Климатический центр Росгидромета

Новости партнеров

Nature Communications: Основанное на знаниях машинное обучение может улучшить количественную оценку углеродного цикла в агроэкосистемах

 

Точная и экономически эффективная количественная оценка углеродного цикла в агроэкосистемах в масштабах, соответствующих принятию решений, имеет решающее значение для смягчения последствий изменения климата и обеспечения устойчивого производства продуктов питания. Однако традиционные подходы к моделированию, основанные на процессах или данных, сами по себе имеют большую неопределённость прогноза из-за подлежащих моделированию сложных биогеохимических процессов и отсутствия наблюдений, которые могли бы ограничить многие ключевые переменные состояния и потоков. Авторы предлагают структуру машинного обучения, управляемого знаниями, решающую вышеупомянутые проблемы путём интеграции знаний, заложенных в модель на основе процессов, наблюдения дистанционного зондирования с высоким разрешением и методы машинного обучения. Используя кукурузный пояс США в качестве испытательного стенда, авторы демонстрируют, что машинное обучение, управляемое знаниями, может превзойти традиционные модели машинного обучения, основанные на процессах, и модели «чёрного ящика», в количественной оценке динамики углеродного цикла. Представленный подход с высоким разрешением количественно выявляет на 86% больше пространственных деталей изменений органического углерода в почве, чем традиционные подходы с грубым разрешением. Более того, описан протокол улучшения машинного обучения, управляемого знаниями, различными путями, который можно обобщить для разработки гибридных моделей для лучшего прогнозирования сложной динамики земной системы.

 

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41467-023-43860-5

Печать

EOS: Объединение данных может помочь предвидеть меганаводнения в Европе

 

Неожиданные локальные наводнения не так уж неожиданны в масштабах всего континента.

