Bilans węgla na obszarach bagiennych Sentinel-1/2/3

Modelowanie bilansu węgla na obszarach bagiennych z wykorzystaniem danych z najnowszych misji satelitarnych ESA Sentinel-1/2/3

Projekt finansowany przez Narodowe Centrum Nauki, w ramach konkursu OPUS 12. Nr umowy: 2016/23/B/ST10/03155.

Kierownik projektu: prof. dr hab. Katarzyna Dąbrowska-Zielińska
email: katarzyna.dabrowska-zielinska@igik.edu.pl, tel. +48 22 3291974
Okres realizacji projektu: 9.10.2017 – 8.09.2022

Cel badań

Celem projektu jest opracowanie metody określającej zmiany przepływu strumieni węgla w zależności od wielkości biomasy, wilgotności gleby i warunków meteorologicznych, a następnie z zastosowaniem nowoczesnych misji satelitarnych Sentinel-1/2/3 przedstawienie przestrzennego rozkładu bilansu węgla dla ekosystemu bagiennego. Powierzchnia czynna i jej zmiany wpływają w znacznym stopniu zarówno na pochłanianie dwutlenku węgla, jak i jego emisję do atmosfery. Jako teren badań został wybrany obszar bagien Biebrzańskich. Istnieje potrzeba monitorowania niekorzystnego dla środowiska procesu osuszania bagien dla ochrony nie tylko ich unikalnych walorów przyrodniczych, ale także w celu zachowania potencjalnego źródła wody i węgla.

Metoda badawcza

W trakcie rejestracji satelitarnych zostaną wykonane nowoczesnymi przyrządami pomiary naziemne różnych parametrów glebowo-roślinnych ekosystemu bagiennego Biebrzy, w tym: powierzchnia projekcyjna liści (LAI, LI-COR 2200), wilgotność gleby (metodą TDR TRIME-FM), PAR (AccuPAR), biomasa świeża i sucha oraz zawartość wody w roślinach (w laboratorium), temperatura gleby, temperatura radiacyjna powierzchni (IR radiometr). Bilans węgla będzie mierzony metodą komorową w różnych zbiorowiskach roślinnych Bagien Biebrzańskich. Otrzymane dane naziemne zostaną wykorzystane w analizach statystycznych z danymi satelitarnymi w celu opracowania modeli ich szacowania.

Zdjęcia satelitarne Sentinel-2 wykonane w optycznym zakresie promieniowania zostaną wykorzystane do klasyfikacji pokrywy roślinnej oraz do wyprowadzenia różnych wskaźników roślinnych wykorzystywanych do modelowania biomasy będącej komponentem bilansu węgla ekosystemu bagiennego. Zdjęcia mikrofalowe Sentinel-1 posłużą do obliczania współczynnika rozpraszania wstecznego, którego wielkość zależy m.in. od właściwości dielektrycznych badanej powierzchni. Obliczone w różnej polaryzacji wartości współczynników rozpraszania wstecznego posłużą do zbudowania modeli, z których można określać wilgotność gleby oraz zawartość wody w roślinach. Zdjęcia satelitarne Sentinel-3 wykonane w zakresie podczerwieni termalnej zostaną zastosowane do oszacowania gęstość strumienia ciepła jawnego (H).

Gęstość strumienia ciepła utajonego (LE) będzie obliczona z bilansu energii LE=RN–H–G, a następnie zostanie obliczona ewapotranspiracja. Strumień różnicowy promieniowania (RN) będzie mierzony na stacji meteorologicznej na terenie BPN, należącej do IGIK. Następnie zostanie wyprowadzona zależność pomiędzy mierzonym przepływem węgla a obliczonymi parametrami glebowo-roślinnymi (wskaźnikami charakteryzującymi biomasę, fAPAR, wilgotność gleby oraz ewapotranspiracja). Wynikiem będzie przedstawienie przestrzennie bilansu węgla dla obszaru basenu środkowego i południowego Biebrzy.

Obliczone strumienie dwutlenku węgla zostaną porównane z wartościami strumieni CO2 mierzonymi metodą kowariancji wirów. Wieża z czujnikami do pomiaru strumieni węgla i pary wodnej metodą kowariancji wirów (ang. Eddy Covariance) będzie ulokowana na wybranym obszarze Basenu Środkowego Biebrzy należącym do BPN. Również wartości LE zostaną porównane z pomiarami wykonanymi metodą kowariancji wirów w celu określenia dokładności predykcji satelitarnej.

Rezultaty badań

Otrzymane dane z nowoczesnych misji satelitarnych Sentinel-1/2/3 o dużej rozdzielczości przestrzennej i czasowej pozwolą na szacowania biomasy, wilgotności gleby i ewapotranspiracji oraz na opracowanie metody obliczania i przedstawienia przestrzennie bilansu węgla dla obszarów bagiennych. Uzyskane wyniki pozwolą ocenić w jaki sposób zmiany uwilgotnienia i biomasy wywołane działalnością człowieka i zmiennymi warunkami meteorologicznymi wpływają na wymianę węgla. Ułatwi to podjęcie właściwych działań zmierzających do renaturalizacji obszarów bagiennych.

