Временная изменчивость концентрации парниковых газов в атмосфере над среднетаежными экосистемами Сибири по данным 5-летних наблюдений на обсерватории “ZOTTO” Тимохина А.В.1, Прокушкин А.С.1, Панов А.В.1, Онучин А.А.1, Хайманн М.2 1Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН, 660036, ул. Академгородок 50/28, г. Красноярск, Россия 2Институт биогеохимии им. Макса Планка, 07745, ул. Ганса Кнолля 10, г. Йена, Германия Школа-конференция молодых ученых «Изменение климата и окружающей среды Северной Евразии: анализ, прогноз, адаптация» Кисловодск, 14-21 сентября 2014 г. Введение [Sasakawa et al., 2010] Сеть JR-STATION станции РОСГИДРОМЕТА: Териберка (69с.ш.,35 в.д.), Тикси (71с.ш., 128 в.д.), Новый Порт (67 с.ш., 72 в.д.), Воейково (59с.ш., 30 в.д.). Анастасия Тимохина и др., Значительная часть Северной Евразии по прежнему малоизучена с точки зрения пространственного и временного изменения концентрации СО2 и СН4 в атмосфере. Временная изменчивость концентрации СО2 и СН4… 2/15 ZOTINO TALL TOWER OBSERVAROTY (ZOTTO) Жилой дом Высотная мачта 301 м Введение Измерительный комплекс для оценки NEE в сосняке 227 м 156 м Измерительный комплекс для оценки NEE на болоте Лаборатория 92 м 52 м 4м Анастасия Тимохина и др., Временная изменчивость концентрации СО2 и СН4… 3/15 Обсерватория ZOTTO (Zotino Tall Tower Observatory) Район исследования Красноярский край, 60◦48ꞌ с.ш., 89◦21ꞌ в.д., 114 м. над ур.м. Климатическая характеристика района Средняя годовая температура воздуха, Co -3.8 Годовое количество осадков, мм 536 Вегетационный сезон ˃10 Co (дней) ˃ 0 Co (дней) 91 173 Снежный период (дней) 207 Растительный покров района исследований образован: • обводненными болотами и озерами; • бруснично-лишайниковыми сосняками; • заболоченными и болотными олиготрофными сосняками; • зеленомошными сосняками; • кустарничково-сфагновыми сосняками; • темнохвойными насаждениями. Анастасия Тимохина и др., ZOTTO Временная изменчивость концентрации СО2 и СН4… 4/15 Материалы и методы 301 м Забор образцов воздуха осуществляется с частотой 30 секунд, с интервалом в 15 мин на 6 уровнях мачты (4, 52, 92, 156, 227, 301 м); Стальные буферы (8 л.) позволяет проводить измерения концентрации СО2 и СН4 на шести уровнях мачты в квазинепрерывном режиме с использованием только одного газоанализатора; 227 м 156 м 92 м 52 м Измерение концентрации СО2 и СН4 в образцах воздуха проводится газоанализатором Envirosense 3000I Multi-Species Atmospheric Monitor (Picarro, USA). 4м Анастасия Тимохина и др., Временная изменчивость концентрации СО2 и СН4… 5/15 Материалы и методы ОЦЕНКА СЕЗОННОЙ И ГОДОВОЙ ДИНАМИКИ КОНЦЕНТРАЦИИ СО2 и СН4 Анализ осуществлялся используя дневные измерения с 13:00 ч. до 17:00 ч. местного времени. [СО2], ppm 410 400 390 13-17 ч. 380 370 0 4 0 4 8 12 16 20 24 2000 [СH4], ppbv Исключение завышения средних значений концентраций исследуемых газов при их накоплении (ночное дыхание растительного покрова и эмиссия СН4 из болотных экосистем) в приземном воздухе при температурной инверсии. 