Минимум почвенной эмиссии СО2 наблюдался в зимний период (февраль) около 1.24+-1.52 мкмоль СО2/м2с, и увеличивался в летние месяцы (август) в среднем до 7.69+-2.48 мкмоль СО2/м2с. Выделение СО2 из почвы в атмосферу в осенние месяцы было в среднем в 3 раза ниже, а зимой почти в 10 раз ниже, чем в летние месяцы. Поступление СО2 из почвы в атмосферу статистически значимо зависело от изменения температуры и объемной влажности почвы. Для масштабирования точечных измерений потоков парниковых газов методами турбулентных пульсаций и экспозиционных камер используется трехмерная математическая модель переноса парниковых газов между неоднородной подстилающей поверхностью и атмосферой. Модель основана на поиске стационарного решения системы уравнений Навье-Стокса с использованием осреднения Рейнольдса и в предположении о постоянстве плотности воздуха. Для определения входных параметров модели, описывающих структуру растительности и рельеф, использовались данные дистанционного зондирования, включающие спутниковые снимки (Landsat 8), и данные лидарной и мультиспектральной съемки с БПЛА. Для задания параметров ветра на верхней границе модельной области использовались данные реанализа ERA5. Результаты модельных экспериментов для участка карбонового полигона Чашниково (Рисунок 2) показали значительную пространственную неоднородность вертикальных потоков CO2 в приземном слое атмосферы для обоих участков, определяемых расчлененностью рельефа, мозаичной растительностью и хаотично расположенными поселковыми зданиями и сооружениями. Модельные расчеты показали, что в дневное время при малооблачной погоде в летние месяцы средняя скорость поглощения СО2 для всей территории полигона Чашниково составляла 4.4 мкмоль/м2с на высоте 5 м (внутри полога древесной растительности и над травянистой растительностью), тогда как на высоте 50 метров средняя величина поглощения СО2 экосистемами полигона за счет вклада древесного яруса составляла уже около 11 мкмоль/м2с. Разработанная модель может являться связующим звеном между измерениями потоков в локальном и экосистемном масштабе и потоками, моделируемыми моделью деятельного слоя суши (ДСС) ИВМ РАН-МГУ. Кроме того, модель служит инструментом для оценки чувствительности потоков СО2 и других парниковых газов к изменению условий внешней среды и точности задания ключевых входных биофизических и биохимических параметров, описывающих свойства растительности и почвы в региональных и глобальных моделях. На основании разработанной модели был предложен новый подход к оценке потоков парниковых газов над горизонтально-неоднородной поверхностью, основанный на измерении концентрации газов на нескольких уровнях над поверхностью (например, измеренных с помощью портативных газоанализаторов, закрепленных на БПЛА) и решении обратной задачи по восстановлению соответствующего потока вблизи верхней границы растительности. Для концентрации исследуемого парникового газа формулируется уравнение "диффузии-адвекции", в котором используются предварительно вычисленные с помощью трехмерной модели поля скорости ветра и коэффициента турбулентности над неоднородной поверхностью. Поток в задаче для концентрации выступает в роли входного параметра в граничном условии. Уровень, на котором он задается, выбирается вблизи верхней границы растительного покрова для того, чтобы избежать детального описания источников и стоков парниковых газов внутри растительности. После вычисления пространственного распределения концентрации газа при заданном потоке на входе осуществляется сравнение модельных данных и результатов измерения концентрации парникового газа на нескольких уровнях, расположенных над растительностью в пределах атмосферного пограничного слоя. Затем производится направленное изменение входного потока в узлах сетки таким образом, чтобы минимизировать норму разности измеренной и вычисленной концентрации. Для оценки начального приближения потока определяющим фактором являются значения измеренных значений концентрации парниковых газов, по крайней мере, на двух уровнях в пределах атмосферного пограничного слоя. Они используются для аппроксимации производных по высоте в выражениях для адвективного и турбулентного вертикального потока исследуемого парникового газа. Проведенное исследование обратной задачи в модельном случае позволило получить предварительные оценки точности восстановления потоков в зависимости от выбора высот для измерения содержания парниковых газов, а также от точности измерения их концентраций. | ||
2 | 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. | Пространственно-временная изменчивость углеродного баланса наземных экосистем ЕТР по данным измерений и математического моделирования (географический факультет) |
Результаты этапа: |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".