автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Пространственная математическая модель глобальных биогеохимических циклов углерода и азота в системе атмосфера-океан

Введение.

1. Глобальный цикл углерода в биосфере.

1.1 Цикл углерода и его значимость.

1.2 Моделирование цикла углерода в океане.

2. Пространственная сезонная модель глобальных циклов углерода и азота в системе атмосфера - океан.

2.1 Схема блоков модели.

2.2 Взаимодействие между блоками модели.

2.3 Идентификация параметров.

3. Расчет глобальных циклов азота и углерода в невозмущенных условиях

3.1 Положение равновесия модели.

3.2 Влияние параметров модели на результаты моделирования.

4. Исследования последствий антропогенных нагрузок на биосферу.

4.1 Действие мгновенного выброса двуокиси углерода в атмосферу

4.2 Воздействие разогревания атмосферы на циклы азота и углерода.

4.3 Доиндустриальное положение равновесия.

4.4 Определение сезонного хода продуктивности биоты суши.

4.5 Оценка вклада Мирового океана и экосистем суши в поглощение антропогенного углерода в течение индустриального периода.

5. Точечная модель цикла углерода в биосфере.

5.1 Структура и расчет коэффициентов.

5.2 Расчет изменения температуры и содержания СОг в атмосфере в будущем.

Активная хозяйственная деятельность человека приводит к резкому глобальному изменению в складывавшемся тысячелетиями круговороте веществ в биосфере. Происходит глобальное увеличение количества парниковых газов в атмосфере (двуокиси углерода, метана, фреонов), идет потепление климата, нарушается функционирование экосистем, идет вырубка лесов, эрозия почв. Все эти воздействия имеют глобальный, региональный и локальный характер. Нет ни одной страны в мире, не имеющей в той или иной степени экологических кризисов или катастроф.

Проблема исследования и прогнозирования возможных последствий взаимодействия человека и биосферы и задача рационального использования природных ресурсов требуют изучения крупномасштабных процессов в биосфере.

Особое место при анализе биогеохимических циклов имеет круговорот (цикл) углерода. Углерод является характеристикой динамики органического вещества в экосистемах. В таких процессах, как рост и отмирание растительности, разложение мертвого органического вещества поглощается или выделяется двуокись углерода. В атмосфере углерод находится в основном в виде парникового газа - двуокиси углерода, а значит, характеризует климат планеты.

В результате хозяйственной деятельности человечества выбросы углекислого газа в атмосферу с 1860 г. по 1992 г. привели к увеличению концентрации С02 с 280 млн"1 до 343 млн"1, то есть к увеличению на 22,5%. При сохранении такой тенденции к середине будущего столетия можно ожидать удвоения содержания углекислого газа в атмосфере. Регулярные наблюдения за концентрацией углекислого газа в атмосфере показывают, что около 56% выбросов СОг при сжигании топлива остаются в атмосфере. Остальная часть антропогенных выбросов поглощается Мировым океаном и экосистемами суши.

Мировой океан является крупнейшим стоком для углекислого газа антропогенного происхождения. По современным оценкам суммарный поток СОг из атмосферы в океан составляет 2,0 ± 0,8 Гт С • год"1, притом, что значение антропогенного потока в атмосферу составляет около 6 Гт С • год"1. Тем не менее, современная изученность процессов обмена СОг на границе атмосфера -океан не дает возможности однозначно выделить акватории, ответственные за сток или источник СО2. Существенной частью цикла углерода в океане является деятельность морской биоты (живых организмов), основной составляющей частью которой является планктон. Однако продуктивность планктона зависит как от климатических условий, так и от наличия в воде питательных веществ, в частности азота.

Исследование способности океана и экосистем суши быть стоком для антропогенного углерода является необходимым для прогнозирования содержания углекислого газа в атмосфере в будущем.

Целью данной работы явилась разработка пространственной сезонной модели глобальных циклов углерода и азота в системе атмосфера - океан и исследование глобальных циклов углерода и азота в системе атмосфера - океан с помощью разработанной математической модели углеродного и азотного циклов в биосфере. Поставленная цель потребовала решения следующих задач:

1) разработка пространственной сезонной модели глобальных циклов углерода и азота в системе атмосфера - океан.

2) реализация математической модели в виде комплекса компьютерных программ, обеспечивающих исследование модели и проведение вычислительных экспериментов.

3) исследование решений, описывающих глобальные циклы углерода и азота в системе атмосфера - океан.

4) разработка точечной модели цикла углерода в биосфере на основе пространственной модели.

5) исследование на моделях реакции биосферы и ее подсистем на антропогенные воздействия, прогноз антропогенного роста содержания двуокиси углерода в атмосфере и изменения температуры воздуха.

