Численное моделирование временной изменчивости эмиссии метана из Можайского водохранилища

Получены оценки эмиссии метана с поверхности Можайского водохранилища за период с 2015 по 2019 гг. с помощью математической модели LAKE2.3. Среднее значение эмиссии составляет 361 тС в год, средний удельный поток — 37,7 мгС–СН₄ м^–2 день^–1, что удовлетворительно согласуется с данными наблюдений. Наибольший вклад в общую эмиссию СН₄ вносит пузырьковая составляющая. В течение периода нагревания наблюдается постепенное увеличение эмиссии метана с максимумом перед началом осеннего перемешивания. В ходе численных экспериментов с моделью установлено, что высокочастотная изменчивость потоков метана в атмосферу связана с колебаниями атмосферного давления и резкими изменениями уровня воды при том, что наиболее значимые выбросы связаны с последним фактором. Эффективным способом для калибровки диффузной составляющей потока метана в атмосферу является потенциальная наибольшая скорость окисления метана в реакции Михаэлис-Ментен, а для пузырькового потока — параметр температурной зависимости генерации метана в донных отложениях q₁₀. Исследование чувствительности эмиссии метана к указанным параметрам проведено на основе численной модели LAKE2.3.

1. Forster P., Ramaswamy V., Artaxo P., Berntsen T. et. al. Changes in atmospheric constituents and in Radiative Forcing // Asses. Report of the IPCC. 2007. Chapter 2. P. 129–217.

2. IPCC. The Intergovernmental Panel on Climate Change. URL: https://www.ipcc.ch (дата обращения: 01.12.2021).

3. Sanuois M. et. al. The global methane budget 2000–2012 // Earth System Science Data. 2016. Vol. 8. P. 697–751. doi:10.5194/essd-8–697–2016

4. Deemer B. et.al. Greenhouse gas emissions from reservoir water surfaces: A new global synthesis // BioScience. 2016. Vol. 66, N 11. P. 949–964. doi:10.1093/biosci/biw117

5. Li S., Zhang Q. Carbon emission from global hydroelectric reservoirs revisited // Environmental Science and Pollution Research. 2014. Vol. 21. P. 13636–13641. doi:10.1007/s11356-014-3165-4

6. Louis V. et.al. Reservoir surfaces as sources of greenhouse gases to the atmosphere: a global estimate // BioScience. 2000. Vol. 50. P. 766–775. doi:10.1641/0006–3568(2000)050[0766:RSASOG]2.0.CO;2

7. Tortajada C., Altinbilek D., Biswas K. Impact of large dams: A global assessment. Berlin: Springer, 2012. 410 p.

8. Tremblay A., Roehm C., Varfalvy L., Garneau M. Greenhouse gas emissions — fluxes and processes. Berlin: Springer, 2005. 732 p.

9. Stepanenko V. et. al. LAKE2.0: a model for temperature, methane, carbon dioxide and oxygen dynamics in lakes // Geoscientific Model Development. 2016. Vol. 9, N 5. P. 1977–2006. doi:10.5194/gmd-9–1977–2016

10. Stepanenko V., Valerio G., Pilotti M. Horizontal pressure gradient parameterization for one-dimensional lake models // Journal of Advances in Modelling Earth Systems. 2020. Vol. 12. P.e21063. doi:10.1029/2019MS001906

11. Stepanenko V., Machul’skaya E., Glagolev M., Lykosov V. Numerical modeling of methane emissions from lakes in the permafrost zone // Izvestiya — Atmospheric and Oceanic Physics. 2011. Vol. 47, N 2. P. 252–264. doi:10.1134/S0001433811020113

12. Tan Z., Zhuang Q., Anthony K. Modeling methane emissions from arctic lakes: Model development and site-level study // Journal of Advances in Modelling Earth Systems. 2015. Vol. 7. P. 459–483. doi:10.1002/2014MS000344

13. Tan Z., Zhuang Q. Arctic lakes are continuous methane sources to the atmosphere under warming conditions // Environmental Research Letters. 2015. Vol. 10, N5. P. 054016. doi:10.1088/1748–9326/10/5/054016

14. Guseva S., Stepanenko V., Shurpali N., Marushchak M. et. al. Numerical simulation of methane emission from subarctic lake in Komi republic (Russia) // Geography, Environment, Sustainability. 2016, 2, 9, 58–74. doi:10.24057/2071-9388-2016-9-2-11-20

