Моделирование тепло- влаго- и СО 2 обмена между

Моделирование тепло-, влаго- и СО 2 обмена между земной поверхностью и атмосферой Ольчев А. В. Институт Проблем Экологии и Эволюции им. А. Н. Северцова РАН

СО 2 и Н 2 О как важнейшие парниковые газы. Их значение в климатообразовании. Влияние на продуктивность, рост и развитие растительных сообществ. Возможности изучения: Прямые измерения и применение расчетных схем

Всемирная сеть наблюдений за потоками СО 2, водяного пара и тепла Измерения проводятся единым сертифицированным оборудованием и по единой методике. Расчет потоков с использованием стандартного программного обеспечения.

Применение математических моделей тепло, Н 2 О, СО 2 обмена Понимание процессов, протекающих на границе растительности, почвы и атмосферы; Прогноз динамики растительности и ее влияния на климат. Оценка влияния климатических изменений и антропогенных факторов на растительный покров. Решение прикладных задач.

Математическое моделирование процессов переноса тепла, Н 2 О и СО 2 в растительности Эмпирические модели Процесс-ориентированные модели, основанные на описании процессов переноса в приземном слое и почве, с учетом биофизических и биогеохимических процессов, протекающих в растительности и почве

Радиационный баланс земной поверхности Приходящая солнечная радиация (S) Отраженная солнечная радиация (A) Встречное излучение атмосферы (IA) Длинноволновое излучение Земной поверхности (IL) Rn=S-A+IA-IL

Тепловой баланс земной поверхности Радиационный баланс турбулентный поток тепла и поток тепла, связанный с фазовыми преобразованиями воды Затраты тепла на нагрев биомассы Поток тепла в почву

Водный баланс земной поверхности с растительностью ØЗадержание атмосферных осадков и испарение Øтранспирация, движение и накопление влаги в растениях ØДвижение влаги в почве. Поверхностный сток

СО 2 обмен между земной поверхностью и атмосферой Фотосинтез и дыхание растительного покрова, Дыхание почвы (автотрофное и гетеротрофное)

Сложность моделей тепло, Н 2 О и СО 2 обмена Одномерные одно-, двух- или многослойные модели (1 D) Трехмерные модели (3 D)

Одномерные модели Описание растительности в виде одного или нескольких слоев (однородных по горизонтали). Однослойная модель (модель большого листа): весь растительный покров представляется в виде очень тонкого и однородного слоя фитомассы (аналогия большого листа).

Одномерные многослойные модели Описание растительности в виде нескольких слоев (однородных по горизонтали).

Трехмерные модели Описание реальной структуры отдельных растений и всего полога растительности.

Трехмерные модели

Трехмерная структура деревьев в 3 D древостое N

Этапы развития моделей Н 2 О и СО 2 обмена 1. Упрощенные подходы при описании механизмов тепло-, влаго- и СО 2 -обмена 2. Биофизические модели, позволяющие учитывать биологические механизмы регуляции процессов транспирации и фотосинтеза растений 3. Сопряженные модели тепло-, Н 2 О - и СО 2 обмена между земной поверхностью и атмосферой, основанные на комплексном описании биофизических и биохимических процессов в растительности и почве

Уравнение Пенмана для потенциального испарения (испаряемости) (При условии насыщения приповерхностного слоя воздуха и отсутствии притока тепла извне)

Уравнение Пристли-Тейлора для потенциального испарения Уравнение для расчета фактического испарения Подход Манабе Подход Будаговского

2 этап. Биофизический подход в моделировании. Уравнение Пенмана. Монтисса Модели большого листа

Параметризация устьичной проводимости, модель П. Джарвиса

Параметризация устьичной проводимости, модель П. Джарвиса При многослойной структуре растительности: Нетто фотосинтез растительного покрова:

Уравнение Монси и Саеки для расчета фотосинтеза растительного покрова. Расчет фотосинтеза с учетом ослабления солнечной радиации в растительном покрове После интегрирования по величине листового индекса (a=0. 007 b=0. 04) K – коэффициент ослабления солнечной радиации в растительном покрове

3 этап: Сопряженные модели Гипотеза Вонга Уравнения Болла и Леннинга

Общая схема сопряженного описания фотосинтеза, дыхания, устьичной проводимости и транспирации растительного покрова

Модель фотосинтеза Фаркхара AV- скоростью ассимиляции СО 2, лимитируемая активностью РБФК/О (рибулозо-1, 5 бисфосфаткарбоксилазы/оксигеназы), AJ - скоростью переноса электронов для регенерации акцептора РБФ (рибулозобисфосфата), AP - скоростью утилизации триозофосфатов, характеризующее доступность внутренних неорганических фосфатов для цикла Кальвина CO 2

Факторы, влияющие на сложность используемых моделей 1. Основные задачи проводимого модельного исследования и величины, которые должны быть определены в ходе численных экспериментов. 2. Пространственные размеры исследуемой территории (экосистема, регион, континент, весь земной шар), степень ее однородности, особенности рельефа, растительности и почвы. 3. Величину временного интервала, для которого проводятся модельные расчеты (сутки, год, и т. д. ). 4. Наличие необходимых входных параметров для проведения модельных расчетов (метеорологические данные, биофизические и биохимические параметры, характеризующие свойства растительности и почвы). Масштабы пространственно-временной изменчивости значений этих параметров. 5. Соответствие выбранной модели имеющимся компьютерным ресурсам. Оценка возможных затрат компьютерного времени на проведение численных экспериментов с выбранными модельными

Особенности моделирования процессов тепло, Н 2 О и СО 2 обмена в лесах: 1. вертикальной и горизонтальной неоднородности древесного яруса лесной растительности, 2. видового разнообразия древесного, кустарникового и травянистого ярусов растительности, 3. межвидовых и внутривидовых различий в биофизических и биохимических свойствах древесной растительности, 4. высокую тепловую инерцию и нестационарность переноса влаги древесной растительностью.

