Математичне моделювання вуглецевого балансу екосистем Карпатського регіону України

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Математичне моделювання вуглецевого балансу екосистем Карпатського регіону України

Спеціальність: 01.05.02 - математичне моделювання та обчислювальні методи

Львів - 2002

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. В кінці 20 ст. людство офіційно визнало негативний і необоротний вплив своєї діяльності на навколишнє середовище. Результатом життєдіяльності людини є виснаження природних ресурсів, забруднення навколишнього середовища і, як наслідок, реальна загроза зміни клімату. Використання викопного палива, вирубування лісів та швидкий розвиток промисловості спричинили різке збільшення концентрації парникових газів в атмосфері (вуглекислий газ, метан, закис азоту та ін.), що привело останнім часом до підвищення середньої температури на планеті. Регіональні зміни клімату мають місце уже й зараз - середньорічна температура повітря на більшій частині України зросла на 0,5 - 1,0оС, збільшилась річна сума опадів, насамперед у зимовий та весняний періоди, частіше повторюються стихійні гідрометеорологічні явища.

Реакцією міжнародної спільноти на негативні глобальні зміни клімату було прийняття в 1992 р. Рамкової конвенції ООН про зміну клімату та Кіотського протоколу до цієї конвенції (1997 р.), який став логічним продовженням цієї діяльності. Протокол вперше юридично визначив на скільки процентів по відношенню до 1990 р. індустріальні країни мають знизити викиди парникових газів в атмосферу до 2008-2012 рр. Україна згідно Протоколу повинна не перевищити рівень викидів, який спостерігався у 1990 р. Також, згідно ст. 5 Протоколу у кожній країні необхідно створити національну систему інвентаризації парникових газів.

Особливу роль у кругообігу вуглецю відіграють екосистеми. Вони містять вдвічі більше вуглецю, ніж атмосфера, є чутливими до людської діяльності та зміни клімату і можуть бути позитивним зворотним зв'язком у процесі зміни клімату. Одним з ефективних інструментів дослідження реакції екосистем на різноманітні чинники навколишнього середовища є математичне моделювання, яке дозволяє проводити такі чисельні експерименти, умови яких на даний час неможливі в природі, але цілком ймовірні у недалекому майбутньому у зв'язку із глобальними змінами.

За останні два десятиліття розроблено ряд математичних моделей кругообігу вуглецю різноманітного призначення, як глобальних, так і регіональних. Значний внесок у розробку та дослідження таких моделей внесли вчені: Крапівін В.Ф., Свірєжев Ю.М., Тарко А.М., Моісєєв Н.Н., Esser G., Haxelite A., Prentice C., Kaduk J., Heimann M., Kohlmaier G.H., Apps M.J., Lieth H., McGuire A.D., Melillo J.M., Parton W.J., Raich J.W. та ін.

Карпатський регіон України характерний тим, що тут знаходиться гірська система - Українські Карпати, екосистеми якої мають складну структуру, відмінну від рівнинних екосистем у зв'язку із висотною поясністю. Це вимагає створення специфічних математичних моделей процесів обміну вуглецем в екосистемах. Крім того, Карпатський регіон має найбільшу площу лісів, в біомасі яких зосереджено 140 МтС (26% вуглецю, депонованого в біомасі всіх лісів України), що вказує на важливе значення регіону у вуглецевому балансі України.

Створення математичних моделей вуглецевого балансу екосистем Карпатського регіону України, які б враховували специфіку цього регіону та наявні дані, є актуальною науковою задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основу роботи складають результати теоретичних і практичних досліджень, виконаних автором в рамках планових робіт Державного науково-дослідного інституту інформаційної інфраструктури Держкомзв'язку та НАН України з 1996 по 2002 рр. Зокрема, робота виконувалась в рамках: контракту з Національним агентством з питань інформатизації при Президентові України «Розробка інформаційних технологій для відбору, обробки та представлення інформації економічного, соціально-політичного та еколого-природничого призначення з метою моделювання, прогнозування та прийняття рішень» (1997 р.); контракту з Держкомзв'язку України «Створення інформаційно-аналітичної системи комплексного розвитку Західного регіону України, як одного з варіантів типової системи територіально-адміністративного управління» (2000 р.); проекту №1700 Науково-технологічного центру України «Інформаційні технології інвентаризації парникових газів та прогнозування вуглецевого балансу України» (2002 р.).

