Усовершенствованный инверсионный метод восстановления потоков CO2 над территориями со сложным рельефом на основе атмосферных измерений

Ю.В. Мухартова; А.В. Ольчев; И.А. Керимов; Е.С. Обаев

doi:10.46698/v6610-9093-2069-x

Ю.В. Мухартова Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Россия, 119991, г. Москва, Ленинские горы, 1, ГСП-1; Грозненский государственный нефтяной технический университет им. акад. М.Д. Миллионщикова, Россия, 364051, г. Грозный, пр. Х.А. Исаева, 100
А.В. Ольчев Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Россия, 119991, г. Москва, Ленинские горы, 1, ГСП-1; Грозненский государственный нефтяной технический университет им. акад. М.Д. Миллионщикова, Россия, 364051, г. Грозный, пр. Х.А. Исаева, 100
И.А. Керимов Грозненский государственный нефтяной технический университет им. акад. М.Д. Миллионщикова, Россия, 364051, г. Грозный, пр. Х.А. Исаева, 100; Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, Россия, 123995, г. Москва, ул. Б. Грузинская, 10, стр. 1
Е.С. Обаев Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Россия, 119991, г. Москва, Ленинские горы, 1, ГСП-1

DOI: https://doi.org/10.46698/v6610-9093-2069-x

Ключевые слова: потоки парниковых газов, инверсионное моделирование, моделирование турбулентного переноса, наблюдения с БПЛА, карбоновые полигоны

Резюме

Актуальность работы. Изменение концентрации парниковых газов (ПГ) в атмосфере является одним из ключевых факторов глобального изменения климата. Для корректного понимания вклада различных экосистем в углеродный баланс необходимо количественно оценивать поверхностные потоки ПГ. Однако существующие методы, в частности метод турбулентных пульсаций, ограниченно применимы на территориях со сложным рельефом и мозаичной структурой растительного покрова. Это обусловливает необходимость разработки новых подходов, обеспечивающих надёжную оценку потоков ПГ в условиях пространственной неоднородности ландшафтов. Цель работы. Разработка и тестирование усовершенствованного инверсионного алгоритма восстановления поверхностных потоков ПГ в холмистой местности на основе данных концентраций ПГ в приземном слое атмосферы, получаемых, в том числе, с использованием беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Методы исследования. Предложенный подход основан на решении прямой задачи для концентрации ПГ с последующей минимизацией расхождения между измеренными и смоделированными значениями на двух контрольных высотах в пределах приземного слоя. Для верификации алгоритма проведены численные эксперименты с использованием трёхмерной гидродинамической модели высокого разрешения, позволяющей воспроизводить поля скоростей, турбулентных характеристик и концентраций ПГ в реальных топографических условиях. Результаты работы. Модель апробирована для покрытого лесом холмистого участка в предгорьях Большого Кавказского хребта (Чеченская Республика, Россия). Численные эксперименты показали, что усовершенствованный алгоритм обеспечивает достоверное восстановление пространственной структуры потоков CO2 при перепадах высот до 100 м. Сравнение с предыдущей версией модели выявило существенное повышение точности расчётов и снижение систематических ошибок при учёте топографических эффектов. Практическая значимость. Разработанный метод открывает возможности для количественной оценки потоков ПГ на участках, где традиционные микрометеорологические подходы неприменимы. Он может использоваться в системах дистанционного мониторинга углеродного баланса экосистем с использованием БПЛА и наземных платформ, а также адаптироваться для анализа пространственно неоднородных потоков других парниковых газов.

Литература

Елизарова Т.Г. Квазигазодинамические уравнения и методы расчета вязких течений. М.: Научный мир, 2007. – 351 c.

Керимов И.А., Эльжаев А.С., Додуев А.А. Геофизические исследования на карбоновом полигоне Чеченской республики. // Геология и геофизика Юга России. – 2023. – Т. 13. No 3. – С. 49–62. DOI: 10.46698/VNC.2023.42.75.004.

Мухартова Ю.В, Гибадуллин Р.Р., Ольчев А.В, Керимов И.А. Модельный подход для восстановления приземных вертикальных потоков парниковых газов над неоднородной подстилающей поверхностью. // Геология и геофизика Юга России. – 2023. – Т. 13. No 4. – 149–161. DOI: 10.46698/VNC.2023.68.39.012.

Aubinet M., Vesala T., Papale D. Eddy covariance: a practical guide to measurement and data analysis. Springer: Dordrecht, The Netherlands, 2012. – p. 438.

Baldocchi D., Falge E., Gu L. et al. FLUXNET: A new tool to study the temporal and spatial variability of ecosystem-scale carbon dioxide, water vapor and energy flux densities. // Bulletin of the American Meteorological Society. – 2001. – Vol. 82. Issue 11. –pp. 2415–2434.

Blanken P.D., Williams M.W., Burns S.P., Monson R.K., Knowles J., Chowanski K., Ackerman T. A comparison of water and carbon dioxide exchange at a windy alpine tundra and subalpine forest site near Niwot Ridge. // Colorado Biogeochemistry. – 2009. – Vol. 95. – pp. 61–76.

