Дата выполнения проекта        2012–2014

Информация о проекте

Проект посвящен анализу воздействия климатических изменений на динамику потоков углерода и азота в регионах многолетнемерзлых грунтов Северного полушария. Решение этой задачи важно для развития фундаментальной климатологии и для научно-практических целей, связанных с проблемой анализа эмиссии парниковых газов из естественных экосистем Северного полушария. В планируемом исследовании предполагается на основе численных экспериментов проанализировать основные характеристики углеродного и азотного циклов в системе "атмосфере-подстилающая поверхность" в зависимости от изменения термического и гидрологического состояния мерзлых грунтов. Используемые модели планируется верифицировать на основе экспериментальных данных по Западной Сибири – району наиболее вероятной деградации приповерхностных многолетнемерзлых грунтов и оттаивания органического вещества, вовлекаемого в глобальный биогеохимический цикл. С помощью разработанных авторами проекта физико-математических моделей будет произведена оценка изменения интенсивности эмиссии парниковых газов в результате деградации многолетнемерзлых грунтов суши Северного полушария при изменении климата для различных антропогенных воздействий, ожидаемых в XXI веке.

Этап 2012 г.:
Сформирована база данных о пространственном распределении органического углерода и азота в регионах распространения многолетнемерзлых грунтов суши Северного полушария. Проведена адаптация и калибровка разработанных пространственно-распределенных моделей углеродного и азотного циклов в наземных экосистемах и модели процессов тепловлагопереноса в почве. Модели углерода и азота достаточно адекватно воспроизводят круговорот этих элементов в наземных экосистемах и способны демонстрировать изменения интенсивностей потоков и запасов углерода и азота в экосистемах при изменении климата. Модель процессов тепловлагопереноса в почве позволяет моделировать динамику процессов промерзания и протаивания при наличии нескольких подвижных границ фазовых переходов почвенной влаги. С использованием модели процессов тепловлагопереноса в почве проведены расчеты изменения активного слоя криолитозоны суши Северного полушария в XXI веке при сценариях антропогенного воздействия RCP 2.6 и RCP 8.5. На основе сформированных данных о содержании углерода и азота в регионах распространения многолетней мерзлоты и результатов модельных расчетов динамики активного слоя получены оценки запасов этих веществ, которые могут быть включены в глобальный биогеохимический цикл при оттаивании приповерхностных многолетнемерзлых грунтов к концу XXI века.

Этап 2013 г.:
С использованием временных серий среднемесячных данных высокого разрешения CRU TS3.1 проведена валидация разработанной участниками проекта модели эмиссий метана болотными экосистемами. Показано, что модель в целом реалистично воспроизводит значения потока метана по имеющимся данным. Согласно полученным результатам наибольший вклад в глобальные эмиссии метана от природных источников в Северном полушарии в настоящее время вносят влажные экосистемы Западной Сибири и низменности Гудзонова залива. Средняя величина глобальной интенсивности эмиссии метана болотными экосистемами по расчетам с использованием данных CRU для периода 1901-2009 гг. составляет 152 МтСН4/год, вклад от потоков метана во внетропических широтах составляет 25 МтСН4/год. По модельным оценкам на протяжении XX века глобальные эмиссии возрастают примерно на 15 МтСН4/год. Относительное увеличение эмиссии метана в XX веке из внетропических широт составляет порядка 30%, что значительно превосходит увеличение глобальных эмиссий (примерно 12%). Проведен анализ влияния изменений основных климатических характеристик на эволюцию криолитозоны суши Северного полушария в XXI веке при наименее агрессивном RCP 2.6 и наиболее агрессивном RCP 8.5 сценариях антропогенных воздействий. Увеличение средней глобальной приповерхностной температуры в XXI веке составляет 0.8 С при сценарии RCP 2.6 и 4.2 С при сценарии RCP 8.5. Общее увеличение приповерхностной температуры над сушей севернее 30 с.ш. составляет 1.0 С при сценарии RCP 2.6 и 5.3 С при сценарии RCP 8.5. При наиболее агрессивном антропогенном сценарии RCP 8.5 пространственная структура приповерхностного потепления в зимний период имеет выраженные максимумы (более 6 К) в Западной Сибири, на севере Восточной Сибири, Аляске и севере Канады. При сценарии RCP 2.6 увеличение мощности талого слоя более чем на 1 м происходит в на южной границе мерзлоты в Западной и Восточной Сибири, Тибете и Аляске. В отдельных регионах на Аляске мощность талого слоя увеличивается более чем на 5 м. При наиболее агрессивном сценарии антропогенного воздействия RCP 8.5 увеличение мощности талого слоя более 7-9 м происходит на Аляске и северных регионах Канады. Начиная с 40-х гг. и до конца XXI века при наименее агрессивном антропогенном сценарии RCP 2.6 происходит снижение скорости деградации приповерхностной многолетней мерзлоты в Северном полушарии. Полученные результаты показали, что изменения климата в XXI веке могут существенно повлиять на криолитозону Северного полушария, что в свою очередь отразится на функционировании наземных экосистем этих регионов. Для оценки динамики циклов углерода и азота в тундровых экосистемах были проведены численные эксперименты с использованием разработанной участниками проекта модели биотического круговорота. При наиболее агрессивном антропогенном сценарии RCP 8.5 сценарии мохово-кустарничковая тундра может перейти в кустарниковую с увеличением наземной фитомассы (с 664 гC/кв.м до 850 гC/кв.м). Увеличение фитомассы лиственничников (с 1652 гC/кв.м до 1744 гC/кв.м) при этом сценарии лимитировано доступным количеством азота в почве – оно практически не увеличивается, что ограничивает возможности смены типа экосистемы на занятой ими в настоящее время территории.

