Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Модельная оценка параметров пространственно-распределенных систем

ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Модельная оценка параметров пространственно-распределенных систем"

АКАДЕМИЯ НАУК СССР ОРДЕНА ЛЕНИНА СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ БИОФИЗИКИ

На правах рукописи УДК 577.1

ВИЛКОВА Людмила Павловна

МОДЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ ПРОСТРАНСТВЕННО-РАСПРЕДЕЛЕННЫХ СИСТЕМ (НА ПРИМЕРЕ ГЛОБАЛЬНОГО ЦИКЛА ДВУОКИСИ УГЛЕРОДА)

03.00.02 - биофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Красноярск - 199О

Работа выполнена в Ордена Трудового Красного Знамени Институте радиотехники и электроники АН СССР

Научный руководитель доктор физико-математических наук

профессор В.Ф.КРАПИВИН

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук А.Г.ДЕГЕРМЕВДЖИ

доктор биологических наук Е.А.ВАГАНОВ

Ведущая организация: Вычислительный Центр АН СССР

Защита диссертации состоится "_"_ 1990 г. в

_____ часов на заседании специализированного совета Д 003.45.01 Института биофизики СО АН СССР по адресу: 660036, г. Красноярск, 36, Академгородок, Институт биофизики СО АН СССР.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института биофизики СО АН СССР.

Автореферат разослан " "___ 1990 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат физ.-мат.наук

,/1,'

Л.Г.КОСОЛАПОВА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАШШ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. На углеродный цикл человек оказывает значительное влияние уменьшением пространства лесов, увеличением сельскохозяйственных земель и эмиссией углекислого газа в атмосферу вследствие сжигания ископаемого топлива. Если темпы потребления ископаемого топлива не уменьшатся, то согласно прогнозам многих исследователей в первой половине следующего столетия содержание С0£ в атмосфере может удвоиться, что приведет к изменению гидро-метеорологического режима территорий, перемещению ряда природных зон в более высокие широты и ряду других нежелательных для человека последствий.

К настоящему времени проведено много экспериментальных и теоретических исследований углеродного цикла. С помощью различных математических моделей советские и зарубежные исследователи пришли к выводу, что океан поглощает 30-40% промышленного СО2, а в будущем его способность аккумулировать значительные количества С0«> уменьшится. Следовательно, в вопросах будущего содержания СС^ в атмосфере в результате непрерывного использования человеком ископаемого топлива все более актуальным является оценка способности биоты суши поглощать промышленный СО,,.

С целью уточнения прогнозных оценок надо учесть пространственную и временную неоднородность углеродного обмена в биосфере. Как показывает практика, без создания соответствующих математических моделей и последующей реализации их на ЭВМ невозможно в достаточно короткое время дать оценку и анализ различных вариантов изменения углеродного цикла при реализации

- 3 -

различных антропогенных воздействий на него. Поэтому создание математической модели углеродного цикла с учетом пространственного распределения экосистем и последующая реализация ее на ЭВМ является важной и актуальной задачей.

ЦЕШ) РАБОТЫ является модельное исследование глобального углеродного цикла на фоне антропогенных воздействий. В соответствии с этим были ноставлены и решены следующие задачи; построение моделей для определения годичной продукции и количества гумуса в зависимости от климатических факторов; построение и исследование модели глобального углеродного цикла в системе атмосфера-растительность-почва с учетом пространственного распределения экосистем суш; построение и исследование модели глобального цикла углерода в системе атмосфера-океан; синтез моделей глобального углеродного цикла на суше.и в океане и исследование их.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ. Впервые предложена модель глобального углеродного цикла в системе атмосфера-растительность-почва-океан с учетом пространственного распределения экосистем суши, причем процессы обмена СО^ на суше и в океане являются не только функциями содержания С0£ в атмосфере, ко к связанного с ним изменения климата. Для осуществления пространственного распределения экосистем суши разработана методика дискретизации и алгоритм построения базы данных в глобальном масштабе. При исследовании этих моделей получены комплексные характеристики углеродного цикла и оценки пути, по которому человек модифицирует углеродный цикл сжиганием ископаемого топлива и эксплуатацией наземной биосферы.