Мета та задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка математичних моделей кругообігу вуглецю в екосистемах Карпатського регіону України, створення алгоритмів та програмних засобів для аналізу і прогнозування впливу змін навколишнього середовища на вуглецевий баланс екосистем регіону.

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, 1997 р.; ІІ Міжнар. наук.-техн. конф. «Математичне моделювання в електроніці та електротехніці, Львів, 1997 р.; П'ятій українській конф. з автоматичного керування «Автоматика-98», Київ, 1998 р.; Міжнар. конф. з автоматичного керування «Автоматика-99», Харків, 1999 р.; Intern. Conf. «World Natural Forests and Their Role in Global Processes», Хабаровськ, Росія, 1999 р.; 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, 2000 р.; Міжнар. конф. з автоматичного керування «Автоматика-2000», Львів, 2000 р.; Відкритій наук.-техн. конф. молодих науковців і спеціалістів Фізико-механічного інституту ім.Г.В. Карпенка НАН України, Львів, 2000 р.; YSSP Midsummer Workshop, International Institute for Applied Systems Analysis, Laxenburg, Austria, 2000; FRN Seminar on Systems Analysis and IIASA Young Scientists Summer Program, Stockholm, Sweden, 2000; Global Change Open Science Conference «Challenges of a Changing Earth», Amsterdam, the Netherlands, 2001; Міжнар. конф. з автоматичного керування «Автоматика-2001», Одеса, 2001 р.; Міжнар. конф. з індуктивного моделювання, Львів, 2002 р.; Second CarboEurope Meeting, Budapest, Hungary, 2002; Міжнар. конф. «Інвестиції та зміна клімату: можливості для України», Київ, 2002 р.

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 17 наукових праць, з них 8 статей у фахових наукових журналах і збірниках.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Робота викладена на 226 сторінках машинописного тексту і містить 199 сторінок основного тексту та список літератури із 222 найменувань.

екосистема вуглецевий баланс моделювання

Основний зміст роботи

У вступі наведено загальну характеристику роботи, обґрунтовано її актуальність, сформульовано мету та основні задачі дослідження, визначено наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів, а також викладено короткий зміст роботи.

У першому розділі на основі аналізу літератури дано загальну характеристику вуглецю, роль його сполук в природному і антропогенному парниковому ефектах. Описано глобальний кругообіг вуглецю та глобальний вуглецевий баланс. Досліджено основні біохімічні процеси кругообігу вуглецю та вплив факторів навколишнього середовища на ці процеси, наведено детальний вуглецевий баланс наземних екосистем різного типу. Проаналізовано основні відомі математичні моделі кругообігу вуглецю в наземних екосистемах. Розглянуто особливості оцінки адекватності математичних моделей кругообігу вуглецю.

Вуглець є одним з найбільш поширених хімічних елементів у природі, він здатен утворювати довгі і стійкі ланцюги із своїх атомів, що є однією з причин величезної кількості органічних сполук з різними хімічними й фізичними властивостями. Вуглець в атмосфері планети представлений, в основному, вуглекислим газом (99%), метаном, моноксидом вуглецю та іншими сполуками в значно менших кількостях. Концентрація атмосферного СО2 постійно зростає, крім того, присутні періодичні зміни, які пояснюють, перш за все, регулярними змінами у фотосинтезі наземних рослин. На даний час вуглекислий газ атмосфери є визначальним чинником антропогенного парникового ефекту, а середня температура повітря біля поверхні землі зросла приблизно на 0,45оС за 1958-1999 рр. Також атмосферний вуглекислий газ забезпечує зв'язок між геологічними, біологічними, фізичними й антропогенними процесами.

Біогеохімічний кругообіг вуглецю - це переміщення й перетворення хімічного елемента через неживу й органічну природу при активній участі живої речовини. Звичайно, розглядають чотири основних резервуари (атмосфера, наземна біосфера, включаючи прісноводні водойми, океани і відклади, включаючи викопне паливо), де вуглець знаходиться у певних сполуках і поводиться певним чином. Вуглецевий баланс - арифметична сума вхідних та вихідних потоків вуглецю у певному вибраному резервуарі, або підсистемі вуглецевого циклу, наприклад, атмосфера-рослинність-грунт. Дослідження вуглецевого балансу резервуара дозволяє визначити, чи даний резервуар функціонує як джерело чи стік вуглекислого газу (вуглецю, в загальному). Задача оцінки вуглецевого балансу набула особливого значення в контексті Кіотського протоколу.

