Vol. 39, issue 08, article # 5

Abstract:

The ongoing global warming requires increased attention to the dynamics of greenhouse gas concentrations in the atmosphere, which is not sufficiently studied. In this paper, the variability of CO₂ and CH₄ concentrations on the meso-α-scale (200–2000 km) was analyzed based on hourly observation from 2013 to 2017 at six stations of the JR-STATION network for greenhouse gas monitoring, established within the Russian-Japanese scientific cooperation. The absolute differences in hourly concentrations between adjacent observation sites are discussed. It is shown that the long-term average | ΔСО₂ | can vary from 3.8 to 4.5 ppm, and | ΔСН₄ |, from 47 to 105 ppb. The gradients of CO₂ concentrations in Western Siberia on the meso-a-scale were in the range 0.006–0.007 ppm/km, and of CH₄, in the range 0.077–0.179 ppb/km, which were significantly less than those on the meso-β (20–200 km) and meso-γ (2–20 km) scales. Aannual cycle of the average long-term absolute differences in CO₂ concentrations between all stations is charactarized by a minimum in March–April, and a maximum in June–August. Their minima were ≈ 2 ppm, while their maxima ranged from 6 to 9 ppm. In the daily cycle, the maxima of the long-term average absolute differences in CO₂ and CH₄ concentrations were observed in darkness, while the minima were observed during the daylight and varied throughout the year. They remained nearly constant during the day from October to April. Nighttime differences become to be distinguishable in May, reaching maxima in July and August. A decrease is then observed in September. The results of this study expand our knowledge of greenhouse gas dynamics in the atmosphere on the meso-a-scale and can be useful in developing requirements for both measurement accuracy and the scaling of atmospheric budget calculations.

Keywords:

atmosphere, carbon dioxide, concentration, mesoscale, methane, composition

Figures:

References:

1. IPCC: Summary for Policymakers // Climate Change 2023: Synthesis Report. Contribution of Working Groups I, II and III to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Geneva: IPCC. 2023, P. 1–34.
2. Ramonet M., Chatterjee A., Ciais P., Levin I., Sha M., Steinbacher M., Sweeney C. CO₂ in the Atmosphere: Growth and Trends Since 1850. Oxford Research Encyclopedia of Climate Science. Oxford: Oxford University Press, 2023. 44 p. URL: https://oxfordre.com/climatescience/view/10.1093/acrefore/ 9780190228620.001.0001/acrefore-9780190228620-e-863.
3. Kiselev A.A. Metan v srednikh i vysokikh severnykh shirotakh. Issledovaniya 2023–2024 years // Tr. GGO. 2025. N 617. P. 6–118.
4. Thompson R.L., Lassaletta L., Patra P.K., Wilson C., Wells K.C., Gressent A., Koffi E.N., Chipperfield M.P., Winiwarter W., Davidson E.A., Tian H., Canadell J.G. Acceleration of global N₂O emissions seen from two decades of atmospheric inversion // Nat. Clim. Change. 2019. V. 9, N 12. P. 993–998. DOI: 10.1038/s41558-019-0613-7.
5. WMO GAW 19th WMO/IAEA Meeting of Experts on Carbon Dioxide, Other Greenhouse Gases and Related Tracers Measurement Techniques (CCMT-2019). GAW Report N 255. WMO, 2019. 150 p.
6. O sostave, tochnosti i prostranstvenno-vremennom razreshenii informatsii neobkhodimoi dlya gidrometeorologicheskogo obespecheniya narodnogo khozyaistva i slujby gidrometeorologicheskikh prognozov / pod red. M.A. Petrosyantsa, V.D. Reshetova. L.: Gidrometeoizdat, 1975. 220 p.