- 4 -

Полученные прогнозы содержания СОг, в атмосфере в ближайшие 100-200 лет являются достаточно надежными, т.к. они хорошо согласуются с экспериментальными данндаи и прогнозами других исследователей. Исследованы пространственная и временная неоднородность распределения промышленного С0£ между атмосферой, океаном, растительностью и почвой. Установлено, что в момент наибольшего антропогенного пресса доля растительности и почвы в поглощении промышленного С0£ значительно больше доли океана. Проверка глобального бюджета углерода вскрыла потенциальные возможности биосферы.

НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ. Полученные результаты оценки антропогенных воздействий на окружающую среду могут быть использованы в качестве определяющих факторов наряду с экологическими и экономическими возможностями при решении будущих энергетических альтернатив, позволяют определить как лучше организовать мониторинг за состоянием окружающей среды. Пространственная модель глобального углеродного цикла может быть включена в качестве блока в экологический мониторинг и играть роль аппарата прогнозирования» корректирующегося в процессе работы и выдающего пространственно-временные оценки параметров углеродного цикла.

Выводы и рекомендации, сформулированные в диссертации, могут найти практическое применение при разработке моделей разных биохимических циклов и при развитии следующего поколения моделей их.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ И ПУБЛИКАЦИИ. Результаты работы докладывались на Всесоюзной школе-семинаре "Моделирование экосистем

и связанные с ними задачи оптимизации" (Душанбе, 1980), Всесоюзном семинаре по математическому моделирования геохимических циклов в системе атмосфера-океан-биосфера (Севастополь, 1981), на ХХУШ научной конференции МФТИ (Москва, 1981), на второй Всесоюзной конференции по применению математических методов и ЭВМ в почвоведёнии (Пущино, 1983), Всесоюзном семинаре "Эволюционное моделирование и обработка данных радиофизического эксперимента" (Звенигород, 1984), Всесоюзном семинаре "Математические и вычислительные методы в биологии" (Пущино, 1965), Всесоюзной школе по математичесхому моделированию в биогеоцзнологии (Петрозаводск, 1985), Всесоюзном совещании по экоинформатике и экологическим базам данных (Москва, 1986), школе-семинаре "Моделирование и оптимизация сложных систем" (Баку, 1988), Всесоюзной конференции "Математические методы в эколого-экономических и"космических исследованиях" (Баку, 1989).

По материалам диссертации опубликовано 18 работ.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИЙ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов. Работа изложена на 185 страницах, содержит 39 рисунков и II таблиц. Список литературы включает 136 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ диссертации дана общая характеристика углеродного цикла, дая обзор экспериментальных данных изменений содержания углерода в атмосфере, океане и изменений наиземной растительности. Исследовано современное состояние моделирова-

- 6 -

ния углеродного цикла, сделано сравнение разных моделей углеродного цикла в наземной биоте, обсувдены принципиальные проблемы развития моделей, систематизированы основные факты и модельные соображения, которые должны лечь в основу пространственных моделей углеродного цикла в наземной биоте,

ВТОРАЯ ГЛАВА посвящена выделению структурных компонентов биосферы для целей глобального моделирования углеродного цикла с учетом антропогенных воздействий на него. Дан обзор физических и химических процессов в океане, которые должны быть объединены в моделях углеродного цикла в системе атмосфера-океан, определены структурные компоненты модели и потоки вещества между ними. Из анализа литературных данных получены опенки основных количественных характеристик биохимических процессов в океане, дан анализ этих оценок с учетом имеющегося разброса опубликованных различными авторами данных.

Проведен анализ химических и биологических процессов на суше, определены структурные компоненты углеродного цикла в наземной биоте, потоки вещества и энергии с учетом пространственного распределения экосистем. Собраны и проанализированы экспериментальные данные о количественных характеристиках глобального углеродного цикла для тридцати типов экосистем согласно классификации Н.И.Еазилевич и Л.Е.Родина.