15. Tan Z., Zhuang Q., Shurpali N., Marushchak M. et. al. Modeling CO2 emissions from Arctic lakes: Model development and site-level study // Journal of Advances in Modelling Earth Systems. 2017. Vol. 9, N 5. P. 2190–2213. doi: org/10.1002/2017MS001028

16. Kiuru P., Ojala A., Mammarella I., Heiskanen J. et. al. Effects of climate change on CO2 concentration and efflux in a humic boreal lake: A modeling study // Journal of Geophysical Research: Biogeosciences. 2018. Vol. 123, N 7. P. 2212– 2233. doi:10.1029/2018JG004585

17. Guseva S., Bleninger T., Jöhnk K., Polli B. et. al. Multimodel simulation of vertical gas transfer in a temperate lake // Hydrology and Earth System Sciences. 2020. Vol. 24. P. 697–715. doi:10.5194/hess-24-697-2020

18. Gruca-Rokosz R., Tomaszek J. Methane and carbon dioxide in the sediment of a eutrophic reservoir: Production pathways and diffusion fluxes at the sediment–water interface // Water Air & Soil Pollution. 2015. Vol. 226. P. 16–32. doi:10.1007/s11270-014-2268-3

19. Bazhin N. Methane emission from bottom sediments // Chemistry for Sustainable Development. 2003. Vol. 11. P. 577– 580.

20. Gash J. (main edit.) Greenhouse gas emissions related to freshwater reservoirs // World Bank Report. 2010. UNESCO/ IHA GHG Proj. P. 166.

21. Borrel G., Jezequel D., Bidderre-Petit C., Morel-Desrosiers N. et. al. Production and consumption of methane in freshwater lake ecosystems // Research Microbiology. 2011. Vol. 162. P. 832–847. doi:10.1016/j.resmic.2011.06.004

22. Guerin F., Abril G. Significance of pelagic aerobic methane oxidation in the methane and carbon budget of a tropical reservoir // Journal of Geophysical Research: Biogeosciences. 2007. Vol. 112. P. 3006–3020. doi:10.1029/2006JG000393

23. Bastviken D., Cole J., Pace M., Van de Bogert M. Fates of methane from different lake habitats: Connecting wholelake budgets and CH4 emissions // Journal of Geophysical Research: Biogeosciences. 2008. Vol. 113. P. 2024–2037. doi:10.1029/2007JG000608

24. Гарькуша Д.Н., Федоров Ю.А., Тамбиева Н.С. Расчет элементов баланса метана в водных экосистемах Азовского моря и Мирового океана на основе эмпирических формул // Метеорология и гидрология. 2016. № 6. С. 48–58.

25. Ostrovsky I., McGinnis D., Lapidus L., Eckert W. Quantifying gas ebullition with echosounder: the role of methane transport by bubbles in a medium-sized lake // Limnology and Oceanography: Methods. 2008. Vol. 6. P. 105–118. doi:10.4319/lom.2008.6.105

26. Harrison J., Deemer B., Birchfield M., O`Malley M. Reservoir water-level drawdowns accelerate and amplify methane emission // Environmental Science & Technology. 2017. Vol. 51, N3. P. 1267–1277. doi:10.1021/acs.est.6b03185

27. Miller B., Arntzen E., Goldman A., Richmond M. Methane ebullition in temperate hydropower reservoirs and implications for US policy on greenhouse gas emissions // Environmental Management. 2017. Vol. 60. P. 1–15. doi:10.1007/s00267-017-0909-1

28. Beaulieu J., DelSontro T., Downing J. Eutrophication will increase methane emissions from lakes and impoundments during the 21st century // Nature Communications. 2019. Vol. 10. P. 1375–1380. doi:10.1038/s41467-019-09100-5

29. Bartosiewicz M., Ptytulska A., Laurion I., Maranger R. Effects of phytoplankton blooms on fluxes and emissions of greenhouse gases in a eutrophic lake // Water Research. 2021. Vol. 196. P. 116985. doi:10.1016/j.watres.2021.116985

30. Kemenes A., Melack J., Forsberg B. Downstream emissions of CH4 and CO2 from hydroelectric reservoirs (Tucuruí, Samuel, and Curuá-Una) in the Amazon basin // Inland Waters. 2016. Vol. 6. P. 295–302. doi:10.1080/IW-6.3.980

31. Эдельштейн К.К. Гидрология озер и водохранилищ. Учебник для вузов. М.: Перо, 2014. 399 с.