В 2021 году рекордное наводнение подняло реки в Европе, унеся сотни жизней и нанеся ущерб на десятки миллиардов евро. Наводнение стало неожиданностью, побив рекорды расхода воды во многих населённых пунктах. Но новые исследования показывают, что можно было предвидеть масштабы этой катастрофы и ей подобных.
Большинство меганаводнений в Европе можно было бы предвидеть, объединив данные из разных регионов, а не основывая прогнозы исключительно на местных данных, сообщили исследователи в журнале Nature Geoscience. Команда обнаружила, что 95% неожиданных для местного масштаба экстремальных наводнений в Европе в период с 1999 по 2021 гг. можно было предвидеть, объединив и обменяв данные со всего континента.
«Если вы посмотрите пространственно, у вас будет больше крайностей. И это даёт вам дополнительную информацию. Так что это абсолютно полезно», — сказал эксперт по рискам наводнений Фердинанд Дирмансе (Ferdinand Diermanse) из голландского некоммерческого исследовательского института Deltares, не участвовавший в работе.
Детали оценки риска наводнений различаются в зависимости от страны, даже в зависимости от водосбора, сказал Дирмансе. Но власти обычно прогнозируют вероятность крупных наводнений в данном месте, подгоняя функции, называемые распределениями вероятностей, к данным о расходе воды. Эти распределения вероятностей связывают вероятность события с его серьёзностью.
Возможно, это иронично, но учёным необходимо увидеть катастрофы, прежде чем они смогут их хорошо предсказать. Распределения вероятностей, соответствующие большему количеству данных, лучше отражают реальность. Но данные о наводнениях возвращаются в прошлое лишь на данный момент — редко более чем на несколько столетий. Экстремальные, очень редкие события могут не отражаться в записях, поэтому их труднее всего предвидеть.
Однако время — не единственное измерение, с которым приходится работать исследователям. Объединение данных с большей территории увеличивает шансы увидеть редкое экстремальное событие. Но когда дело доходит до наводнений, «на практике обычно используются данные только из одного места или, в лучшем случае, из региона вокруг него», — сказала гидролог Мириам Бертола (Miriam Bertola) из Технического университета Вены.
Бертола и её коллеги подозревали, что объединение данных со всей Европы может позволить предвидеть даже самые неожиданные и экстремальные наводнения. «Вопрос, который мы исследовали, заключается в том, являются ли неожиданные на местном уровне меганаводнения также удивительными в континентальном масштабе», — сказала Бертола.
Чтобы выявить меганаводнения, команда изучила данные о рекордных измерениях расхода воды, наблюдавшихся после 1999 года, которые были статистическими выбросами в местных наборах данных за последние 20 лет. Они нашли 510 таких событий. Затем они проверили, были ли эти события выбросами в наборах данных измерений из гидрологически и географически схожих мест в большом регионе.
Исследователи обнаружили, что почти все меганаводнения – 95,5% из них – вообще не стали статистическими сюрпризами при общеконтинентальном анализе. «Их можно было предвидеть, принимая во внимание данные из других подобных мест», — сказала Бертола.
Например, скорость сброса воды в водосборном бассейне реки Ар в Германии во время европейских меганаводнений 2021 года была локально рекордной и удивительной, но оказалась в пределах ожиданий, когда исследователи объединили данные нескольких аналогичных рек в Болгарии, Франции, Германии, Польше, Румынии, Сербии и Швейцарии.
Результаты показывают, что объединение международных данных о наводнениях может позволить предвидеть бедствия, которые в противном случае стали бы неожиданностью. Но собрать эту информацию легче сказать, чем сделать, согласились Бертола и Дирмансе.
Языковые барьеры, разные стандарты данных и политические препятствия — это лишь некоторые из проблем, препятствующих свободному перемещению данных через границы. «И это не обязательно только между странами», — добавил Дирмансе. У разных регионов и агентств внутри одной страны также часто возникают проблемы с обменом данными. А методы прогнозирования рисков, разработанные учёными, часто не применяются на практике, даже если они были бы полезны.
По словам Бертолы, понимание наиболее экстремальных наводнений, возможных в данном водосборе, выходит за рамки типичных соображений, касающихся большей части инфраструктуры защиты от наводнений. Вместо этого инженеры проектируют с учётом наводнений, которые случаются чаще. Прогнозирование меганаводнений «больше предназначено для сценариев гражданской защиты — чтобы понять, какое наихудшее событие мы можем ожидать».
И это важно, отметил Дирмансе. Хотя более частые и менее сильные наводнения со временем могут нанести больший ущерб, чем невероятно редкие меганаводнения, «важен не только ущерб, но и человеческие жертвы», сказал он. А поскольку люди не знают, чего ожидать, «скорее всего, именно эти меганаводнения вызовут наибольшее количество жертв».

Ссылка: https://eos.org/articles/pooling-data-could-help-anticipate-megafloods-in-europe

Печать

Nature Scientific Data: ModE-RA: глобальный ежемесячный палеореанализ современной эпохи с 1421 по 2008 гг.

 

Реанализ современной эпохи (ModE-RA) — это глобальный ежемесячный палеореанализ, охватывающий период с 1421 по 2008 гг. Для реконструкции климатических полей прошлого используется подход автономной ассимиляции данных, объединяющий информацию из ансамбля результатов атмосферных моделей и наблюдений. На раннем этапе ModE-RA использует естественные косвенные и документальные данные, а с XVII века также усваиваются инструментальные измерения. Влияние каждого наблюдения на реконструкцию сохраняется в архиве обратной связи по наблюдениям, предоставляющем дополнительную информацию о входных данных, такую как этапы предварительной обработки и прямые регрессионные модели. Ежемесячные реконструкции включают оценки наиболее важных климатических полей. Кроме того, предоставлена реконструкция ModE-RAclim, которая вместе с ModE-RA и модельными расчётами позволяет «распутать» роль наблюдений и модельных воздействий. ModE-RA лучше всего подходит для изучения изменчивости климата от внутригодовой до нескольких десятилетий, а также для анализа причин и механизмов прошлых экстремальных климатических явлений.