ТРЕТЬЯ ГЛАВА диссертации посвящена построению и исследование модели глобального цикла углерода е системе атмосфера-растительнссть-почва с учетом пространственного распределения эк-сисгех: (Аг"). Ь модели вся территория стаи разделена на \"<:аеткк 5"' ::п геогра£::«?гкоЯ долготе и 4° по широте, причем

п*

и м л

л *

01

Рис. I. Схема пространственного распределения экосистем 0 - отсутствие растительности, 1-30 соответствует классификации экосистем Базилевич и др.

н н у т | гн_с

, /*тп ьи?Р» \ > *« } Ут\

Ш лгЦГГПТ* |Н1 I

*Пн»ТЧ4И 9ит**ич* иг г иг л.

ГТ*ТТ7«ГГТГГТГГ«*4«<Г#

Г*0~П9 1#но»)гцттмтгтгггиг*4»\ н! г. шш**чпят!* шпчншш г г г г г г? • и * " тшшпл птпЛулутиинт л»».

тцннпнингщни ни И ид»« Нпнппа1гии*мии**<

аааптМмягбиа&икшктнпиии . аанкмайяС&йГ^рпвнаншънн п^

''«о/т/т ^л^/глОТД ъаыыннпнвиннгС.

"•»ММИНН9 цтчг^ - ыинктщашЛ

Ъиимгс' | ькигя | ммам »ляЫ '«««Г

Рис. 2. Схема потоков углерода в «одели системы ат-мосфера-растеш:е-почра

из них привязывается к определенному типу экосистемы. Пространственное распределение экосистем представлено на рис. I. Функционирование биоты суши в модели описывается со-яокупностью моделей почвенно-растительных формаций (рис. 2), В модели приняты следующие обозначения: А - количество углерода в атмосфере, Вс и И с - количество углерода на единице площади в биомассе живых растений и мертвом органическом веществе почвы I -го участка суши, 7с и № - среднегодовая температура и годовая сумма осадков, А° , Вс , Н°, Тс , К/с° - значения соответствующих параметров в прединдус-триальную эпоху.

Динамика углерода описывается следующей системой уравнений:

ж*= Се" , ; - ¡ж

о!Нг г-£ г-£ ]/' ——

иг ~ *' В,н ~ *~НА - V „ , ¿ » i> лг

где V , 1/0 , V, - потоки углерода в атмосферу за счет промышленных выбросор СС'о и антропогенных воздействий на растительность и почву, - площадь 6 -го участка суши, ЛГ -число участков суши

сУ- 752), «С - коэффициент фракционирования, определящий какая часть отмершей живой биоты попадает в

резервуар мертвого органического вещества.

- 9 -

Географическая закономерность размещения годичной продукции, запасов фитомассы и мертвого органического вещества показывают теснейшую их связь с факторами климата. Поэтому рассматриваемые потоки углерода на суше являются функциями климатических факторов, типов экосистем и концентрации углерода в атмосфере:

где

выраженная в углероде годичная продукция растений на единицу площади, Ее (71 ^удельная скорость разложения мертвого органического вещества почвы на единицу площади, коэффициент Кь - удельная скорость отмирания биомассы растений,р - фактор увеличения продуктивности растений при увеличении содержания СО^ в атмосфере.

Наличие данных по годичной продукции и гумусу осноеных почвенно-растительных формаций земли и соотге:гтвукг^х им климатических данных позволяют установить количественную зависимость годичной продукции и величины гумуса от температуры и осадков. Правило Вольтерра для аридного кликата и правило Вант-Гоффа с продуктивностью удваивающейся каздые Ю°С ыезду температурами - Ю°С и +20°С являются одними из первых таких

зависимостей. Формула Лита, в силу заложенного в ней принципа

- 10 -

ХкТпка, дает наилучшие результаты в областях, где лимитиру-

является тот пли иной климатический фактор. В данной работе по методу наименьших квадратов, используя 54 нары денных, построена формула регрессии:

£ ( Т, V/) = л, V* а, а/Г'У/-* а., 7 а, 7 * а, И/*+а?ТИ/ + а8 Т + а* М/+аго,

гдеО^О, <2* =0.04628,а, = -0.0004, = 0.01201 ,«,= -0.00084, £^-0,26423,0.0118, <%=0.01424,0,-1.0722,Я*» 0.3510.

