Исследование сезонной изменчивости потоков углекислого газа

Паспорт совместного российско-американского проекта
1. Название
Исследование сезонной изменчивости потоков углекислого газа, метана и водяного
пара в Арктике по данным измерений в Гидрометеорологической обсерватории в
Тикси и дрейфующих станциях «Северный Полюс»
2. Аннотация
Фундаментальная научная проблема, на решение которой направлен проект: Оценка
роли парниковых газов в современных колебаниях климата Арктики.
Конкретная фундаментальная задача в рамках проблемы, на решение которой
направлен проект: Исследование сезонной и межгодовой изменчивости процессов энерго и газообмена (потоков тепла, водяного пара, углекислого газа и метана в атмосфере) в
Арктике в их взаимосвязи с климатической изменчивостью региона.
Климатические изменения, происходящие в Арктике и прилегающих регионах в
последнее десятилетие, относятся к числу наиболее заметных на планете. Значительные
изменения наблюдаются в атмосфере, гидросфере, криосфере и наземном покрове.
Особый интерес в связи с глобальным потеплением климата представляют оценки вклада
морских и наземных экосистем в региональный баланс атмосферного метана и
углекислого газа в Арктике. Повышение температуры приводит к деградации наземной
мерзлоты. Кроме этого, происходит быстрое разрушение берегового ледового комплекса и
подводной мерзлоты. Все это может привести к вовлечению в современный
биогеохимический цикл огромного количества органического вещества, ранее
законсервированного в вечной мерзлоте. Конечным продуктом распада органического
вещества является образование двуокиси углерода и метана - основных парниковых газов.
Предполагается, что при сохранении современных тенденций потепления климата в
атмосферу из таящей мерзлоты поступит значительное количество парниковых газов, что
может привести к трудно предсказуемым последствиям.
Данные наблюдений показывают, что процессы взаимодействие атмосферы и
подстилающей поверхности являются определяющими в уменьшении ледовитости
Северного Ледовитого Океана, потеплении климата окружающих территорий и в
разрушении вечной мерзлоты. Однако, для диагностики современной изменчивости
климата и понимания роли механизмов тепло- и газообменных процессов, необходим
качественный, всесезонный и многолетний мониторинг всех составляющих
энергетического баланса и газообмена в различных районах Арктики. Поэтому одним из
ключевых проектов Международного полярного года стал проект «Международная
система наблюдений атмосферы в Арктике». Составной частью организации
международной сети полярных станций для мониторинга долговременных изменений
климата Арктики стало создание в рамках сотрудничества Росгидромета, РАН и НОАА
Гидрометеорологической обсерватории в Тикси (ГМО Тикси). Обсерватория создана для
проведения комплексных исследований взаимосвязанных компонент климатической
системы Арктики, включая атмосферные и гидрологические процессы, изменения
химического состава атмосферы, процессы деградации вечной мерзлоты и береговой
эрозии и сопутствующие им процессы газо-массообмена подстилающей поверхности с
атмосферой, в том числе парниковыми газами. Основной задачей предлагаемого проекта
является всесторонний анализ долговременных наблюдений на базе ГМО Тикси за
потоками тепла, импульса, водяного пара, углекислого газа и метана в атмосфере,
исследование их межгодовой и сезонной изменчивости, а также взаимосвязи с другими
атмосферными процессами. Для сравнения будут использованы данные аналогичных
измерений, полученные на сети действующих арктических атмосферных обсерваторий,
включающей обсерватории в Барроу (Аляска, США), Эврика и Алёрт (Канада), Ню-
Алесунд (Норвегия), а также данные специализированных экспериментов, организуемых
на дрейфующих станциях «Северный Полюс».
Реализация проекта внесет значительный вклад в понимание взаимосвязи процессов,
обусловливающих изменчивость климата Арктики, а также будет способствовать
развитию российско-американского сотрудничества в исследовании полярных районов.