Солнечная радиация в растительном покрове Отражение и пропускание радиации растительностью

Перенос солнечной радиации в растительном покрове 1. Радиация на верхней границе растительности, 2. Структура растительности, 3. Оптические свойства растительности Вероятность проникновения радиации в растительности без рассеяния

Спектральное отражение и пропускание солнечной радиации Пример: зеленый и подсохший лист (отражение и пропускание)

Спектральное отражение и пропускание солнечной радиации Вопрос: В каких спектральных диапазонах коэффициент пропускания растительности выше? В видимом или ближнем инфракрасном диапазонах?

Турбулентный режим в растительном покрове (Inoue 1963, Cionco 1965) (Raupach 1994)

Тепловой баланс земной поверхности покрытой лесом Радиационный баланс турбулентный поток тепла и поток тепла, связанный с фазовыми преобразованиями воды Поток тепла в почву

Описание суммарного испарения экосистемы Атмосферные осадки Испарение экосистемы: Eэкосистема = Eдревостой + Eнап. раст. + Eпочва Суммарное испарение различных видов деревьев в древостое: (Eдревостой = Eвид 1 + Eвид 2 + … + Eвид. N) Eвид 2 Eвид 3 Перехват атмосферных осадков и просачивание сквозь кроны деревьев Испарение напочвенной травянистой и кустарничковой растительности (Eнап. раст. ) Просачивание дождевой воды в почву Eвид 1 Eвид. N Eвид 4 Eвид. N-1 Испарение почвы (Eпочва) Olchev et al. 2002, 2008

Описание суммарного баланса СО 2 экосистемы Нетто баланс CO 2 экосистемы: Fэкосистема = Fдревостой + Fнап. раст. + Fпочва Fвид 2 Нетто баланс CO 2 древостоя (Fдревостой = Fвид 1 + Fвид 2 + … + Fвид. N) Fвид 3 Нетто Fвид 1 фотосинтез напочвенной травянистой и кустарничковой растительности Fвид 4 (Fнап. раст. ) Fвид. N-1 Автотрофное и гетеротрофное дыхание почвы (Fпочва) Olchev et al. 2002, 2008

Специфика моделирования процессов в региональном масштабе по сравнению с локальным масштабом Увеличение неоднородности территории и пространственного разрешения модели ведет к … Увеличению количества входных параметров и затрат компьютерного времени При отсутствии необходимых параметров: уменьшается точность расчетов Требуется оптимизация используемых модельных схем

Моделирование процессов тепло-, влаго- и СО 2 обмена в региональном масштабе Использование наземных данных, данных дистанционного зондирования.

Входные параметры региональных моделей ØЦифровые карты рельефа, землепользования, растительности и типов почв; ØКарты распределения биомассы растительности; ØБиофизические свойства различных типов растительности; ØМорфологические и физические свойства типов почв

Метеорологические параметры моделей Измеренные или смоделированные значения: ØТемпературы воздуха, ØВлажности воздуха, ØСкорости и направления ветра, ØКоличества осадков, ØГлобальной солнечной радиации.

Проверка математических моделей Сравнение данных измерений и модельных расчетов с использованием: • Гидрометеорологических наблюдений на метеостанциях; • Измерений потоков Н 2 О и СО 2 над растительностью и внутри нее с помощью микрометеорологических и биофизических методов; • Экофизиологических, морфометрических и биопродукционных методов измерений первичной продуктивности и испарения растительности; • Измерений потоков тепла и влаги в почве.

Проверка математических моделей (региональный масштаб) 1. Наземные измерения. 2. Методы дистанционного зондирования (температура поверхности, отраженная радиация, измерение потоков оборудованием установленным, например, на самолетах, …)

Применение SVAT моделей для прогноза развития растительных сообществ (антропогенные воздействия, климатические изменения) Рациональное использование лесных ресурсов: хозяйственная рубка леса и восстановление древостоя. Оценка влияния климатических изменений на структуру растительности, ее продуктивность и испарение, микроклимат.

Перспективы для развития модельных исследований üБолее глубокое понимание процессов и их аппроксимация (лист, растение, растительный покров, почва); üПараметризация адаптации растений на изменение условий окружающей среды (генетически и морфологически); üТестирование моделях; основных приближений, используемых в üПрименение новых гипотез и измерительных технологий для описания и определения параметров и процессов в моделях, а также для проверки моделей (в том числе с использованием средств дистанционного зондирования); üРазработка новых параметризаций…. .

Практическая работа 1. На основании уравнения Монси и Саеки рассчитать изменение фотосинтеза листа как функции ФАР Значения параметров уравнения: a=0. 007, b=0. 04, Rl=1. 2 2. Для растительного покрова (LAI=2), состоящего и 5 слоев с равномерным распределение фитомассы с высотой построить функцию ослабления по вертикали ФАР в растительном покрове (K=0. 5). Q 0=2000 мкмоль м-2 с-1

3. На основании уравнения для скорости фотосинтеза листа рассчитать суммарный нетто фотосинтез растительного покрова (LAI=2), состоящего и 5 слоев с равномерным распределение фитомассы с высотой. Сравнить полученный результат с расчетом нетто фотосинтеза по уравнению Монси и Саэки: a=0. 007, b=0. 04, Rl=1. 2 Значение суммарной ФАР приходящей на верхнюю границу принять равной 2000 мк моль м-2 с-1