TEMPLATE DESIGN © 2008 www.PosterPresentations.com The monitoring and modeling framework for assessment of methane and carbon dioxide sinks and sources. - презентация

1 TEMPLATE DESIGN © The monitoring and modeling framework for assessment of methane and carbon dioxide sinks and sources in the regional climate system of Western Siberia Bogomolov, V. 1, Stepanenko, V. 2, Okladnikov, I. 1, Yurova, A. 3, Gordov, E. 1, Lykosov, V. 2,4 1. Siberian Center for Environmental Research and Training 2. Moscow State University 3. Hydrometeorological Centre of Russia 4. Institute for Numerical Mathematics RAS Introduction Термогидродинамическая модель водоема LAKE Апробация модели LAKE в проекте LakeMIP (Lake Model Intercomparison Project, Stepanenko et al., 2010) Эмиссия метана термокарстовыми озерами (Семилетов, 2005, K. Walter et al., 2007) Модель образования и переноса метана в грунте Модель переноса и окисления метана в водной толще Региональная атмосферная модель NH3D Сравнение результатов моделирования с данными наблюдений Параллельная реализация модели NH3D (MPI) План ближайших работ Применение метановой модели для болот (Walter and Heimann, 2000) Метан является вторым по значимости парниковым газом в атмосфере Источник Мощность, Мт СН 4 /год Животные (главным образом, жвачные), исключая термитов 106 Термиты23 Рисовники69 Естественные заболоченные земли, исключая тундру 113 Тундра19 Океаны14 Пресноводные озера5 Метаногидраты4 Вулканы1 Иные наземные источники, включая гидротермальные 6 Полигоны захоронения твердых бытовых отходов 33 Добыча угля30 Сжигание угля16 Попутный газ (выпуск, сжигание) 17 Потери газа (при транспортировке и в промышленности) 37 Сжигание биомассы40 Автомобили1 СУММА~530 Источники метана в климатической системе Из доклада IPCC, 2007 Таким образом, важнейший источник метана в атмосфере – болота и переувлажненные территории зоны вечной мерзлоты. Однако экспедиционные исследования последних лет (K. Walter at al., 2006, 2007) показывают, что сопоставимым с болотами источником являются термокарстовые озера. Для учета этого источника в климатических моделях требуется развитие модели генерации и эмиссии метана из озер. Снег Лед Вода Почва U H,LE EsEs EaEa S - уравнения турбулентного замыкания k-ε - уравнения движения воды - уравнение притока тепла Одномерная постановка задачи с краевыми условиями на границе с атмосферой и на нижней границе слоя грунта - уравнения теплопроводности и переноса жидкой влаги в снежном покрове; - уравнение теплопроводности в слое льда; - уравнение теплопроводности и переноса жидкой влаги в грунте с учетом замерзания/таяния. Ошибки моделей водоема при сопоставлении с данными наблюдений на оз. Коссенблаттер (Германия) (V.Stepanenko, A.Martynov, S.Goyette, M.Perroud, K.Joehnk, X.Fang, D.Mironov, F.Beyrich) период интегрирования моделей: май – ноябрь 2003 г. входные данные – наблюдения метеорологических величин в приводном слое воздуха данные для проверки моделей: температура воды и потоки тепла в атмосферу Меньшую среднеквадратическую ошибку демонстрируют модели с k-ε замыканием, минимальное среднее отклонение – модели с описанием теплообмена с грунтом. Незамерзающий зимой интенсивный источник метана (hotspot) Термокарстовые озера в северной Сибири занимают 22-48% территории, причем ожидается увеличение их площади при потеплении климата термокарстовые озера обеспечивают поток метана в размере % от антропогенной эмиссии Bastviken et al., 2002 уравнения турбулентной диффузии метана и кислорода с учетом окисления метана (Arah & Stephen, 1998) Образование метана – сумма эмиссии за счет разложения молодой придонной органики P new, и за счет разложения органики при заглублении талика P old. - окисление метана (в грунте под водоемом концентрация кислорода предполагается пренебрежимо малой) - поглощение метана растительностью, растительность на дне термокарстовых озер развита слабо Образование пузырьков: Уравнение для концентрации метана в грунте (Walter and Heimann, 1996) - функция Хэвисайда Данные наблюдений: оз. Щучье, бассейн Колымы (K. Walter et al., 2006,) Кэти Вальтер (K. Walter) поджигает поток метана Измерения пузырькового и диффузионного потоков метана с разрешением 1 ч в различных частях озера в период 2003 – 2004 гг. Временные ряды атмосферных параметров для ввода в модель LAKE получены из данных реанализа ERA-Interim Годовая эмиссия метана, мг/(м 2 *год) Доля эмиссии в период открытой воды, % Доля эмиссии в период ледостава, % Наблюдения Модель Период открытой воды Период ледостава Доля молодого метана в эмиссии ( 14 CH 4 ) (наблюдения) % 476 Доля молодого метана в суммарной генерации метана (модель), % 4217 Модель переноса солнечного и длинноволнового излучения Модель переноса атмосферных аэрозолей Модель снежного покрова и деятельного слоя суши ИВМ РАН Модель снежного покрова и деятельного слоя суши ИВМ РАН Модель водоема LAKE Двумерная декомпозиция области Ускорение решения уравнений движения на кластере «Чебышев» (MPI -обмены только на границах подобластей) Сверхлинейное ускорение при распределении процессов «один на узел» Ускорение модели в целом «насыщается» при количестве ядер > 100 (за счет в том числе глобальных обменов при решении эллиптического уравнения) проблемы профилировки MPI_WTIME на малых временах Уравнения динамики атмосферы в σ- системе координат Модель метановых процессов очень чувствительна к влажности почвы, которая рассчитывается моделью деятельного слоя. Правильность же описания влагопереноса определяется во многом параметрами почвы. Поток метана в атмосферу в модели оказывается равными нулю, если верхний слой почвы не насыщен влагой. метановая модель болота включена в модель деятельного слоя суши ИВМ РАН для проверки модели использованы натурные данные проекта BOREAS (Канада) проверка разработанной модели метановых процессов в термокарстовых озерах на других данных наблюдений; включение в параллельную региональную атмосферную модель NH3D уравнений переноса и химической трансформации углекислого газа и метана, расчет процессов эмиссии и переноса этих газов для районов вечной мерзлоты; разработка модели водотоков (рек) для климатических моделей будущего поколения (с разрешением 1-10 км), реализация этой модели на параллельных компьютерах; сопряжение модели водотоков с моделями углеродного баланса суши. This work is supported by grants: RFBR а, RFBR а, MK П1394.