Потоки СО2 и Н2О в лесных экосистемах в условиях изменяющегося климата (оценка с применением математических моделей) Ольчев Александр Валентинович

Содержание к диссертации

Введение

1. Существующие подходы к моделированию тепло-, НгО- и СОг-обмена в системе "почва -растительность - атмосфера" 22

2. Математические модели НгО- и ССЬ-обмена в лесных экосистемах 42

2.1. Одномерная модель Mixfor-SVAT для описания НгО- и СОг-обмена в смешанных древостоях 42

2.1.1. Общая структура модели 42

2.1.2 Структура растительного покрова и почвы 43

2.1.3 Радиационный режим растительного покрова 45

2.1.4 Фотосинтез и дыхание растительного покрова и почвы 49

2.1.5 Испарение растительного покрова 55

2.1.6 Тепловой и водный режим почвы 60

2.1.7 Тепловой баланс растительного покрова и поверхности почвы 64

2.2 Трехмерная модель Mixfor-3D для описания переноса солнечной радиации, турбулентного тепло-, НгО- и СОг-обмена в пространственно неоднородном растительном покрове 67

2.2.1 Моделирование структуры растительного покрова 68

2.2.2 Моделирование радиационного режима растительного покрова 71

2.2.3 Моделирование турбулентного режима в растительном покрове и в приземном слое атмосферы 72

2.2.4 Моделирование переноса тепла и влаги между земной поверхностью и атмосферой 75

2.3 Модель SVAT-Regio для описания тепло-, НгО- и СОг-обмена в региональном масштабе 2.3.1 Пространственная интерполяция метеорологических параметров 82

2.3.2 Генератор внутрисуточной изменчивости метеорологических параметров 84

2.3.3 Потоки тепла, НгО и СОг в региональном масштабе 86

3. Методы определения потоков тепла, НгО и СОг в лесных экосистемах в полевых условиях . 89

3.1 Метод турбулентных пульсаций 91

3.2 Измерения НгО- и СОг-обмена с помощью метода экспозиционных камер 99

3.3 Измерение потока влаги и транспирации растений с помощью метода "потока пасоки" 102

4. Определение входных параметров и проверка адекватности моделей тепло-, Н20- и ССЬ обмена 105

4.1 Основные объекты экспериментальных и модельных исследований 105

4.2 Определение входных параметров моделей, определяющих биофизические свойства растительности и почвы 119

4.3 Проверка адекватности моделей 126

5. Пространственно-временная изменчивость НгО- и СОг-обмена во влажных тропических и еловых лесах умеренных широт 149

5.1 НгО- и СОг-обмен влажных тропических лесов 149

5.2 НгО- и СОг-обмен в еловых лесах умеренных широт Центральной Европы 174

5.3 Зависимость первичной продукции влажных тропических и еловых лесов умеренных широт от поглощенной растительным покровом ФАР 201

6. Реконструкция динамики НгО- и СОг-обмена лесных экосистем умеренных широт в позднеледниковье и голоцене 207

7. Изменение НгО- и СОг-обмена лесных экосистем тропических и умеренных широт при изменении климата в XXI веке 224

8. Влияние обезлесения и изменения структуры землепользования на НгО- и СОг-обмен между подстилающей поверхностью с атмосферой в умеренных и тропических широтах 249

8.1 Влияние сплошной вырубки на радиационный режим и НгО- и СОг-обмен лесной экосистемы с атмосферой в локальном масштабе 251

8.2. Влияние изменения структуры землепользования на НгО- и СОг-обмен земной поверхности с атмосферой в региональном масштабе 264

Заключение и основные выводы 275

Литература 278q

• Структура растительного покрова и почвы
• Измерения НгО- и СОг-обмена с помощью метода экспозиционных камер
• Определение входных параметров моделей, определяющих биофизические свойства растительности и почвы
• НгО- и СОг-обмен в еловых лесах умеренных широт Центральной Европы

Введение к работе

Актуальность исследования

Климат и лесная растительность постоянно находятся в тесном взаимодействии, формируемом через сложную систему прямых и обратных связей. Климатические условия влияют на рост и развитие лесов, а леса, в свою очередь, оказывают воздействие на климатическую систему. Процессы обезлесения и облесения, изменения видового состава лесной растительности влияют на процессы обмена и содержания парниковых газов, и прежде всего, НгО и СОг в атмосфере, а также на радиационный, тепловой и водный режим земной поверхности (Григорьев, Будыко, 1956; Молчанов, 1961, 1973; Будыко, 1971, 1974; Раунер, 1972; Росс, 1975; Алексеев, 1975; Выгодская, 1981; Schimel, 1995; Grace, 2000; Семенов 2004; Шульгин, 2009; IPCC 2013; и др.).

В условиях нестабильности современного климата и усилившейся антропогенной нагрузки на растительность, актуальными являются две связанные между собой основные задачи: 1) оценка влияния изменения структуры и видового состава растительности на потоки основных парниковых газов между земной поверхностью и атмосферой, и 2) определение возможных последствий воздействия изменяющихся климатических условий на экосистемные функции лесов в разных регионах мира. При этом потоки НгО и СОг служат надежными индикаторами состояния и развития лесных экосистем.

Задачи количественной оценки потоков НгО и СОг в рамках изучения процессов взаимодействия лесной растительности и климата требуют развития как экспериментальных, так и теоретических (модельных) методов исследований. Модельные подходы являются главным инструментом при выполнении задач, которые не могут быть решены с применением только экспериментальных методов. В том числе, модели незаменимы: для описания процессов тепло-, НгО-и СОг-обмена на территориях, не охваченных сетью мониторинговых наблюдений, с мозаичной структурой растительного покрова (РП) и сложным рельефом; для восстановления непрерывных рядов наблюдений в периоды, для которых данные измерений отсутствуют или потоки определены с погрешностями в силу методических ограничений. Кроме того, только с помощью

моделей можно провести реконструкцию динамики потоков НгО и СОг в прошлые эпохи, а также спрогнозировать не только возможный отклик природных экосистем на внешние воздействия, но также и их влияние на климатическую систему в будущем.

