Математичне моделювання вуглецевого балансу екосистем Карпатського регіону України

11. Bun R. A., Gusti M. I. Contribution of the forests to the carbon balance of the Carpathian region of Ukraine / Proc. of the Intern. Conf. «World Natural Forests and Their Role in Global Processes». – Khabarovsk, 1999. – P. 86-87.

12. Бунь Р. А., Густи Н. И. Информационные технологии инвентаризации парниковых газов: Совместные подходы для Польши и Украины / Труды Междунар. Конф. «Системы управления». – Бельско-Бяла, Польша, 1999. – С. 19-29.

13. Бунь Р. А., Густі М. І., Ліщенюк В. І. Інформаційні технології для оцінки вуглецевого балансу Карпатського регіону / Праці 5-ї Української конф. з автоматичного керування «Автоматика-98». – Київ, 1998. – Ч. 2. – С. 101-106.

14. Гудз Г. Б., Густі М. І. Розпаралелювання обчислень при моделюванні вуглецевого балансу екосистем / Праці Міжнар. конф. з індуктивного моделювання. – Львів, 2002. – Т. 2. – Львів: ДНДІ ІІ, 2002. – С. 270-274.

15. Густі М. І., Бунь Р. А. Вплив рекреаційного навантаження на вуглецевий баланс лісових екосистем / Праці Міжнар. конгресу «Проблеми інформатизації рекреаційної та туристичної діяльності в Україні: Перспективи культурного та економічного розвитку». – Трускавець, 2000. – Львів: ДНДІ ІІ, 2000. – С. 227-228.

16. Густі М. І., Бунь Р. А. Розвиток рекреації та туризму з точки зору Кіотського протоколу / Праці Міжнар. конгресу «Проблеми інформатизації рекреаційної та туристичної діяльності в Україні: Перспективи культурного та економічного розвитку». – Трускавець, 2000. – Львів: ДНДІІ І, 2000. – С. 73-75.

17. Густі М. І. Аналіз неточностей вхідних даних, параметрів і чутливості моделі вуглецевого балансу екосистем Карпатського регіону України / Матеріали Відкритої наук. -техн. конф. молодих науковців і спеціалістів Фізико-механічного інституту ім. Г. В. Карпенка НАН України. – Львів: ФМІ, 2000. – С. 80-81.

 

Густі М. І. Математичне моделювання вуглецевого балансу екосистем Карпатського регіону України. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 01. 05. 02 – математичне моделювання та обчислювальні методи, Державний науково-дослідний інститут інформаційної інфраструктури, Львів, 2002.

Розроблено математичні моделі кругообігу вуглецю в екосистемах Карпатського регіону України, які враховують специфіку регіону. Проаналізовано потоки вуглецю між блоками моделей та їх залежності від факторів навколишнього середовища. Створено алгоритми та програмні засоби для проведення чисельних експериментів, аналізу розроблених математичних моделей та аналізу результатів моделювання. Проведено імітаційне моделювання впливу різних сценаріїв зміни клімату та режимів користування природними ресурсами на вуглецевий баланс екосистем регіону. Виявлено, що найбільш вразливими при прогнозованій зміні клімату є екосистеми ріллі, а найменше – екосистеми лісів регіону. Показано, що вибір правильного режиму користування природними ресурсами дозволить зменшити або й уникнути втрат вуглецю екосистемами.

Ключові слова: математичне моделювання, вуглецевий баланс, екосистема, Карпатський регіон, парниковий ефект, зміна клімату.

 

Густи М. И. Математическое моделирование углеродного баланса экосистем Карпатского региона Украины. – Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 01. 05. 02 – математическое моделирование и вычислительные методы, Государственный научно-исследовательский институт информационной инфраструктуры, Львов, 2002.

Разработаны математические модели круговорота углерода в экосистемах Карпатского региона Украины, учитывающие специфику региона. Проанализированы потоки углерода между блоками моделей и их зависимости от факторов окружающей среды. Созданы алгоритмы и программные средства для проведения числовых экспериментов, анализа разработанных математических моделей и оценки результатов моделирования. Проведено имитационное моделирование влияния различных сценариев изменения климата и режимов пользования природными ресурсами на углеродный баланс экосистем региона. Выявлено, что наиболее уязвимыми при прогнозируемом изменении климата являются экосистемы пашни, а наименее – экосистемы лесов региона. Показано, что выбор правильного режима пользования природными ресурсами позволит уменьшить или даже избежать потерь углерода экосистемами.