7. Reshetov V.D. Izmenchivost' meteorologicheskikh elementov v atmosfere. L.: Gidrometeoizdat, 1973. 215 p.
8. Monin A.S. Prognoz pogody kak zadacha fiziki. M.: Nauka, 1969. 184 p.
9. Friedlingstein P., O’Sullivan M., Jones M.W., Andrew R.M., Hauck J., Landschützer P., Le Quéré C., Li H., Luijkx I.T., Olsen A., Peters G.P., Peters W., Pongratz J., Schwingshackl C., Sitch S., Canadell J.G., Ciais P., Jackson R.B., Alin S.R., Arneth A., Arora V., Bates N.R., Becker M., Bellouin N., Berghoff C.F., Bittig H.C., Bopp L., Cadule P., Campbell K., Chamberlain M.A., Chandra N., Chevallier F., Chini L.P., Colligan T., Decayeux J., Djeutchouang L.M., Dou X., Duran Rojas C., Enyo K., Evans W., Fay A.R., Feely R.A., Ford D.J., Foster A., Gasser T., Gehlen M., Gkritzalis T., Grassi G., Gregor L., Gruber N., Gürses Ö., Harris I., Hefner M., Heinke J., Hurtt G.C., Iida Y., Ilyina T., Jacobson A.R., Jain A.K., Jarníková T., Jersild A., Jiang F., Jin Z., Kato E., Keeling R.F., Klein Goldewijk K., Knauer J., Korsbakken J.I., Lan X., Lauvset S.K., Lefèvre N., Liu Z., Liu J., Ma L., Maksyutov S., Marland G., Mayot N., McGuire P.C., Metzl N., Monacci N.M., Morgan E.J., Nakaoka S.-I., Neill C., Niwa Y., Nützel T., Olivier L., Ono T., Palmer P.I., Pierrot D., Qin Z., Resplandy L., Roobaert A., Rosan T.M., Rödenbeck C., Schwinger J., Smallman T.L., Smith S.M., Sospedra-Alfonso R., Steinhoff T., Sun Q., Sutton A.J., Séférian R., Takao S., Tatebe H., Tian H., Tilbrook B., Torres O., Tourigny E., Tsujino H., Tubiello F., van der Werf G., Wanninkhof R., Wang X., Yang D., Yang X., Yu Z., Yuan W., Yue X., Zaehle S., Zeng N., Zeng J. Global carbon budget 2024 // Earth Syst. Sci. Data. 2025. V. 17, N 3. P. 965–1039. DOI: 10.5194/essd-17-965-2025.
10. Saunois M., Martinez A., Poulter B., Zhang Z., Raymond P.A., Regnier P., Canadell J.G., Jackson R.B., Patra P.K., Bousquet P., Ciais P., Dlugokencky E.J., Lan X., Allen G.H., Bastviken D., Beerling D.J., Belikov D.A., Blake D.R., Castaldi S., Crippa M., Deemer B.R., Dennison F., Etiope G., Gedney N., Höglund-Isaksson L., Holgerson M.A., Hopcroft P.O., Hugelius G., Ito A., Jain A.K., Janardanan R., Johnson M.S., Kleinen T., Krummel P.B., Lauerwald R., Li T., Liu X., McDonald K.C., Melton J.R., Mühle J., Müller J., Murguia-Flores F., Niwa Y., Noce S., Pan S., Parker R.J., Peng C., Ramonet M., Riley W.J., Rocher-Ros G., Rosentreter J.A., Sasakawa M., Segers A., Smith S.J., Stanley E.H., Thanwerdas J., Tian H., Tsuruta A., Tubiello F.N., Weber T.S., van der Werf G.R., Worthy D.E.J., Xi Y., Yoshida Y., Zhang W., Zheng B., Zhu Q., Zhu Q., Zhuang Q. Global methane budget 2000–2020 // Earth Syst. Sci. Data. 2025. V. 17, N 5. P. 1873–1958. DOI: 10.5194/essd-17-1873-2025.
11. Shaw T.A., Stevens B. The other climate crisis // Nature. 2025. V. 639, N 8056. P. 877–887. DOI: 10.1038/s41586-025-08680-1.
12. Desai A.R., Paleri S., Mineau J., Kadum H., Wanner L., Mauder M., Butterworth B.J., Durden D.J., Metzger S. Scaling land-atmosphere interactions: Special or fundamental? // J. Geophys. Res.: Biogeosci. 2022. V. 127, N 10. P. e2022JG007097. DOI: 10.1029/2022JG007097.
