Временная изменчивость концентрации парниковых газов в

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