термокарстовые озера

The monitoring and modeling framework for assessment of
methane and carbon dioxide sinks and sources in the
regional climate system of Western Siberia
This work is supported
by grants:
RFBR 09-05-00379-а,
RFBR 11-05-01190-а,
MK-5218..2010.5
П№1394.
Bogomolov, V.1, Stepanenko, V.2, Okladnikov, I.1, Yurova, A.3, Gordov, E.1, Lykosov, V.2,4
1. Siberian Center for Environmental Research and Training
2. Moscow State University 3. Hydrometeorological Centre of Russia 4. Institute for Numerical Mathematics RAS
Introduction
Метан является вторым по
значимости парниковым
газом в атмосфере
Источники метана
в климатической системе
Таким образом, важнейший источник
метана в атмосфере – болота и
переувлажненные территории зоны
вечной мерзлоты.
Однако экспедиционные исследования
последних лет
(K. Walter at al., 2006, 2007)
показывают, что сопоставимым с
болотами источником являются
термокарстовые озера.
Для учета этого источника в
климатических моделях требуется
развитие модели генерации и эмиссии
метана из озер.
Животные (главным
образом, жвачные),
исключая термитов
106
Термиты
23
Рисовники
69
Естественные
заболоченные
земли, исключая
тундру
113
Тундра
Океаны
19
14
Пресноводные озера
5
Метаногидраты
4
Вулканы
1
Иные наземные
источники, включая
гидротермальные
6
Полигоны
захоронения твердых
бытовых отходов
33
Добыча угля
30
Сжигание угля
16
Попутный газ
(выпуск, сжигание)
17
Потери газа (при
транспортировке и в
промышленности)
37
Сжигание биомассы
40
Автомобили
1
СУММА
Применение метановой модели для болот
(Walter and Heimann, 2000)
• Термокарстовые озера в северной Сибири занимают 22-48% территории,
причем ожидается увеличение их площади при потеплении климата
• термокарстовые озера обеспечивают поток метана в размере 8 - 50%
от антропогенной эмиссии
• метановая модель болота включена в модель деятельного слоя суши ИВМ РАН
• для проверки модели использованы натурные данные проекта BOREAS (Канада)
Поток метана в
атмосферу в
модели
оказывается
равными нулю,
если верхний
слой почвы не
насыщен
влагой.
1994
Незамерзающий зимой
интенсивный источник
метана (“hotspot”)
Мощность,
Мт СН4/год
Источник
Из доклада
IPCC, 2007
Эмиссия метана термокарстовыми озерами
(Семилетов, 2005, K. Walter et al., 2007)
Модель образования и переноса метана в грунте
Уравнение для концентрации метана в грунте (Walter and Heimann, 1996)

C
H
C
H





4
4

k

P

V

V

E
C
H
,
m
o
x
i
d
p
l
a
n
t
4

t z

z
Voxid  0 - окисление метана (в грунте под водоемом концентрация
кислорода предполагается пренебрежимо малой)
Vplant  0 - поглощение метана растительностью, растительность на дне
термокарстовых озер развита слабо
Образование пузырьков:


f (T )
E

k
fC
C
H

C
H
H






e
4
4
4
m
a
x
Модель метановых
процессов очень
чувствительна к
влажности почвы,
которая
рассчитывается
моделью деятельного
слоя.
Правильность же
описания
влагопереноса
определяется во
многом параметрами
почвы.
1996
Региональная атмосферная модель NH3D
- функция Хэвисайда
Уравнения динамики атмосферы в σсистеме координат
Образование метана – сумма эмиссии за счет разложения молодой
придонной органики Pnew, и за счет разложения
органики при заглублении талика Pold.
Модель переноса
солнечного и
длинноволнового
излучения
~530
Модель переноса
атмосферных аэрозолей
Модель снежного покрова
и деятельного слоя суши
ИВМ РАН
Термогидродинамическая модель водоема LAKE
Ea
S
Модель переноса и окисления метана в водной толще
Es
Модель
водоема LAKE


u 
u
2 2
k
f
vg
t
g


C
u
u

v
,
M 
x
v
e
g

t 
z 
z

v 
v
2 2
k
f
ug
t
g


C
vu

v
M 
y
v
e
g

t 
z 
z
- уравнения турбулентного замыкания k-ε
E2
kMC
,
e

Параллельная реализация модели NH3D (MPI)
• Двумерная декомпозиция области
Вода
Bastviken et al., 2002
Почва
k