В плоскости (Т, ¡Р) линии и озна-

чают границы смены знака изменения годичной продукции при изменении температуры и осадков. Положение этих линий на плоскости (Г, №) не дает адекватного отражения наблюдаемых в природе явлений, Чтобы сделать модель продуктивности на суше адекватной, зависимость

представлена в виде таблицы, в которой выписаны значения годичной продукции для 7* в области от -14°С до 30°С с шагом 4°С, для 11/ в области от 125 до 3125 мм с шагом 250 мм. В качестве исходных значений годичной продукции были приняты значения (Т, )Л/). Для корректировки их использовались э&висиу.ости Вольтерра, Еант-Гоффа и расчеты на ЭЬМ по модели АРП.

С пга:ощью зависимости /-"(Тл М/) вычисляется средняя годичная продукция участков суши 4°л 5° по широте и долготе. В этом случае локальные особенности почвогрунтов, вызывающие отклонения от среднего показателя продукции уравновеииваются и коэффициент плодородия, как отмечает С.а.Зубов, становится равным единице. Плодородие почвы, величина фитомассн и другие

факторы неявно входят в зависимость т.к. рассмот-

ренные данные по годичной продукции при соответствующих значениях климатических переменных зависят от этих факторов.

Зависимость

НГГ.Ш) также строится в табличной форме и основана на данных о запасах гумуса в различных экосистемах, на данных Полынова,о типах почв и экологических границах, обусловленных определенным сочетанием температур и осадков, кривых зависимости гумуса от среднегодовой температуры и годовой суммы осадков Тюрина. Она корректировалась таюсе на ЭВМ с помощью модели АРП,-

Для каждого участка суши определяются все элементы круговорота углерода в системе АРП. Изменения 71 и И4 (¿»»I, ,,, Ж) в зависимости от А рассчитываются с помощью климатической модели В.В. Александрова и др. Начальные значения и Шс (¿=i,.,, были рассчитаны из климатических данных Ж.Шутца и В.Л. Гейтца и учета изменения содержания С-О^ в атмосфере по сравнению с прединдустриальным уровнем. Начальные значения В г получены с картосхемы распределения живой фи-томассы по поверхности суши Н.И. Еазилевич и др. Эти оценки не учитывают вырубку лесов, так что их данные близки к пред-индустриальньм.

С помощью корреляционных моделей

Г (Г, IV) И Н°(Т, IV)

.определены данные в глобальном масштабе. Получены карты годичной продукции, почвы, а также зонально-усредненное распределение продукции, фитомассы, почвы, коэффициента отмирания и функции разложения.

Чтобы исцледог.ать адекватность модели и характеристики уг-

- 12 -

леродного цикла в наземной части, проведен ее предварительный анализ. Для этого рассмотрим следующие воздействия на ее параметры:

I. Увеличение среднегодовой температуры воздуха на 1°С.

Увеличение годовой суммы осадков на каждом участке су ши на 6%.

3. Увеличение среднегодовой температуры воздуха на 1°С и увеличение годовой суммы осадков на каждом участке суш на 658.

Данные расчетов свидетельствуют об адекватности реакции почвенно-растительных формаций на вариации климата. В рассмотренных случаях воздействия на параметры модели при переходе системы в новые стационарные состояния годичная продукция увеличивается на 0.8/6, 4.1% и 5.8% соответственно, фитомасса на 0.8%, 4.1% и 5.8% и гумус на 1.2%, 1.8% и 3.2%. Но разные экосистемы реагируют на климатические изменения по разному. Так при увеличении температуры на 1°С годичная продукция в лесах умеренной зоны увеличивается на 2-7%, а в тропических лесах лишь на 0.6%-0.7%.

Рассчитаны значения переменных при переходе системы атмосфера-растительность-почва в новое стационарное состояние вследствии удвоения содержания С0£ в атмосфере. Как видно из расчетов (рис. 3), годичная продукция максимально увеличивается в экваториальных тропических лесах, а в лесах Северного полушария несколько меньше, т.к. несмотря на большую фотосинте-зирующую способность единицы растительности северных лесов, чем тропических, плотность растительности в них меньше.

- 13 -

Рис.3. Зонально-усредненное распределение изменения на

единицу площади при удвоении содержания С0<> в атмосфере: I -

общего органического вещества (кг»м ); 2 - годичной продукТ 2 цик (10 кг.м ).

