Математичне моделювання вуглецевого балансу екосистем Карпатського регіону України

У відповідності з поставленою метою дисертаційна робота включала розв'язання таких задач:

вивчення особливостей екосистем Карпатського регіону України з точки зору вуглецевого балансу;

розробка структурних моделей кругообігу вуглецю в екосистемах та оцінка усередненого вуглецевого балансу;

виділення факторів навколишнього середовища, які впливають на процеси кругообігу вуглецю в екосистемах регіону;

формування сценаріїв зміни температури, опадів та концентрації СО2 в атмосфері у стаціонарному і нестаціонарному випадках;

розробка математичних моделей окремих складових процесу кругообігу вуглецю (фотосинтез, ріст, відмирання, розклад органічної речовини, тощо) ;

програмна реалізація розроблених математичних моделей, методів та алгоритмів;

здійснення числових експериментів з моделювання і прогнозування кругообігу вуглецю та оцінки вуглецевого балансу для екосистем регіону.

Об'єктом дослідження є процеси кругообігу вуглецю в екосистемах Карпатського регіону України.

Предметом дослідження є закономірності в процесах накопичення та втрати вуглецю екосистемами регіону, їх реакція на зміни клімату і антропогенну діяльність, математичні моделі цих процесів.

Методи дослідження. В дисертаційній роботі використано методи класичної та спеціальної статистики для аналізу вхідних даних та оцінки їх похибок; теорію звичайних диференціальних рівнянь – при побудові математичних моделей; чисельні методи для розв'язування систем диференціальних рівнянь першого порядку; елементи структурного та об'єктно-орієнтованого програмування для програмної реалізації розроблених моделей і створення програм обробки даних та аналізу результатів.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

розроблено статичні математичні моделі балансу вуглецю основних екосистем Карпатського регіону України, визначено величини основних резервуарів вуглецю та його потоків, асоційованих з фотосинтезом, ростом, відпадом та розкладанням органічної речовини, користуванням природними ресурсами;

побудовано динамічні математичні моделі кругообігу вуглецю основних екосистем регіону, які відображають вплив на динамічні процеси обміну вуглецем ключових факторів навколишнього середовища, розроблено метод ідентифікації параметрів моделей;

розроблено математичні моделі для потоків вуглецю між основними його резервуарами, які враховують особливості екосистем регіону та відображають вплив основних факторів навколишнього середовища;

сформовано базові сценарії зміни температури та кількості опадів в регіоні на основі використання моделей загальної циркуляції атмосфери;

створено алгоритми імітаційного моделювання кругообігу вуглецю та оцінки вуглецевого балансу екосистем Карпатського регіону України;

на основі розроблених математичних моделей досліджено вразливість екосистем регіону при прогнозованих змінах клімату та режимів користування природними ресурсами;

проаналізовано вплив невеликих змін основних параметрів математичних моделей на результати моделювання та визначено найбільш критичні параметри, вивчено чутливість екосистем регіону до сценаріїв зміни клімату.

Практичне значення одержаних результатів.

Розроблені підходи до побудови математичних моделей кругообігу вуглецю в екосистемах дають можливість створювати моделі для регіонів з використанням, в основному, місцевої статистичної інформації та даних наукових досліджень.

Створені математичні моделі вуглецевого балансу екосистем Карпатського регіону України можуть використовуватись в системах підтримки прийняття рішень, зокрема, для планування довготермінових екологічних та економічних програм.

Робота є вкладом у створення національної системи інвентаризації парникових газів, вивчення ролі екосистем у кругообігу вуглецю, реакції екосистем на зміни навколишнього середовища та зміни в режимах користування природними ресурсами.

Реалізація результатів та впровадження

Розроблені математичні моделі, алгоритми, а також засоби візуалізації та аналізу окремих процесів і результатів моделювання програмно реалізовані у середовищі Matlab 5. 2. На основі вхідних даних та результатів моделювання сформовано базу даних та відповідні програмні засоби обробки і візуалізації даних.

Розроблені математичні моделі, алгоритми та програмні засоби використано в Державному НДІ інформаційної інфраструктури для створення інформаційних технологій інвентаризації парникових газів і оцінки вуглецевого балансу України в рамках проекту НТЦУ «Інформаційні технології інвентаризації парникових газів та прогнозування вуглецевого балансу України», а також для створення типової інформаційно-аналітичної системи комплексного розвитку регіону.

Особистий внесок здобувача. Всі результати, що складають зміст дисертаційної роботи, отримані автором дисертаційної роботи самостійно. У публікаціях, написаних у співавторстві, здобувачеві належать: [2, 5, 6, 9-13, 15, 16] – розробка математичних моделей та алгоритмів, числові експерименти з моделями та аналіз результатів, [7, 14] – розробка математичних моделей, [8] – розробка методів та алгоритмів аналізу неточностей при інвентаризації парникових газів та моделюванні вуглецевого балансу.

Апробація роботи. Основні наукові результати та положення дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на ряді міжнародних та національних науково-технічних конференцій та шкіл-семінарів, в тому числі на Міжнар. наук. -техн. конф. «Проблеми фізичної і біомедичної електроніки», Київ, 1997р. ; ІІ Міжнар. наук. -техн. конф. «Математичне моделювання в електроніці та електротехніці, Львів, 1997р. ; П'ятій українській конф. з автоматичного керування «Автоматика-98», Київ, 1998р. ; Міжнар. конф. з автоматичного керування «Автоматика-99», Харків, 1999р. ; Intern. Conf. «World Natural Forests and Their Role in Global Processes», Хабаровськ, Росія, 1999р. ; Intern. Conf. on «Management Systems», Bielsko-Biala, Poland, 1999; Intern. Workshop on Terrestrial Carbon Research and Observation, Lisbon, Portugal, 2000; Міжнар. конгресі «Проблеми інформатизації рекреаційної та туристичної діяльності в Україні: Перспективи культурного та економічного розвитку», Трускавець, 2000р. ; Міжнар. конф. з автоматичного керування «Автоматика-2000», Львів, 2000р. ; Відкритій наук. -техн. конф. молодих науковців і спеціалістів Фізико-механічного інституту ім. Г. В. Карпенка НАН України, Львів, 2000р. ; YSSP Midsummer Workshop, International Institute for Applied Systems Analysis, Laxenburg, Austria, 2000; FRN Seminar on