Очевидно, что достоверность и реалистичность прогнозных и ретроспективных оценок будет тем выше, чем более адекватными природным процессам и явлениям будут модельные построения и их входные параметры.

На протяжении нескольких прошедших десятилетий для описания НгО- и СОг-обмена в системе "почва - растительность - атмосфера" (ПРА) было разработано множество модельных подходов различного уровня сложности (Monteith, 1965; Менжулин, 1970; Росс, 1975; Jarvis, 1976; Тооминг, 1977; Бихеле с соавт., 1980; Ball et al, 1980; Farquhar et al, 1980; Сиротенко, 1981; Sellers et al, 1986; Choudhury, Monteith, 1988; Collatz et al, 1991, 1992; Полуэктов, Василенко, 1992; Leuning, 1995; Sharkey et al, 2007; Гусев, Насонова, 2010; и др.). Однако, до настоящего времени сохраняется частично или полностью нерешенным целый спектр задач, связанных с адекватным описанием процессов тепло-, Н₂0- и СОг-обмена в смешанных древостоях со сложной вертикальной структурой, внутри и на границе лесов с мозаично-ярусной организацией древостоя в локальном и региональном масштабах. Понятно, что без развития модельных построений и их адаптации к реальным природным сообществам невозможно адекватно описать пространственно-временную изменчивость потоков внутри древостоев, а также оценить вклад лесных экосистем в баланс парниковых газов в атмосфере.

Основные цели и задачи исследования

В рамках решения комплексной задачи количественного описания процессов взаимодействия климата и лесной растительности основными целями данного исследования являлись: разработка и развитие комплекса математических моделей локального и регионального масштаба; их применение, в совокупности с данными экспериментальных наблюдений, в качестве инструмента для определения ответной реакции составляющих

H2O- и СОг-обмена лесных экосистем тропических и умеренных широт на изменения условий внешней среды; а также для прогноза возможных изменений потоков Н₂0 и СО2 в будущем при разных климатических сценариях и при изменении структуры растительности и землепользования.

Для достижения основных целей исследования в работе решались следующие задачи:

1. Разработка комплекса процесс-ориентированных одномерных и трехмерных моделей для описания процессов тепло-, НгО- и СОг-обмена в различных типах лесных экосистем в локальном и региональном масштабах, определение входных параметров и проверка их адекватности на основе экспериментальных полевых наблюдений в еловых и смешанных лесах Центральной Европы и Европейской территории России (ЕТР), а также в вечнозеленых влажных тропических лесах Индонезии.

2. Определение масштабов временной изменчивости и реакции составляющих тепло-, НгО- и СОг-обмена лесных экосистем умеренных и тропических широт на изменения условий внешней среды по данным экспериментальных наблюдений и результатам модельных расчетов в условиях современного климата.

3. Прогноз возможных изменений составляющих тепло-, НгО- и СОг-обмена в локальном и региональном масштабах при сплошных рубках в еловых лесах умеренных широт и обезлесении в зоне влажных тропических лесов на основе данных полевых измерений и модельных расчетов.

4. Реконструкция составляющих тепло-, Н₂0- и СОг-обмена лесных экосистем центральных районов ЕТР в позднеледниковье и голоцене по результатам модельных расчетов с применением палеоботанических и палеоклиматических данных.

5. Определение влияния будущих изменений климатических условий на
составляющие тепло-, НгО- и СОг-обмена в лесных экосистемах умеренных и
тропических широт по данным модельных расчетов.

Объект и предмет исследования

Объектом исследования являются лесные экосистемы и их взаимодействие с климатической системой.

Предметом исследования являются потоки тепла, НгО и СОг в лесных экосистемах, оцененные с помощью математических моделей.

Изучаемые природные объекты

В качестве основных природных объектов для изучения процессов взаимодействия лесной растительности и климата в исследовании были выбраны вечнозеленые влажные тропические леса национального парка Лоре Линду, расположенного в центральных районах о. Сулавеси в Индонезии, а также еловые и смешанные леса, произрастающие в Центральной Европе в Золлинговском национальном парке в центральной Германии и на ЕТР в верховьях Волги вблизи п. Пено, соответственно.

Основным критерием при выборе лесных экосистем было обеспечение контрастных природных условий, явлений и объектов, на примере которых, можно было проверить адекватность предложенных моделей в широком диапазоне климатических условий, и проанализировать отклик НгО- и СОг-обмена лесных экосистем на изменения условий внешней среды как при современных климатических условиях, так и в будущем. Выбранные основные объекты исследований расположены на значительном удалении от крупных промышленных источников загрязнения, что позволило исключить из анализа прямое влияние антропогенных факторов на исследуемые процессы. При выборе объектов исследования учитывалась также и определяющая роль лесов умеренных и тропических широт в формировании глобального баланса СОг и других парниковых газов в атмосфере, а также их влияние на климатические и погодные условия в региональном и глобальном масштабе (Malhi, Grace, 2000; Liski et al, 2003; Malhi, 2010; Le Quere, 2010; FAO, 2010).

Важным критерием при выборе объектов была также и степень исследованности процессов НгО- и СОг-обмена лесных экосистем в различных географических регионах. Так, несмотря на значительные площади, занимаемые

влажными тропическими лесами, процессы НгО- и СОг-обмена в них исследованы пока довольно слабо. До недавнего времени основное внимание при их изучении было сосредоточено на влажных тропических лесах Центральной и Южной Америки (Phillips et al., 1998; Lloyd et al., 2007). Интенсивно развивающаяся в последнее время сеть наблюдений в экваториальных районах Африки и Юго-Восточной Азии пока не охватывает весь спектр растительных сообществ и, в частности, влажные тропические леса, произрастающие в условиях среднегорья в экваториальном климате.

Основные защищаемые положения

5. Разработанный комплекс процесс-ориентированных моделей позволяет адекватно описать процессы тепло-, НгО- и СОг-обмена в лесных экосистемах в широком диапазоне изменчивости условий внешней среды на локальном и региональном уровне.

6. Несмотря на существенные различия в климатических условиях, видовом составе и разнообразии исследованных влажных тропических лесов и еловых лесов умеренных широт, величина отношения годовых сумм эвапотранспирации (Е) к испаряемости (Ер) для обоих типов лесных экосистем почти одинакова. Также экосистемы характеризуются близкими значениями вклада транспирации (Е_т) в суммарную величину Е за год, а также относительными затратами тепла на испарение в интегральном годовом радиационном балансе (Rn).

7. Вопреки принятой точке зрения о линейном характере зависимости месячных и суточных значений валовой первичной продукции (GPP) лесов от величины поглощенной РП фотосинтетически активной радиации (ФАР) эта зависимость для влажных тропических лесов характеризуется четко выраженной нелинейностью. В свою очередь, зависимость месячных и суточных значений нетто первичной продукции (NPP) влажного тропического леса, а также GPP и NPP еловых лесов умеренных широт от поглощенной ФАР близка к линейной.

4. Явление Эль-Ниньо - Южное колебание (ENSO), воздействуя на приход солнечной радиации через изменение количества облачности, оказывает ключевое влияние на межгодовую изменчивость GPP и Е влажных тропических лесов в условиях среднегорья в Индонезии. Вопреки существующим представлениям, изменение режима температуры и осадков в период кульминации теплой фазы ENSO влияния на нетто-экосистемный обмен СО2 (NEE), GPP и Е влажных тропических лесов не оказывает.

5. Снижение притока питательных веществ к растениям при изменении условий внешней среды в будущем для лесов тропических и умеренных широт может служить сдерживающим фактором роста GPP, NEE и Е, вызванного увеличением скорости ассимиляции растений при росте температуры и содержания СОг в воздухе.

Научная новизна работы

1. Впервые разработан комплекс процесс-ориентированных моделей, позволяющий смоделировать тепло-, НгО- и СОг-обмен в смешанных древостоях на основе сопряженного описания процесса фотосинтеза и транспирации с учетом индивидуальных физиологических особенностей различных пород деревьев.

2. Впервые получены данные по структуре и временной изменчивости потоков НгО и СОг в вечнозеленых влажных тропических лесах, произрастающих в условиях среднегорья в Индонезии.

3. Впервые на основе экспериментальных данных и результатов модельных расчетов выявлена устойчивая зависимость межгодовой изменчивости Е и GPP влажного тропического леса, произрастающего в условиях среднегорья в Индонезии от фазы и интенсивности ENSO.

4. В ходе анализа установлено, что основным фактором, определяющим зависимость Е и GPP от фазы и интенсивности ENSO, является режим приходящей солнечной радиации.

5. На основе использования авторских моделей получены количественные оценки возможных изменений составляющих тепло-, НгО- и СОг-обмена при сплошных рубках в еловых лесах в умеренных широтах и при обезлесении в зоне влажных тропических лесов в Индонезии.

6. На основе расчетов по математической модели с применением имеющихся реконструкций растительности и климата позднеледниковья и голоцена восстановлена динамика NEE, GPP, Ер и Е лесных растительных сообществ, произрастающих в центральной части ЕТР на протяжении последних 12 тыс. лет.

7. По результатам модельных расчетов спрогнозировано возможное изменение потоков СОг и НгО в лесах умеренных и тропических широт при изменении климатических условий, видового состава растительности и режима минерального питания лесов на период до конца XXI в.

Теоретическая и практическая значимость исследования

Теоретическая значимость исследования заключается в получении на основании экспериментальных подходов и авторских моделей новых представлений, результатов и выводов, позволяющих расширить спектр современных знаний о процессах взаимодействия лесов и климатической системы в прошлом, настоящем и будущем.

Разработанный комплекс математических моделей может найти широкое применение для решения различных теоретических, а также прикладных задач экологии, лесоведения и метеорологии. В частности, модели могут быть использованы при оценках состояния лесных экосистем и экосистемных услуг, что необходимо для решения задач формирования системы принятия экологически безопасных хозяйственных решений.

Результаты модельных исследований, выполненных в ходе реализации проектов Gr738/16-1 и Gr738/16-2 немецкого научно-исследовательского сообщества DFG, были использованы Региональным департаментом лесного хозяйства Северо-западной Германии (Nordwestdeutschen Forstlichen

Versuchan stall) для проведения лесовосстановительных мероприятий в Золлинговском национальном парке (Германия).

При проведении экологической экспертизы территории аэропорта г. Франкфурта на Майне в Германии с помощью разработанной модели Mixfor-SVAT была выполнена оценка возможных негативных последствий для окружающей среды вырубки части Келстербахского леса в связи со строительством новой взлетно-посадочной полосы.

Апробация работы

Основные результаты работы были представлены на ежегодных ассамблеях Европейского геофизического сообщества в 2001-2003, 2005-2010, 2012-2015 г.г., на Всемирном конгрессе географического союза в Германии, Японии и России в 2012, 2013 и 2015 г.г. на российских и международных конференциях "Modeling forest production (Scientific tools, Data needs and sources, Validation and application)" в Австрии в 2004 г., "European Conference on Ecological Modeling" в России и Италии в 2005 и 2007 г.г., "Математическое моделирование в экологии (ЭкоМатМод)" в Пущино в 2009, 2011, 2013 и 2015 г.г., "Climate change and their impact on boreal and temperate forests" в Екатеринбурге в 2006 году, "Regional Forest Responses to Environmental Change" в США в 2006 году, "Эмиссия и сток парниковых газов на территории Северной Евразии" в Пущино в 2007 г., "Принципы и способы сохранения биоразнообразия" в Пущино в 2008 г., "Interaction of man and environment in boreal forest zone: past, present and future" в ЦЛГПБЗ (Тверская обл.) в 2008 г., "Canopy Processes in a Changing Climate" в Австралии в 2010 г., "Факторы устойчивости растений в экстремальных природных условиях и техногенной среде" в Иркутске в 2013 г., и др..

Личный вклад автора

Автором лично разработан комплекс процесс-ориентированных моделей тепло-, Н₂0- и СОг-обмена (Mixfor-SVAT, Mixfor-3D, SVAT-Regio) в системе "почва - растительность - атмосфера" в локальном и региональном масштабах,

адаптированных к реальной структуре растительных сообществ сложного видового состава.

Определены необходимые входные параметры в моделях, а также проведена проверка их адекватности по данным измерений потоков в различных типах лесных экосистем в контрастных условиях умеренных и тропических широт.

Выполнен комплекс модельных расчетов по оценке влияния условий внешней среды на потоки тепла, НгО и СОг в различных растительных сообществах.

Разработаны алгоритмы пространственной интерполяции полей метеорологических величин в региональном масштабе.

В еловых лесах Национального парка Золлинг в Германии автором лично проведены микроклиматические наблюдения и измерения потоков НгО и СО2, а также измерения дыхания почвы, скорости фотосинтеза, дыхания и транспирации хвои ели, скорости движения влаги по ксилеме деревьев. Лично проведена обработка, анализ и интерпретация данных наблюдений.

Проведен комплексный анализ и интерпретация данных измерений потоков НгО и СОг, а также результатов экофизиологических и микроклиматических наблюдений во влажных тропических лесах в Индонезии.

Проведен анализ и интерпретация данных экспериментальных наблюдений и результатов модельных расчетов для оценки влияния явления ENSO на потоки тепла, Н₂0 и СОг во влажных тропических лесах.

На основании имеющихся реконструкций истории развития растительности и климата выполнены модельные расчеты и получены данные о динамике NEE, GPP, ЕриЕ лесов в позднеледниковье и голоцене для центральной части ЕТР.

Для сценария будущих климатических изменений SRES (Special report on emission scenarios) A1B проведены модельные расчеты и получены количественные оценки возможных изменений составляющих НгО- и СОг-обмена лесных экосистем в XXI веке.

Научные публикации по теме диссертации

Результаты исследований, проведенных в рамках данной диссертационной работы, представлены в главах 4-х коллективных монографий, в 40 научных статьях в зарубежных и отечественных рецензируемых журналах (из них 34 - в изданиях, рекомендованных ВАК), а также в 112 публикациях в материалах российских и международных научных конференций и конгрессов.

Организация исследований

Разработка модельных подходов и проведение полевых экспериментов по изучению пространственно-временной изменчивости составляющих тепло-, НгО-и СОг-обмена различных типов лесных экосистем, и оценке их чувствительности к изменению условий внешней среды была выполнена в рамках как плановых научных исследований ИПЭЭ РАН, так и в рамках российских и международных научно-исследовательских проектов, поддержанных Российским Фондом Фундаментальных Исследований, Российским Научным Фондом, программами фундаментальных исследований отделения биологических наук РАН "Биоразнообразие и динамика генофондов" и "Биологические ресурсы России: оценка состояния и фундаментальные основы мониторинга", программами научно-технического сотрудничества Европейского сообщества INTAS и INCO-Copernicus, Немецкого министерства науки и технологий (BMBF), немецкого научно-исследовательского сообщества (DFG), Национального управления по воздухоплаванию и исследованию космического пространства (NASA, США).

Благодарности

Автор выражает искреннюю благодарность проф. Н.Н. Выгодской за творческую помощь, оказанную при обсуждении научной концепции данной работы, проф. Г. Гравенхорсту (Prof. Dr. G. Gravenhorst) за полезные советы и ценные рекомендации при проведении экспериментальных и модельных исследований, а также моим коллегам из Лаборатории Биогеоценологии им. В.Н. Сукачева ИПЭЭ РАН и Института Биоклиматологии Геттингенского Университета (Германия) за поддержку при проведении данного исследования.

Структура и объем диссертации

Структура растительного покрова и почвы

Разработка модельных подходов и проведение полевых экспериментов по изучению пространственно-временной изменчивости составляющих тепло-, влаго- и СОг-обмена различных типов лесных экосистем, и оценке их чувствительности к изменению условий внешней среды была выполнена в рамках как плановых научных исследований, проводимых в лаборатории биогеоценологии им. В.Н.Сукачева ИПЭЭ РАН, так и в рамках целого ряда российских и международных научно-исследовательских проектов и программ. В том числе:

В рамках программ научно-технического сотрудничества Европейского сообщества INTAS и INCO-COPERNICUS и проектов "Оценка отклика бореальной лесной экосистемы на климатические изменения" (Evaluation of the response of a boreal forest ecosystem on climatic changes, INTAS-94-1570) с 1995-98 и "Отклик водных потоков района бореальных лесов в истоках Волги на изменения климата и структуры землепользования" (The response of water flows of the boreal forest region at the Volga s source area to climatic and land use changes, IC15-CT98-0120) с 1998 no 2000 г.г. проводились экспериментальные исследования по оценке влияния условий внешней среды на испарение и поверхностный сток лесов юга Валдайской возвышенности при климатических изменениях. Для прогноза отклика лесных экосистем на изменения условий внешней среды была разработана модель Mixfor-SVAT, позволяющая описать процессы тепло-, НгО- и СОг-обмена в смешанных древостоях.

Комплексные экспериментальные исследования углеродного и водного баланса хвойных лесов, проводимые в рамках исследований по проекту "Динамика лесных экосистем: биофизический контроль углеродного и водного балансов в лесных экосистемах" (Dynamic of forest ecosystems: biophysical control of carbon and water budgets in forest ecosystems, FKZ - BMBF 0339474B/0) Немецкого министерства науки и технологий (BMBF) и Исследовательского центра лесных экосистем Университета Геттингена (FKZ) в 1994-98 годах позволили собрать данные о пространственно-временной изменчивости составляющих тепло-, НгО- и СОг-обмена в еловых лесах Центральной Европы (Золлинг, Германия).

В ходе международного проекта "Устойчивость границ влажных тропических лесов в Индонезии" (The stability of rainforest margins in Indonesia, SFB552, STORMA) немецкого научно-исследовательского сообщества (DFG) в 2001-09 г.г., проводились исследования по изучению динамики и чувствительности экосистем дождевых тропических лесов Индонезии к изменению условий внешней среды, а также к антропогенным воздействиям, по данным экспериментальных наблюдений и модельных расчетов. Исследования по оценке влияния будущих климатических изменений на тепло, НгО и СОг обмен лесных экосистем ЕТР в XXI веке по данным экспериментальных наблюдений и модельных расчетов проводились в рамках исследований по проектам РФФИ: "Математическая модель для оценки потоков водяного пара и углекислого газа между неоднородными лесными экосистемами и атмосферой" (06-04-48913-а) в 2006-08 г.г., "Углеродный и водный баланс хвойных и смешанных лесов центральных районов европейской части России при климатических изменениях" (08-04-01254-а) в 2008-10 г.г., "Влияние климатических изменений на первичную продуктивность, дыхание и испарение хвойных лесов Европейской территории России" (11-04-01622-а) в 2011-13 г.г., "Пространственно-временная изменчивость фотосинтеза и транспирации основных лесообразующих пород таежных лесов Северо-запада России в условиях изменения природной среды и климата" (13-04-00827-а) в 2013-14 г.г., "Влияние пространственной неоднородности растительного покрова на нетто ССЬ обмен и испарение лесных и болотных экосистем Европейской территории России" (14-04-01568-а) в 2014 г., а также гранта Российского Научного Фонда (РНФ) "Влияние обезлесения на нетто ССЬ обмен и испарение лесов бассейна Верхней Волги" (14-14-00956) в 2014 г., и проектов в рамках программ фундаментальных исследований биологических наук РАН "Биоразнообразие и динамика генофондов" (проект 5.1.4 "Оценка устойчивости лесных экосистем Центрально-Европейской части России при климатических изменениях", 2007-08 г.г.) и "Биологические ресурсы России: оценка состояния и фундаментальные основы мониторинга" (проекты П.4.8 "Оценка первичной валовой (GPP) и чистой (NPP) продукции хвойных и хвойно-широколиственных лесов Центрально-Европейской части России", 2007-08 г.г. и П.З "Оценка влияния климатических изменений на углеродный и водный баланс лесных экосистем Центрально-Европейской части России", 2009-11 г.г.).

В ходе исследований по проектам немецкого научно-исследовательского сообщества DFG Gr738/16-1 и Gr738/16-2 "Влияние сплошной вырубки на микроклимат и водный баланс: трехмерное моделирование и полевые измерения" (Influence of small clear-cutting on microclimate and water budget: three-dimensional modeling and field measurements) в 2004-07 г.г. был проведен комплекс экспериментальных исследований по оценке влияния сплошных рубок на микроклиматические условия и водный режим хвойных лесов Центральной Европы, а также разработана трехмерная модель тепло- и влагообмена лесных экосистем (Mixfor-3D). В ходе исследований по проектам НАСА (США) "Комплексное понимание водного и энергетического цикла земной поверхности на территории Северной Евразии посредством наблюдений и моделирования" (An integrated understanding of the terrestrial water and energy cycles across the NEESPI domain through observations and modeling) в 2005-07 г.г. и "Отклик лесов на изменение климата: данные дистанционного зондирования и наземные измерения на Европейской территории России", 08-LCLUC08-1-0043 (Response of forest growth to climate variability and change: remotely-sensed and in-situ data for European Russia) в 2009-12 г.г., проводимых в рамках программы Northern Eurasian Earth Science Partnership Initiative (NEESPI, http://neespi.org), был проведен комплекс модельных и экспериментальных исследований, направленный на изучение процессов тепло-, НгО- и ССЬ-обмена лесных экосистем ЕТР в региональном масштабе при изменении климата. На основе результатов дендрохронологических исследований были получены данные о зависимости прироста ели и сосны от условий внешней среды на ЕТР за последние 100-200 лет.

Автор выражает искреннюю благодарность проф. Н.Н. Выгодской за творческую помощь, оказанную при обсуждении научной концепции данной работы, проф. Г. Гравенхорсту (Prof Dr. G. Gravenhorst) за помощь и ценные рекомендации при проведении экспериментальных и модельных исследований, а также моим коллегам из Лаборатории Биогеоценологии им. В.Н. Сукачева ИПЭЭ РАН и Института Биоклиматологии Геттингенского Университета (Германия) за поддержку при проведении данного исследования.

Измерения НгО- и СОг-обмена с помощью метода экспозиционных камер

Алгоритм пространственной интерполяции солнечной радиации состоит из нескольких этапов и включает: процедуру расчета осредненнои для всей территории величины суммарной солнечной радиации при ясном небе, расчет средней величины облачного покрова для каждой точки наблюдений (нерегулярной сетки), пространственную интерполяцию значений облачного покрова методом обыкновенного крайгинга, расчет прямой и рассеянной радиации в узлах регулярной сетки по данным о суммарной солнечной радиации при ясном небе и количестве облачности, коррекцию рассчитанных значений прямой солнечной радиации в точках с учетом затенения окружающими элементами рельефа (например, холмами или возвышенностями), и окончательный расчет суммарной солнечной радиации по значениям прямой и рассеянной радиации.

Для пространственной интерполяции количества осадков в модели учитывается расстояния и разности высот (Ah) между точками регулярной и нерегулярной сетки, и среднее направление переноса воздушных масс для учета влияния рельефа на количество выпадающих осадков. Это особенно важно в горной местности, когда при восхождении воздушного потока по горному склону возможно усиление процессов облакообразования и связанного с ним увеличения осадков на наветренных склонах и их соответствующего ослабления - на подветренных.

На первом шаге в модели для каждого узла регулярной сетки рассчитываются весовые коэффициенты (км) методом обыкновенного крайгинга. На втором шаге весовые коэффициенты корректируются с учетом дополнительных коэффициентов, учитывающих влияние орографии и направления воздушного переноса. Для определения влияния орографии в модели строится сглаженная модель рельефа для устранения при расчетах возможных помех, связанных с микрорельефом поверхности. В общем виде выражение для описания влияния рельефа на количество осадков может быть записано как f(Ah) = exp(a-\hM-hUJ\/\Ahmx\) (2.78) где км - высоты над уровнем моря М станции, kjj - высота над уровнем моря точки регулярной сетки, и Лк - максимальный перепад высот на исследуемой территории.

Дополнительные коэффициенты, связанные с изменением режима осадков на наветренных и подветренных склонах, рассчитываются в зависимости от направления переноса воздушных масс, экспозиции и угла наклона поверхности в конкретной точке.

Для пространственной интерполяции полей ветра в модели, на первом этапе, в каждой точке наблюдения по значениям скорости и направления ветра рассчитываются величины горизонтальных составляющих поля ветра и и v. На втором этапе методом обыкновенного крайгинга значения и и v интерполируются в узлы регулярной сетки. В дальнейшем по полученным значениям и и v для каждого узла регулярной сетки рассчитываются величины скорости и направления ветра.

Для расчета составляющих тепло, НгО и ССЬ обмена в региональном и локальном масштабе SVAT-Regio модель использует метеорологическую информацию с временным разрешением в 1 час. Такая информация для каждой точки в пределах исследуемой территории может быть получена либо с помощью прямой пространственной интерполяции почасовых значений метеорологических параметров (измеренных на метеостанциях), либо путем реконструкции внутрисуточной изменчивости метеорологических величин по их среднесуточным значениям, полученным путем интерполяции среднесуточных метеорологических данных. Принимая во внимание, что большинство существующих баз метеорологических данных, включает информацию именно по среднесуточным значениям, в SVAT-Regio были разработаны несколько алгоритмов, позволяющих сгенерировать внутрисуточную изменчивость метеорологических параметров по их среднесуточным значениям.

Восстановление внутрисуточной изменчивости метеорологических параметров в модели SVAT-Regio основано на уравнении синусоидальной волны. Внутрисуточная амплитуда, сдвиг фазы и частота изменения каждого отдельного параметра определяется при этом не только особенностями метеорологических условий, но также и свойствами подстилающей поверхности. В общем виде уравнение для синусоидальной волны может быть записано как

A(t) = A + A -f-sm(2-x-(t + r)/24) (2.79) где A(t) - значение параметра в момент времени t, А - его среднесуточное значение, и А -отклонение от среднего, / - некоторая функция, определяющая влияние на А свойств подстилающей поверхности, облачности, осадков, скорости ветра, и т. д., г- сдвиг по времени.

Амплитуда дневного хода температуры воздуха определяется в модели величиной суммарной солнечной радиации, количеством облачности, наличием атмосферных осадков и средней скоростью ветра. Предполагается, что минимальные значения температуры воздуха при малооблачной погоде наблюдаются обычно незадолго или сразу после восхода солнца, а максимальные - в послеполуденное время. При этом важно учитывать, что значительная облачность и атмосферные осадки, например, в послеполуденное время могут привести к снижению температуры и вызвать сдвиг максимума температуры на околополуденные часы.

Дневной ход относительной влажности воздуха в дни без атмосферных осадков определяется, главным образом, температурой воздуха, солнечной радиацией и скоростью ветра. Предполагается, что независимо от типа подстилающей поверхности относительная влажность достигает максимума в ранние утренние часы одновременно с минимумом температуры, и минимума - в послеполуденное время. При осадках в виде дождя с интенсивностью более 0.1 мм в час предполагается, что водяной пар в приземном слое воздуха находится в условиях близких к состоянию насыщения. В эти периоды моделью генерируется дополнительный максимум относительной влажности.

Для моделирования дневного хода интенсивности выпадающих атмосферных осадков в модели используется два различных алгоритма: первый применяется для описания режима осадков в умеренных широтах, а второй - в тропиках. Алгоритм, разработанный для тропиков, предполагает, что осадки здесь обусловлены, главным образом, конвективными процессами в атмосфере и имеют ливневой характер. Для территорий, удаленных от обширных водоемов, предполагается, что осадки выпадают преимущественно в послеполуденное время, а для территорий, расположенных вблизи обширных водных объектов (побережье морей, крупных озер) - в ночное. Продолжительность периода выпадения осадков принималась прямо пропорциональной среднесуточной величине облачного покрова. Кроме того, в случае сплошной облачности предполагалось равномерное выпадение осадков в течение суток.

Для описания режима осадков в умеренных широтах в летнее время применялся алгоритм схожий с алгоритмом, использованным для описания осадков в тропических широтах. В холодное время года в модели предполагалось равномерное распределение осадков в течение суток независимо от их количества и величины облачного покрова. При моделировании дневного хода скорости ветра было сделано предположение, что скорость ветра достигает максимальных значений также во второй половине дня, а минимальных - в ночное время. Амплитуда внутрисуточных колебаний скорости ветра принимается равной половине величины их среднесуточных значений.

Для устранения возможных резких сдвигов и скачков в межсуточной динамике температуры и влажности воздуха, а также скорости ветра в модели на заключительном этапе использовался алгоритм нелинейного сглаживания.

Алгоритм расчета потоков тепла, НгО и СОг в пределах каждой выделенной элементарной ячейки (участка) земной (водной) поверхности в пределах исследуемой территории состоит из нескольких взаимосвязанных подмоделей, описывающих: перенос коротковолновой и длинноволновой радиации в растительном покрове; турбулентный перенос тепла, НгО и СОг внутри растительного покрова и в приземном слое атмосферы; перехват и испарение атмосферных осадков, задержанных растительностью; транспирацию, фотосинтез и дыхание растительности и почвы; испарение влаги с поверхности почвы (с поверхности воды для открытых водоемов); движение влаги в системе "почва - корни - ствол - ветви - листья -воздух"; изменение влагозапасов в листьях и стволах деревьев; инфильтрацию и динамику влагозапасов в различных почвенных горизонтах; перенос тепла в почве.

При проведении расчетов делается предположение, что в пределах каждой ячейки регулярной сетки растительный и почвенный покров является однородным и может быть условно разделен на два основных яруса: верхний и нижний. Для леса верхний ярус растительного покрова представлен древесным ярусом, а нижний ярус включает кустарниковую, кустарничковую и травянистую растительность лесного полога. Древесный ярус при этом может иметь различный видовой состав, включая как лиственные, так и хвойные породы деревьев. Для низкорослых луговых и сельскохозяйственных посевов используется упрощенное одноярусное описание структуры растительного покрова. Вертикальная структура почвы в модели представлена четырьмя основными горизонтами, каждый из которых характеризуется определенным набором параметров, определяемых типом почвы, её морфологическими свойствами и структурой.

Определение входных параметров моделей, определяющих биофизические свойства растительности и почвы

При анализе климатических условий и изменчивости ССЬ и НгО обмена влажных тропических лесов в центральной части острова Сулавеси необходимо также учитывать местоположение района исследований в условиях среднегорья. Исследуемые влажные тропические леса находятся на высоте около 1420 метров над уровнем моря. Это обуславливает более низкий фон температуры по сравнению с прибрежными районами, а также крайне изменчивый и неоднородный режим осадков. Данные условия являются ключевым фактором, определяющим уникальность получаемых экспериментальных данных. Дело в том, что абсолютное большинство существующих в настоящее время станций непрерывного мониторинга потоков ССЬ и НгО во влажных тропических лесах в экваториальных районах

Юго-Восточной Азии, в центральной части бассейна Амазонки в Южной Америке и экваториальных районах Африки расположены на небольшой высоте над уровнем моря (от нескольких десятков до 200-300 метров над уровнем моря). Непрерывные долговременные экспериментальные наблюдения за потоками СОг и НгО во влажных тропических лесах, произрастающих в условиях среднегорья и высокогорья, до недавнего времени не проводились. Для оценки масштабов пространственно-временной изменчивости потоков ССЬ и НгО во влажных тропических лесах в исследовании использовались данные пульсационных измерений, полученные с помощью оборудования, установленного на 70 метровой метеорологической вышке над пологом леса (Рис. 4.1). Для анализа использовались лишь данные, полученные при условиях хорошо выраженной турбулентности в приземном слое воздуха. В качества порогового значения при анализе данных было выбрано значение динамической скорости равное 0.25 м с"1 (Ibrom et al., 2007). Значения потоков, измеренных при значениях и 0.25 м с" , из рассмотрения исключались. Если также принять во внимание возможные потери экспериментальных данных, вызванных перебоями энергоснабжения, программными сбоями, погрешностями, вызванными интенсивными осадками, нестационарностью временных рядов, и т.д., то количество качественных экспериментальных данных за весь период измерений с января 2004 по июнь 2008 года составляет всего около 28.5%. В дневное время общее количество качественных экспериментальных данных в разные годы изменялось от 33 до 59%, а в ночное время - лишь от 5 до 15% (Таблица 5.1). Для заполнения пропусков в рядах наблюдений и получения непрерывных рядов экспериментальных данных, в нашем исследовании были использованы расчеты с помощью откалиброванной Mixfor-SVAT модели.

Анализ востановленных с применением Mixfor-SVAT непрерывных рядов наблюдений за потоками ССЬ показывает устойчивый сезонный ход NEE с минимумом (по абсолютному значению) (-60...-70 гС м" мес" ) в апреле - июне и ноябре и максимумом в январе и августе ( динамика смоделированных значений GPP и NPP (верхний график) и RE (нижний график) для влажного тропического леса вблизи Барири. Вертикальные отрезки обозначают стандартное отклонение от среднего.

В годовом ходе максимальные значения GPP, как и NPP, наблюдаются в менее влажный период года с августа по октябрь, в первую очередь, за счет максимальных значений приходящей в этот период суммарной солнечной радиации (GPP - 278.3±13.4 гС м" мес" в октябре и NPP - 112.0±13.3 гС м" мес" в августе) (Рис. 5.2). Минимальные значения GPP наблюдаются в мае - июне и ноябре - декабре, что также обусловлено сезонной динамикой приходящей солнечной радиации. Высокие значения RE в октябре - декабре (с максимумом 205.7±Ю.О гС м" мес" в октябре) обусловлены, главным образом, максимальными значениями температуры воздуха в этот период (Рис. 5.1). Локальный максимум температуры в апреле - мае также хорошо коррелирует с небольшим увеличением RE в эти месяцы. Минимальные значения RE наблюдаются в январе-феврале и июне-августе.

Годовая динамика смоделированных значений GPP и NPP (верхний график) и RE (нижний график) для влажного тропического леса вблизи Барири. Вертикальные отрезки обозначают стандартное отклонение от среднего.

Анализ внутрисуточной изменчивости составляющих NEE (NEE=(-GPP-RE)), осредненный за весь период измерений, отмечает их устойчивую динамику, определяемую дневным ходом приходящей солнечной радиации и температуры. Максимальные значения GPP и NPP наблюдаются в утренние и предполуденные часы, a RE - в полуденные часы в период максимальных значений температуры воздуха и растительного покрова (Рис. 5.10).

Величина, определяющая вклад в величину NEE изменения концентрации ССЬ в воздухе внутри растительного покрова, достигает довольно больших значений в исследуемом тропическом лесу, прежде всего, за счет больших запасов фитомассы в древостое и обусловленного этим слабого перемешивания воздуха внутри растительного покрова, особенно, при слабых скоростях ветра. Максимальные изменения содержания ССЬ в воздухе внутри растительного покрова наблюдаются ранним утром до и после восхода солнца (Рис. 5.10). Перед восходом обычно наблюдаются минимальные скорости ветра и интенсивность турбулентного обмена, что способствует накоплению ССЬ внутри растительного покрова. После восхода солнца параллельно с началом активного поглощения ССЬ растениями в процессе фотосинтеза, наблюдается усиление ветра и турбулентного перемешивания в приземном слое воздуха.

НгО- и СОг-обмен в еловых лесах умеренных широт Центральной Европы

Для построения подробной карты растительности исследуемого участка елово-широколиственного леса использовались данные аэрофотосъемки. Проверка полученной карты растительности, а также верификация координат отдельных деревьев проводилась в полевых условиях с использованием GPS (Global Positioning System).

Для оптимизации количества входных параметров, используемых для проведения модельных расчетов, было сделано предположение, что высота всех деревьев вокруг вырубки -одинакова и составляет 28 м, средний диаметр стволов деревьев на уровне груди (DBH) для ели равен 27 см, а средний DBH для деревьев широколиственных пород - 34 см. Средний диаметр кроны деревьев был принят равным 2 м для ели, и 4 м для широколиственных пород деревьев, соответственно. Суммарный листовой индекс травяного яруса на вырубке был принят равным 1.2, а под пологом древесного яруса в зависимости от типа древостоя изменялся от 0.8 до 1.2. Средняя высота саженцев, высаженных на вырубке для восстановления древостоя (саженцы Бука европейского {Fagus sylvdtica) и Псевдотсуги Мензиса {Pseudotsuga menziesii)), была принята равной 50 см.

Смоделированное поле суммарной солнечной радиации под пологом древесного яруса растительности на участке елового и широколиственного дубово-букового леса со сплошной вырубкой вблизи Оттербаха для летнего дня с малооблачной погодой (28.06.2005). Белая линия обозначает условную границу леса вокруг вырубки.

Для выявления различий в радиационном режиме растительного покрова при солнечной и пасмурной погоде в пределах модельного периода было выбрано несколько временных интервалов с преимущественно малооблачной и пасмурной погодой без осадков (Рис. 8.2-8.5). При анализе результатов модельных экспериментов рассматривались как интегральные суточные значения радиационных потоков, так и их внутрисуточная динамика. Расчеты проводились как для суммарной, так и для фотосинтетическиактивной (ФАР) радиации.

Смоделированное поле суммарной солнечной радиации под пологом древесного яруса растительности в 09:00, 12:00, 15:00 и 18:00 часов (среднеевропейское время) на участке елового и широколиственного дубово-букового леса со сплошной вырубкой вблизи Оттербаха для летнего дня с малооблачной погодой (28.06.2005).

Данные расчетов поля суммарной радиации и ФАР для малооблачного солнечного дня 28.06.2005 показывают существенное влияние, которое оказывает вырубка на поле солнечной радиации на уровне земной поверхности (Рис. 8.2-8.3). Максимальные суточные значения суммарной радиации и ФАР наблюдаются в западной части вырубки, в то время как их минимальные значения - в ее южной и юго-восточной части (Рис. 8.2). Данный эффект обусловлен, прежде всего, внутрисуточной изменчивостью поля солнечной радиации (Рис. 8.3) и изменением площади поверхности вырубки, затененной окружающими вырубку деревьями. Коэффициенты пропускания суммарной солнечной радиации для полуденных условий (12:00) для елового древостоя в северо-восточной, северо-западной и юго-западной части исследуемого модельного участка составили в среднем около 0.19, в то время как коэффициент пропускания для лиственного леса в юго-восточной части участка были несколько выше - около 0.24. Для ФАР значения коэффициентов пропускания елового и лиственного древостоя равнялись 0.19 и 0.15, соответственно. В утренние часы (09:00) коэффициент пропускания суммарной солнечной радиации был несколько ниже и составлял 0.13 для елового древостоя и 0.22 - для лиственного. Для ФАР в утренние часы коэффициенты пропускания хвойного и лиственного древостоя равнялись 0.18 и 0.11, соответственно.

Смоделированное поле суммарной солнечной радиации под пологом древесного яруса растительности на участке елового и широколиственного дубово-букового леса со сплошной вырубкой вблизи Оттербаха для летнего дня с пасмурной погодой (29.06.2005).

В пасмурный день 29.06.2005, характеризующийся сплошной облачностью при отсутствии осадков, распределение солнечной радиации в пределах вырубки и под пологом леса определялось лишь полем рассеянной радиации и зависело главным образом от площади просветов в древесном ярусе (Рис. 8.4-8.5). Данные условия определили довольно слабую изменчивость коэффициентов пропускания суммарной солнечной радиации и ФАР и течение всего светового дня. Для суммарной солнечной радиации значение коэффициента пропускания солнечной радиации варьировало около 0.15 для елового, и около 0.23 для широколиственного леса. Для ФАР этот параметр принимал значения 0.13 и 0.21, соответственно.

Смоделированное поле суммарной солнечной радиации под пологом древесного яруса растительности в 09:00, 12:00, 15:00 и 18:00 часов (среднеевропейское время) на участке елового и широколиственного дубово-букового леса со сплошной вырубкой вблизи Оттербаха для летнего дня с пасмурной погодой (29.06.2005).

Выявленные различия в коэффициентах пропускания древостоев при солнечной и пасмурной погоде были обусловлены разницей в длине пути, который проходили прямые и рассеянные солнечные лучи внутри слоя растительности. В дневные часы при большой высоте солнца коэффициенты пропускания прямой солнечной радиации были выше, чем в утренние часы, а также выше, чем коэффициенты пропускания для рассеянной радиации. В утренние часы коэффициенты пропускания прямой радиации наоборот были ниже, чем коэффициенты пропускания рассеянной радиации. Схожая закономерность прослеживалась и для ФАР.

Данные расчетов скорости Е и NEE для исследуемого участка леса с вырубкой, выполненные для всего исследуемого временного интервала и охватывающие периоды с разными погодными условиями, также отмечают существенное влияние, которое оказывает вырубка на вертикальные потоки НгО и ССЬ в приземном слое атмосферы (Рис. 8.6-8.13).

Смоделированные суточные суммы Ет древесного и травянистого яруса растительности, и испарения с поверхности почвы, рассчитанные на единицу площади земной поверхности 2м х 2м (слева), а также суммарный поток НгО на высоте 5 метров над верхней границей растительности (справа) в мм день" на участке елового и широколиственного дубово-букового леса со сплошной вырубкой вблизи Оттербаха для летнего дня с безоблачной погодой (28.06.2005).