1950 Период полного перемешивание воздуха во всей толще приземной атмосферы (вертикальный градиент концентрации СО2 и СН4 по высотному профилю близок к 0). Максимальная репрезентативность получаемых значений концентрации СО2 и СН4 1900 1850 8 12 16 20 24 Время суток, ч. Анастасия Тимохина и др., Временная изменчивость концентрации СО2 и СН4… 6/15 Материалы и методы [СО2], ppm 450 425 400 375 350 2009 [СН4], ppbv АНАЛИЗ ВРЕМЕННЫЙ РЯДОВ КОНЦЕНТРАЦИИ СО2 и СН4 2010 2011 2012 2013 2014 2015 5 -52009 -15 2010 2011 2012 2013 2014 2015 [CH4], ppbv [СО2], ppm 15 2200 2100 2000 1900 1800 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 50 0 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 Исходный ряд (дневные средние) Сезонность сумма 4 гармоник: 4 ∑ (b n =1 n sin( 2π 2π nx ) + cn ⋅ cos( nx )) 365 365 -50 -25 [CH4], ppbv 415 390 365 2009 2010 2011 2012 2013 2014 [CH4], ppbv [CO2], ppm 392 388 384 2010 2011 2012 2013 2014 2015 [CO2], ppm 2,0 -2,0 1900 2000 396 0,0 2009 2000 1800 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2015 400 2009 Остатки = исходный ряд минус сезонность 2100 2010 2011 2012 2013 2014 2015 1950 Долговременная тенденция 1900 1850 1800 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 10 [CH4], ppbv [CO2], ppm 2200 440 Ежегодный прирост 0 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 -10 Nakazawa et al., 1997 7/15 Результаты: ГОДОВАЯ ДИНАМИКА КОНЦЕНТРАЦИИ СО2 и СН4 435 425 Летний минимум (июль - август) 415 [CO2 ], ppm Зимняя [CO2] возросла: с 397 ppm в 2010 г. до 408 ppm в 2014 г. Зимний максимум (декабрь - март) Летняя [СО2] возросла: с 367 ppm в 2009 г. до 382 ppm в 2013 г. 405 395 385 375 365 Годовая динамика 355 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2300 2200 [CH4 ], ppbv Зимняя [CН4] возросла: с 1935 ppb в 2010 г. до 1973 ppb в 2014 г. Летний максимум (август - сентябрь) Зимний максимум (декабрь - март) Летняя [СН4] (август) – с 1900 ppbv в 2009 г. до 1941 ppbv в 2013 Летний минимум (июнь) 2100 2000 1900 1800 2009 Годовой динамика 2010 2011 Анастасия Тимохина и др., 2012 2013 2014 2015 Временная изменчивость концентрации СО2 и СН4… 8/15 Результаты: Зависимость концентрации СО2 от концентрации СН4 в летний и зимний периоды. Летние измерения Зимние измерения 2,1 425 [СO2], ppm [СН4] , ppm 2,2 2,0 1,9 Концентрации СО2 и СН4, температура и давление воздуха в приземной атмосфере на разных высотах в зимний период (на примере, 9 – 23 декабря 2011) 415 4м 92 м 227 м 52 м 156 м 301 м 405 395 400 [СО2], ppm 450 В зимний период наблюдается синхронное возрастание [СО2] и [СН4]. Поведение газов в атмосфере определяется их эмиссионными потоками из антропогенных и природных источников. Анастасия Тимохина и др., 2050 2000 1950 1900 1850 0 Температура воздуха, С 350 -10 -20 -30 1040 Атмосферное давление, гПа 1,8 [СН4], ppbv 2100 1020 1000 980 960 940 Временная изменчивость концентрации СО2 и СН4… 9/15 Результаты: Январь Февраль 2100 Март Апрель Район обсерватории ZOTTO Май Июнь 2000 Июль Август Сентябрь Октябрь 1900 1800 Концентрация CH4, ppbv 2200 ИЗМЕНЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ СН4 ПО ДОЛГОТНОМУ ГРАДИЕНТУ Ноябрь Декабрь 50 70 90 110 Долгота, o Анастасия Тимохина и др., 130 150 Временная изменчивость концентрации СО2 и СН4… 10/15 0:00 18:00 12:00 6:00 0:00 18:00 12:00 6:00 250 394 500 396 750 398 1000 400 4м 52 м 92 м 156 м 227 м 301 м h ПСА Анастасия Тимохина и др., 16-17 декабря 2009 0:00 18:00 12:00 6:00 0:00 18:00 12:00 6:00 0 250 500 750 1000 0 0:00 18:00 12:00 6:00 0:00 18:00 12:00 6:00 0 1800 0:00 11-12 июля 2009 1870 1880 1890 1900 1910 0:00 0:00 18:00 12:00 6:00 0:00 18:00 12:00 6:00 1000 2000 1000 2000 2000 2200 Концентрация СH4, ppbv 3000 3000 360 370 380 390 400 410 0:00 Концентрация СО2, ppm 4м 52 м 92 м 156 м 227 м 301 м h ПСА Концентрация СH4, ppbv 