Вуглець, акумульований в біомасі рослин, ґрунті та мертвій органічній речовині, є другим по величині резервуаром (2190ГтС) після океану (39973ГтС) і більше, ніж у два рази перевищує вуглець атмосфери (750ГтС). Тому чутливість екосистем до глобальних змін та людської діяльності вимагає всестороннього вивчення. Рівняння глобального вуглецевого балансу (середньорічні потоки вуглецю, усереднені за 1980-1989, виражені в ГтС/рік, 90% довірчий інтервал).

Невизначений стік вуглецю пояснюють посиленням поглинання вуглецю екосистемами, спричиненим ефектами підвищеної концентрації атмосферного СО2, депозиції азоту, варіації клімату, а також як результат значних неточностей у визначених компонентах вуглецевого балансу.

Кругообіг вуглецю в наземних екосистемах відбувається через ряд біохімічних процесів: фотосинтез, дихання та ріст рослин, відмирання та розклад органічної речовини, які залежать від факторів навколишнього середовища (температури, кількості опадів, концентрації СО2 в атмосфері, забруднення, користування природними ресурсами та ін.). Для моделювання цих процесів часто застосовують принцип лімітуючих факторів Лібіха.

Математичні моделі наземних екосистем умовно можна розділити на біогеографічні - моделюють географічний розподіл рослинності при певних умовах навколишнього середовища (напр., Biome, MAPSS, Doly); біогеохімічні - моделюють цикли вуглецю та, в загальному, інших хімічних елементів (напр., Biome-BGC, Century, TEM); моделі, які поєднують властивості двох попередніх груп.

Математичне моделювання кругообігу вуглецю в наземних екосистемах має певні особливості, пов'язані із складністю модельованих систем, недостатністю знань про основні процеси, що в них відбуваються, трудністю прогнозування основних параметрів. Визначити точність математичних моделей екосистем, в класичному розумінні, неможливо. Тому науковцями розроблено та адаптовано специфічні методики оцінки неточностей для таких математичних моделей, які включають: аналіз чутливості, статистичні перевірки, співставлення, порівняння моделей та результатів моделювання між собою. Окремо ні один з цих методів не може забезпечити повноцінної перевірки та контролю якості, а необхідна комбінація методів, яка залежить від ділянки та етапу робіт з моделювання, а також наявності даних та ресурсів. Джерела неточностей можна згрупувати в три класи: неточності у вхідних даних та параметрах моделі; неточності, спричинені структурою моделі та використовуваними функціональними відношеннями; неточності, які є результатом неповноти моделі.

У другому розділі проаналізовано основні екосистеми Карпатського регіону України з точки зору відображення в математичних моделях процесів кругообігу вуглецю та визначено основні фактори впливу на ці процеси. Основні екосистеми регіону згруповано в чотири найбільш загальні типи. Побудовано статичну та динамічні моделі вуглецевого балансу вибраних екосистем регіону, розроблено алгоритми ідентифікації параметрів динамічних моделей та аналізу вуглецевого балансу.

Карпатський регіон України (згідно господарського районування) включає чотири західні області: Закарпатську, Івано-Франківську, Львівську й Чернівецьку. Спільною рисою цих областей є гірська система Українських Карпат. Клімат в регіоні - помірно-континентальний, лісистість (середня за 1976-1996 рр.) становить 34,6% та є найвищою в Україні. Найбільш поширеними ґрунтами є: дернові опідзолені, буроземно- і буро-підзолисті, буроземні, лучні та лучноболотні, лучно-чорноземні, чорноземи опідзолені та типові, сірі лісові, дерново-підзолисті, чорноземи звичайні.

На основі аналізу специфіки регіону виділено чотири основних типи екосистем. До першого «Рілля» віднесено землі, які інтенсивно використовуються для вирощування сільськогосподарських рослин (31,85%). В наступну групу «сінокоси та пасовища» включено природні та штучні луки, які використовують як сінокоси або пасовища, а також багаторічні насадження, та землі, які вважаються покритими лісовою рослинністю (чагарники, рідколісся, поляни та ін.), але які не є лісами (24,36%). У дві наступні категорії «листяні ліси» (17,84%) та «хвойні ліси» (16,76%) включено ліси за переважаючими породами.