13. Deak B., Botta-Dukat Z., Radai Z., Kovacs B., Apostolova I., Batori Z., Kelemen A., Lukacs K., Kiss R., Palpurina S., Sopotlieva D., Valko O. Meso-scale environmental heterogeneity drives plant trait distributions in fragmented dry grasslands // Sci. Total Environ. 2024. V. 947. P. 174355..D., Belan S.B., Davydov D.K., Dudorova N.V., Ivlev G.A., Kozlov A.V., Rasskazchikova T.M., Savkin D.E., Simonenkov D.V., Sklyadneva T.K., Tolmachev G.N., Fofonov A.V. Issledovanie sostava vozdukha v razlichnykh vozdushnykh massakh // Optika atmosf. i okeana. 2018. V. 31, N 9. P. 752–759. DOI: 10.15372/AOO20180909; Antokhina O.Yu., Antokhin P.N., Arshinova V.G., Arshinov M.Yu., Belan B.D., Belan S.B., Davydov D.K., Dudorova N.V., Ivlev G.A., Kozlov A.V., Rasskazchikova T.M., Savkin D.E., Simonenkov D.V., Sklyadneva T.K., Tolmachev G.N., Fofonov A.V. Study of air composition in different air masses // Atmos. Ocean. Opt. 2019. V. 32, N 1. P. 72–79.
24. Parazoo N., Carroll D., AbshireDOI: 10.1016/j.scitotenv.2024.174355.
14. Lembrechts J.J. Nijs I. Microclimate shifts in a dynamic world // Science. 2020. V. 368, N 6492. P. 711–712. DOI: 10.1126/science.abc1245.
15. Zellweger F., De Frenne P., Lenoir J., Vangansbeke P., Verheyen K., Bernhardt-Römermann M., Baeten L., Hédl R., Berki I., Brunet J., Van Calster H., Chudomelová M., Decocq G., Dirnböck T., Durak T., Heinken T., Jaroszewicz B., Kopecký M., Máliš F., Macek M., Malicki M., Naaf T., Nagel T.A., Ortmann-Ajkai A., Petrík P., Pielech R., Reczynska K., Schmidt W., Standovár T., Swierkosz K., Teleki B., Vild O., Wulf M., Coomes D. Forest microclimate dynamics drive plant responses to warming // Science. 2020. V. 368, N 6492. P. 772–775. DOI: 10.1126/science.aba6880.
16. Alferov A.M., Blinov V.G., Gitarskii M.L., Grabar V.A., Zamolodchikov D.G., Zinchenko A.V., Ivanova N.P., Ivakhov V.M., Karabanyu R.T., Karelin D.V., Kalyujnyi I.L., Kashin F.V., Konyushkov D.E., Korotkov V.N., Krovotyntsev V.A., Lavrov S.A., Marunich A.S., Paramonova N.N., Romanovskaya A.A., Trunov A.A., Shilkin A.V., Yuzbekov A.K. Monitoring potokov parnikovykh gazov v prirodnykh ekosistemakh. Saratov: Amirit, 2017. 279 p.
17. Shi D., Jiang Y., Li W., Wen Y., Wu F., Zhao S. Spatial-temporal heterogeneity of spring phenology in boreal forests as estimated by satellite solar-induced chlorophyll fluorescence and vegetation index // Agr. For. Meteorol. 2024. V. 346. P. 109888. DOI: 10.1016/j.agrformet.2024.109888.
18. Ol'chev A.V., Mukhartova Yu.V., Levashova N.T., Volkova E.M., Ryjova M.S., Mangura P.A. Vliyanie prostranstvennoi neodnorodnosti rastitel'nogo pokrova i rel'efa na vertikal'nye potoki SO2 v prizemnom sloe atmosfery // Izv. RAN. Fiz. atmosf. i okeana. 2017. V. 53, N 5. P. 612–623.
