Выбросы CO2 крупными акваториями бореальной, субарктической и арктической зоны в период разрушения ледяного покрова: сравнение данных реанализа и спутниковой микроволновой радиометрии

Внутренние акватории (озера, пруды, водохранилища) являются важнейшим компонентом бореальных, субарктических и арктических ландшафтов. Они выступают в качестве основных индикаторов климатических и экологических изменений в северных регионах. Более того, эти акватории представляют собой неотъемлемый элемент регионального ландшафтного баланса углерода. Они функционируют как переносчики и преобразователи большого количества углерода, полученного естественным и антропогенным путем. Внутренние воды служат пассивными каналами переноса углерода от почвы к морю, а также отводят углерод из наземной среды в атмосферу и осаждают его в донные отложения (Engel et al., 2018; Rantala et al., 2016; Tranvik et al., 2009; Wen et al., 2021).
Происходящее на Земле потепление климата наиболее выражено в высоких широтах. Оно оказывает огромное влияние на функционирование чувствительных водных экосистем. Ключевой переменной в этой динамике является органический углерод, который связан с несколькими жизненно важными функциями экосистемы через влияние на биологическую продукцию и физико-химические свойства акваторий (Rantala et al., 2016).
Анализ процессов, связанных с органическим и неорганическим углеродом во внутренних водах (включая биологическую деятельность, физическое перемешивание, термодинамический процесс и газообмен между воздухом и водой), является ключом к пониманию роли внутренних вод в глобальном углеродном цикле, а также климатических изменений, происходящих на нашей планете.
В докладе выполнено сравнение данных реанализа о содержании углекислого газа в атмосфере и фенологических фаз крупных акваторий, расположенных в бореальной, субарктической и арктической зоне, за 2012-2020 гг.
Были использованы данные реанализа CAMS global greenhouse gas reanalysis (EGG4) (Inness et al., 2019). CAMS является крупнейшим набором данных реанализа о составе атмосферы, предоставляемым Европейским Центром Среднесрочных Прогнозов (ECMWF). Он состоит из трёхмерных полей данных об аэрозолях и химических составляющих атмосферы с полным покрытием Земного шара. В настоящий момент доступны данные за период с 2003 по 2020 год. Реанализ CAMS EGG4 является продуктом 4d-var системы ассимиляции, в основе которой лежит модель прогноза ECMWF IFS CY42R1 (https://www.ecmwf.int/en/forecasts/documentation-and-support/changes-ecmwf-model/ifs-documentation). Реанализ ассимилирует данные спутникового дистанционного зондирования земли в 12 часовом временном окне с 9 до 21 UTC и с 21 до 9 UTC и обеспечивает глобальные поля атмосферных параметров на регулярной сетке координат 0,75° х 0,75°с временной периодичностью – 3 ч. В работе использовались данные CAMS EGG4 о среднем содержании CO2 и CH4 в столбе воздуха в ppm. Ошибки данных реанализа CAMS EGG4 по СH4 и CO2 по данным наземных экспериментов в среднем находятся в пределах 1% в нижних слоях тропосферы (https://atmosphere.copernicus.eu/sites/default/files/2021-04/CAMS84_2018SC3_D5.1.2-2020.pdf). Данные реанализа CAMS EGG4 были скачаны с сервера (https://atmosphere.copernicus.eu/) и совмещены по пространству и времени с данными яркостных температур, полученных из продукта L1C SMOS за период 2012 – 2020 гг.
Яркостная температура на горизонтальной и вертикальной поляризации продукта L1C SMOS измеряется в диапазоне углов зондирования 0...60 градусов микроволновым радиометром MIRAS (Microwave Imaging Radiometer using Aperture Synthesis) (Kerr et al., 2010). MIRAS принимает восходящее излучение на частоте 1,41 ГГц. Максимальный пространственный охват достигается при угле визирования 42,5 градусов, при этом пространственное разрешение составляет величину 35x65 км (Gutierrez et al., 2017). Данные L1C привязаны к дискретной геодезической сетке DGG ISEA 4H9, линейный размер ячейки которой составляет величину порядка 16 км, а площадь – около 195 км2 (Sahr et al., 2003). Непрерывный архив данных L1C SMOS за период с 2012 г. по настоящее время хранится на серверах Европейского космического агентства (англ. European Space Agency — ESA).
Данные продукта L1C SMOS использовались для определения фенологических фаз (водная поверхность, ледяной покров, разрушение ледяного покрова) крупных акваторий (Тихонов и др., 2021; Tikhonov et al., 2018). Сравнение данных реанализа и спутниковой микроволновой радиометрии показало, что в период разрушения ледяного покрова в некоторые годы у ряда озер происходит кратковременный сильный (по сравнению с фоном) выброс углекислого газа. Данный эффект объясняется авторами накоплением CO2 в озере за период ледостава, и резким его выбросом при разрушении льда. Однако это предположение требует дальнейших серьезных исследований, связанных, в первую очередь, с анализом биопродуктивности акваторий, а также характеристик их водосбора.
Работа выполнена при поддержке темы «Мониторинг» (гос. регистрация № 122042500031-8), темы "Эмиссия" (гос. регистрация № 122101700045-7 ) и темы «Космос-2» (гос. регистрация № 075-01133-22-00), а также при поддержке РФФИ (проект № 20-05-00198а).