0 392 0:00 Концентрация СО2, ppm Результаты: Суточная динамика концентрации СО2 и СН4 и высоты пограничного слоя атмосферы, на примере 11-12 июля и 16-17 декабря 2009 г. Временная изменчивость концентрации СО2 и СН4… 11/15 Результаты: 4 8 12 16 20 24 0 Время суток, ч. 0 4 Июнь 4 8 12 16 20 24 0 4 [СО2], ppm 370 380 390 400 410 Апрель 0 8 12 16 20 24 Июль 8 12 16 20 24 0 4 4 8 12 16 20 24 Время суток, ч. Время суток, ч. Август 8 12 16 20 24 0 4 8 12 16 20 24 Время суток, ч. Время суток, ч. Время суток, ч. Сентябрь Октябрь Ноябрь Декабрь 4 8 12 16 20 24 Время суток, ч. 0 4 8 12 16 20 24 Время суток, ч. Анастасия Тимохина и др., 0 4 8 12 16 20 24 Время суток, ч. [СО2], ppm 370 380 390 400 410 Время суток, ч. [СО2], ppm 370 380 390 400 410 [СО2], ppm 370 380 390 400 410 0 0 8 12 16 20 24 Время суток, ч. [СО2], ppm 370 380 390 400 410 [СО2], ppm 370 380 390 400 410 Май 4 [СО2], ppm 370 380 390 400 410 0 2 4 6 Март [СО2], ppm 370 380 390 400 410 1 3 5 Февраль [СО2], ppm 370 380 390 400 410 Январь [СО2], ppm 370 380 390 400 410 а) [СО2], ppm 370 380 390 400 410 [СО2], ppm 370 380 390 400 410 Динамика суточной концентрации СО2 в атмосфере на разных высотах в отдельные месяцы года для пятилетнего периода измерений (май 2009 г.– май 2014 г.) 0 4 8 12 16 20 24 Время суток, ч. Временная изменчивость концентрации СО2 и СН4… 12/15 Результаты: 4 8 12 16 20 24 Время суток, ч. 2000 1950 1900 1850 Концентрация СH4, ppbv 2000 1950 1900 Концентрация СH4, ppbv 1850 8 12 16 20 24 8 12 16 20 24 2000 1950 1900 1850 4 Концентрация СH4, ppbv 2000 1950 0 0 4 Время суток, ч. Время суток, ч. Анастасия Тимохина и др., 0 4 8 12 16 20 24 Время суток, ч. 12 16 20 24 Декабрь 2000 Ноябрь 8 Время суток, ч. 1950 12 16 20 24 1900 2000 2000 12 16 20 24 1900 8 1950 4 8 Август Октябрь 0 4 Июль 1900 1850 0 0 Июнь Время суток, ч. Концентрация СH4, ppbv 2000 1950 1900 1850 Концентрация СH4, ppbv Сентябрь 12 16 20 24 Время суток, ч. 1950 4 8 Время суток, ч. 1900 0 4 1850 12 16 20 24 Время суток, ч. 0 Концентрация СH4, ppbv 8 12 16 20 24 2000 4 1850 0 Концентрация СH4, ppbv 2000 1950 1900 1850 Концентрация СН4, ppbv Май 8 Апрель Время суток, ч. 1850 4 Концентрация СH4, ppbv 2000 1950 1900 0 1950 12 16 20 24 Март 1900 8 Время суток, ч. 1850 4 Февраль Концентрация СH4, ppbv 0 2 4 6 1850 1 3 5 Концентрация СH4, ppbv 1950 2000 Январь 1900 1850 Концентрация СH4, ppbv Динамика суточной концентрации СН4 в атмосфере на разных высотах в отдельные месяцы года для пятилетнего периода измерений (май 2009 г.– май 2014 г.) 0 4 8 12 16 20 24 Время суток, ч. Временная изменчивость концентрации СО2 и СН4… 13/15 Заключение: 1. Установлена ярко выраженная годовая цикличность исследуемых ПГ с амплитудой колебания около 28±1.5 ppm для СО2 и 72±10 ppbv для СН4; 2. Выявлены различия в поведении концентраций сравниваемых ПГ в летний период и их синхронность в зимний; 3. Анализ концентраций метана в атмосфере над территорией Западной Сибири позволяет заключить, что его уровни существенно снижаются в восточном направлении, отражая уменьшение заболоченности территорий. Анастасия Тимохина и др., Временная изменчивость концентрации СО2 и СН4… 14/15 СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ! Работа выполнена при финансовой поддержке проекта РФФИ в рамках научного проекта № 13-05-98053, Гранта Президента Российской Федерации для Государственной поддержки молодых российских ученых МК-1691.2014.5 15/15