ИСТИНА

В рамках данного проекта планируется решение комплекса задач по оценке и выявлению возможных отличий в отклике лесных экосистем умеренных и тропических широт, расположенных на разных континентах, на экстремальные явления погоды (аномально высокие или низкие температуры, почвенные засухи, интенсивные осадки и др.), а также на экстремальные климатические события (явления Эль-Ниньо, Ла-Ниньа, Индийский диполь и др.). Леса умеренных и тропических широт покрывают значительные территории в северном и южном полушарии и изучение их отклика на внешние воздействия чрезвычайно важно для более глубокого понимания и прогноза состояния атмосферы и климата. Одним из наиболее эффективных подходов для мониторинга состояния растительных сообществ являются наблюдения за обменом растений водяным паром и диоксидом углерода с окружающим воздухом, проводимые с использованием различных экспериментальных подходов (метод турбулентных пульсаций, экспозиционных камер, и др.). Испарение, скорость фотосинтеза и дыхания являются универсальными характеристиками, определяющими состояние и функционирование растительных сообществ в разных географических широтах и, можно предположить, что сопряженный анализ данных по потокам и метеорологическим полям в глобальном масштабе может дать новые данные об особенностях отклика лесных экосистем в разных географических регионах на внешние воздействия. В качестве рабочей гипотезы в исследовании сделано предположение о различной реакции лесной растительности в разных регионах на аномальные явления погоды разной интенсивности. Для решения поставленной задачи планируется использование данных реанализа, а также данных наблюдений за потоками парниковых газов сети FLUXNET (https://fluxnet.org/data/). Кроме того, для более детального изучения процессов взаимодействия лесных экосистем и атмосферы на Европейской территории России в проекте планируется использование данных наблюдений за потоками парниковых газов в Московской области и Краснодарском крае на вновь создаваемых лесных станциях мониторинга потоков парниковых газов в рамках проекта "Карбоновые полигоны" Минобрнауки России. До настоящего времени вклад смешанных лесов южнотаежной зоны Европейской территории России и лиственных лесов Кубани в баланс парниковых газов исследован достаточно слабо, и новые экспериментальные данные о потоках позволят существенно дополнить современную пространственную картину распределения источников и стоков парниковых газов на территории Российской Федерации.

An increase in air temperature, changes of precipitation, and frequency and severity of extreme weather events associated with modern climate change can have a significant impact on the growth and development of various plant communities, as well as on their sustainability (IPCC 2021). Extreme weather phenomena such as heat waves, catastrophic droughts, hurricanes and heavy precipitation in the short term perspective can lead to disturbance of the living conditions and functioning of plant communities, which can result in changes in transpiration, photosynthesis, respiration rates, as well as in net CO2 exchange between plants and the atmosphere. Forests cover a significant part of the land surface and play an important role in the global climate system. They regulate the exchange of greenhouse gases (GHG) between the Earth's surface and the atmosphere, perform an important water-regulating and water-saving functions, influence the radiation and energy budgets of the Earth's surface, determine the microclimate of the large territories, absorb and retain atmospheric carbon from the atmosphere, sequestrate it in soil and retain in inactive state during large time intervals. The effect of extreme weather events on the functioning and productivity of forest plant communities has been considered in many previous scientific studies, but they focused mainly on the analysis of individual forest ecosystems (case study) without any regional and global synthesis. Within the frameworks of the study we are going to solve several research problems focused on estimation and identification of possible difference in the responses of forest ecosystems of temperate and tropical latitudes located on different continents to extreme weather conditions (abnormally high or low temperatures, soil droughts) as well as to anomalous climate events (El Nino, La Nina, Indian dipole etc.). Forests of temperate and tropical latitudes cover large areas in the Northern and Southern hemispheres and the study of their possible response to external influences is extremely important for a deeper understanding and prediction of the state of the atmosphere and climate. One of the most effective approaches for monitoring the state of plant communities are observations of the plant-atmosphere gas exchange using various experimental approaches (e.g. eddy covariance technique, chamber method, etc.). The rates of evapotranspiration, photosynthesis and respiration are universal characteristics that determine the living status and functioning of plant communities at different geographical latitudes. It can be assumed that the aggregated analysis of global GHG fluxes and meteorological fields can provide new knowledge on the response of forest ecosystems in different geographical regions to external influences. As a working hypothesis, the study suggests that the response of forest vegetation can differ depending on local geographical conditions and intensity of anomalous weather phenomena. To solve this scientific problem we are going to use available reanalysis data, as well as information about GHG fluxes from FLUXNET global database (https://fluxnet.org/data /). To analyze the interaction between forest ecosystems and the atmosphere on the European territory of Russia it is planned to use direct field measurements of GHG fluxes in the Moscow and Krasnodar Regions at new GHG monitoring stations created within the framework of the "Carbon Polygons" program of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation. The possible impacts of mixed forests of the southern taiga zone of the European Russia and Kuban deciduous forests to the GHG atmospheric balance is still poorly investigated. New obtained data allow to close existing gap in our knowledge about GHG sinks and sources in forest ecosystems of the Russian Federation.