Рис.4. Прогноз концентрации атмосферного 00^: I - нэт растворения карбонатов; 2 - растворение карбонатов в глубинных родах; 3 - растворение карбонатов в глубинных к поверхность:?.:* водах (кривые 1-3 из работы але/ Веьеа&оъЗ (1977)); 4 - нет растворения карбонатов,=0,173; 5 ~ нет растворения карбокатор,р =0,3.

- 14 -

Сбцео увеличение годичной продукции в результате удвоения СС>2 в атмосфере составляет 19.5%, причем основная роль в нем принадлежит росту концентрации СС^ в атмосфере, а не соответствующему ему увеличению среднегодовой температуры воздуха. Из расчетов следует, что наибольшее изменение общего органического вещества и соответственно способность поглощать СС^ из атмосферы в наибольшей степени свойственна лесным экосистемам умеренных широт Северного полушария. Второе место з этом отношении занимают почвенно-растктельнно формации тропических широт.

Полученные результаты свидетельствуют о существенном влиянии изменений климата и удвоении концентрации СОр в атмосфере на протекание биологических процессов и показывают способность различных экосистем ввделять или поглощать СС?

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ построена модель глобального углеродного цикла в системе атмосфера-растительность-почва-океак (АРПО). Она синтезирована на основе модели АРП и модели углеродного цикла в системе атмосфера-океан. Океан подразделяется на два резервуара: поверхностный и глубокий океан, где Л/ и Р - количество углерода в поверхностном и глубоком океане соответственно. Система уравнений выписывается на основе балансовых соотношений мелду потоками вещества и содержи? уравнений.

Перекос Счзрез гранулу атмосфера-океан считается пропорциональным разности парциальных давлений СОо в атмосфере . на уровне моря и в поверхностно:' слое океяча. Пег,шальное давление углерода в поверхностном слое океана яглкстся уУ'^икеН

содержания растворенного неорганического углерода и температуры, которое рассчитывается на основе уравнений диссоциации угольной кислоты с учетом зависимости констант диссоциации от температуры.

Значения V до 1980 года взяты у Ротти. Широкая область физических, экономических и социально-политических факторов, которые будут управлять будущей реализацией COg, не рассматривается. Для реализации углерода, в восемь раз превышающего содержание его в прединдустриальной атмосфере в течении эры ископаемого топлива используется модель Килинга.

Фактор увеличения биомассы р и глубина поверхностного слоя океана подобраны таким образом, что модель одновременно предсказывает эффект Зюеса и атмосферную часть.

Проведены вычислительные эксперименты с помощью модели АРПО по прогнозной оценке реакции биосферы на антропогенные воздействия на углеродный цикл б рамках следующих сценариев:

1. Промышленная эмиссия С0£, начиная с 1860 г. при а)р = 0.173 и в)р » 0.3.

2. Мгновенно сжигаются: а) хвойные леса северного полушария и в) тропические леса. Восстановление лесов подчинено процессу естественной сукцессии.

Согласно рассчетам (рис. 4) максимум концентрации COg в атмосфере, если темпы потребления ископаемого топлива не уменьшатся, следует ожидать во второй половине XXII века. Для р =0.173 он в 5.65 раз превышает концентрацию Cûg в атмосфере в 1860 году, а для р = 0.3, реализующего большие возможности растительности поглощать промышленный СС^, в 5.15раз.

Рис.5. Динамика распределения промышленного СС^ между атмосферой (А), океаном (0), живым (В) и мертвым (Н) органическим веществом.

V/ 160 150 120 90 60 30 О Х 60 90 :20 160 Г

Рис.6. Компьютерная карта изменений фитомассы в 2030 году (кг.;.Г2). Границы градаций:- 1,42; 0; 1,379; 2,757; 4,135; 5,513; 6,Б91; 8,269; 9,746.

