научная статья по теме МОДЕЛЬНЫЙ ПОДХОД ДЛЯ ОПИСАНИЯ ПЕРЕНОСА СО2 МЕЖДУ ЛЕСНЫМИ ЭКОСИСТЕМАМИ И АТМОСФЕРОЙ Сельское и лесное хозяйство

Текст научной статьи на тему «МОДЕЛЬНЫЙ ПОДХОД ДЛЯ ОПИСАНИЯ ПЕРЕНОСА СО2 МЕЖДУ ЛЕСНЫМИ ЭКОСИСТЕМАМИ И АТМОСФЕРОЙ»

ЛЕСОВЕДЕНИЕ, 2008, № 3, с. 3-13

УДК 630*161.32

ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ

МОДЕЛЬНЫЙ ПОДХОД ДЛЯ ОПИСАНИЯ ПЕРЕНОСА СО2 МЕЖДУ ЛЕСНЫМИ ЭКОСИСТЕМАМИ И АТМОСФЕРОЙ*

© 2008 г. А. В. Ольчев, Ю. А. Курбатова, А. В. Варлагин, Н. Н. Выгодская

Институт проблем экологии и эволюции им. АН. Северцова РАН 119071 Москва, Ленинский просп., 33 e-mail: aoltche@migmail.ru Поступила в редакцию 08.05.2007 г.

В предлагаемой статье представлена математическая модель М1х1Ъг-8УАТ, разработанная для описания переноса Н20 и С02 между лесными экосистемами и атмосферой, а также показаны результаты сравнения смоделированных и измеренных вертикальных потоков С02 над пологом леса. Потоки С02 были получены с помощью метода вихревой ковариации в двух типах ельников (чернич-но-сфагновом и разнотравном), расположенных в подзоне южной тайги в Центрально-лесном государственном биосферном заповеднике (Тверская обл.). Результаты сравнения смоделированных и измеренных потоков С02 с учетом вклада вертикальной адвекции показали, что разработанная модель позволяет достоверно описать процесс переноса С02 между лесными экосистемами и атмосферой и определить суммарный баланс С02 лесных экосистем при различных условиях окружающей среды за различные промежутки времени. Разработанная модель может быть использована для решения широкого круга теоретических и прикладных задач, в том числе для оценки влияния климатических изменений на структуру и динамику углеродного баланса лесных экосистем в различном пространственном и временном масштабе.

Математическая модель, потоки С02 и Н20, лесные экосистемы, метод вихревой ковариации, вертикальная адвекция, проверка правильности модели.

Метод вихревой ковариации (eddy covariance method), также часто называемый методом вихревой корреляции (eddy correlation method), в настоящее время является одним из наиболее эффективных и точных методов для прямого измерения потоков С02 между земной поверхностью и атмосферой в локальном пространственном масштабе [1, 4, 6-8, 24, 28]. С одной стороны, информация о потоках С02 необходима для изучения и обоснования причин пространственной и временной изменчивости содержания С02 в атмосфере, изучения пространственного распределения по земной поверхности источников и стоков С02 из атмосферы, информации об их дневной, сезонной и межгодовой изменчивости и влиянии на них условий окружающей среды [7]. С другой стороны, данная информация может быть использована также и для мониторинга состояния и устойчивости различных растительных сообществ, прежде всего лесных экосистем, а также для прогноза их возможных изменений в будущем при климатических изменениях и антропогенных воздействиях.

В настоящее время, в различных частях земного шара в рамках целого ряда международных на-

*Настоящая работа выполнена в рамках международной программы NEESPI (The Northern Eurasia Earth Science Pratnership initiative) и поддержана грантом РФФИ (06-04-48913).

учных программ и проектов (АшегШих, ЕигоНих, СагЬоНих и т.д.) постоянно действуют более чем 1000 станций, осуществляющих с помощью метода вихревой ковариации непрерывные измерения потоков водяного пара и С02 над различными типами подстилающих поверхностей [26, 27]. Данные измерений обрабатываются по типовым методикам и собираются в единые банки данных (такие как, например, РЬиХКЕТ, Ийр:/М,№,№-еоз-ornl.gov / БЬиХКЕТ) [11, 17].

0дним из основных и необходимых условий использования метода вихревой ковариации для измерения потоков является требование наличия интенсивного турбулентного обмена в приземном слое воздуха. В качестве критерия интенсивности турбулентного обмена обычно используется величина динамической скорости (м*), которая для получения надежных измерений потоков должна быть не менее 0.35 м с1 [17]. При слабой турбулентности в приземном слое атмосферы, наблюдаемой обычно при слабых скоростях ветра, из-за неучета методом вихревой ковариации нетурбулентных потоков возможны существенные погрешности в определении вертикальных потоков. В силу того, что условия слабой турбулентности в приземном слое атмосферы наблюдаются наиболее часто в ночное время суток, они могут привести к недооценке реального ночного дыхания

0 800 км

1_I_I_I_I_I

Рис. 1. Карта растительности Европейской территории России, построенная согласно данным UNEP (Программа Объединенных Наций по окружающей среде, United Nations Environment Programme) и WCMC (Международный центр мониторинга в области сохранения окружающей среды, World Conservation Monitoring Centre). 1 - положение района исследований в ЦЛГБЗ; 2 - сглаженная граница между зонами, где доминируют хвойные (таежные) и лиственные породы деревьев.