3. Описание предполагаемых результатов реализации проекта
По окончании выполнения проекта будут получены следующие результаты:
- организован круглогодичный мониторинг потоков тепла, водяного пара, импульса,
углекислого газа и метана и температурного режима деятельного слоя почвы на базе ГМО
Тикси в рамках сотрудничества Росгидромета и НОАА;
- выполнен всесторонний анализ данных наблюдений, направленный на исследование
межгодовой и сезонной изменчивости процессов энерго – газообмена подстилающей
поверхности с атмосферой в их взаимосвязи с крупномасштабными атмосферными
процессами;
- проведено сравнение с данными аналогичных измерений на сети действующих
арктических атмосферных обсерваторий, а также с данными специализированных
экспериментов, проведенных в Арктическом бассейне;
- разработаны параметризации для расчета потоков углекислого газа и метана при
различных фоновых условиях;
- выявлены характерные особенности цикла углерода в атмосфере приполярных
районов Арктики;
- получены новые экспериментальные данные о механизме формирования максимума
основных парниковых газов (метана и углекислого газа) над Арктикой и генезисе
источников метана и углекислого газа в полярных районах.
Информация, которая будет получена в ходе проекта, будет размещена на сайтах
существующих международных арктических обсерваторий и внесет значительный вклад в
оценки изменения климата Арктики, необходимые для развития процедур
международного контроля за состоянием природной среды. Результаты работ будут
использованы для научного обоснования перспективного планирования экономически
эффективной и экологически безопасной хозяйственной, в том числе морской,
деятельности, а также для решения задач по развитию Северного морского пути.
4. Наиболее близкие по тематике проекты в мире, реализующиеся в
настоящее время
«Permafrost and gas hydrate related methane release in the Arctic and impact on climate change:
European cooperation for long-term monitoring (PERGAMON)»
5. Новизна, описание конкурентных преимуществ результатов
Формирование климата, как глобального, так и регионального, в значительной степени
обусловлено процессами на границе раздела подстилающая поверхность-атмосфера. При
этом одной из важнейших задач взаимодействия атмосферы и подстилающей поверхности
является оценка турбулентных потоков тепла, влаги и малых газовых примесей в
приводном (приземном) слое атмосферы. Большое число исследований посвящено
параметризации этих потоков. В настоящее время общепринятыми являются так
называемые интегральные аэродинамические формулы, которые используют стандартные
метеорологические характеристики и эмпирические коэффициенты обмена. В свою
очередь, используемые коэффициенты обмена зависят как от метеорологических условий,
так и от состояния поверхности. Полярным регионам свойственна поверхность сложной
структуры: участки почвы различной степени заболоченности и заснеженности,
каменистые или покрытые тундровой растительностью, наличие раздела суша-море,
большую часть года покрытое льдом. Структура ледяного покрова Арктического бассейна
также характеризуется сложной структурой (льды разной толщины, разводья, торосы,
снежницы). В результате воздушный поток, переходя с одной поверхности на другую,
трансформируется, и возникает сложная система внутренних пограничных слоев.
Обменные процессы оказываются зависимыми от часто трудно-формализуемых факторов.
Комплексные эксперименты последних лет собрали значительный фактический материал
о характеристиках энергообмена в полярных районах (Andreas et all, 2005; Jordan et al,
1999; Persson et al 2002). Но даже такой комплексный эксперимент как SHEBA так и не
дал ответа на вопрос в чем же причина расхождения модельных и экспериментальных
данных в определении турбулентных потоков в полярных районах (Beesley et al, 2000).
Содержанию малых газовых примесей в атмосфере уделяется большое внимание в
связи с проблемой глобального потепления, причину которого часто связывают с ростом
концентраций этих примесей. Увеличение содержания парниковых газов в атмосфере за
период инструментальных наблюдений и усиление антропогенных источников их
поступления не вызывает сомнений, однако, причины и последствия этого роста для
климата планеты до сих пор дискутируются. Экосистема Арктики наиболее чувствительна
к климатическим изменениям и, соответственно, наиболее уязвима. При этом обмен
парниковыми газами в Арктических районах изучен мало, а измерения носят
эпизодический характер (Semiletov et al, 2004, 2007, Семилетов, Репина 2007,
Недашковский, Макштас 2010). Практически нет данных о влиянии на газообмен (потоки
углекислого газа, метана) процессов деградации вечной мерзлоты и взаимосвязи
газообменных процессов с изменчивостью климатической системы Арктики, включая
крупномасштабную циркуляцию атмосферы и процессы в деятельном слое почвы и
ледяном покрове. В ходе проекта будут использованы результаты прямых измерений
(eddy-correlation) турбулентных потоков тепла, импульса, углекислого газа и метана,
которые будут проведены над различными типами подстилающей поверхности, а также
измерений с помощью камер на различных типах подстилающей поверхности. Реализация
данного проекта внесет значительный вклад в понимание взаимосвязи процессов
климатической изменчивости в Арктике, а его комплексный характер в полной мере
определяет его конкурентоспособность.