Bolek A., Heimann M., Gockede M. UAV-based in situ measurements of CO2 and CH4fluxes over complex natural ecosystems. // Atmospheric Measurement Techniques. – 2024 – Vol. 17. – pp. 5619–5636. DOI: 10.5194/amt-17-5619-2024.

Burba G. Eddy covariance method for scientific, industrial, agricultural and regulatory applications: A field book on measuring ecosystem gas exchange and areal emission rates. Lincoln- Nebraska: LI-COR Biosciences, 2013. – 354 p. DOI: 10.13140/RG.2.1.4247.8561.

Feigenwinter C., Bernhofer C., Eichelmann U., Heinesch B., Hertel M., Janous D. et al. Comparison of horizontal and vertical advective CO2 fluxes at three forest sites. // Agricultural and Forest Meteorology. – 2008. – Vol. 148. Issue 1. – pp. 12–24.

IPCC, 2022: Climate Change – 2022: Impacts, Adaptation, and Vulnerability. Contribution of working group ii to the sixth assessment report of the intergovernmental panel on climate change. / Eds. H.-O. Portner, D.C. Roberts, M. Tignor, E.S. Poloczanska, K. Mintenbeck, A. Alegria, M. et al. – Cambridge: Cambridge University Press, 2022. – 3056 p. DOI: 10.1017/9781009325844.

Jagermeyr J., Gerten D., Lucht W., Hostert P., Migliavacca M., Nemani R. A high-resolution approach to estimating ecosystem respiration at continental scales using operational satellite data. // Global Change Biology. – 2014. – Vol. 20. Issue 4. – pp. 1191–1210.

Jin Z., Tian X., Wang Y., Zhang H., Zhao M., Wang T., Ding J., Piao S. A global surface CO2 flux dataset (2015–2022) inferred from OCO-2 retrievals using the GONGGA inversion system. // Earth System Science Data. – 2024. – Vol. 16. Issue 6. – pp. 2857–2876. DOI: 10.5194/essd-16-2857-2024.

Junttila S., Kelly J., Kljun N. et al. Upscaling northern peatland CO2 fluxes using satellite remote sensing data. // Remote Sensing. – 2021. – Vol. 13. – Art. No. 818. DOI: 10.3390/rs13040818.

Kunz M., Lavric J.V., Gasche R., Gerbig C., Grant R.H., Koch F.T., Schumacher M., Wolf B., Zeeman M. Surface flux estimates derived from UAS-based mole fraction measurements by means of a nocturnal boundary layer budget approach. // Atmospheric Measurement Techniques. –2020. – Vol. 13. – pp. 1671–1692. DOI: 10.5194/amt-13-1671-2020.

Leuning R., Zegelin S.J., Jones K., Keith H., Hughes D. Measurement of horizontal and vertical advection of CO2 within a forest canopy. // Agricultural and Forest Meteorology. – 2008. – Vol. 148. – pp. 1777–1797.

Maksyutov S., Oda T., Saito M. et al. Technical note: A high-resolution inverse modelling technique for estimating surface CO2 fluxes based on the NIES-TM–FLEXPART coupled transport model and its adjoint. // Atmospheric Chemistry and Physics. – 2021. – Vol. 21. – pp. 1245–1266. DOI: 10.5194/acp-21-1245-2021.

Mukhartova I., Sogachev A., Gibadullin R., Pridacha V., Kerimov I., Olchev A. An Inverse Modeling approach for retrieving high-resolution surface fluxes of greenhouse gases from measurements of their concentrations in the atmospheric boundary layer. // Remote Sensing. – 2024 – Vol. 16. – Art. No. 2502. DOI: 10.3390/rs16132502.

Nocedal J., Oztoprak F. Waltz R.A. An interior point method for nonlinear programming with infeasibility detection capability. // Optimization Methods and Software. – 2014. – Vol. 29. –pp. 837–854.

Olchev A.V. Estimation of carbon dioxide and methane emissions and absorption by land and ocean surfaces in the 21st century. // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. – 2025. – Vol. 61. (Suppl 1). – pp. S74–S100. DOI: 10.1134/S0001433825701166.

Pumpanen J., Kolari P., Ilvesniemi H., Minkkinen K., Vesala T. et al. Comparison of different chamber techniques for measuring soil CO2 efflux. // Agricultural and Forest Meteorology. – 2004. – Vol. 123. – pp. 159–176.

Reuter M., Bovensmann H., Buchwitz M., Borchardt J., Krautwurst S., Gerilowski K. et al. Development of a small unmanned aircraft system to derive CO2 emissions of anthropogenic point sources. // Atmospheric Measurement Techniques. – 2021. – Vol. 14. – pp. 153–172. DOI: 10.5194/amt-14-153-2021.

Shaw J.T., Shah A., Yong H., Alle G. Methods for quantifying methane emissions us-ing unmanned aerial vehicles: A review. // Philosophical Transactions A. – 2021. – Vol. 379. – pp. 1–21. DOI:10.1098/rsta.2020.0450.

Villarreal S., Vargas R. Representativeness of FLUXNET sites across Latin Ameri-ca. // Journal of Geophysical Research: Biogeosciences. – 2021. – Vol. 126. – pp. 1–18. DOI:10.1029/2020JG006090.