Результаты хорошо согласуются с результатами Килинга (кривые I, 2, 3) и расчетами Еютнер и др.-

Из динамики распределния промышленного COg (рис. 5) следует, что в момент наибольшего антропогенного пресса (конец 21, начало 22 века) доля океана в поглощении промышленного СОр (16 %) значительно меньше доли растительности и почвы (23 %), т.к. с ростом концентрации COg в атмосфере и соответствующим ростом парциального давления в океане его способность абсорбировать промышленный CGg падает, в то время как продуктивность растительности не уменьшается.

Компьютерная версия модели обеспечивает построение кар-то-схем (рис. 6), кривых зонально-усредненного распределения и таблиц характеристик углеродного цикла. Они позволяют проследить пространственную и временную неоднородность распределения промышленного COg. С изменением концентрации COg в атмосфере изменение общего органического вещества растительности с средних широтах проявляет болыцую инерционность, чем в тропических, но за длительный промежуток времени растительность средних широт, имея значительно меньшую фктомассу, поглощает столько же промышленного COg, как и растительность тропических широт. Почва в умеренных широтах поглощает промышленного COg больше, чем в тропических.

Оценки экологических последствий сведения лесоЕ и динамики эффектов замены одних типов экосистем другими проведены в рамках второго сценария. Начальные возбуждения в атмосфере в случ&их а) и в) равны 136 ГТ С и 372 ГТ с, а в фитомассе -130 ГГС к - 372 ГТС, т.е. никаких изменений в общей Еелкчпно

углеуода в системе не вводится. Согласование начального от- 16 -

клонения от равновесия в случае а) протекает медленнее, чем в случае в), причем в процессе согласования принимают участие не только те экосистемы, которые разрушается.

Согласование к устойчивому состоянию для больших величин /3 будет происходить быстрее, т.к. резервуар фитомассы не даст вовлекать много углерода резервуарак с более медленным откликом, т.е. глубокому океану и почве. Эти результаты показывают один из возможных путей, по которым отклонение от равновесия постепенно модифицируется внутренним согласованием.

Из расчетов следует, что с учетом увеличенного содержания COg в атмосфере вследствие сжигания лесов, тропические леса восстанавливаются за 75 лет, а хвойные леса - в среднем за 100 лет.

В последнем разделе четвертой главы исследовалась'чувствительность модели к неопределенности в данных. Из расчетов альтернативных сценариев сценарию 1а следует, что на результаты прогноза большее влияние оказывает неточность в определении запасов фитомассы и годичной продунции тропических лесов, но расхождение прогнозов по сравнению со сценарием I а не превышает I %.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

I. Разработана методика определения характеристик глобального углеродного цикла на основе ограниченного количества данных, реализованная в моделях для определения годичной продукции и мертвого органического вещества в зависимости от климатических факторов. Компьютерные версии моделей обеспечивают

построение карто-схем географического распределения этих ха-

- 19 -

рактеристик.

2. Предложен алгоритм дискретизации пространства, формирования базы данных и оценки параметров углеродного цикла.

3. Построена модель глобального цикла углерода в системе атмосфера-растение-почва с учетом пространственного распределения экосистем суши. Обменные процессы на суше зависят от изменения содержания (Х^'в атмосфере и соответствующего ему изменения климата. При исследовании установлено:

а) адекватность модели;

б) полученные результаты свидетельствуют о существенном влиянии климатических воздействий на способность отдельных почвенно-растительньос формаций выделять и поглощать СО^;

в) при удвоении концентрации С0<> в атмосфере и соответствующем ему изменении климата общая годичная продукция на суше увеличивается на 19,5 %, фитомасса - на 21 56, причем увеличение температуры дало увеличения годичной продукции только на 1,5 - 2,5 фитомассы - на 4 - 4,5 %; более способными поглощать избыточный С0£ из атмосферы оказались лесные формации средних широт северного полушария.

4. Синтезирована модель глобального углеродного цикла на основе пространственной модели циклов в системе АРП и точечной модели обменных процессов на границе атмосфера-океан. Обменные процессы в океане зависят от изменений содержания СО2 в атмосфере и температуры поверхностных вод океана. Модель реализована на ЭВМ.

5. Результаты вычислительных экспериментов с антропогенным источником на модели АРПО согласуются с имеющимися данными наблюдений. Следовательно, оценка поглощения избыточного

- 20 -

СС>2 океаном, растениями и почвой с современной точки зрения, является одной из наиболее надежных.