При побудові математичних моделей та оцінці середніх значень вмісту вуглецю в основних його резервуарах, а також при обчисленні потоків вуглецю між резервуарами для виділених типів екосистем використано метод, який, в загальному, полягає в перерахунку одиниць маси абсолютно сухої речовини (Mdm), що отримують з статистичних даних та результатів наукових досліджень, в одиниці вуглецю (Mc), використовуючи значення питомого вмісту вуглецю , тобто .

Оскільки моделювання вуглецевого балансу здійснюється за великий проміжок часу (десятки років) та на великій площі (тисячі км2), то досліджувану систему можна вважати детермінованою і використати математичний апарат теорії звичайних диференціальних рівнянь. Виходячи з особливостей протікання процесів кругообігу вуглецю, масштабу досліджень та наявних даних, оптимальним кроком дискретизації при дослідженні встановлено один місяць.

Нехай X з відповідними верхніми та нижніми індексами - кількість вуглецю у певному резервуарі, а V - потік вуглецю з одного резервуару в інший (або з-за меж системи в певний резервуар, чи з певного резервуара за межі системи). Верхній індекс означає тип екосистеми: cl - рілля, gl - сінокоси та пасовища, df - листяні ліси, cf - хвойні ліси, а нижні індекси: p - фітомасу (вся фітомаса для екосистем типу «рілля» і «сінокоси та пасовища»), g - фітомасу зелених органів у лісових екосистемах, w - деревину (фітомаса деревини та коренів у лісових екосистемах), l - підстилку, s - ґрунт. Крім того позначимо індекс, пов'язаний з атмосферою, через a, збором урожаю (збір сільськогосподарських культур, сіна, випасання трави тваринами, вирубування дерев) через h, потік вуглецю з екосистеми разом із змитим ґрунтом через q, а удобрювання ґрунту екосистеми «рілля» через f. Тоді, наприклад, Xgcf - запас вуглецю у зеленій фітомасі хвойних лісів, а Vglcf - потік вуглецю з блоку «зелена фітомаса» в підстилку в екосистемі «хвойні ліси», який відповідає природному опаду, і т.д. Враховуючи введені позначення системи диференціальних рівнянь, які описують кругообіг вуглецю в екосистемах регіону виглядають наступним чином.

Рілля:

 (1)

Сінокоси та пасовища:

(2)

Листяні ліси:

(3)

Хвойні ліси:

(4)

В загальному, потоки вуглецю виражаються складними нелінійними залежностями, в яких аргументами виступають кількість вуглецю в певному резервуарі, ряд основних факторів навколишнього середовища, а також час. Так, наприклад, потік вуглецю, асоційований із процесом розкладання підстилки екосистем хвойного лісу, описується функцією

,

де a - коефіцієнт, який визначають з початкових умов, f - нелінійна функція чотирьох аргументів, яка визначає залежність величини потоку від кількості вуглецю в блоці «підстилка» Xcfl, температури T, кількості опадів P, а також неявно залежить від часу t, оскільки інші аргументи є функціями часу.

Параметри a з відповідними нижніми та верхніми індексами визначаємо з умови: , проводячи моделювання у стаціонарних умовах, де - відповідний усереднений потік вуглецю, а f - відповідна функція.

Рівняння моделі (1) - (4) розв'язують числовими методами і отримують послідовність дискретних значень величин Х(ti), які описують вміст вуглецю у відповідних резервуарах. Оскільки при цьому використовується змінний крок інтегрування, то для знаходження значень шуканих величин в контрольних точках, пов'язаних з подачею інвентаризаційних звітів (як правило - річна дискретність), застосовується інтерполяція.

У третьому розділі отримано усереднені для регіону середньомісячні значення основних параметрів математичної моделі, сформовано базові сценарії зміни температури та кількості опадів за умови подвоєння концентрації вуглекислого газу в атмосфері, отримано прогнозні дані щодо зміни концентрації СО2 в атмосфері та побудовано математичні моделі для потоків вуглецю між основними його резервуарами.

На основі середньомісячних даних ряду метеорологічних станцій Карпатського регіону України отримано усереднені для регіону значення базових параметрів математичної моделі, які відображають динаміку зміни на протязі ХХ ст. основних, в плані кругообігу вуглецю, факторів навколишнього середовища (температури, кількості опадів, концентрації вуглекислого газу в атмосфері). Із застосуванням кубічних сплайнів опрацьовано методику інтерполяції часових залежностей основних факторів навколишнього середовища та їх використання для калібрування математичної моделі і здійснення числових експериментів.

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 60 мм), 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.

Размещено на Allbest.ru