WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 |
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. ЛОМОНОСОВА Географический факультет

На правах рукописи

БЫХОВЕЦ Сергей Станиславович ПОЧВЕННО–КЛИМАТИЧЕСКИЕ СЦЕНАРИИ В МОДЕЛЯХ КРУГОВОРОТА УГЛЕРОДА И АЗОТА В ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМАХ УМЕРЕННОГО ПОЯСА Специальность 25.00.30 – Метеорология, климатология, агрометеорология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Москва 2009 2

Работа выполнена в Учреждении Российской Академии наук Институте физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН.

Научный консультант: доктор биологических наук, профессор Комаров Александр Сергеевич

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор Шульгин Игорь Александрович кандидат географических наук, Ольчев Александр Валентинович

Ведущая организация: Институт географии РАН

Защита состоится «29» октября 2009 г. в 15-00 часов на заседании диссертационного совета Д 501.001.68 при Московском государственном университете имени М.В.Ломоносова по адресу:

119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ, географический факультет, 18 этаж, аудитория 1801.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке географического факультета МГУ на 21 этаже.

Автореферат разослан «25»_сентября_2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор геолого-минералогических наук В.С. Савенко 3

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Одной из важнейших проблем современной экологии и климатологии является баланс углерода в наземных экосистемах, в которых почвы являются основным регулятором круговорота биофильных элементов. В свою очередь, интенсивность почвенных процессов существенно зависит от гидротермических условий. Отсюда – необходимость использования гидрологических и климатических данных в качестве входных параметров при моделировании круговорота углерода и азота. Важную роль климатические сценарии играют при сравнительной оценке влияния на лесные экосистемы изменений климата, сплошных рубок, выпадения азотных соединений из атмосферы. Такие исследования могут быть проведены с помощью математического моделирования.

Лесные почвы являются важным блоком лесных экосистем, являясь резервуаром элементов питания, стабилизирующим реакцию лесной экосистемы в целом на внешние воздействия. Важнейшей особенностью лесных почв по сравнению с пахотными почвами является наличие лесной подстилки со специфическими особенностями гидротермического режима и, соответственно, биогеохимических процессов.

При этом возникает ряд задач, связанных с:

1) созданием искусственных реализаций климатических переменных, полученных с помощью моделей-имитаторов ("генераторов") погоды на основе заданных статистических характеристик климата, потребность в которых может быть вызвана: недостаточной длиной рядов фактических данных, необходимостью получить совокупность независимых реализаций с заданными статистическими свойствами или имитировать метеорологические условия при измененных статистических характеристиках климата;

2) преобразованием стандартных метеорологических данных, полученных при наблюдениях на метеорологических станциях в данные, необходимые для описания процессов, происходящих в лесу и лесных почвах.

Разработка подобных имитаторов интенсивно ведется в течение последних 30 лет, в основном, применительно к задачам агрометеорологии.

Соответственно, практически все известные имитаторы имеют суточное разрешение. При моделировании лесных экосистем характерные времена моделируемых процессов – десятки и сотни лет, и во многих случаях достаточно месячного шага.

На основании анализа возможных подходов к моделированию климата почвы и существующих экспериментальных данных, необходимых для оценки параметров моделей, оптимальными для решения поставленных задач на современном этапе были признаны статистическая модель температурного режима почвы и простая воднобалансовая модель для оценки влажности почвы.

Методы исследования: Математическое моделирование, статистическая оценка параметров, анализ литературных данных.

Цель работы: разработка моделей водно-теплового режима почвы и почвенно-климатических сценариев для решения и сравнительного анализа задач, связанных с изменениями климата, изменением водно-теплового режима лесных почв при внешних воздействиях: рубках, лесных пожарах, атмосферных выпадениях соединений азота и т.п.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Анализ требований к климатологическому обеспечению моделей лесных экосистем, анализ существующей метеорологической и гидрологической информации.

2. Разработка методов генерирования искусственных рядов метеорологических переменных с заданными статистическими свойствами, в том числе и при разных сценариях изменения климата.

3. Разработка субмодели водно-теплового режима почвы.

4. Определение поправок для оценки температурного режима лесных почв в зависимости от типа леса.