Publikacje i referaty:

Bartold M., 2023, Dane satelitarne Programu Copernicus w badaniach bilansu węgla na obszarze Bagien Biebrzańskich, Z kosmosu widać więcej, czyli rewolucja w monitorowaniu Ziemi – 25 lat Programu Copernicus, 15 czerwca 2023, Warszawa. PREZENTACJA

Dąbrowska-Zielińska K., Misiura K., Malińska A., Grzybowski P., Gurdak R., Bartold M., Kluczek M., 2022, Modelling Net Ecosystem Exchange in the Biebrza Wetlands using satellite and meteorological data, Miscellanea Geographica, Vol. 26(4). doi:10.2478/mgrsd-2022-0013 ARTYKUŁ

Dabrowska-Zielinska K., Gurdak R., Grzybowski P., Bartold M., Kluczek M., Ziolkowski D., 2022, Climate change influence carbon cycle – study on wetlands in Poland, Euro-Global Climate Change Conference, 19 - 20 September 2022, Paris, France. PREZENTACJA

Dąbrowska-Zielińska K., 2022, Badania satelitarne oraz in-situ na obszarze Biebrzy do modelowania wymiany Ekosystemy Netto - NEE oraz fotosyntezy brutto - GPP, Seminarium pt. Badania satelitarne oraz in-situ na obszarze mokradeł (w tym obszar Biebrzy) do modelowania wymiany Ekosystemu Netto-NEE, 6 września 2022, Biebrzański Park Narodowy, Osowiec-Twierdza.

Gurdak R., 2022, Metody i techniki naziemnych badań na obszarach łąkowych i podmokłych, Seminarium pt. Badania satelitarne oraz in-situ na obszarze mokradeł (w tym obszar Biebrzy) do modelowania wymiany Ekosystemu Netto-NEE, 6 września 2022, Biebrzański Park Narodowy, Osowiec-Twierdza.

Dąbrowska-Zielińska K., Misiura K., Malińska A., Gurdak R., Grzybowski P., Bartold M., Kluczek M., 2022, Spatiotemporal estimation of gross primary production for terrestrial wetlands using satellite and field data, Remote Sensing Applications: Society and Environment, Vol. 27, 100786. doi:10.1016/j.rsase.2022.100786 ARTYKUŁ

Dąbrowska-Zielińska K., Gurdak R., Misiura K., Grzybowski P., Bartold M., Kluczek M., Malińska A., 2022, Modelling carbon dioxide flux applying in-situ and satellite data at peatland ecosystem, Living Planet Symposium, 23 - 27 May 2022, Bonn, Germany. POSTER

Grzybowski P., Gurdak R., Bartold M., Kluczek M., 2022, In-situ measurement techniques in remote sensing research over wetlands, Living Planet Symposium, 23 - 27 May 2022, Bonn, Germany. POSTER

Dąbrowska-Zielińska K., 2021, Zastosowanie teledetekcji satelitarnej do oceny wpływu biomasy i wilgotności gleby na wielkość bilansu węgla w różnych ekosystemach, Webinarium nt. Możliwości współczesnej teledetekcji i fotogrametrii w inwentaryzacji i monitorowaniu środowiska przyrodniczego, 15 listopada 2021, Biebrzański Park Narodowy. PREZENTACJA

Misiura K., Dabrowska-Zielinska K., Gurdak R., Grzybowski P., Kluczek M., 2021, CO2 Modelling from Eddy Covariance Measurements for Biebrza Wetlands, IEEE International Geoscience & Remote Sensing Symposium (IGARSS), 12 - 16 July 2021, online hosted by the IGARSS 2021 Organizing Committee in Brussels (Belgium).

Dabrowska-Zielinska K., Misiura K., Gurdak R., Grzybowski P., Bartold M., Budzynska M., Malinska A., Musial J., 2021, Application of Remote Sensing for Hydrology – Case study in Poland, 6th IAHR Europe Congress, 15-18 February 2021, Warsaw.

Misiura K., Dabrowska-Zielinska K., Musial J., Gurdak R., Grzybowski P., 2021, CO2 measurements over the Biebrza Wetlands using Eddy Covariance and chamber methods, 6th IAHR Europe Congress, 15-18 February 2021, Warsaw.

Dąbrowska-Zielińska K., Misiura K., Gurdak R., Grzybowski P., Bartold M., Łągiewska M., 2020, Water related ecosystem: application Copernicus data examining climate change effect on hydrological regime of wetlands, SPIE Security + Defence Digital Forum, 21-25 September 2020, Edinburgh. POSTER

Misiura K., Dabrowska-Zielinska K., Malinska A., Musial J., 2019, CO2 Measurements over the Biebrza Wetlands using satellite and field data, Living Planet Symposium, 13-17 May 2019, Milan, Italy.