Analysis of evapotranspiration water fluxes at a floodplain tundra in the Lena river delta

Abstract

Процесс эвапотранспирации (ЭТ) играет важную роль не только в один из важнейших элементов гидрологического и энергетического балансов, но также оказывает значительное влияние на форму эмиссии углерода из почв (в виде СО2 или СН4) в арктических ландшафтах, подстилаемых многолетней мерзлотой. Несмотря на то, что в верхних слоях почвы пойменных территорий хранится большое количество углерода, по сравнению с территориями полигональной тундры им уделяется мало внимания. В связи с этим, данное исследование было сфокусировано на оценке и моделировании потоков ЭT в гетерогенных условиях тундры на примере поймы Самойловского острова, расположенного в дельте реки Лены, с применением техники вихревой ковариации. Во время измерительной кампании в 2014 и 2015 гг. средние расчетные потоки ЭT составляли 0,057 мм ч-1 и 0,048 мм ч-1 соответственно. Эти различия объясняются тем, что в период второй измерительной кампании преобладала пасмурная погода и, как следствие, количество поступающей коротковолновой и длинноволновой радиации к поверхности земли было существенно меньше. Кроме того, большая изменчивость потоков ЭT в течение сезонов связана с учетом неравномерного распределения источников ЭT вокруг измерительной башни. В целом подход Пристли-Тейлора (ПТ) позволяет получить более сильную корреляцию между смоделированными и наблюдаемыми значениями ЭT, чем метод Пенмана-Монтейна (ПM) для обеих измерительных кампаний. Тем не менее, подход ПТ позволяет получить лучшие смоделированные значения для первой половины измерительных кампаний, тогда как ПM - для второй. Это связано с учетом в методологиях расчётов этих методик специфических особенностей гидрометеорологических и экологических условий, преобладающих в начале или конце сезона. Кроме того, детерминированная модель зоны источников вихрей позволила подразделить рассчитанные ЭT потоки на три различных классов растительности. В свою очередь сформированные полученные значения для каждого класса растительности были использованы для оценки ЭT потоков для всей территории поймы. Таким образом, в течение 2014 года было отмечено преобладание ЭТ потоков над количеством выпавших осадков, когда как в 2015 году наоборот. В целом использование полученных значений потоков ЭТ в мезомасштабе имеет чрезвычайное значение не только для точной оценки гидрологического цикла, но и для моделирования выбросов парниковых газов.

Evapotranspiration (ET) plays an important role not only in coupling the water and energy supplies but also at controlling emissions of carbon from the soils in form of CO2 or CH4 in Arctic landscapes underlain by permafrost. Despite the fact that floodplains territories appear to be a huge carbon pool, in comparison with the ice-wedge polygonal tundra, little attention so far has been paid to them. Due to this gap, the current study is focused on the estimation and modeling of ET fluxes at heterogeneous tundra conditions of an active floodplain of Samoylov Island situated in the Lena River Delta by applying the eddy covariance technique. During the measurement campaign in 2014 and 2015, the estimated mean ET fluxes amounted to 0.057 mm h-1 and 0.048 mm h-1 respectively. These differences are coupled with the lower amount of net radiation and predominance of cloudy conditions over the second observation campaign. Furthermore, a large variability in the range of ET fluxes over the seasons is linked with the uneven distribution of ET sources at the constantly changed footprint area. In general, Priestly-Taylor (PT) approach allows getting the stronger correlation between the modeled and observed values of ET than Penman- Monteith (PM) method during the measurement campaigns. Nonetheless, PT approach allows estimating better results for the first half of measurement campaigns, while the PM – for the second. Explaining this variability is based on the better performance of approaches depending on the hydrometeorological and environmental conditions. Furthermore, the deterministic model of footprint area has been enabled to estimate the ET fluxes from three vegetation classes. In turn, formed obtained values from each vegetation class have been used to estimate ET rates during the seasons for the entire floodplain territory. Thus, during the 2014 measurement campaign was observed the prevalence of ET on the precipitation, while the 2015 – the opposite. Overall, employing of obtained ET fluxes on the ecosystem scale is crucial not only for the accurately estimating of the hydrological cycle but also for modeling greenhouse gases emissions.