32. Bastviken D., Santoro A., Marotta H. Methane emissions from Pantanal, South America, during the low water season: toward more comprehensive sampling // Environmental Science & Technology. 2010. Vol. 44. P. 5450–5455. doi:10.1021/es1005048

33. Iakunin M., et. al. Numerical study of the seasonal thermal and gas regimes of the largest artificial reservoir in western Europe using the LAKE2.0 model // Geoscientific Model Development. 2020. Vol. 13, N 8. P. 3475–3488. doi:10.5194/gmd-13-3475-2020

34. Businger J., Wyngaard J., Izumi Y., Bradley E. Flux-profile relationships in the atmospheric surface layer // Journal of the Atmospheric Sciences. 1971. Vol. 28, N 2. P. 181–189.

35. Paulson C. The mathematical representation of wind speed and temperature profiles in the unstable atmospheric surface layer // Journal of Applied Meteorology. 1970. Vol. 9, N 6. P. 857–861.

36. McGinnis D., et. al. Fate of rising methane bubbles in stratified waters: How much methane reaches the atmosphere? // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2006. Vol. 111, N C9. doi:10.1029/2005JC003183

37. Stefan H., Fang X. Dissolved oxygen model for regional lake analysis // Ecological Modelling. 1994. Vol. 71, N 1–3. P. 37–68.

38. Hanson P. et. al. A model of carbon evasion and sedimentation in temperate lakes // Global Change Biology. 2004. Vol. 10, N 8. P. 1285–1298. doi:10.1111/j.1529–8817.2003.00805.x

39. Sadeghian A. et. al. Improving in-lake water quality modeling using variable chlorophyll a/algal biomass ratios // Environmental Modelling & Software. 2018. Vol. 101. P. 73–85. doi:10.1016/j.envsoft.2017.12.009

40. Fichot C., Miller W. An approach to quantify depth-resolved marine photochemical fluxes using remote sensing: Application to carbon monoxide (CO) photoproduction // Remote Sensing of Environment. 2010. Vol. 114, N 7. P. 1363– 1377. doi:10.1016/j.rse.2010.01.019

41. Koehler B. et. al. Sunlight-induced carbon dioxide emissions from inland waters // Global Biogeochemical Cycles. 2014. Vol. 28, N 7. P. 696–711. doi:10.1002/2014GB004850

42. Walker R., Snodgrass W. Model for sediment oxygen demand in lakes // Journal of Environmental Engineering. 1986. Vol. 112, N 1. P. 25–43. doi:10.1061/(ASCE)0733–9372(1986)112:1(25)

43. Donelan M., Wanninkhof R. Gas transfer at water surfaces — concepts and issues // Geophysical Monograph Series. 2002. Vol. 127. P. 1–10. doi:10.1029/GM127p0001

44. Степаненко В.М., Репина И.А., Ганбат Г., Даваа Г. Моделирование ледового режима соленых озер // Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 2019. Т. 55, № 1. С. 152–163. doi:10.31857/S0002-3515551152-163

45. Lomov V., Stepanenko V., Grechushnikova M., Repina I. Methane fluxes in an artificial valley reservoir according to field observations and mathematical modeling // IOP Conf. Ser.: Earth Environmental Science. 2020. Vol. 611. P. 12–29. doi:10.1088/1755-1315/611/1/012029

46. Lomov V., Grechushnikova M., Kazantsev V., Repina I. Reasons and patterns of spatio-temporal variability of methane emission from the mozhaysk reservoir in summer period // E3S Web of Conferences IV Vinogradov Conference. 2020. Vol. 163. P. 03010. doi:10.1051/e3sconf/202016303010

47. Liikanen A., Murtoniemi T., Tanskanen H., Tero V. et. al. Effects of temperature and oxygen availability on greenhouse gas and nutrient dynamics in sediment of a eutrophic mid-boreal lake // Biogeochemistry. 2002. Vol. 59, N 3. P. 269– 286. doi:10.1023/A%3A1016015526712