Публикации по проекту

Елисеев А.В., Демченко П.Ф., Аржанов М.М., Мохов И.И.
Гистерезис зависимости площади приповерхностной вечной мерзлоты от глобальной температуры. Доклады Академии наук. 2012. Т.444. N.4. C.444-447.

Denisov S.N.
Estimations of hydrate stability in Baikal. Research Activities in Atmospheric and Oceanic Modelling, WMO, N2300. 2012. Geneva: World Climate Research Programme, p.7.05-7.06.

Arzhanov M.M.
Soil subsidence in the 21st century simulated using anthropogenic climate change scenarios. Research Activities in Atmospheric and Oceanic Modelling, WMO, N2300. 2012. Geneva: World Climate Research Programme, p.7-03.

Аржанов М.М.
Влияние изменения климата на динамику основных характеристик криолитозоны в XXI веке. XVI международная конференция "Состав атмосферы. Атмосферное электричество. Климатические процессы.", Материалы конференции. 2012. Звенигород, с. 83.

Аржанов М.М.
Моделирование термодинамического режима криолитозоны России в XX веке. XL конференция "Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования", Материалы конференции. 2012. Изд-во ЮФУ, Ростов-на-Дону, с. 97-101.

Голубятников Л.Л., Казанцев В.С.
Оценка эмиссии метана из тундровых озер Западной Сибири. XL конференция "Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования", Материалы конференции. 2012. Изд-во ЮФУ, Ростов-на-Дону, с. 51-55.

Завалишин Н.Н.
Биотический круговорот в лесных и болотных экосистемах бореальной и лесостепной зон Европейской территории России и Западной Сибири при изменении климата. Избранные труды Международной конференции по изменениям, моделированию и информационным системам для изучения окружающей среды: ENVIROMIS-2012, 24 июня - 2 июля 2012, Иркутск, Россия. 2012. Томск: ЦНТИ, с. 130-132.

Завалишин Н.Н.
Методы моделирования динамики биотического круговорота в наземных экосистемах лесной и лесостепной зон Евразии. XL конференция "Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования", Материалы конференции. 2012. Изд-во ЮФУ, Ростов-на-Дону, с. 64-66.

Аржанов М.М., Елисеев А.В., Мохов И.И.
Влияние климатических изменений над сушей внетропических широт на динамику многолетнемерзлых грунтов при сценариях RCP в XXI веке по расчетам с глобальной климатической моделью ИФА РАН. Метеорология и гидрология. 2013. N.7. C.31-42.