6. Кто является потенциальным потребителем результатов
Потенциальными потребителями результатов проекта будут научные организации
Гидрометеорологической службы Российской Федерации (Росгидромет) и Национальной
океанической
и
атмосферной
администрации
США
(НОАА),
Всемирная
Метеорологическая Организация.
7. Где, когда и какой эффект ожидается от использования результатов
проекта
Результаты, полученные в ходе реализации проекта будут использованы при оценках
изменения климата Арктики, необходимых для развития процедур международного
контроля за состоянием природной среды. Результаты работ будут использованы для
научного обоснования перспективного планирования экономически эффективной и
экологически безопасной хозяйственной, в том числе морской, деятельности в Арктике.
8. Предполагаемые организации – участники консорциума по профилям:
научные, образовательные, бизнес.
ГУ "Арктический и антарктический научно-исследовательский институт"
Росгидромета, Макштас Александр Петрович., д.ф.-м.н., ведущий научный сотрудник,
maksh@aari.nw.ru.
Учреждение Российской академии наук Институт физики атмосферы им. А.М.Обухова
РАН, Репина Ирина Анатольевна, к.ф.-м.н. руководитель лаборатории, repina@ifaran.ru.
Санкт-Петербургский Государственный Университет, факультет географии
геоэкологии, Бекряев Роман Викторович, к.ф.-м.н, доцент, bekrjaev@mail.ru.
и
9. Описание вклада каждой организации в итоговый результат.
При выполнении проекта специалистами ААНИИ будут использованы имеющиеся
в ГМО Тикси и разворачиваемые на дрейфующих станциях комплексы аппаратуры для
проведения стандартных и специализированных метеорологических, актинометрических
и аэрологических наблюдений, измерений теплового режима деятельного слоя почвы и
снежно-ледяного покрова. Для оценок потоков метана и углекислого газа в системе
атмосфера - подстилающая поверхность будет использованы метод измерения потока
углекислого газа непосредственно на границе подстилающая поверхность – атмосферы
путем автоматической регистрации изменения концентрации СО2 в измерительной камере
газоанализатором “LICOR-8100”. Для учета особенностей крупномасштабной циркуляции
атмосферы в формировании концентраций и потоков парниковых газов предполагается
использовать данные электронного архива метеорологических и аэрологических
наблюдений сети полярных обсерваторий, созданного и регулярно пополняемого в
ААНИИ.
Специалисты ИФА РАН выполнят организацию в ГМО Тикси и на дрейфующих
станциях наблюдений потоков прямым (пульсационным) методом измерений в приземном
слое атмосферы, основанном на высокочастотных измерениях концентраций исследуемых
газов и пульсаций трех компонент скорости ветра, температуры и влажности воздуха на
высотах от двух до двадцати метров. При реализации последнего будет использована
разработанная в ИФА РАН универсальная система оперативной обработки данных и
расчета потоков парниковых газов. Система включает в себя анализ первичных сигналов,
удаление шумов и трендов, спектральную обработку данных, коррекцию сигналов с
учетом конкретных гидрометеорологических условий и расчет турбулентных потоков
углекислого газа, метана, водяного пара, явного и скрытого тепла. При построении
параметризаций будут учтены температурные и структурные характеристики
подстилающей поверхности, а также трансформация профилей метеорологических
характеристик над поверхностью сложной структуры.
Специалисты и студенты Географического факультета СПБ ГУ примут участие в
проведении и обработке результатов наблюдений.
