Нейросеть помогает оценивать потоки углекислого газа на полигоне «Урал-Карбон»

14:40, 3 июля 2023

Особенность модели в том, что ее можно использовать для анализа территорий по всей России

Нейросеть научили оценивать состояние лесов, схожих с полигоном «Урал-Карбон». Фото: Илья Сафаров.

Нейросеть помогает специалистам полигона «Урал-Карбон» оценивать потоки углерода на Урале. Ее обучили связывать данные мультиспектральных сенсоров Modis космического базирования (спутники НАСА, Aqua и Terra), данные о температуре воздуха и осадков с данными, получаемыми от наземной сети станций Fluxnet, и таким образом определять потоки углекислого газа в атмосфере. Модель создали специалисты лаборатории физики климата и окружающей среды УрФУ и апробировали на карбоновом полигоне в Коуровке.

«Наш студент построил нейронную сеть, натренировал ее, и теперь она рассчитывает потоки углерода, скрытого тепла, чистый экосистемный обмен. В целом она демонстрирует хорошую точность воспроизведения данных. Мы апробировали ее на карбоновом полигоне в Коуровке и сравнили результаты с данными, полученными на наземном ИК-Фурье спектрометре при зондировании атмосферы. Расхождения составили всего 15 %, что лежит в пределах среднеквадратичной ошибки нейросети. Теперь мы получаем новые данные каждые восемь дней», — поясняет ведущий научный сотрудник лаборатории физики климата и окружающей среды УрФУ Константин Грибанов.

Но главное, что можно делать с помощью нейросети, разработанной специалистами УрФУ, — оценивать ситуацию по всей России, где есть темнохвойные леса (экосистема, схожая с полигоном «Урал-Карбон»).

«Мы провели первичные оценки углеродного баланса лесной экосистемы на участке карбонового полигона в Коуровке. На основе данных, полученных ИК-Фурье спектрометром, удалось оценить объем поглощенного из атмосферы углекислого газа за вегетационный период, который на Урале длится с апреля по сентябрь. В частности, рассчитали, что объем поглощенного из атмосферы углекислого газа лесной экосистемой равен 1,5 тоннам на гектар. Это означает, что за этот период вырастает более 1,5 тонн биомассы на каждом гектаре леса. Если говорить про нейросеть, то она за этот же период оценила объем поглощенного из атмосферы углекислого газа в 1,3 тонны на гектар», — поясняет руководитель лаборатории физики климата и окружающей среды УрФУ Вячеслав Захаров.

Иными словами, гектар темнохвойного леса на территории карбонового полигона в Коуровке за вегетационный период поглощает из атмосферы 1,5 тонны углекислого газа, что в пересчете на углерод составляет около 410 кг поглощенного углерода.

«До апреля — зима, холодно, листьев и травы нет, поэтому концентрация углекислого газа в атмосфере максимальная. Как только появляются листья, начинается фотосинтез, углекислый газ забирается из атмосферы, вплоть до сентября. Затем листья опадают, перегнивают и возвращают в атмосферу часть накопленного углерода, его концентрация в атмосфере начинает расти», — поясняет Вячеслав Захаров.

Задача специалистов — понять, сколько в итоге растения и деревья полигона «Урал-Карбон» (смешанные или темнохвойные леса) поглощают за вегетационный период углекислого газа из атмосферы. Это непросто, так как ежегодное повышение уровня углекислого газа в атмосфере во многом связано с его выбросами промышленностью и транспортом.

«Мы измеряем общее содержание углекислого газа в атмосферном столбе в Коуровке с 2009 года. Данные показывают тренд на увеличение, содержание углекислого газа в атмосфере ежегодно увеличивается примерно на 3 ppm, но он связан с глобальными изменениями, а не с нашими лесами. То есть мы проводим измерения в атмосфере, где наблюдается ежегодный рост, и нам нужно каким-то образом устранить глобальный тренд и оценить ситуацию на уровне многолетних колебаний. Тогда, возможно, мы увидим разницу, которая поглощается нашим лесом», — заключает Константин Грибанов.

Полученные нейросетью данные пока предварительные, поясняют специалисты лаборатории. Модель постоянно совершенствуется. В этом году, к примеру, планируется верифицировать оценки нейросети данными измерений потоков углекислого газа с мачтового оборудования и расчетами на основе модели флюид-локации атмосферы.

Справка

Россия как полноправный член Рамочной конвенции ООН об изменении климата и Парижского соглашения по климату взяла на себя обязательства по ограничению выбросов парниковых газов. Стратегия социально-экономического развития РФ с низким уровнем выбросов парниковых газов предусматривает рост экономики при уменьшении их выбросов. Согласно стратегии, к 2050 году чистая эмиссия парниковых газов снизится на 60 % от уровня 2019 года и на 80 % — от уровня 1990-го. Дальнейшая реализация этого сценария позволит России достичь углеродной нейтральности к 2060 году. Очевидно, что только за счет снижения выбросов достигнуть углеродной нейтральности не удастся. Приближение к желаемым показателям будет происходить в том числе за счет климатических проектов и применения уточненной методики поглощающей способности экосистем. Согласно стратегии, недостающие 1,5 млрд тонн эквивалента СО₂ для достижения углеродной нейтральности в РФ должны найти в природных сообществах и в результате реализации климатических проектов. Именно эту стратегическую задачу по количественному верифицированному расчету баланса углерода в природных экосистемах и в искусственно созданных сообществах призваны решать карбоновые полигоны по всей стране.

Свердловская область, территория которой на 70 % представлена таежными и производными от них лесами, вошла в число участников пилотного проекта Минобрнауки России по изучению баланса углеродсодержащих парниковых газов и инвентаризации запасов углерода в природных сообществах. Оператором карбонового полигона является Уральский федеральный университет, в число участников вошли ведущие профильные вузы региона и институты: Уральский государственный лесотехнический университет, Уральский государственный аграрный университет, Институты экологии растений и животных и промышленной экологии, а также математики и механики УрО РАН, Ботанический сад УрО РАН.

Анна Маринович