 

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41597-023-02733-8

Печать

Nature Geoscience: Доминирующая роль влажности почвы в обеспечении потоков углерода и воды в экосистемах засушливых земель

 

Засушливые земли оказывают сильное влияние на глобальную межгодовую изменчивость круговорота углерода и воды из-за их существенной неоднородности в пространстве и времени. Эта изменчивость экосистемных потоков затрудняет понимание их основных движущих сил. Авторы количественно оценивают чувствительность валовой первичной продуктивности засушливых земель и эвапотранспирации к различным гидрометеорологическим факторам путём синтеза данных вихревой ковариации, продуктов дистанционного зондирования и результатов моделей земной поверхности на западе Соединённых Штатов. Обнаружено, что валовая первичная продуктивность и суммарное испарение, полученные на основе вихревой ковариации, наиболее чувствительны к колебаниям влажности почвы, с меньшей чувствительностью к дефициту давления пара и практически без чувствительности к температуре воздуха или освещению. Также обнаружено, что данные дистанционного зондирования точно отражают чувствительность вихревых ковариационных потоков к влажности почвы, но в значительной степени преувеличивают чувствительность к атмосферным факторам. Напротив, модели земной поверхности недооценивают чувствительность валовой первичной продуктивности к колебаниям влажности почвы примерно на 45%. На фоне дебатов о роли увеличения дефицита давления пара в меняющемся климате авторы приходят к выводу, что влага почвы является основной движущей силой потоков углерода и воды в засушливых районах США. Таким образом, крайне важно как улучшить модельное представление ограничения почвенной воды, так и более реалистично представить, как атмосферные факторы влияют на растительность засушливых земель в продуктах потоков, полученных с помощью дистанционного зондирования.

 

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41561-023-01351-8

Печать

JGR Biogeosciences: Запасы углерода и потенциальное производство парниковых газов в активных поймах многолетней мерзлоты в дельте реки Лена

 

Арктическое потепление усиливает деградацию вечномёрзлых почв, но о пойменных почвах в регионе многолетней мерзлоты мало что известно. В этом исследовании количественно оцениваются запасы почвенного органического углерода (ПОУ) и почвенного азота, а также потенциальное производство CH4 и CO2 из семи кернов в активных поймах дельты реки Лена, Россия. Почвы были песчаными, но очень неоднородными и содержали глубокие, богатые органическими веществами отложения с >60% ПОУ, хранящимися на глубине ниже 30 см. Средние запасы ПОУ в верхнем однометровом слое составили 12,9 ± 6,0 кг С/м2. Анализ размера зёрен и радиоуглеродный возраст указали на очень динамичную среду с переработкой отложений. Потенциальное производство CH4 и CO2 из активных пойм рек оценивалось с помощью однолетней инкубации при температуре 20°C в аэробных и анаэробных условиях. Совокупное производство аэробного CO2 минерализовало в среднем 4,6 ± 2,8% исходного ПОУ. Среднее совокупное соотношение продукции аэробного и анаэробного углерода составляло 2,3 ± 0,9. Анаэробное производство CH4 составляло 50 ± 9% анаэробной минерализации углерода; показатели были сопоставимы или превышали таковые для органических почв многолетней мерзлоты. Потенциальное производство углерода в результате инкубации коррелировало с общим содержанием органического углерода и сильно варьировалось в зависимости от пространства (среди кернов) и глубины (активный слой по сравнению с многолетней мерзлотой). Это исследование предоставляет ценную информацию о динамике углеродного цикла в активных поймах дельты реки Лена и подчёркивает ключевую пространственную изменчивость, как между участками, так и с глубиной, а также необходимость включения этих динамических условий многолетней мерзлоты в будущие оценки обратной связи между климатом и многолетней мерзлотой.

