Atmospheric Chemistry and Physics: Ограничение разброса оценок потоков углекислого газа в биосфере с помощью комбинированных подходов «сверху вниз» и «снизу вверх»
Хотя темпы роста мольных долей CO2 в атмосфере можно измерить с высокой точностью, всё ещё существуют большие неопределённости в отношении их отнесения к конкретным регионам и разнообразным антропогенным и естественным источникам и стокам. Основным источником неопределённости является суммарный поток углекислого газа из биосферы в атмосферу, суммарный экосистемный обмен (СЭО). Существует два основных подхода к количественной оценке СЭО: подходы «сверху вниз», которые обычно используют атмосферные инверсии, и оценки «снизу вверх», построенные на моделях или инвентаризациях, основанных на процессах или данных. Подходы «сверху вниз» и «снизу вверх» имеют известные сильные и слабые стороны. Атмосферные инверсии (например, те, которые используются в глобальных углеродных бюджетах) дают оценки СЭО, которые согласуются с темпами роста атмосферного CO2 в региональном и глобальном масштабах, но являются весьма неопределёнными в меньших масштабах. Модели, построенные на данных «снизу вверх», основанные на измерениях вихревой ковариации (например, FLUXCOM), соответствуют локальным наблюдениям СЭО и их пространственной изменчивости, но испытывают трудности с точным масштабированием до надёжной глобальной оценки.
В этом исследовании авторы предлагают объединить два подхода для получения глобальных оценок СЭО с целью извлечь выгоду из сильных сторон каждого подхода и смягчить их ограничения. Они делают это, ограничивая основанную на данных модель FLUXCOM региональными оценками СЭО, полученными на основе ансамбля атмосферных инверсий из «Глобального углеродного бюджета» 2021 года. Для этого необходимо преодолеть ряд научных и технических проблем при объединении информации о различных физических переменных, на которые влияют разные процессы в разных пространственных и временных масштабах. Разработана оптимизирующая СЭО структура моделирования, рассматривающая как производительность модели на уровне in situ на основе измерений вихревой ковариации, так и на уровне крупных регионов на основе оценок атмосферной инверсии СЭО и их неопределённости. Полученная в результате модель потока, управляемая данными, с «двойными ограничениями», улучшается за счёт информации, основанной на одиночных ограничениях («сверху вниз» или «снизу вверх»), создавая надёжные локально разрешённые и глобально согласованные пространственно-временные поля СЭО.
По сравнению с эталонными оценками глобального стока суши из литературы, например, из «Глобальных углеродных бюджетов», представленный глобальный СЭО, полученный с помощью двойных ограничений, показывает значительно меньшую погрешность в глобальном и тропическом СЭО по сравнению с базовыми оценками модели с подходом «снизу вверх», основанной на данных (т.е. с одним ограничением). Средняя сезонность глобального СЭО, полученного с помощью двойных ограничений, также более соответствует «Глобальному углеродному бюджету» и атмосферным инверсиям. В то же время эта модель допускает более надёжное пространственное разрешение СЭО. Улучшенная производительность модели с двойными ограничениями в пространственных и временных масштабах демонстрирует потенциал добавления нисходящего ограничения к восходящей модели потоков, управляемой данными.
