ИСТИНА

Научной проблемой, на решение которой направлен проект, является выявление вклада в климатические процессы водных объектов суши. Будет проведено исследование роли озер термокарстовых северных широт в глобальной эмиссии важнейшего парникового газа - метана. Согласно 6-му отчёту IPCC, воды суши выделяют больше метана, чем болота, которые традиционно считались наибольшим естественным источником этого газа для атмосферы. Выделение в качестве объекта исследования в проекте термокарстовых озер обосновывается тем фактом, что в условиях быстро изменяющегося климата именно эти объекты, занимающие существенные площади в северных широтах, представляют собой важный индикатор, а также фактор изменений климата: потепление климата в высоких широтах протекает наиболее быстро, и влияние изменений на газообмен и потоки метана в атмосферу будет наиболее ярко выражено. Цель настоящего проекта – создание усовершенствованного физико-математического описания вклада термокарстовых озер в эмиссию метана с привлечением данных измерительных кампаний и диагностика эмиссий метана с исследуемых водных объектов с помощью созданного описания. Для достижения цели настоящего проекта предлагается использование комплексного подхода, совмещающего теоретические исследования, анализ натурных данных и численное моделирование. Основным результатом выполнения проекта станет расширение существующих в настоящее время представлений о вкладе внутренних водоемов в глобальные климатические процессы в рамках исследования роли термокарстовых озер в эмиссиях метана. Для достижения результата проекта запланирована к разработке двухуровневая вычислительная технология, объединяющая трехмерное численное моделирование с использованием предложенной руководителем проекта модели и согласованную с трехмерной одномерную (при осреднении по горизонтали) математическую модель. Задачи проекта: 1) Обобщение, систематизация и анализ данных проведенных ранее измерительных кампаний на термокарстовых озерах ЯНАО; 2) Создание соответствующих условиям выбранных водоемов конфигураций трехмерной численной модели, позволяющей рассчитывать с высоким пространственным разрешением термогидродинамические и биогеохимические характеристики с учетом горизонтальной неоднородности и сложной береговой линии; 3) Создание, на основе сравнения с данными измерений и результатами детальных расчётов трёхмерной моделью, передовой версии одномерной модели для воспроизведения комплекса термогидродинамических и биогеохимических процессов, ответственных за формирование режимов концентрации и потоков метана в атмосферу с водоёмов высоких широт. Проведение с помощью разработанной вычислительной технологии серий численных экспериментов, направленных на исследования эмиссий метана для рассматриваемых водоёмов с последующей оценкой вклада озер в формирование климата. Задачи проекта напрямую связаны с направлением исследований взаимодействия человека и природы и позволят уточнить роль взаимодействия атмосферы с внутренними водоемами в глобальных климатических процессах, таких, как парниковый эффект и метановый цикл.

The scientific problem that the project is aimed at is to identify the contribution of land water bodies to climate processes. A study will be conducted on the role of northern thermokarst lakes in the global emission of the most important greenhouse gas - methane. According to the 6th IPCC report, land waters emit more methane than wetlands, which have traditionally been considered the largest natural source of this gas for the atmosphere. The project focuses on thermokarst lakes as objects of study - in the conditions of a rapidly changing climate, these objects, occupying significant areas in northern latitudes, are an important indicator, as well as a factor in climate change: climate warming in high latitudes occurs most quickly, and the impact of changes on gas exchange and methane fluxes into the atmosphere will be most expressed. The goal of this project is to create an improved physical and mathematical description of the contribution of thermokarst lakes to methane emissions using data from measurement campaigns, and to diagnose methane emissions from the water bodies under study. To achieve the goal of this project, it is proposed to use an integrated approach that combines theoretical research, analysis of measurement data, and numerical modeling. The main result of the project will be to expand the currently existing understanding of the contribution of inland water bodies to global climate processes within the framework of studying the role of thermokarst lakes in global emissions of the most important greenhouse gas, methane. To achieve the project result, it is planned to develop a two-level computational technology that combines three-dimensional numerical modeling using the model proposed by the project manager and a one-dimensional (with horizontal averaging) mathematical model consistent with the three-dimensional one. Project tasks: 1) Generalization, systematization and analysis of data from previously conducted measurement campaigns on thermokarst lakes of the Yamal-Nenets Autonomous District; 2) Creation of configurations of a three-dimensional numerical model that correspond to the conditions of the selected water bodies, allowing for high-spatial-resolution calculations of thermohydrodynamic and biogeochemical characteristics of water bodies, taking into account horizontal heterogeneity and a complex coastline; 3) Creation, based on comparison with measurement data and the results of detailed calculations by a three-dimensional model, of an advanced version of a one-dimensional model for reproducing a set of thermohydrodynamic and biogeochemical processes responsible for the formation of methane concentration regimes and fluxes into the atmosphere from high-latitude water bodies. Conducting, using the developed computational technology, a series of numerical experiments aimed at studying methane emissions for the reservoirs under consideration, with subsequent assessment of the contribution of lakes to climate formation. The objectives of the project are related to the direction of research on the interaction of human and nature and will help clarify the role of the interaction of the atmosphere with inland water bodies in global climate processes, such as the greenhouse effect and the methane cycle.

- будут обобщены, систематизированы и проанализированы данные проведенных ранее измерительных кампаний на термокарстовых озерах Ямало-Ненецкого Автономного Округа; - с привлечением данных натурных измерений будут созданы соответствующие условиям выбранных водоемов конфигурации трехмерной численной модели, позволяющей рассчитывать с высоким пространственным разрешением термогидродинамические и биогеохимические характеристики водных объектов с учетом горизонтальной неоднородности и сложной береговой линии; - с использованием данных измерений и результатов детальных расчётов трёхмерной моделью будет создана передовая версия одномерной модели для воспроизведения комплекса термогидродинамических и биогеохимических процессов, ответственных за формирование режимов концентрации и потоков метана в атмосферу с водоёмов высоких широт, в новую версию войдут как опубликованные в мировой литературе за последние годы результаты по параметризации ключевых биохимических трансформаций, так и оригинальные разработки авторов; с помощью разработанной вычислительной технологии будут проведены серии численных экспериментов, направленные на исследования эмиссий метана для рассматриваемых водоёмов с последующей оценкой вклада термокарстовых озер в формирование климата.

Имеющийся у руководителя опыт в разработке численных моделей позволяет быстро конфигурировать и проводить численные расчеты в новых постановках, не рассматриваемых ранее. Новизна предлагаемого поэтапного подхода также заключается в том, что в рамках его реализации будут использоваться принципиально новые, либо глубоко модифицированные программные коды, включая коды трехмерной биогеохимической модели внутреннего водоема и модель термогидродинамики с усовершенствованным описанием турбулентности при значениях числа Ричардсона выше критического [Gladskikh et al., 2023, Гладских и Мортиков, 2024], Также в распоряжении руководителя имеются данные для потоков метана и кислорода, а также термического режима для озер ЯНАО (см., например, [Голубятников и Казанцев, 2013; Kazantsev et al.,2023]), что это позволит подготовить модели к применению в условиях термического и биогеохимического режима Арктической зоны России.

Основным результатом выполнения настоящего проекта станет расширение существующих в настоящее время представлений о вкладе внутренних водоемов, расположенных в северных широтах, в частности, термокарстовых озер - в глобальные климатические процессы, включая эмиссию метана, с помощью запланированной к разработке в рамках проекта двухуровневой вычислительной технологии, объединяющей трехмерное численное моделирование с использованием предложенной руководителем проекта модели и согласованную с трехмерной одномерную (при осреднении по горизонтали) математическую модель.