Работа состоит из введения, пяти глав и заключения.

В первой главе рассмотрены процессы, определяющие глобальный цикл углерода в биосфере. Приведены данные о динамике антропогенных воздействий на углеродный цикл в течение индустриального периода. Рассмотрено развитие модельного подхода к исследованию циклов углерода и азота в океане.

Во второй главе разработана пространственная модель глобальных циклов углерода и азота в системе атмосфера - океан, учитывающая сезонные изменения происходящих в системе процессов. Приведены схема блоков модели и система обыкновенных нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих модель. Определены потоки углерода и азота в системе. Сделана идентификация параметров и функций, подлежащих определению для функционирования модели.

В третьей главе численно найдено периодическое решение системы нелинейных дифференциальных уравнений модели при отсутствии антропогенных воздействий на систему атмосфера - океан. Приведены среднегодовые распределения и сезонный ход концентраций неорганического углерода и азота, биомассы фито- и зоопланктона, первичной продукции планктона, парциального давления растворенного в ВКС С02, потока С02 на границе атмосфера - океан. Исследовано влияние деятельности планктона на распределение неорганического углерода в океане, а также влияние ледяного покрова. Показано, что при удвоении коэффициента газопереноса районы выделения и поглощения СОг в океане не изменяются.

В четвертой главе исследована реакция системы атмосфера-океан на антропогенные воздействия. Приведены результаты экспериментов с одноразовыми мгновенными выбросами С02 в атмосферу. Исследована роль морской биоты и парникового эффекта в поглощении избыточного углекислого газа из атмосферы. Получен сезонный ход потока С02 между атмосферой и экосистемами суши на разных широтах. Рассчитано поглощение океаном и экосистемами суши углекислого газа из атмосферы в течение индустриального периода.

В пятой главе на основе пространственной модели глобального цикла углерода разработана точечная модель углеродного цикла в биосфере, функционирующая в среднегодовом режиме. Сделан прогноз температуры воздуха и содержания углекислого газа в атмосфере в будущем.

В заключении приведены основные выводы работы.

Результаты работы позволяют оформить положения, выносимые на защиту:

1. Разработана и исследована пространственная математическая модель глобальных циклов углерода и азота в системе атмосфера - океан. Модель функционирует в сезонном режиме.

2. Воспроизведено пространственное и временное распределение неорганического углерода, неорганического азота, фито- и зоопланктона в Мировом океане. Рассчитаны пространственное распределение и сезонный ход первичной продукции Мирового океана, парциального давления растворенного в океане углекислого газа, потока углекислого газа на границе атмосфера-океан. Результаты расчетов качественно и количественно соответствуют данным наблюдений.

3. Произведены оценки роли морской биоты и парникового эффекта углекислого газа в поглощении океаном избыточного углекислого газа из атмосферы. Показано, что наличие у углекислого газа парникового эффекта замедляет процесс поглощения, а функционирование морской биоты ослабляет воздействие парникового эффекта на поглощение.

4. Рассчитан сезонный ход обмена С02 между атмосферой и экосистемами суши. Оценено изменение обмена С02 между экосистемами суши и атмосферой на различных широтах за индустриальный период при реальных выбросах углекислого газа в атмосферу от сжигания топлива. Показано, что на всех широтах суша поглощала углекислый газ из атмосферы.

5. Исследовано изменение газообмена между атмосферой и океаном в течение индустриального периода. Определены районы поглощения и выделения С02 из океана.

6. На основе пространственной модели разработана точечная модель углеродного цикла в океане, функционирующая в среднегодовом режиме. С помощью точечной модели углеродного цикла произведены оценки изменения продуктивности растительности суши, получен прогноз температуры и содержания С02 в атмосфере к 2050 году.

Заключение

В данной работе представлена пространственная математическая модель глобальных циклов углерода и азота в системе атмосфера - океан, функционирующая в сезонном режиме с единицей времени 1 месяц. Выбранный при моделировании подход, при котором Мировой океан представлен системой взаимодействующих между собой блоков, оказался эффективным. С помощью относительно небольшого числа уравнений (для неорганического углерода и неорганического азота - по 633 уравнения) удалось воспроизвести пространственное и сезонное распределение углерода, азота, фито и зоопланктона в Мировом океане. Рассчитанные распределения характеристик углеродного и азотного циклов качественно и количественно соответствуют данным измерений.

Используя разработанную модель, оказалось возможным оценить роль экосистем суши и Мирового океана в формировании углеродного цикла в биосфере, как в невозмущенных условиях, так и в условиях реальных антропогенных выбросов.