 

Ссылка: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2023JG007590

Печать

Geophysical Research Letters: Потери углерода от пожаров и гибель деревьев в лиственничных лесах Сибири

 

Изменение климата усиливает пожарный режим по всей Сибири, что может изменить траектории сгорания углерода и его повторного накопления после пожара. В сибирских лиственничных лесах (виды Larix) существует мало полевых оценок серьёзности пожаров (например, сгорания углерода и смертности деревьев), что ограничивает возможности прогнозировать, как усиление режима пожаров повлияет на региональные и глобальные климатические обратные связи. Здесь представлены полевые оценки гибели деревьев от пожаров и потерь углерода в лиственничных лесах Восточной Сибири. Результаты показывают, что пожары в этом регионе приводят к высокой смертности деревьев (в среднем 83% и 76% в арктических и субарктических районах соответственно). Как в абсолютном, так и в относительном выражении надземные потери углерода после пожара в сибирских лиственничных лесах выше, чем в Северной Америке, но подземные потери углерода значительно ниже. Это предполагает фундаментальные различия в поведении лесных пожаров и динамике углерода между доминирующими типами растительности в бореальном биоме.

 

Ссылка: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2023GL105216

Печать

PNAS: Наблюдаемые тенденции влажности в засушливых регионах противоречат результатам климатических моделей

 

Наблюдаемые тенденции влажности в засушливых регионах противоречат результатам климатических моделей. Ожидается, что содержание водяного пара в атмосфере увеличится с потеплением, поскольку более тёплая атмосфера может удерживать больше влаги. Однако за последние четыре десятилетия количество приповерхностного водяного пара в засушливых и полузасушливых регионах не увеличилось. Это противоречит всем расчётам климатических моделей, в которых он растёт со скоростью, близкой к теоретическим ожиданиям, даже в засушливых регионах. Это может указывать на серьёзное искажение в моделях процессов, связанных с гидроклиматом; модели увеличивают количество водяного пара, чтобы удовлетворить возросшие потребности атмосферы, хотя на самом деле этого не произошло. Учитывая тесную связь между водяным паром и лесными пожарами, функционированием экосистем и экстремальными температурами, этот вопрос необходимо решить, чтобы обеспечить более надёжные прогнозы климата для засушливых и полузасушливых регионов мира.

Засушливые и полузасушливые регионы мира особенно уязвимы к изменению гидроклимата, вызванному парниковыми газами. Климатические модели являются основным инструментом для прогнозирования будущего гидроклимата, к которому общество в этих регионах должно адаптироваться, но здесь представлено тревожное несоответствие между наблюдаемыми и основанными на моделях историческими тенденциями гидроклимата. В засушливых/полузасушливых регионах мира преобладающим сигналом во всех модельных расчётах является увеличение содержания водяного пара в атмосфере в среднем за последние четыре десятилетия в сочетании с увеличением способности более тёплой атмосферы удерживать водяной пар. В наблюдениях такого увеличения содержания водяного пара в атмосфере не произошло, что позволяет предположить, что доступность влаги для удовлетворения возросшего спроса в атмосфере в действительности ниже, чем в представлено в моделях для засушливых/полузасушливых регионов. Это несоответствие наиболее заметно в засушливых/полузасушливых регионах круглый год, но оно также заметно в более влажных регионах в самые засушливые месяцы года. Это указывает на значительный пробел в нашем понимании и возможностях моделирования, который может иметь серьёзные последствия для будущих прогнозов гидроклимата, включая пожароопасность.

 

Ссылка: https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2302480120

Печать

Nature Climate Change: Потепление климата перестраивает пищевые сети и потоки углерода в экосистемах высоких широт

 

Быстрое потепление экосистем высоких широт увеличивает микробную активность и ускоряет разложение многолетней мерзлоты. Такое распространение микробной энергии может реструктурировать пищевые сети в высоких широтах и изменить круговорот углерода между надземными и подземными средами обитания. Авторы использовали анализ стабильных изотопов (δ13C) аминокислот, чтобы проследить поток углерода через пищевые сети, подверженные потеплению, и количественно оценить изменения в ассимиляции микробного углерода потребителями арктической тундры и бореальных лесов. С 1990 по 2021 гг. мелкие млекопитающие в бореальных лесах продемонстрировали значительное сокращение использования растительных «зелёных» пищевых сетей и увеличение использования микробно-опосредованных «коричневых» пищевых сетей, что перемежалось более чем 30-процентным увеличением грибковой ассимиляции углерода. Аналогичным образом, грибковая ассимиляция углерода увеличилась на 27% у пауков-волков в условиях экспериментального потепления в арктической тундре. Эти результаты показывают климатически обусловленное «потемнение» пищевых сетей в высоких широтах и указывают на недостаточно изученный путь, с помощью которого животные могут влиять на круговорот углерода в условиях потепления климата.