5. Верификация моделей и их применение в рамках системы моделей биологического круговорота углерода и азота EFIMOD для сравнительного анализа последствий сильных внешних воздействий в разных климатических условиях и типах леса.

Научная новизна. Проведена разработка простых статистических генераторов почвенного климата с месячным шагом с учетом типа леса, что позволило применить их в моделях биогеохимических циклов углерода и азота.

Впервые в таких генераторах учтены поправки на тип леса. Это позволило обеспечить модели биогеохимических циклов элементов в лесных экосистемах необходимой климатологической информацией, и успешно применить их для сравнительного анализа влияния изменения климата и/или антропогенных воздействий (рубок, лесных пожаров, смены древесных видов и т.п.) на изменение продуктивности лесной растительности и циклов углерода и азота в лесных экосистемах умеренного пояса.

Практическая ценность результатов. Полученные результаты используются в научных исследованиях для разработки прогноза развития лесных почв при различных сценариях изменений климата и усиления антропогенной нагрузки. Разработанное программное обеспечение также используется в практикумах для студентов Пущинского государственного университета и Филиала МГУ имени М.В.Ломоносова в Пущино.

Личный вклад автора. Автором проанализированы возможности известных в мировой науке статистических генераторов метеорологических данных, разработаны простые статистические модели водно-теплового режима почв, учитывающих тип леса, принято активное участие в создании системы моделей биологического круговорота углерода и азота в лесных экосистемах EFIMOD, проведены вычислительные эксперименты и анализ результатов моделирования по теме диссертации.

Связь темы диссертации с плановыми исследованиями. Тема диссертации связана с основным планом научно-исследовательских работ Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН по теме «Математическое моделирование циклов элементов и сукцессионных процессов в системе почва – растительность – атмосфера (№ 01.2 073924.1.16.11)».

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Статистические модели водно-теплового режима почв с месячным разрешением, будучи обеспеченными стандартными метеорологическими данными для различных регионов Европейской России, позволяют произвести оценку динамики пулов углерода и азота в лесных экосистемах при стационарной динамике и различных внешних воздействиях.

2. Разработанная методика оценки водно-теплового режима лесных почв позволяют оценку температуры и влажности лесной подстилки и минеральной почвы, для которых стандартные измерения не проводятся.

3. Верифицированная модель динамики углерода и азота в лесных экосистемах EFIMOD, включающая в себя модель динамики органического вещества почвы ROMUL, позволяют, используя разработанные модели воднотеплового режима почв, провести сравнительное исследование роли климатических изменений и сильных внешних воздействий (сплошные рубки, выпадения соединений азота из атмосферы) на лесные экосистемы.

Апробация и внедрение результатов. Результаты работы были представлены на: I Всероссийской научной школе “Математические методы в экологии” (Петрозаводск, 2001), 2й Международной конференции «Эмиссия и сток парниковых газов на территории Северной Евразии» (Пущино, 2003), Всероссийской конференции «Биосферные функции почвенного покрова» посв.

100-летию со дня рождения чл.-корр. АН СССР В.А. Ковды. (Пущино, 2005), 5й Европейской конференции по математическому моделированию в экологии (ECEM-05, Pushchino, 2005), а также на рабочих совещаниях по проектам ИНТАС (97-20355 “FORMOD”, 01-0512 “PODZOL”, 01-0633 “SILVICS”), EU FP6 INCO (013388 “OMRISK”) в Финляндии, Великобритании и Италии, семинарах Лаборатории моделирования экосистем ИФХиБПП РАН и Учебного Центра почвоведения, экологии и природопользования Пущинского государственного университета.

Модель SCLISS [Быховец, Комаров, 2002; Быховец, 2007] является составной частью системы моделей EFIMOD-2 [Komarov et al., 2003], разработанной в Лаборатории моделирования экосистем ИФХиБПП РАН и Лаборатории биохимии почв Биологического НИИ СПбГУ; полученные на ее основе сценарии использовались и используются при моделировании динамики органического вещества в лесных экосистемах Европейской части России, ряда стран Северной и Центральной Европы (Финляндии, Швеции, Германии, Чешской Республики) и Канады.