19. Burman E.A. Mestnye vetry. L.: Gidrometeoizdat, 1969. 341 p.
20. Acevedo O.C., Moraes O.L.L., Degrazia G.A., Fitzjarrald D.R., Manzi A.O., Campos J.G. Is friction velocity the most appropriate scale for correcting nocturnal carbon dioxide fluxes? // Agr. For. Meteorol. 2009. V. 149, N 1. P. 1–10. DOI: 10.1016/j.agrformet.2008.06.014.
21. Gibadullin R.R., Mukhartova Yu.V., Kochkina M.V., Satosina E.M., Stepanenko V.M., Kerimov I.A., Gulev S.K., Ol'chev A.V. Modelirovanie prostranstvennoi izmenchivosti polei vetra i potokov СО₂ i СН₄ nad neodnorodnoi podstilayushchei poverkhnost'yu // Meteorol. i gidrol. 2024. N 9. P. 93–100.
22. Berchet A., Pison I., Chevallier F., Paris J.-D., Bousquet P., Bonne J.-L., Arshinov M.Yu., Belan B.D., Cressot C., Davydov D.K., Dlugokencky E.J., Fofonov A.V., Galanin A., Lavrič J., Machida T., Parker R., Sasakawa M., Spahni R., Stocker B.D., Winderlich J. Natural and anthropogenic methane fluxes in Eurasia: A meso-scale quantification by generalized atmospheric inversion // Biogeosci. 2015. V. 12, N 18. P. 5393–5414. DOI: 10.5194/bg-12-5393-2015.
23. Antokhina O.Yu., Antokhin P.N., Arshinova V.G., Arshinov M.Yu., Belan B J.B., Bar-On Y.M., Birdsey R.A., Bloom A.A., Bowman K.W., Braghiere R.K., Bruhwiler L.M., Byrne B., Chatterjee A., Crisp D., Duncanson L., Feldman A.F., Fox A.M., Frankenberg C., Gay B.A., Hopkins F., Hoffman F.M., Holmquist J.R., Hutyra L.R., Keller M., Koven C.D., Laughner J.L., Liu J., Lovenduski N.S., Macbean N., McKinley G.A., McNicol G., Menemenlis D., Michalak A.M., Miller C.E., Nesser H., Oda T., Ordway E.M., Ott L.E., Paustian K., Pierrat Z.A., Poulter B., Reed S.C., Schime D.S., Serbin S.P., Saatchi S.S., Suto H., Windham-Myers L., Wunch D. A U.S. scientific community vision for sustained earth observations of greenhouse gases to support local to global action // AGU Adv. 2025. V. 6, N 6. P. AV001914.
25. Obzor sostoyaniya i zagryazneniya okrujayushchei sredy v Rossiiskoi Federatsii za 2019 year. Rosgidromet, 2020. 21 p.
26. Arshinov M.Yu., Belan B.D., Belan S.B., Davydov D.K., Kozlov A.V., Marchenko O.O. Issledovanie mezomasshtabnykh (b i g) osobennostei raspredeleniya gazovogo sostava vozdukha v raione g. Tomska // Optika atmosf. i okeana. 2025. V. 38, N 7. P. 529–540. DOI: 10.15372/AOO20250704; Arshinov M.Yu., Belan B.D., Belan S.B., Davydov D.K., Kozlov A.V., Marchenko O.O. Mesoscale (b and g) inhomogeneities of atmospheric composition over Tomsk // Atmos. Ocean. Opt. 2025. V. 38, N 6. P. 704–715.
27. Sasakawa M., Tsuda N., Machida T., Arshinov M., Davydov D., Fofonov A., Belan B. Revised methodology for CO₂ and CH₄ measurements at remote sites using a working standard-gas-saving system // Atmos. Meas. Tech. 2025. V. 18, N 8. P. 1717–1730. DOI: 10.5194/amt-18-1717-2025.
28. Antonov K.L., Gulyaev E.A., Markelov Yu.I., Poddubnyi V.A. Zakonomernosti izmeneniya kontsentratsii СО₂ i СН₄  po rezul'tatam izmerenii v prizemnom sloe atmosfery gorodskoi i zagorodnoi territorii v 2021–2022 years // Meteorol. i gidrol. 2024. N 5. P. 111–124.