Аржанов М.М., Мохов И.И.
Температурные тренды в многолетнемерзлых грунтах Северного полушария: Сравнение модельных расчетов с данными наблюдений. Доклады АН. 2013. Т.449. N.1. С.87-92.

Голубятников Л.Л., Мохов И.И., Елисеев А.В.
Цикл азота в земной климатической системе и его моделирование. Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2013. Т.49. N.3. С.255-270.

Голубятников Л.Л., Казанцев В.С.
Вклад тундровых озёр Западной Сибири в метановый бюджет атмосферы. Изв. РАН, Физика атмосферы и океана. 2013. Т.49. N.4. С. 430-438.

Аржанов М.М.
Изменения климата и эволюция криолитозоны Северного полушария при экстремальных сценариях RCP в XXI веке. Материалы международной конференции "Экология. Экономика. Информатика" Системный анализ и моделирование экономических и экологических систем. Т.1. 2013. С. 76-79.

Голубятников Л.Л.
Оценка эмиссии метана из тундровых экосистемам Западной Сибири. Материалы международной конференции "Экология. Экономика. Информатика" Системный анализ и моделирование экономических и экологических систем. Т.1. 2013. С. 108-110.

Голубятников Л.Л.
Цикл азота в наземных экосистемах: модельный подход. Материалы Третьей Национальной конференции с международным участием "Математическое моделирование в экологии", Пущино, 21-25 октября 2013 г. Пущино: ИФХиБПП РАН. 2013. C. 91.

Казанцев В.С., Заров Е.А., Лойко С.В., Аржанов М.М., Голубятников Л.Л., Денисов С.Н., Завалишин Н.Н.
Инструментальные измерения потоков метана и запасов органического вещества в тундровых экосистемах криолитозоны. XVII Всероссийская школа-конференция "Состав атмосферы. Атмосферное электричество. Климатические процессы". Нижний Новгород. 2013. С. 36.

Завалишин Н.Н.
Динамика биотического круговорота в наземных экосистемах криолитозоны северной Евразии при изменениях климата. Материалы международной конференции "Экология. Экономика. Информатика" Системный анализ и моделирование экономических и экологических систем. Т.1. 2013. С. 31-32.

Arzhanov M.M., Denisov S.N., Kazantsev V.S.
Characteristics of permafrost, total organic carbon and nitrogen distribution in Northern Eurasia. Research Activities in Atmospheric and Oceanic Modelling. A. Zadra (ed.). Geneva: WCRP. 2013. WCRP Report No.10/2013. P.07.3-4.

Denisov S.N., Kazantsev V.S., Arzhanov M.M.
Changes in wetland methane emissions in the IAP RAS global model under RCP anthropogenic scenarios. Research Activities in Atmospheric and Oceanic Modelling. A. Zadra (ed.). Geneva: WCRP. 2013. WCRP Report No.10/2013. P.07.9-10.

Kazantsev V.S., Denisov S.N., Arzhanov M.M.
Systematization of statement and carrying out of instrumental measurements of greenhouse gases in the tasks of forecasting with use of mathematical models. Research Activities in Atmospheric and Oceanic Modelling. Zadra A. WCRP . Geneva. 2013. Report No.10/2013. P.07.11-12.

Завалишин Н.Н.
Моделирование биотического круговорота в экосистемах криолитозоны при изменении климата. «Окружающая среда и устойчивое развитие регионов», Труды II Всероссийской конференции с международным участием, изд-во «Отечество». Казань. 2013. с. 411-412.

Zavalishin N.N.
Biotic turnover in tundra, forest and peatland ecosystems in permafrost regions of the Nothern Euroasia under climate change. ISEM-2013, Abstracts of the Conference “Ecological Modelling for Ecosystem Sustainability”, Toulouse, France. 2013. p.24.

Участники проекта

Лаборатория математической экологии (ИФА им. А.М. Обухова РАН):
Голубятников Л.Л.
Завалишин Н.Н.
Казанцев В.С.

Лаборатория теории климата (ИФА им. А.М. Обухова РАН):
Аржанов М.М.
Денисов С.Н.

Кафедра динамики окружающей среды и изменения климата (Югорский государственный университет):
Заров Е.А.