научная статья по теме МОДЕЛЬНЫЕ ОЦЕНКИ ГЛОБАЛЬНЫХ И РЕГИОНАЛЬНЫХ ЭМИССИЙ МЕТАНА В АТМОСФЕРУ ВЛАЖНЫМИ ЭКОСИСТЕМАМИ Геофизика

Текст научной статьи на тему «МОДЕЛЬНЫЕ ОЦЕНКИ ГЛОБАЛЬНЫХ И РЕГИОНАЛЬНЫХ ЭМИССИЙ МЕТАНА В АТМОСФЕРУ ВЛАЖНЫМИ ЭКОСИСТЕМАМИ»

УДК 551.511

МОДЕЛЬНЫЕ ОЦЕНКИ ГЛОБАЛЬНЫХ И РЕГИОНАЛЬНЫХ ЭМИССИЙ МЕТАНА В АТМОСФЕРУ ВЛАЖНЫМИ ЭКОСИСТЕМАМИ

© 2015 г. С. Н. Денисов*, А. В. Елисеев*, **, И. И. Moxoв*, **, M. M. Аржанов*

*Институт физики атмосферы им. A.M. Обухова РАН 119017Москва, Пыжевский пер., 3 **Институт прикладной физики РАН 603950 Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46 E-mail: mokhov@ifaran.ru Поступила в редакцию 15.07.2014 г., после доработки 18.12.2014 г.

Выполнены оценки изменений эмиссии метана в атмосферу влажными экосистемами для различных регионов и Земли в целом с новой версией модели эмиссий метана из почвы в глобальной климатической модели промежуточной сложности, используемой в Институте физики атмосферы им. A.M. Обухова РАН. Проведены численные эксперименты с моделью в соответствии с условиями международного проекта сравнения подобных моделей WETCHIMP (Wetland and Wetland CH4 Inter-comparison of Models Project). Модель реалистично воспроизводит глобальные и региональные характеристики эмиссии метана. Отмечена общая тенденция увеличения потоков метана из болотных экосистем в атмосферу при глобальном потеплении. В проведенных расчетах глобальные естественные эмиссии метана из болот увеличились в XX веке на 9 МтСН4/год. Оценена чувствительность глобальной эмиссии метана к изменению глобальной приповерхностной температуры над сушей: 16 МтСН4/год/К (примерно 10%/K). При продолжении потепления можно ожидать значительное увеличение эмиссий метана в первую очередь из высоких широт Северного полушария.

Ключевые слова: эмиссии метана, влажные экосистемы, изменения климата, моделирование, WETCHIMP.

Б01: 10.7868/8000235151505003Х

ВВЕДЕНИЕ

Метан — третий по значимости интегрального радиационного влияния на современную земную климатическую систему парниковый газ после водяного пара и углекислого газа. При этом метан более чем в 20 раз радиационно эффективнее углекислого газа в расчете на одну молекулу. Радиационный форсинг метана, составляющий в настоящее время около 1 Вт/м2, сравним с форсингом углекислого газа (около(1.7) Вт/м2) [1]. Поэтому в глобальных климатических моделях в блоке углеродного цикла необходимо учитывать и метано -вый обмен.

Крупнейший природный источник метана — влажные экосистемы, в которых разложение органики в почве происходит в анаэробных условиях (озера и другие водоемы при этом не учитываются), в частности болота. Глобальные запасы углерода в верхнем слое почвы толщиной 1 м оцениваются в 1500—1600 ГтС [2] — приблизительно в 2 раза больше, чем запасы в атмосфере [1]. Медленное разложение органической материи в болотах способствует накоплению углерода. Поэтому, хотя влажные экосистемы занимают

всего 6—7% площади поверхности Земли, большая часть почвенного углерода находится в них. Около половины болот расположено в высоких широтах Северного полушария, что связано, в частности, с влиянием вечной мерзлоты на гидрологию почвы [3, 4]. Запасы углерода в районах распространения вечной мерзлоты, которые при деградации мерзлоты могут включиться в углеродный цикл, оцениваются в 1400—1850 ГтС [5, 6]. Режим болот и в целом природный цикл метана зависят от региональных и глобальных изменений климата и, в свою очередь, влияют на них.

Для глобальной климатической модели, используемой в Институте физики атмосферы им. A.M. Обухова РАН (КМ ИФА РАН) [7-10], была разработана модель эмиссий метана влажными экосистемами, позволяющая учитывать отклик потоков метана из почвы в атмосферу на изменения климата. С этой моделью была проведена серия численных экспериментов [11-17], в том числе в соответствии с условиями международного проекта сравнения подобных моделей WETCHIMP. Международный проект WETCHIMP [13, 14] (см. http://arve.unil.ch/research/wetch-

imp/) был инициирован для координации исследований в области моделирования влажных экосистем и связанных с ними потоков метана. С моделью проводились неинтерактивные расчеты эмиссий метана из почвы в атмосферу с использованием временных серий среднемесячных данных высокого разрешения CRU [18] для XX века.

В настоящее время модель эмиссий метана из почвы в КМ ИФА РАН существенно модернизирована. Блок термофизики почвы, использовавшийся в [11, 12], заменен на разработанную для КМ ИФА РАН динамическую модель термо- и гидрофизических процессов в почвогрунте [4, 15, 19], а блок эмиссий метана был модернизирован и позволяет учитывать влияние доступности углеродного субстрата в почве на производство метана. В данной работе представлены результаты расчетов с новой версией модели эмиссий метана по сравнению с использованной ранее в рамках проекта WETCHIMP.