29. Fang S.X., Zhou L.X., Tans P.P., Ciais P., Steinbacher M., Xu L., Luan T. In situ measurement of atmospheric CO₂ at the four WMO/GAW stations in China // Atmos. Chem. Phys. 2014. V. 14, N 5. P. 2541–2554. DOI: 10.5194/acp-14-2541-2014.
30. Kilkki J., Aalto T., Hatakka J., Portin H., Laurila T. Atmospheric CO₂ observations at Finnish urban and rural sites // Boreal Environ. Re. 2015. V. 20, N 2. P. 227–242. DOI: 10.1101/ber.20.2.227.
31. Arshinov M.Yu., Belan B.D., Davydov D.K., Inoue G., Maksyutov Sh.Sh., Machida T., Fofonov A.V. Prostranstvennaya i vremennaya izmenchivost' kontsentratsii СО₂ i СН₄ v prizemnom sloe vozdukha na territorii Zapadnoi Sibiri // Optika atmosf. i okeana. 2009. V. 22, N 2. P. 183–192; Arshinov M.Yu., Belan B.D., Davydov D.K., Inoue G., Maksyutov Sh.Sh., Machida T., Fofonov A.V. Spatio-temporal variability of CO₂ and CH₄ concentration in the surface atmospheric layer over West Siberia // Atmos. Ocean. Opt. 2009. V. 22, N 1. P. 84–93.
32. Belikov D., Arshinov M., Belan B., Davydov D., Fofonov A., Sasakawa M., Machida T. Analysis of the diurnal, weekly, and seasonal cycles and annual trends in atmospheric CO₂ and CH₄ at tower network in Siberia during 2005–2016 // Atmosphere. 2019. V. 10, N 11. P. 689. DOI: 10.3390/atmos10110689.
33. Wang D., Ziegler A.D., Holden J., Spracklen D.V., Ciais Ph., Peng L., Zeng Z. Vegetation cover change as a growing driver of global leaf area index dynamics // Nat. Commun. 2025. V. 16, N 1. P. 9259. DOI: 10.1038/s41467-025-64305-1.
34. Järvi-Laturi E., Tahvanainen T., Koskinen E., López-Blanco E., Lämsä J., Marttila H., Mastepanov M., Paavola R., Väisänen M., Torben R., Christensen T.R. Plant community composition explains spatial variation in year-round methane fluxes in a boreal rich fen // Biogeosci. 2025. V. 22, N 21. P. 6343–6367. DOI: 10.5194/bg-22-6343-2025.
35. Zhao Y., Zheng B., Saunois M., Ciais P., Hegglin M.I., Lu S., Li Y., Bousquet P. Air pollution modulates trends and variability of the global methane budget // Nature. 2025. V. 642, N 8067. P. 369–375. DOI: 10.1038/s41586-025-09004-z.
36. Gauci V., Pangala S.R., Shenkin A., Barba J., Bastviken D., Figueiredo V., Gomez C., Enrich-Prast A., Sayer E., Stauffer T., Welch B., Elias D., McNamara N., Allen M., Malhi Y. Global atmospheric methane uptake by upland tree woody surfaces // Nature. 2024. V. 631, N 8022. P. 796–800. DOI: 10.1038/s41586-024-07592-w.
37. Vestin P. Forests don’t just absorb CO₂ – they also take up methane // Nature. 2024. V. 631, N 8022. P. 744–745. DOI: 10.1038/d41586-024-02270-3.
38. Li C., Brouchkov A.V., Cheverev V.G., Sokolov A.V., Zhou B. Influence of the thickness of freezing of the soil surface and snow cover on methane emissions during freezing of seasonal permafrost // Atmosphere. 2024. V. 15, N 10. P. 1231. DOI: 10.3390/atmos15101231.
39. Astronomicheskii kalendar'. Postoyannaya chast' / pod red. V.K. Abalkina. M.: Nauka, 1981. 718 p.