 

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41558-023-01893-0

Печать

Geophysical Research Letters: Глубоководная мультидесятилетняя изменчивость Атлантики

 

Исследование изменчивости глубоководной температуры имеет важное значение для понимания глубоководной изменчивости и её значительного воздействия на климат. Первая мода в Атлантике называется глубокоатлантической мультидесятилетней изменчивостью (Deep Atlantic Multidecadal Variability, DAMV), характеризующейся дипольной структурой «север-юг» в средневысоких широтах с квазипериодом 20–50 лет. DAMV и атлантическая мультидесятилетняя изменчивость, несмотря на статистическое расхождение, могут представлять собой разные реакции на перенос тепла в океане, вызываемый Атлантической меридиональной термохалинной циркуляцией (АМТЦ) на разных глубинах по отдельности. Установлена связь между DAMV и АМТЦ, что указывает на то, что АМТЦ, вероятно, будет переносить поверхностное тепло вниз за счёт глубокой конвекции и способствовать созданию такой дипольной картины в глубокой Атлантике. Более того, меридиональный перенос тепла в океане доказывает, что АМТЦ может объяснить изменение DAMV как динамический фактор. Эти результаты подтверждают важность глубоководных исследований атлантической климатической системы.

 

Ссылка: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2023GL106367

Печать

Biogeosciences: Обзоры и обобщения: расширение глобального охвата измерений валовой первичной продукции и чистой продукции сообществ с использованием биогеохимических буёв Арго

 

В этой статье представлены обзор и демонстрация новых поплавковых методов количественной оценки валовой первичной продукции (gross primary production, GPP) и чистой продукции сообществ (net community production, NCP) с использованием данных буёв Biogeochemical-Argo (BGC-Argo). В недавних публикациях описаны методы оценки GPP, основанные на обнаружении суточных колебаний концентрации кислорода или твёрдых частиц органического углерода в верхних слоях океана с использованием одиночных профилографов или комбинации буёв BGC-Argo. Методы оценки NCP основаны на расчётах бюджета для разделения наблюдаемых изменений индикаторов на физические или биологические процессы, происходящие в течение времени, превышающего 1 день. В настоящее время многолетние временные ряды NCP возможны с разрешением, близким к еженедельному, с использованием последовательного или одновременного поплавкового развёртывания в локальных масштабах. Результаты, однако, чувствительны к выбору индикатора, используемого в бюджетных расчётах, и к неопределённостям в параметризации бюджета, применяемой в различных подходах оценки NCP. Десятилетние расчёты GPP для всего бассейна в настоящее время возможны с использованием данных, собранных со всего массива BGC-Argo, но более точное пространственное и временное разрешение требует большего количества развёртываний буёв для построения кривых суточных трассеров. Прогнозируемого глобального массива BGC-Argo из 1000 поплавков должно быть достаточно для получения годовых оценок GPP с разрешением по широте 10°, если буи имеют профиль с нецелыми интервалами (например, 5,2 или 10,2 дней). Устранение текущих ограничений поплавковых методов должно обеспечить расширенный пространственный и временной охват морских измерений GPP и NCP, способствуя определению в глобальном масштабе потенциала экспорта углерода, обучению спутниковых алгоритмов первичного производства и оценке биогеохимических численных моделей. Целью данной работы является содействие более широкому использованию поплавковых методов оценки GPP и NCP как отдельных или комбинированных инструментов океанографическим сообществом и содействие их дальнейшему развитию.

 

Ссылка: https://bg.copernicus.org/articles/21/13/2024/

Печать