Публикации. Результаты работы изложены в 24 публикациях, в числе которых 9 статей в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, 4 главы в монографиях, учебно-методическое пособие, 7 статей в сборниках научных трудов и 3 тезисов докладов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, глав, заключения и библиографии. Она включает 148 страниц текста, рисунка, 17 таблиц. Список литературы состоит из 220 наименований на русском и английском языках.

Автор искренне благодарен своему руководителю проф., д.б.н. А.С.

Комарову, а также проф., д.б.н. О.Г. Чертову за помощь в постановке задачи и постоянное внимание к работе и коллегам – сотрудникам Лаборатории моделирования экосистем ИФХиБПП РАН и Учебного Центра почвоведения, экологии и природопользования Пущинского государственного университета за помощь в проведении исследований и моральную поддержку.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект № 05-04-49284), Европейского института леса (Йоэнсу, Финляндия; проекты № 619 и 649), INTAS (97-20355 “FORMOD”, 01-0512 “PODZOL”, 01-0633 “SILVICS”), EU FP6 INCO (013388 “OMRISK”), а также Программы фундаментальных исследований РАН № 16 «Окружающая среда в условиях изменяющегося климата: экстремальные природные явления и катастрофы».

Краткое содержание работы Во Введении изложена проблема количественного описания биогеохимических циклов элементов в лесных экосистемах и обеспечения таких моделей входными почвенно-климатическими данными, показана ее актуальность, поставлена цель и сформулированы задачи исследования.

В обзорной первой главе характеризуется современное состояние моделирования продуктивности и биологического круговорота в лесных экосистемах, а также различные подходы к климатологическому обеспечению математических моделей динамики органического вещества в лесных экосистемах. Приведен краткий обзор источников экспериментальных данных – как многолетних рядов наблюдений метеорологических станций, так и материалов исследований водно-теплового режима лесных почв, которые могут быть востребованы как непосредственно при подготовке сценариев, так и для идентификации и верификации разрабатываемой модели. Кратко охарактеризованы используемые в работе сценарии предполагаемых изменений климата в XXI веке.

Для генерировании искусственных рядов метеорологических переменных с заданными статистическими свойствами служат имитаторы, или генераторы погоды, разработка которых интенсивно ведется в течение последних 20-25 лет;

в основном – применительно к агрометеорологическим моделям [Richardson, 1981; Сиротенко, Павлова, 1986; Бельченко, 1989; Топаж, 1992; Racsko et al., 1991], и пока в меньшей степени – к моделям лесных экосистем [Strandman et al., 1993]. Практически все известные имитаторы имеют суточное разрешение что, безусловно, необходимо для большинства современных агрометеорологических моделей. При этом одной из основных проблем является моделирование достаточно сложной временной структуры рядов суточных сумм осадков. Для ее решения чаще всего используется один из двух подходов: представление последовательности сухих и дождливых дней в виде марковского процесса [Richardson, 1981], или оценка распределения вероятностей продолжительности дождливых / сухих периодов [Racsko et al., 1991]. Лишь изредка встречаются генераторы с декадным [Бельченко, 1989], или месячным [Голубятников и др., 2002] разрешением. При моделировании же лесных экосистем обычно не требуется столь высокая степень временной дискретизации, как в агрометеорологических задачах; во многих случаях бывает достаточно средних месячных значений.

Как уже отмечалось, для решения поставленных задач важнейшей составляющей нашей модели должна была стать субмодель водно-теплового режима почвы. Анализируя возможные подходы к ее созданию, можно отметить следующее:

Модели, ориентированные на лесные условия (либо достаточно универсальные, чтобы позволить учесть характерные для леса особенности почвенного тепловлагообмена) сравнительно немногочисленны как в отечественной литературе [Мамихин, 1997; Гусев, Насонова, 1998, 2002, 2007;

Кучмент, Демидов, 2004] так и мировой [Halldin, 1980; Jansson, 1980, 1991;

Arp, Yin, 1992; Yin, Arp, 1993; Tiktak, van Grinsven, 1995]. В то же время, в нашей стране выполнен целый ряд серьезных экспериментальных исследований [Молчанов, 1960, 1961; Федоров, 1977; Галенко, 1983; Еруков, Власкова, 1986; Абражко, 1998, и др.], результаты которых могут быть успешно использованы в подобной работе.

Pages:     || 2 | 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»