Ключевые слова: математическое моделирование, углеродный баланс, экосистема, Карпатский регион, парниковый эффект, изменение климата.

 

Gusti M. I. Mathematical Modelling the Carbon Budget of Ecosystems of the Carpathian Region of Ukraine. – Manuscript.

Thesis for a candidate's degree by speciality 01. 05. 02 – Mathematical Modelling and Numerical Methods, State Scientific and Research Institute of Information Infrastructure, Lviv, 2002.

Mathematical models of the carbon cycle in ecosystems of the Carpathian Region of Ukraine, which take into account features of the region, are developed. Carbon flows between the model blocks and their dependencies on environmental factors are analysed. Algorithms and program tools for carrying out the numerical experiments and analysis of the developed mathematical models and results of the modelling are elaborated. Simulations of the influence of different scenarios of climate change and modes of natural resources usage on the carbon budget of the region ecosystems are carried out. It was revealed that cropland ecosystems of the region are the most vulnerable, and the forest ecosystems are the least vulnerable. It is shown that choosing corresponding mode of resource usage allows decreasing or even avoiding the carbon loss by the ecosystems.

Ecosystems of the Carpathian Region of Ukraine are studied from the carbon budget point of view. All the ecosystems are grouped in 4 types, taking into account features of the carbon cycle in the ecosystems and available data: croplands, haylands and grasslands, deciduous forests, coniferous forests. Characteristics of the ecosystem types are defined. It is revealed that temperature, precipitation, environment pollution and natural resource use are important environmental factors for the carbon exchange processes in the region.

Static models of the ecosystems are built using the assumptions that the ecosystem carbon budgets were in equilibrium with the environment in XX century, – main carbon reservoirs (phytomass, litter and soil) and carbon flows (flows associated with photosynthesis, growth, mortality, decomposition, resource use etc.) are defined and calculated.

Dynamic models of the carbon cycle in the defined ecosystems, which are based on the corresponding static model structures and dynamic characteristics, are developed. Monthly temperature, precipitation, atmospheric CO2 and mode of the resource use are determined as controlling environmental factors for the carbon cycles. Methods for the model identification, and results presentation simulating the real carbon budget inventorying are elaborated.

Time series of temperature, precipitation, atmospheric CO2, averaged for the XX century and over the region, which particularly are used for the models calibration, are formed. Climate change scenarios (minimal, baseline and maximal) under double atmospheric CO2 are built following the results of the GCMs: CCCM, GISS, GFDL, UKMO. And also climate change scenario under gradual atmospheric CO2 rise following the results of GFDL model is built. Corresponding time series are formed using interpolation.

Complex dependencies of the carbon flows on the atmospheric CO2, temperature, precipitation, carbon amount in reservoirs, seasonal variance and the natural resource use are modelled and analysed. It is shown that photosynthesis intensity will increase if the atmospheric CO2 rises, forecasted temperature rise will provoke photosynthesis enhancement in spring and autumn and reduction in summer if the temperature overlaps the optimal value, but the precipitation will not limit the photosynthesis in future.

The developed mathematical models, additional tools for analysis and visualisation of the numerical experiment results and means for the models analysis are programmed in MATLAB 5. 2.

Numerical experiments with the developed mathematical models are carried out. The carbon cycles in the regional ecosystems are investigated in stationary and non-stationary states. It is revealed that the croplands are the most sensitive, and the deciduous forests are the least sensitive to the climate scenario selection. Vulnerability of the region ecosystems under the expected climate change is studied. It is shown that the carbon budgets of the ecosystems are controlled by choosing the resource usage mode under «current climate» and under changing climate as well. Croplands are the most vulnerable to the resource use mode.

Cropland model sensitivity to small variance of key parameters is studied. The model is the most critical to optimal temperature of photosynthesis and coefficient of soil decomposition sensitivity to temperature. Error propagation for the key model parameters is investigated using Monte Carlo simulation. The overall uncertainties of the model results caused by the parameter errors are less than ones caused by different climate change scenarios.

Keywords: mathematical modelling, carbon budget, ecosystem, Carpathian Region, greenhouse effect, climate change.