Математичне моделювання вуглецевого балансу екосистем Карпатського регіону України

1. Проаналізовано основні екосистеми Карпатського регіону з точки зору відображення процесів кругообігу вуглецю, визначено найважливіші фактори впливу на ці процеси. Основні екосистеми регіону згруповано в чотири найбільш загальні типи: «рілля», «сінокоси та пасовища», «листяні ліси» та «хвойні ліси», які враховують специфіку процесів кругообігу вуглецю. Розроблено структурні моделі екосистем кожного типу, які включають основні резервуари вуглецю та потоки вуглецю між ними, визначено ключові параметри екосистем.

2. Розроблено статичні математичні моделі вуглецевого балансу основних екосистем регіону, визначено та обчислено величину основних резервуарів вуглецю (фітомаса, підстилка та ґрунт), а також потоки вуглецю, асоційовані з фотосинтезом, ростом, відпадом, розкладом мертвої органічної речовини, користуванням природними ресурсами тощо.

3. Побудовано динамічні математичні моделі кругообігу вуглецю вибраних екосистем регіону, які відображають вплив на динамічні процеси кругообігу основних факторів навколишнього середовища. Розроблено метод ідентифікації параметрів математичних моделей на основі параметрів статичних моделей та ряду динамічних характеристик. Сформовано базові сценарії 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.

4. 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. Проаналізовано вплив змін навколишнього середовища на інтенсивність процесів обміну вуглецем.

5. Розроблені математичні моделі кругообігу вуглецю в екосистемах регіону програмно реалізовано в середовищі MATLAB 5. 2. Створено спеціалізовану програму для візуалізації та аналізу результатів моделювання для різних прогнозованих змін клімату, програму для дослідження чутливості результатів моделювання до змін окремих параметрів моделі.

6. Здійснено числові 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 екосистема ріллі є найбільш чутлива до вибору сценарію зміни клімату.

7. На основі розроблених математичних моделей 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 екосистема ріллі є найбільш чутлива до режиму використання.

8. Проаналізовано вплив невеликих змін параметрів, які є ключовими для процесів обміну вуглецем (оптимальної температури фотосинтезу, фактора росту, коефіцієнтів інтенсивності фотосинтезу і процесів розкладу підстилки та органічної речовини ґрунту), на результати моделювання. Показано, що оптимальна температура фотосинтезу та коефіцієнт розкладу органічної речовини ґрунту є найбільш критичні до точності їх визначення.

9. Для екосистеми 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.

 

 

1. Густі М. І. Імітаційне моделювання антропогенного впливу на концентрацію вуглекислого газу в атмосфері регіону засобами нейромереж // Інформаційні технології і системи. – Т. 1. – №1/2. – 1998. – С. 182-185.

2. Бунь Р. А., Густі М. І., Ліщенюк В. І. Спеціалізована ГІС для оцінки вуглецевого балансу Карпатського регіону на базі даних дистанційного зондування Землі // Космічна наука і технологія. – Т. 4. – № 4. – 1998. – С. 145-150.

3. Густі М. І. Інформаційні технології обчислення антропогенних емісій парникових газів в Карпатському регіоні // Вестник Харьковского государственного политехничекого университета. – Вип. 97. – 2000. – С. 131-135.

4. Густі М. І. Математична модель кругообігу вуглецю для Карпатського регіону України // Вісник Державного університету «Львівська політехніка»: Прикладна математика. – Вип. 337. – Т. 1. – 1998. – С. 95-98.

5. Бунь Р. А., Густі М. І., Дачук В. С. Діакоптичні методи електротехніки в моделюванні екологічних процесів // Вісник Державного університету «Львівська політехніка»: Комп'ютерна інженерія та інформаційні технології. – Вип. 349. – 1998. – С. 92-99.

6. Бунь Р. А., Густі М. І. Математична модель біохімічного циклу вуглецю в біосфері – підхід до оцінки вуглецевого балансу регіону // Відбір і обробка інформації. – Вип. 11 (87). – 1997. – С. 44-48.

7. Гудз Г. Б., Густі М. І. Інформаційні технології для аналізу і прогнозування вуглецевого балансу екосистем: паралельний підхід // Труды Одесского политехнического университета. – Вип. 3 (15). – 2001. – С. 226-230.

8. Бунь Р. А., Густі М. І. Аналіз та мінімізація неточностей при інвентаризації парникових газів та моделюванні вуглецевого балансу України / Автоматика-2000. – Львів: ДНДІ ІІ, 2000. – С. 85-90.

9. Gusti M., Jeda W. Carbon management: A new dimension of future carbon research. – International Institute for Applied Systems Analysis, Interim Report IR-02-006, Laxenburg, Austria, 2002. – 100p.

10. Gusti M., Bun R. Mathematical modelling of the carbon budget of the terrestrial ecosystems of the Carpathian region of