экосистемы и как следствие к переоценке суммарного (суточного, годового) баланса С02 экосистемы. Для уточнения значений потоков при условиях слабой турбулентности в оперативной практике используется целый ряд методик, направленных на определение реальных потоков и основанных на интерполяции данных за большие промежутки времени, на учете вертикальной и горизонтальной адвекции, а также использовании полуэмпирических зависимостей и математических моделей [5, 10, 11].

В настоящем исследовании представлена процесс-ориентированная математическая модель переноса тепла, влаги и С02 между земной поверхностью и атмосферой М1хЕог-8УАТ, а также показаны результаты сравнения модели с результатами измерений в двух типах хвойных лесных экосистем на южной границе европейской тайги (рис. 1). В статье также дана оценка вклада вертикальной адвекции, упорядоченных вертикальных движений воздуха в атмосфере, не измеряемых методом вихревой ковариации, в суммарные потоки С02 между земной поверхностью и атмосферой. Наблюдения показывают, что условия слабой турбулентности довольно типичны для данного района исследований, поэтому для получения точных и непрерывных данных о потоках С02 между лесными экосистемами и атмосферой,

а также для определения суммарного баланса С02 лесных экосистем необходимо корректное описание и учет вертикальной адвекции. Значения измеренных потоков С02, использованных в данном исследовании, были получены в рамках международных проектов ЕиггеШейап СагЪопйих и ТСОБ-БШейа в 2002 [2, 24].

ОБЪЕКТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И МОДЕЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

0сновными объектами исследования в данной работе были два типа ельников в Центрально-лесном государственном биосферном заповеднике (ЦЛГБЗ), расположенном на юго-западной части Валдайской возвышенности в пределах главного Каспийско-Балтийского водораздела Русской равнины (Тверская обл., 56°30'К, 32°50'Е). В геоморфологическом отношении территория ЦЛГБЗ представляет собой слабо всхолмленную равнину с абсолютными отметками высот 230270 м над ур. моря. Моренные отложения и покровные суглинки имеют, как правило, тяжелый механический состав и низкую водопроницаемость, что в условиях слабо расчлененного рельефа и повышенного атмосферного увлажнения приводит к избыточному увлажнению территории и широкому развитию процессов заболачива-

ния лесов. Растительный покров территории ЦЛГБЗ типичен для южнотаежной подзоны Европейской территории России (рис. 1) и представлен в основном ельниками (47% площади). Около 40% лесного массива ЦЛГБЗ занимают березняки и осинники, возникшие в результате сукцесси-онных процессов (вывалов, пожаров). Около 6% площади заповедника занимают верховые сфагновые болота.

Геоботанические различия обоих выбранных участков определяются уровнем грунтовых вод [2]. На первом выбранном участке, типичном для боре-ального растительного сообщества, древостой состоит в основном из ели (Picea abies (L.) Karst) (86%) с небольшим добавлением березы (Betula verrucosa L.) и осины (Populus tremula L.). Участок отличается очень высоким уровнем грунтовых вод, что привело к формированию четко выраженной поверхностной структуры корневой системы деревьев. Почвы на участке болотно-подзолистые с большим запасом органического материала в разных стадиях разложения. В нашем исследовании этот древостой был классифицирован как чернич-но-сфагновый ельник.

Древостой второго экспериментального участка расположен на хорошо дренированных расчлененных склонах водораздельной равнины с относительно глубоким уровнем залегания грунтовых вод и относится к еловым лесам неморальной структуры. Он расположен недалеко от первого экспериментального участка и представлен в основном елью (53%) с добавлением березы, осины, ольхи (Alnus incana L.) и клена (Acer platanoides L.). В нашем исследовании он был классифицирован как разнотравный ельник.

Оба древостоя характеризуются довольно высоким листовым индексом. Средний возраст ели на обоих участках по различным оценкам составляет 150-200 лет (таблица). Обе экосистемы характеризуются также большим запасом надпочвенной мертвой биомассы сухостоя и валежа (до 30% от общего числа живой надпочвенной биомассы).

Метод вихревой ковариации для измерения потоков в приземном слое атмосферы

В методе вихревой ковариации (eddy covariance method) определение турбулентного потока некоторой субстанции основано на расчете ковариации высокочастотных (не менее 10 Гц) пульсаций вертикальной составляющей скорости ветра (w': w'(t) = w(t) - w) и пульсаций данной субстанции,

например концентрации С02 (С': C'(t) = C(t) - С'), за некоторый промежуток времени (как правило, 15-30 мин):

Таксационные показатели двух выбранных ельников ] ЦЛГБЗ

Ельник

Параметры чернично- разнотрав-

сфагновый ный

Число деревьев на 1 га 657 530

Участие ели в составе 86.0 53.0

древостоя, %

Средний возраст ели, года 181 ± 35 150 ± 28

Средний диаметр ели, см 23.6 ± 9.0 26.0 ± 12.0

Средняя высота ели, м 22.0 ± 2.0 24.0 ± 8.0

Максимальная высота 24.0 33.0

деревьев,м

Суммарный проективный 7.7 6.1

листовой индекс древостоя,

LAI, м2 м-2

Проективный листовой 7.0 4.2

индекс ели, м2 м-2

Это уравнение является частным решением общего уравнения сохранения массы в некотором объеме [16]:

^ д С диС дуС дгС

При интегрировании данного уравнения по объему, учитывая осреднение Рейнольдса (С = С + С') и пренебрегая членами уравнения, описывающими горизонтальную дивергенцию и

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

Пoхожие научные работыпо теме «Сельское и лесное хозяйство»