В результате выполнения проекта будет проанализирован коротко и среднесрочный (1-2 года) отклик лесных экосистем умеренных и тропических широт на экстремальные явления погоды с использованием данных реанализа, баз данных инструментальных измерений потоков парниковых газов (FLUXNET), и данных измерений потоков парниковых газов на новых станциях наблюдений в лесных экосистемах в Московской области и Краснодарском крае. Необходимость подобных исследований объясняется, главным образом, современными тенденциями изменения климата и существенной ролью в этих изменениях атмосферного диоксида углерода и других парниковых газов. В ходе реализации проекта будет проведена оценка отклика эвапотранспирации, валовой первичной продукции, экосистемного дыхания и нетто СО2 обмена лесных экосистем с атмосферой в хвойных, смешанных и лиственных лесах умеренной зоны, а также влажных экваториальных и муссонных лесах тропической зоны на экстремальные колебания температуры воздуха и количества осадков. Наблюдаемое на протяжении последних десятилетий резкое увеличение повторяемости и интенсивности экстремальных явлений погоды в разных регионах земного шара (IPCC 2021) может оказать существенное влияние на функционирование и продуктивность лесных растительных сообществ. Знание о возможной реакции лесных экосистем на внешние воздействия является принципиально важным для оценки устойчивости лесных экосистем, а также для прогноза будущих изменений климата, учитывая сложные механизмы прямых и обратных связей, существующих между биосферой и атмосферой. Также в проекте планируется разработка метода определения пороговых значений экстремальных температур воздуха и осадков для разных широтных зон в контексте устойчивого развития лесных экосистем с применением разных подходов определения экстремальности (стандартные критерии выделения опасных и неблагоприятных метеорологических условий, статистические методы, базирующиеся на сравнении с изменчивостью временных рядов и функциях распределения вероятности). Большинство существующих подходов к выделению экстремальных погодных явлений ориентировано на оценку воздействия на экономику и общество (понятия опасных и неблагоприятных условий погоды) или базируется на статистических подходах, при этом достаточно мало исследований, в которых экстремальность метеорологических характеристик определялась бы с точки зрения воздействия на растительные сообщества. Будет проведен анализ изменчивости эвапотранспирации, валовой первичной продукции, экосистемного дыхания и нетто СО2 обмена лесных сообществ с атмосферой в условиях аномальных погодных и климатических событий (волны жары и холода, наводнения, засухи, Эль-Ниньо и Ла-Ниньа, положительная и отрицательная фазы Индийского диполя). В предыдущих исследованиях подобного отклика акцент делался преимущественно на анализ процессов в отдельно взятых лесных экосистемах (case study) без возможного регионального и глобального обобщения, запланированного в данном исследовании. Определение реакции лесной растительности в разных регионах на аномальные явления погоды разной интенсивности позволит определить неблагоприятные для роста и развития лесных экосистем метеорологические условия в умеренных и тропических широтах. Будет проведен анализ влияния изменения фонового состояния системы-океан атмосфера (низкочастотные климатические колебания - Междекадная тихоокеанская осцилляция (IPO), Атлантическое междекадное колебание (AMO), Арктическая осцилляция (АО), Северо-Атлантическое колебание (NAO) и др.) на взаимосвязи между экстремальными погодными условиями и аномалиями потоков парниковых газов в различных лесных сообществах умеренных широт. Понимание механизмов возможного влияния декадной климатической изменчивости на функционирование и устойчивость лесных экосистем в разных широтах может служить основой и гарантией создания более точных прогностических моделей, описывающих процессы взаимодействия земной поверхности и атмосферы. На основании анализа результатов измерений потоков парниковых газов методами турбулентных пульсаций и экспозиционных камер в лесных экосистемах Московской области и Краснодарского края на вновь создаваемых станциях мониторинга потоков парниковых газов в рамках проекта "Карбоновые полигоны" Минобрнауки России будет проведена региональная детализация процессов взаимодействия лесных экосистем и атмосферы на Европейской территории России. Будут получены оценки отклика потоков парниковых газов на изменение условий внешней среды (с акцентом на экстремальные колебания температуры и осадков). Учитывая сильную разреженность существующей сети станций мониторинга потоков парниковых газов на территории Российской Федерации, планируемые в рамках проекта комплексные исследования потоков парниковых газов (CO2, CH4, N2O) на новых станциях мониторинга позволят получить новые данные о масштабах пространственно-временной изменчивости потоков парниковых газов в лесных экосистемах, до настоящего времени пока достаточно слабо исследованных в контексте их вклада в региональный баланс парниковых газов Российской Федерации.

Научный коллектив, участвующий в данном проекте, состоит из специалистов различных областей знания, включая профессиональных метеорологов, биоклиматологов и экологов. Основными направлениями научной деятельности коллектива являются региональные исследования процессов взаимодействия земной поверхности и атмосферы в умеренных и тропических широтах, анализ экстремальных явлений погоды и климата, исследования процессов взаимодействия лесных экосистем и атмосферы с использованием экспериментальных и модельных подходов, изучение теплового, водного и углеродного баланса лесных экосистем, анализ климатических изменений в настоящем, прошлом и будущем, изучение возможного отклика растительных сообществ на изменения условий окружающей среды, связанных как с изменением климатических условий, так и с антропогенными воздействиями. Спектр проводимых исследований включает проведение теоретических исследований, полевых наблюдений и математическое моделирование.

В ходе реализации проекта в 2022 году на основании анализа изменения повторяемости экстремальных температур в XX и XXI веке было показано их хорошее согласование с глобальным трендом потепления в последние десятилетия: в конце XX века отмечается больше экстремально холодных событий и меньше экстремально теплых, в начале XXI века, напротив, редкими становятся холодные события и частыми – жаркие. При этом тенденции числа экстремальных событий для большинства регионов для конца XX и начала XXI века противоположны друг другу: в областях, где наблюдается сокращение числа экстремально холодных событий, увеличивается число экстремально теплых. При этом число случаев выпадения экстремальных осадков в исследуемый период меняется незначительно. Экстремальность событий определялась на основе метода выделения пороговых значений для температуры воздуха и осадков. Так как пространственная структура распределения числа случаев экстремальных событий, определенных методами превышения 1 СКО и 95% квантиля функции распределения вероятности хорошо согласуется друг с другом, для дальнейших исследований был выбран метод на основе превышения порога квантилей. Оценка изменения числа случаев экстремальных событий по сезонам выявила несколько регионов с существенным ростом экстремальности в отдельные сезоны года. Наиболее заметное увеличение числа случаев экстремально высоких температур отмечается в районе полуострова Таймыр в весенний период и в экваториальной Африке осенью. Существенный рост повторяемости очень холодных событий наблюдается в Центральной Азии в зимние месяцы, а в Канаде и на севере Австралии - весной. Увеличение числа экстремально засушливых событий отмечается летом на юге ЕТР и во внутренних районах экваториальной Африки и Южной Америки. Сильные осадки чаще наблюдаются на территории Сибири весной, а на Дальнем Востоке - осенью. Для осадков наибольший рост числа экстремальных событий в XXI веке отмечается в восточной Европе, внутренних районах Азии, Аляске, экваториальной части Южной Америки. Анализ отклика потоков СО2 в экосистемах тропических широт на экстремальные атмосферные явления показал их значительную изменчивость, определяемую географическим положением, ландшафтными и климатическими особенностями, видовым составом и возрастом растительности. В зоне саванн и редколесий основные аномалии потоков СО2 наблюдались преимущественно во влажные периоды. В дни с экстремальным