6. Прогнозы содержания СО2 в атмосфере в ближайшие 100200 лет хорошо согласуются с прогнозами Кялинга и Бакастоу, Ривелла и Мунка, йотнер и др., но являются более точными, так как в модели более полно учитывается биота и фактор увеличения биомассы согласуется с экспериментальными данными и результатами исследований Сиротенко, Менжулина, Кохелмайера и ДР.

7. При исследовании пространственной и временной неоднородности распределения промышленного СО2 между атмосферой, океаном, растительностью и почвой установлено:

а) в момент наибольшего антропогенного пресса, в конце XXI века и в начале XXII века доля океана в поглощении промышленного СО^ (16 %) значительно меньше доли растительности и почвы (23 %);

б) на изменение концентрации СО^ в атмосфере наиболее быстро реагируют растительность и поверхностный океан, почва и глубокий океан обладают большой инерционностью;

в) с изменением концентрации СО2 в атмосфере изменение общего органического вещества растительности в средних широтах проявляет большую инерционность, чем в тропических широтах, но за длительный промежуток времени растительность средних широт, имея значительно меньшую фитомассу, чем в тропических широтах, поглощает столько же промышленного 00%, как и растительность тропических широт; почва в умеренных широтах поглощает промышленного 'СО2 больше, чем в тропических;

- 21 -

г) вклад различных экосистем в поглощение промышленного С0£ следующий: леса тропического пояса (23, 24 экосистемы) поглощают 46-51 %, леса бореального и суббореального пояса (5, б, 7, 8, 10 экосистемы) поглощают 27-33 %, а леса субтропического пояса (II экосистема) - 9-10 %.

8. В результате вычислительных экспериментов с антропогенным воздействием на биоту оценены экологические последствия сведения лесов и прослежена динамика замены одних типов экосистем другими:

а) согласование начального отклонения от равновесия в глобальном углеродном цикле протекает быстрее при сжигании тропических лесов, чем хвойных лесов северного полушария, причем, в процессе согласования принимают участие не только те экосистемы, которые разрушаются; так тропические леса поглощают около 5 % избыточного С0£ атмосферы, образующегося при сжигании хвойных лесов;

б) с учетом воздействия увеличенного содержания 00% в атмосфере и соответствующего ему изменения климата на биологические процессы тропические леса восстанавливаются в среднем за 75 лет, а хвойные леса - за 100 лет, при этом наиболее быстро из них восстанавливаются северотаежные леса;

в) оценка вырубки и выжигания лесов обеспечивает определение лишь верхнего предела уменьшения скорости биомассы, т.к. вторичный лес, вместо уничтоженного ранее берет на себя роль механизма компенсации большей части потерь углерода биомассой;

г) временное отсутствие леса сопровождается усиленным окислением гумуса, причем в хвойных лесах гумус медленнее раз- 22 -

ручается и долыпе восстанавливается, чем в тропических.

9. При оценке чувствительности результатов к точности данных по первичной продукции, фятоыассе и мертвого органического вещества в различных экосистемах установлено, что на результаты прогноза большее влияние оказывает неточность ( i 25 %) в определении запасов фитомассы и годичной продукции, но расхождение прогнозов по сравнению с основным сценарием не превышает I %.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Александров Г.А., Арманд А.Д., Белотелое Н.В., Ведюшкин М.А., Вилкова Л.П., Воинов A.A., Денисенко Е.А., Крапивин В.Ф., Логофет Д.О., Овсянников ЛЛ., Пак С.Б., Пасе-ков В.П., Писаренко Н.Ф., Разжевайкин 8.Н., Саранча Д.А., Свирежев D.H., Семенов H.A., Тарко A.M., Фесенко C.B., Шмидт Д.А. Математические модели экосистем. Москва, Наука, IS86, 175 с.

2. Базилевич Н.И., Вилкова Л.П., Тарко A.M. Модель биосферных процессов с учетом пространственного распределения экосистем суши. - В кн.: Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем, т. У, Л., Гицрометеоиэдат, 1962, с. I8I-I98.

3. Вилкова Л.П. Модельная оценка роли наземных экосистем в проблеме углекислого газа. - В хн.: Методы информатики в радиофизических исследованиях окружающей среды. Москва, Наука, 1989, с. 216-221.