E


E
M


P

B


,



t z


z
 E

k







M



c
P

c
B

c



 
1

3

2


t
z


z
E
 

- уравнения теплопроводности и переноса жидкой влаги
в снежном покрове;
- уравнение теплопроводности в слое льда;
- уравнение теплопроводности и переноса жидкой влаги в грунте с учетом
замерзания/таяния.
уравнения турбулентной

H

C
H
C

4 
4
 k

V
C
H
o
x
id, диффузии метана и кислорода с
4

t

z

z
учетом окисления метана


O
O
(Arah & Stephen, 1998)
2 
2
 k

2
V
O
o
x
id

t

z 2 
z
C
H
O

 
4
2
V

V
T


o
x
i
d o
x
i
d
,
m
a
x
a

C
H
aO




C
H
4
O
2
4
2
120.00
100.00
80.00
Ускорение
60.00
Эффективность
40.00
Линейное
ускорение
20.00
20
40
60
80
100
120
Количество процессов
Данные наблюдений: оз. Щучье, бассейн Колымы (K. Walter et al., 2006,)
• Ускорение модели в целом «насыщается» при количестве ядер > 100
(за счет в том числе глобальных обменов при решении
эллиптического уравнения)
• Измерения пузырькового и
диффузионного потоков
метана с разрешением 1 ч
в различных частях озера в
период 2003 – 2004 гг.
• Временные ряды
атмосферных параметров
для ввода в модель LAKE
получены из данных
реанализа ERA-Interim
• период интегрирования моделей: май – ноябрь 2003 г.
• входные данные – наблюдения метеорологических величин в приводном
слое воздуха
• данные для проверки моделей: температура воды и потоки тепла в
атмосферу
Годовая
эмиссия
метана,
мг/(м2*год)
Наблюдения
22658
Модель
24115
Доля
эмиссии в
период
открытой
воды, %
54
51
Период
открытой
воды
Доля
молодого
47
метана в эмиссии
(14CH4) (наблюдения)
%
www.PosterPresentations.com
Сверхлинейное
ускорение при
распределении
процессов
«один на узел»
0.00
Сравнение результатов моделирования
с данными наблюдений
Ошибки моделей водоема при сопоставлении с данными наблюдений
на оз. Коссенблаттер (Германия) (V.Stepanenko, A.Martynov, S.Goyette,
M.Perroud, K.Joehnk, X.Fang, D.Mironov, F.Beyrich)
TEMPLATE DESIGN © 2008
140.00
0
Апробация модели LAKE в проекте LakeMIP
(Lake Model Intercomparison Project, Stepanenko et al., 2010)
Меньшую среднеквадратическую ошибку демонстрируют модели с k-ε
замыканием, минимальное среднее отклонение – модели с описанием
теплообмена с грунтом.
• Ускорение решения уравнений движения на кластере «Чебышев»
(MPI -обмены только на границах подобластей)
Ускорение, эффективность, %
Одномерная постановка задачи
U
с краевыми условиями на
границе с атмосферой
и на нижней границе слоя грунта
H,LE
- уравнение притока
тепла
Снег
r
r

T T

S
1
1

k


u

n
T
d
l


T 



t
z
zcz
A

p
Г
A
Лед
- уравнения движения воды
Кэти Вальтер (K. Walter)
поджигает поток метана
Доля
молодого
метана в суммарной
генерации
метана
(модель) , %
42
Доля
эмиссии в
период
ледостава,
%
46
49
Период
ледостава
6
17
• проблемы профилировки MPI_WTIME на малых временах
План ближайших работ
• проверка разработанной модели метановых процессов в
термокарстовых озерах на других данных наблюдений;
• включение в параллельную региональную атмосферную модель
NH3D уравнений переноса и химической трансформации углекислого
газа и метана, расчет процессов эмиссии и переноса этих газов для
районов вечной мерзлоты;
• разработка модели водотоков (рек) для климатических моделей
будущего поколения (с разрешением 1-10 км), реализация этой модели
на параллельных компьютерах;
• сопряжение модели водотоков с моделями углеродного баланса
суши.