количеством осадков отмечаются положительные аномалии потока СО2 (увеличение эмиссии) на фоне роста почвенного увлажнения (до 4 мкмоль/м2с). Зависимость потоков от температуры лучше прослеживается в засушливый период: при экстремальных отрицательных аномалиях температуры в летний сезон наблюдались отрицательные аномалии потоков СО2, а во время периодов жары – положительные. Однако все эти аномалии были значительно меньше аномалий потоков СО2 в периоды экстремальных осадков. В тропических переменно-влажных (муссонных) лесах отмечается устойчивая сезонность в годовой динамике потоков СО2, связанная с фенологией, температурными условиями и режимом осадков. В период летнего муссона после выпадения обильных осадков отмечаются значительные отрицательные аномалии потока СО2 (усиление поглощения СО2 экосистемой) до -4 мкмоль/м2с за счет активного фотосинтеза растений при оптимальных условиях увлажнения. Сходные, но более слабые ( менее 2 мкмоль/м2с) отрицательные аномалии потока СО2 отмечаются и при отрицательных аномалиях температуры. При выпадении экстремальных осадков нередко возникают и положительные аномалии потоков (рост эмиссии СО2), связанные с сильным переувлажнением почвенных горизонтов, а также уменьшением солнечной радиации. Характерной особенностью вечнозеленых тропических лесов являются высокие скорости поглощения СО2 из атмосферы, превышающие ее эмиссию. Экстремумы температуры в экваториальном климатическом поясе отмечаются достаточно редко, и основной вклад в аномалии потоков СО2 обычно вносится осадками. Осадки разной интенсивности выпадают на протяжении всего года и их интенсивность, обусловленная механизмами атмосферной циркуляции, приводит к появлению более и менее влажных периодов. Результаты показали, что в более влажный период положительные аномалии потоков СО2 прослеживались в дни выпадения аномально большого количества осадков, что приводило к избыточной обводненности верхних почвенных горизонтов. В менее влажные периоды к положительным аномалиям потока СО2 приводили даже относительно небольшие осадки. Кроме того, в этот период при уменьшении осадков отмечались и положительные аномалии температуры, что также вело к увеличению экосистемного дыхания и эмиссии СО2 в атмосферу. Водно-болотные угодья отличались более высокой зависимостью потоков СО2 от осадков, чем от аномальных температур воздуха. Несмотря на условия избыточного увлажнения, во время выпадения интенсивных осадков наблюдалась устойчивая положительная аномалия потока СО2 (до 3 мкмоль/м2с). Поскольку колебания температуры в течение года небольшие и периоды с превышением порога экстремальности по температуре отмечаются редко, значительных аномалий потоков СО2 в периоды экстремальных значений температуры выявлено не было. Результаты измерений потоков СО2 и метана на лесных участках карбонового полигона в Краснодарском крае показали значительную пространственную изменчивость потоков, определяемую положением в рельефе, напочвенной растительностью, запасами органического углерода в почве, температурой и влажностью почвы. Эмиссия СО2 с поверхности почвы в летнее время варьировала в диапазоне 2.3-6.5 мкмоль/м2с, определяясь главным образом температурой и влажностью почвы. Лесные экосистемы служили стоком метана из атмосферы (-0.3 до -1.5 нмоль/м2с). На фоне высоких температур и низкой влажности почвы отмечалось устойчивое снижение эмиссии СО2 с поверхности почвы при температурах >26-28С. Снижение почвенной влажности также вело к уменьшению почвенного дыхания. Поглощение метана почвой усиливалось при температурах >24C, а также при снижении почвенного влагосодержания. Анализ изменений условий засушливости на территории Казахстана в условиях меняющегося климата последних десятилетий (1979-2021гг.) с использованием различных индексов сухости (PDSI, SPI, SPEI, KBDI) показал наличие устойчивой тенденции к усилению засушливости для значительной части исследуемой территории. Существенный рост числа засух происходит в регионах, где отмечается одновременный рост температуры воздуха и уменьшение количества осадков, но наиболее значительный вклад в рост засушливости вносит сокращение количества осадков в летний период, что также увеличивает риски возникновения лесных пожаров.