Система обратного моделирования для оценки региональных экосистемных потоков углерода по данным спутниковых измерений содержания СО₂

Объективные оценки потоков СO₂ между атмосферой и наземными экосистемами  требуются для обеспечения надежных климатических прогнозов, а также для решения целого ряда практических задач, связанных, в частности, с реализацией природных климатических решений. Один из основных подходов, применяемых в мире для выработки таких оценок, основан на обратном моделировании, которое предполагает оптимизацию углеродных потоков путем согласования данных измерений и модельных расчетов атмосферного содержания СО₂ при использовании вероятностных методов.

В рамках этого подхода в ИПФ РАН развивается региональная система обратного моделирования RIGGO (Regional inversion of greenhouse gases observations), предназначенная для оценки экосистемных потоков углерода в российских регионах и включающая в себя, в частности, химико-транспортную модель (ХТМ) CHIMERE, метеорологическую модель WRF, а также модель экосистемного обмена VPRM. В основу системы заложен оригинальный метод обратного моделирования экосистемных потоков углерода по данным спутниковых измерений содержания СО₂ [1]. Важными особенностями метода являются оценка пространственно-распределенных экосистемных потоков углерода путем байесовской оптимизации параметров VPRM (а не непосредственно значений самих потоков), а также снижение чувствительности вырабатываемых оценок к граничным условиям ХТМ в результате предварительного преобразования входных (измеренных и рассчитанных) данных по содержанию СО₂ при использовании расчетов времени пребывания воздушных масс внутри региона.

Возможности RIGGO были исследованы путем еe применения для оценки углеродного баланса в европейском регионе, охватывающем страны ЕС и Великобританию, а также в Центральной Сибири в теплый период года при использовании данных со спутника OCO-2. В результате найдено, что усвоение системой данных OCO-2 позволяет радикально (в разы) снизить априорную неопределенность оцениваемых экосистемных потоков. При этом тестовые примеры с использованием синтетических и реальных данных по содержанию СО₂ продемонстрировали, что апостериорные оценки углеродных потоков слабо зависят как от априорных оценок параметров VPRM, так и от граничных условий ХТМ. Найдено также, что полученные апостериорные оценки экосистемных потоков согласуются с независимыми (и при этом вызывающими доверие) оценками для обоих регионов, включая оценки по данным системы CTE-HR (для европейского региона) и данным инвентаризации GFED (для сибирского региона). Кроме того, оптимизация параметров VPRM позволила улучшить согласие рассчитанного содержания CO₂ над территорией западной Европы с данными сети наземных измерений TCCON, а оценок нетто-экосистемного обмена в Сибири – с данными соответствующих измерений методом турбулентных пульсаций на станции ZOTTO.

1. Konovalov I.B., Golovushkin N.A., Mareev E.A. Using OCO-2 observations to constrain regional CO₂ fluxes estimated with Vegetation, Photosynthesis and Respiration Model // Remote Sens. 2025. V. 17, P. 177.