ОПИСАНИЕ МОДЕЛИ ЭМИССИЙ МЕТАНА

Новая модель эмиссий метана влажными экосистемами в КМ ИФА РАН состоит из двух блоков. В блоке эмиссии метана рассчитывается поток метана из почвы в атмосферу. Необходимые для этого физические характеристики почвы в свою очередь рассчитываются в блоке тепло- и влагопереноса.

Блок эмиссии метана, ранее использованный в [11, 12, 16, 17], был модернизирован и позволяет учитывать влияние количества углеродного субстрата почвы на производство метана согласно [20, 21]. Полный поток метана из почвы в атмосферу экспоненциально зависит от температуры почвы. Он рассчитывался согласно

f = £ H( m 20;. -1 ) PAzdi:Го)/10, (1)

где T — температура /-го слоя почвы (в градусах Цельсия), &j — его влагосодержание в долях от насыщающего значения, a Azj — толщина, Q10, s = 2, T0 = 2°C, H — функция Хевисайда, P/ — интенсивность производства метана 1-го слоя.

По экспериментальным данным [22] для тундры P слабо возрастает в течение теплого периода, в результате при одинаковой температуре почвы поток метана из почвы в конце теплого периода несколько выше, чем в начале. Интенсивность, таким образом, определялась согласно

P = kCeS(a + b х DDT), (2)

где DDT — число градусодней за период без замерзания данного слоя почвы, Ceff — содержание углерода в почве по данным [23]. Численные расчеты проводились при к = 0.01 с измененными по срав-

нению с [12] значениями параметров а (42.5 мг CH4 м-3 сут-1) и b (0.0375 мг СН4 м-3 сут-1 C-1).

Суммирование в (1) производилось по слоям почвы до некоторой предельной глубины. В данной работе использовалась схема расчета запасов углерода в почве согласно [24]. Вертикальное распределение задавалось на основе результатов измерений [25] с максимальной концентрацией углерода в верхних 20 см почвы и последующим экспоненциальным убыванием содержания углерода с глубиной. Учет содержания углерода в почве позволил задавать предельную глубину расчета, одинаковую для всех модельных ячеек (ранее для тропических и внетропических широт ее значения различались [11, 12]). В проведенных расчетах для предельной глубины использовалось значение 1 м.

Для расчета температуры и влажности почвы использовалась динамическая модель процессов тепло- и влагопереноса в почвогрунте [4, 17]. Болота характеризуются ограниченным подповерхностным стоком воды, связанным с наличием водоупорного слоя в грунте. Нужно учитывать, что одномерная модель не позволяет рассчитывать боковой сток с соседних модельных ячеек или внутри ячейки. В связи с этим в каждой модельной ячейке доля влажных территорий предписывалась в соответствии с данными [26]. При расчете эмиссии метана для влажных территорий почвенные слои считались насыщенными влагой. На верхней границе расчетной области в модели термо- и гидрофизики почвы атмосферное воздействие задавалось полями приповерхностной температуры, осадков, коротковолновой солнечной радиации, влажности и облачности.

ЧИСЛЕННЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ

При модельных расчетах потоков метана и их изменений использовались временные серии среднемесячных данных CRU TS3.1 [18] для приповерхностной температуры, осадков и облачности. Их пространственное разрешение составляет 0.5° х 0.5°. Остальные характеристики атмосферного воздействия незначительно влияют на величины потоков метана [17]. Они задавались по расчетам с полной версией КМ ИФА РАН (пространственное разрешение 4.5° х 6.0°) с учетом изменений от года к году.

С моделью эмиссий метана был проведен ряд численных экспериментов, в том числе базовый эксперимент (D) для 1901-2009 гг. Для оценки чувствительности модели к осадкам и температуре были проведены дополнительные численные эксперименты. В первом из них (TS) на вход модели подавалась температура, увеличенная на 3.4 K, а остальные параметры атмосферного воздействия не менялись. Эта величина соответствует средне-

Таблица 1. Площадь болот [106 км2] по различным массивам данных

Данные Глобально Тропические широты (30°S—30°N) Внетропические широты (>35°N)

[26] 6.2 2.9 2.9

CDIAC NDP-017 20.3 1.3 18.9

[29] 5.3

Примечание. В данной работе использовались данные [26], в более ранних версиях модели — данные CDIA NDP-017.

Таблица 2. Эмиссии метана [МтСН^/год] по расчетам в численном эксперименте Б (за период 1994—2003 гг.)

Данные Глобально Тропические широты (30°S-30°N) Внетропические широты ((>35°N)

Эксперимент D 178 ± 3 139 ± 2 36 ± 3

Версия модели [15] 164 ± 3 115 ± 2 43 ± 2

WETCHIMP [13] 190 ± 39 126 ± 31 51 ± 15

[29] 181 67 106

[30] 145 ± 30

[32] 92 55 30

[33] 165 ± 50 91 ± 28 69 ± 20

[34] 145 ± 10 91 ± 11 43 ± 4

Примечание. Для сравнения приведены результаты расчетов с предыдущей версией модели и межмодельное среднее для ансамбля моделей проекта WETCHIMP (в аналогичных численных экспериментах), а также другие модельные оценки и данные наблюдений.

му межмодельному повышению глобальной приповерхностной температуры за период 2080-2099 гг. относительно периода 1980-1999 гг. по расчетам при антропогенном сценарии SRES A2 [27]. Во втором численном эксперименте (PS) были увеличены осадки на 3.9% (изменение глобальной средней величины для периода 2071-2100 гг. относительно периода 1961-1990 гг. по расчетам при антропогенном сценарии SRES A2 [28]), а остальные параметры атмосферного воздействия, включая температуру, не менялись по сравнению с экспериментом D. Повышение приповерхностной температуры и осадков в численных экспериментах TS и PS было однородно по пространству и месяцам года аналогично экспери

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком