Моделирование и оценка динамики запасов углерода и эмиссии парниковых газов почвами Московского мегаполиса с учетом влияния городского острова тепла и других мезо- и микроклиматических аномалий
Моделирование и оценка динамики запасов углерода и эмиссии парниковых газов почвами Московского мегаполиса с учетом влияния городского острова тепла и других мезо- и микроклиматических аномалий
Год 2018-2020
Департамент Смарт технологии устойчивого развития городской среды в условиях глобальных изменений
Объект исследований, реализуемых в проекте, - Московский мегаполис. Он включает в себя не только Москву в границах до 2012 г., но и Новую Москву, а также фоновую территорию в ближайшем Подмосковье.
Для последовательной реализации задач проекта ученые используют следующие методы:
- параллельное наблюдение за климатическими условиями и свойствами почв в полевых условиях с отбором почвенных образцов;
- анализ свойств городских почв в лабораторных условиях, в том числе разложения органического вещества для модельных условий температуры и влажности;
- анализ зависимости между почвенными свойствами и климатическими условиями для моделирования влияния острова тепла на запасы углерода и потенциальную эмиссию парниковых газов;
- численное моделирование метеорологических условий Московского мегаполиса и прогнозирование сопряженных изменений запасов углерода и эмиссии парниковых газов городскими почвами.
Задачи проекта
- Проанализировать запасы углерода в почвах Московского мегаполиса с учетом факторов их пространственного разнообразия (историческое и функциональное зонирование, антропогенная нагрузка) и микроклиматических условий.
- В лабораторных условиях проанализировать в отобранных образцах микробную эмиссию (продукцию) СО2 и CH4 для различных условий температуры и влажности.
- Для отдельных участков (не более 15) провести наблюдения за сезонной динамикой эмиссии СО2 и CH4 in situ с параллельным наблюдением за температурой и влажностью почвы.
- Использовать данные экспериментальных измерений температуры и влажности почвы, а также данные измерений турбулентных потоков тепла и влаги (полученных в рамках проекта LAMP) для калибровки и настройки региональной климатической модели COSMO-CLM c целью улучшения качества воспроизведения термического и влажностного режима почвы и приповерхностного воздуха в Московском регионе.
- Использовать модели COSMO-CLM, откалиброванную под задачи Проекта, дополненную параметризацией городской поверхности TERRA_URB и снабженную реалистичными данными о параметрах городской застройки, для формирования детализированной базы данных о характеристиках метеорологического режима Московского региона (с шагом по пространству 1 км, с шагом по времени 1 час, временным охватом 10 лет).
- Использовать выявленные закономерности пространственного распределения запасов углерода в городских почвах и полученные зависимости разложения органического вещества от температуры и влажности для моделирования изменения запасов углерода и эмиссии парниковых газов почвами Московского мегаполиса под влиянием изменений микроклиматических условий (в том числе, формирования городского острова тепла).
Цели проекта
- Проанализировать запасы углерода представительного ряда городских почв и оценить разложение органического вещества при различных условиях температуры и влажности для моделирования влияния городского микроклимата на запасы углерода и эмиссию парниковых газов почвами Московского мегаполиса.
Руководитель проекта
Все участники
Васенев Вячеслав Иванович
Кандидат биологических наук
Результаты проекта
Полевые исследования почв Москвы с представительной выборкой (n=182), равномерно распределенной по территории города, позволили оценить запасы органического углерода в слое 0-20 см с учетом таких факторов пространственной неоднородности, как функциональное зонирование и запечатанность. Также были проанализированы запасы углерода в культурных слоях.
Расширена и актуализирована база метеорологических данных по Москве и Московской области. Проведены исследования по непрерывному мониторингу температуры почвы для города (Метеостанция МГУ им. М.В. Ломоносова) и фона (г. Дзержинский) с использованием термодатчиков iButton за период октябрь 2018 - октябрь 2019.
Полученные метеорологические и почвенные данные были использованы для тестирования и адаптации мезомасштабной региональной климатической модели COSMO-CLM для условий Московского мегаполиса. Была протестирована новая версия модели COSMO и изучена возможность использования сверхкраткосрочного прогноза глобальной модели ICON в качестве граничных условий для региональной климатической модели.
Влияние гидротермических условий (температура и влажность почвы) на почвенное дыхание (эмиссию СО2) было изучено на примере лабораторных и полевых экспериментов. В лабораторных условиях получена значимая зависимость базального дыхания от температуры, однако коэффициент регрессии значительно варьировался в зависимости от типа субстрата. Полевые наблюдения за почвенным дыханием в центре города и на фоновой территории также показали значимое влияние температуры на поток СО2.. При этом отмечены следующие тенденции: более высокие средние значения потока в центральной части города (Репинский парк, Болотная площадь) в сравнении с фоном (Лесная опытная дача); более низкие потоки в придорожной территории (Софийская набережная) в сравнении с селитебной (Старомонетный переулок) и рекреационной (Репинский парк, Болотная площадь); более чем двукратное превышение потоков для газонных территорий, в сравнении с почвами под древесными насаждениями.
Результаты исследований представлены на конференциях EGU-2019 (Вена, апрель 2019), SUITMA 10 (Корея, июнь 2019) и на совете Российско-Французского Университета (Ницца, июль 2019).
Оборудование
Весь список
Инфракрасный газовый анализатор
Прибор для мониторинга эмиссии углекислого газа почвами и фотосинтетической активности растений.
Датчики
Датчики для мониторинга температуры и влажности почв и зеленых насаждений.
Кондуктометр
Прибор, позволяющий определять электропроводность жидкости (например, почвенного раствора), что является интегральной характеристикой засоленности.
Оптико-эмиссионный спектрометр
Оптико-эмиссионный спектрометр с индуктивно связанной плазмой для определения металлов и некоторых неметаллов в почве и воде. Прибор работает только с жидкими образцами, соответственно для пробоподготовки почвы мы используем систему микроволнового разложения.
Анализатор углерода и азота
Возможен анализ как в твердых пробах, так и в жидких пробах.
Спектрофотометры
Анализ содержания органического вещества и анионов в почве и воде.
Флюориметр
Анализ нефтепродуктов, фенольного индекса в почве и воде.
Область исследования
- расширения базы данных запасов углерода в городских почвах Московского мегаполиса;
- уточнения картосхемы запасов углерода в почвах Московского мегаполиса;
- детализации в пространстве и времени баз данных о характеристиках метеорологического режима Московского региона за 10 лет.