10. Преимущества от участия иностранных организаций
Участие специалистов НОАА позволит обеспечить приобретение современных
измерительных комплексов аппаратуры и создание инфраструктуры, необходимой для
проведения экспериментальных работ. В частности, в настоящее время по их инициативе
и финансировании в ГМО Тикси установлена 20-метровая башня для измерения
турбулентных потоков. Совместно с российской группой начато размещение научного
оборудования на мачте. Их участие обеспечит также доступ к данным аналогичных
измерений, полученным в Гидрометеорологических обсерваториях Барроу, Алерт, Эврика
и на других зарубежных полярных станциях.
11.Потенциальные иностранные участники проекта, которые могли бы
внести существенный вклад в итоговый результат
NOAA Earth System Research Laboratory, Taneil Uttal, Polar Observations Team
Leader/Research Meteorologist, Taneil.Uttal@noaa.gov.
University of Colorado CIRES / NOAA Earth System Research Laboratory, Andrey Grachev,
Research Associate, Andrey.Grachev@noaa.gov.
12.Краткая предыстория формирования проекта
В 2005 году в ААНИИ были подготовлены предложения по участию в
Международном Полярном Годе (МПГ) под названием «Создание Атмосферной
Обсерватории климатического мониторинга в Тикси», которые впоследствии были
интегрированы в Кластер МПГ N 196 «International Arctic Systems for Observing the
Atmosphere» (Международная система наблюдений атмосферы в Арктике). В 2006 году
окончательное решение о создании в Тикси современной Гидрометеорологической
Обсерватории было принято на Первом официальном совещании делегаций НОАА и
Росгидромета (Москва 27 февраля – 3 марта 2006) в рамках Меморандума по
сотрудничеству в области метеорологии, гидрологии и океанографии Главными целями
проекта являются: создание Гидрометеорологической исследовательской обсерватории на
базе гидрометеорологической станции Тикси, оснащенной современными средствами
наблюдений и связи, на которой будет проводиться сбор качественных данных о составе
атмосферы и атмосферных процессах, а также о сопутствующих параметрах океана и
суши для целей изучения погоды и климата; интегрирование данных наблюдений и
измерений, организуемых в будущей обсерватории, в международные наблюдательские
сети, такие, как Global Atmosphere Watch (Глобальные наблюдения за атмосферой),
Baseline Surface Radiation Network (Базовая сеть наземных радиационных наблюдений),
Climate Reference Network (Базовая сеть наблюдений за климатом), Global Terrestrial
Network for Permafrost (глобальная сеть наблюдений за вечной мерзлотой) и Micropulse
Lidar Network (Сеть лидарных наблюдений). В августе 2010 в ГМО Тикси были открыты
совместные наблюдения.
13.Предварительный план подготовки и реализации проекта
Май 2011 г. – координационное совещание участников проекта;
Июнь – август 2011 г. – организация мониторинга потоков парниковых газов в ГМО
Тикси;
Октябрь 2011 г. - организация мониторинга концентрации потоков парниковых газов на
дрейфующей станции «Северный Полюс»
2012 – 2013 г.г. – проведение двух годовых циклов измерений потоков парниковых газов
и сопутствующих гидрометеорологических наблюдений, обеспечение непрерывного
получения данных измерений участниками проекта по спутниковому каналу, создание
электронных архивов.
2014 г. – Подготовка итогового отчета, включающего: анализ данных круглогодичного
мониторинга потоков тепла, водяного пара, импульса, углекислого газа и метана и
температурного режима деятельного слоя почвы и морского ледяного покрова и их
сравнение с данными аналогичных измерений на сети действующих арктических
атмосферных обсерваторий, а также с данными специализированных экспериментов,
проведенных в Арктическом бассейне; разработанные параметризации расчета
составляющих энергетического баланса и потоков углекислого газа и метана при
различных фоновых условиях; описание характерных особенностей цикла углерода в
атмосфере Арктики; новые экспериментальные данные о механизме формирования
максимума основных парниковых газов (метана и углекислого газа) над Арктикой и
генезисе источников метана и углекислого газа в приполярных районах
14.Объем финансирования (существующий и необходимый), включая
предполагаемые источники и объемы софинансирования
Общий объем финансирования на 3 года - 9 млн. рублей. На 2011 – 2012 год объем
софинансирования по линии РФФИ-CRDF составляет 900 тыс. рублей в год.