Математичне моделювання вуглецевого балансу екосистем Карпатського регіону України

На основі результатів, отриманих з використанням відомих моделей загальної циркуляції атмосфери CCCM, GISS, GFDL та UKMO, сформовано базові сценарії (мінімальний, середній та максимальний) зміни температури та кількості опадів за умови подвоєння концентрації вуглекислого газу в атмосфері, що дало можливість здійснювати імітаційне моделювання змін кругообігу вуглецю в екосистемах регіону, викликаних прогнозованими змінами навколишнього середовища.

Використовуючи результати, отримані з допомогою математичної моделі загальної циркуляції атмосфери GFDL, обчислено прогнозні дані щодо зміни температури та кількості опадів на період до 2075 р. Побудовано математичну модель прогнозованої зміни концентрації вуглекислого газу в атмосфері за той же період. Розроблено методику двовимірної інтерполяції часових залежностей температури та кількості опадів і застосування для імітаційного моделювання кругообігу вуглецю та прогнозної оцінки вуглецевого балансу екосистем регіону.

Для визначення температури та кількості опадів усереднено місячні «норми» по всіх пунктах метеоспостереження регіону. Концентрацію вуглекислого газу в атмосфері визначено шляхом усереднення середньомісячних значень для чотирьох типів екосистем. Сценарії зміни клімату (мінімальний, середній та максимальний) побудовано на основі моделювання клімату при подвоєному вмісті СО2 в атмосфері математичними моделями загальної циркуляції атмосфери CCCM, GISS, GFDL, UKMO та при поступовій зміні концентрації СО2 моделлю GFDL (нестаціонарний) для території України. При побудові відповідних часових рядів використовували інтерполяцію між вузлами таблиць.

Принцип лімітуючих факторів Лібіха використано для опису складних залежностей інтенсивності фотосинтезу та розкладу органічної речовини від факторів навколишнього середовища (концентрації атмосферного вуглекислого газу C, температури повітря T, кількості опадів P, кількості фітомаси X, та часу t). Такі описи мають структуру:

для фотосинтезу:  ,

для розкладання:  ,

причому використовуються нелінійні апроксимаційні вирази типу

 

де Q10 – коефіцієнт, який задає залежність швидкості розкладу речовини від температури, Tmax – максимальна температура, вище якої інтенсивність розкладу органічної речовини не збільшується.

Побудовано математичні моделі для потоків вуглецю між основними його резервуарами. Моделі враховують особливості екосистем регіону та відображають залежність інтенсивності потоків вуглецю від концентрації вуглекислого газу в атмосфері, температури повітря, кількості опадів, запасів вуглецю у резервуарах, сезонної мінливості та інтенсивності користування природними ресурсами. Використовуючи створені моделі проаналізовано вплив змін навколишнього середовища на інтенсивність процесів обміну вуглецем.

Аналіз математичних моделей процесів обміну вуглецем показав, що концентрація атмосферного СО2 є обмежуючим фактором фотосинтезу при значеннях менше 500ppmv, а температура лише при значеннях менше 10оС та вище 25оС. Інтенсивність фотосинтезу може зростати при збільшенні концентрації вуглекислого газу в атмосфері, а прогнозоване підвищення температури повітря може спричинити посилення фотосинтезу весною та осінню і послаблення влітку, коли температура перевищуватиме оптимальне значення. Кількість опадів може лімітувати фотосинтез лише при малих значеннях (менше 60мм), але оскільки суттєвого зменшення кількості опадів в теплу пору року в регіоні не прогнозується, то відповідно, опади не будуть зменшувати продуктивності екосистем у майбутньому.

У четвертому розділі описано програмну реалізацію розроблених математичних моделей та додаткових засобів аналізу і візуалізації результатів моделювання. Наведено результати чисельних експериментів з аналізу та прогнозування вуглецевого балансу основних екосистем Карпатського регіону України.

Розроблені математичні моделі кругообігу вуглецю в екосистемах Карпатського регіону України програмно реалізовано в середовищі MATLAB 5. 2. Створено спеціалізовану програму для візуалізації та аналізу результатів моделювання для різних прогнозованих змін клімату (рис. 2), програму для дослідження чутливості результатів моделювання до змін окремих параметрів моделі, програму для визначення спільного впливу одночасної варіації параметрів моделі з врахуванням статистичних розподілів їх значень на результат моделювання. Розроблено ряд програм для візуалізації та аналізу окремих складових кругообігу вуглецю в екосистемах регіону.

Використовуючи розроблені програмні засоби проведено чисельні експерименти з моделювання процесів кругообігу вуглецю та оцінки вуглецевого балансу як в стаціонарному, так і нестаціонарному станах. Проаналізовано роль сценаріїв зміни клімату у прогнозуванні вуглецевого балансу. Виявлено, що екосистеми ріллі є найбільш чутливі до вибору сценарію зміни клімату, а екосистеми листяних лісів – найменше. Показано, що на даний час найбільшу невизначеність у прогнозування вуглецевого балансу екосистем ріллі вносить невизначеність майбутніх змін клімату.

Досліджено вразливість екосистем регіону при прогнозованих змінах клімату. Показано, що вибір режиму користування природними ресурсами відіграє важливе значення в утриманні вуглецю екосистемами, а також те, що екосистеми ріллі є найбільш чутливими до режиму використання.

Проаналізовано вплив невеликих змін параметрів, які є ключовими для процесів обміну вуглецем (оптимальної температури фотосинтезу, фактора росту, температурних та вологістних коефіцієнтів інтенсивності фотосинтезу, процесів розкладу підстилки та органічної речовини ґрунту), на результати моделювання. Показано, що оптимальна температура фотосинтезу та коефіцієнт чутливості процесу розкладу органічної речовини ґрунту найбільш критичні до точності їх визначення, а невеликі зміни фактора росту практично не впливають на результат моделювання.

Для екосистем ріллі досліджено сукупний вплив одночасної варіації ключових параметрів математичної моделі на результат моделювання. Визначено можливу похибку, яка вноситься у результат неточностями параметрів. Показано, що ця похибка є меншою, ніж невизначеність, яка вноситься вибором різних сценаріїв зміни клімату.

У додатках наведено тексти основних програм та акти використання результатів дисертаційної роботи.

 

 

В дисертаційній роботі розв'язано актуальну наукову задачу створення методів, алгоритмів