4. Вилкова Л.П., Тарко A.M. Автоматизация обработай информации в задачах оценки состояния пространствеино-неоднород-

- 23 -

ных систем,- В кн.: Математическое моделирование в задачах радиотехники и электроники. Институт радиотехники и электроники, 1984, с. II9-I29.

5. Вилкова Л.П., Крапивин В.Ф. Вычислительные эксперименты на модели GLOBAL . М., ИРЭ АН СССР, препринт, 1986.

6. Вилкова Л.П., Крапивин В.Ф. Модель биосферы.- В кн.: Алгоритмы машинной обработки данных в задачах радиотехники и электроники. М., ИРЭ АН СССР, 1986, с. 49-56.

7. Крапивин В.Ф., Вилкова Л.П. Модельные эксперименты по оценке избыточного COg между резервуарами биосферы,- Метеорология и гидрология, № 7, 1987, с. 53-60.

8. Крапивин В.Ф., Свирежев D.M., Вилкова Л.П. Коэволюция человека и природы. - Энергия, № 10, 1984, с. 37-43.

9. Свирежев D.M., Крапивин В.Ф., Вилкова Л.П., Тарко А.М. Математическая модель цикла углерода в атмосфере с учетом пространственного распределения биогеоценозов суши.- В кн.: Математическое моделирование биогеоценотических процессов. М., Наука, 1985, с. 6-14.

Ю. A&*a*ufxjyir6A.} ftvefufonTP, ¿., Azmasd fi. Д, ße&t&fanT ХЖ, ЯегОкл&о £. 'A.J Fesen&o£V, foofbnn, fe£ Ш, Отгзум&отГб.Ь., Pa-H S.B., Ptuahni^P., РС-игил-jio Зал&мЬа, Ъ.А,, ЗетмягГМА,

Snddt ДА, Stctic&jutmT6-,¿., Ти*Ло A.N.; 1&//аМл, Я А,} Viefunfdt./¿.Р., l/öomrtfA.A. Есо&усьсЖ ллг/с/ат-о^гл^Аос-с-оплыу&псм ef лиебьсЛ' гс/ап^у ÜbitObf) Ccmpufo*' СС/ь-te*s of tkc It-SSfL амм/мьр ¿«¿e/u^-, 1985t 26//>.

1t. У./i., foafiwi, iFF., Тал&оА.Н^ l/2£&o-Ja,¿,P.

- 24 -

ofl/enJ Сл m*ctc£tb*y, of tfu. f&SaC &арссххло-

Uc.puKtste»,- H^Csinbb, Fon&mJ* ¿п&лхш&оплиб fy*.-perium* on. tfa- ao&w>€&Uon- of mom. tx*ncL foesja&ttc.,

3n*t. cie во. г/U., /9*3,

/X. $vcsu<Jb*r У, M., А&*с<хгьс/гтГ£. A., Аьпиии/А. 8e&>-

te£o?f rf2ft Venbtnlo £, A., Fest*4* S, if, Къссрсъ^п. ЯГ,, ¿opofit Д 0.t Otis^nfuJLor/L.d., PaJ. S.B., Ра.«Л<пГ

1ГP., Pi*osusJio jf.F,, ЗалллаЛ^х,

D. A., £esn*+unTГ/.J}., D.A., ТоиъАоА.М.,

fans M.AT/ct&o-JeL ¿.P.) 2&njnFA.A. Есдвзумлё o^ruL cfesnopubpAlc conie^uAnctb of а* гиьс&ал. -глЯкк.. /We/ад - , 1Ш, fi£.f>,

Ц, faafivt*. if. Г., ifcZ&oifii I. p, Moc/Uof ежль.53 CO^ vUftxX&u^Ccn^ ¿л. f^tM^stiutx..

- Jn.: Eto&e^c&l ffojeti&y,, JV, f9S0, />,

Подписано в печать 16/УП-1990 г. Т II028.

Формат 60x84 I/I6. Объем 1,63 усл.п.л. Тираж 100 экз.

Ротапринт ИРЭ АН СССР. Заказ Л 318.