Путем агрегирования пространственной сезонной модели были получены коэффициенты для точечной модели углеродного цикла в системе атмосфера океан. Разработанная точечная модель может быть легко, без затрат времени и вычислительных мощностей, использована как составляющая часть моделей глобального углеродного цикла в биосфере.

В целом, разработанная модель стала удобным инструментом для исследования последствий антропогенных нагрузок на биосферу.

Проведенные в рамках разработанных моделей исследования позволяют сформулировать следующие выводы:

Разработана пространственная сезонная математическая модель глобальных биогеохимических циклов углерода и азота в системе атмосфера -океан. Модель качественно и количественно адекватно воспроизводит динамику неорганического углерода и неорганического азота в океане и функционирование океанического планктона.

2. Произведены оценки роли морской биоты в глобальном углеродном цикле. Показано, что деятельность океанического планктона формирует зоны с высокими концентрациями неорганического углерода в высоких и умеренных широтах Южного полушария, в зонах апвеллинга и в северной части Тихого океана.

3. Проведены численные эксперименты, позволившие определить возможности Мирового океана поглощать С02 из атмосферы. Показано, что наличие у углекислого газа парникового эффекта замедляет, а деятельность морской биоты ускоряет процесс поглощения. Выявлена роль отдельных районов Мирового океана в процессе поглощения атмосферного углерода.

4. Рассчитан сезонный ход продуктивности экосистем суши. В предположении о зависимости годичной продукции экосистем суши от концентрации С02 в атмосфере произведен расчет поглощения С02 экосистемами суши на разных широтах в течение индустриального периода. Показано, что экосистемы суши поглотили ЮГтС из атмосферы, в то время как океан поглотил 71ГтС. Исследовано изменение газообмена между атмосферой и районами Мирового океана с 1860 по 1990 гг. Суммарное поглощение антропогенного углерода Мировым океаном в 1990 г. составило 2,09 Гт С-год'1. Годичная продукция фитопланктона составила 79 Гт С • год"1.

5. На основе пространственной модели разработана точечная модель глобального углеродного цикла в биосфере, позволяющая исследовать реакцию океана и экосистем суши на антропогенные воздействия.

6. Получен прогноз содержания углекислого газа в атмосфере и изменения температуры к 2050 году.

1. Андруз Дж., Бримблекумб П., Джикелз Т., Лисс П. Введение в химиюокружающей среды: Пер. с англ. М.: Мир, 1999. 271 с.

2. Ариэль Н.З., Бютнер Э.К., Строкина JI.A. Оценка скорости газообменачерез границу раздела океана и атмосферы // Изв. АН СССР. Физикаатмосферы и океана. 1981. Т. 17, № 10. С. 1056-1064.

3. Ариэль Н.З., Строкина JI.A. Динамические характеристикивзаимодействия атмосферы с поверхностью мирового океана. Л.:

4. Гидрометеоиздат, 1986. 48 с.

5. Атлас Океанов. МО СССР, 1974.

6. Бегельман Г.З., Тарко A.M. Модель глобального биосферного цикла углерода с высоким пространственным разрешением. М.: ВЦ РАН, 1999. 26 с.

7. Бортковский P.C. Тепло- и влагообмен атмосферы и океана при шторме. Л.: Гидрометеоиздат, 1983.

8. Бютнер Э.К. Планетарный газообмен О2 и СО2. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. 239 с.

9. Ганопольский A.B., Гусев A.M., Нефедов H.H. Климатическая интегральная модель деятельного слоя океана // Океанология, 1987. Т.27, №4. С. 573-578.

10. Гусарова А.Н. Использование химических параметров для оценки первичной продукции в Мировом окене // Химия морей и океанов. М.: Наука, 1995. С. 74-91.

11. Каган Б.А., Рябченко В.А. Нелинейная модель углеродного цикла в океане//Докл. АН СССР. 1981. Т.258, № 1. С. 212-215. Кобак К.И. Биотические компоненты углеродного цикла. Л.: Гидрометеоиздат, 1988. 248 с.

12. Кондратьев К.Я., Москаленко Н.И. Тепловое излучение планет. Л.: Гидрометеоиздат. 1977. 263 с.

13. Корж В.Д. Геохимия элементного состава гидросферы. М.: Наука, 1991. 243 с.

14. Крапивин В.Ф., Свирежев Ю.М., Тарко A.M. Математическое моделирование глобальных биосферных процессов. М.: Наука, 1982. 272 с.

15. Нефедова Е.И., Тарко A.M. Зональная модель глобального цикла двуокиси углерода в системе атмосфера океан // Океанология. 1995, Т. 35, № 1. С. 11-15.

16. Пархоменко В.П. Верификация климатической модели. М.: ВЦ АН СССР, 1988. 34 с.

17. Пархоменко В.П., Тарко A.M., ПерванюкВ.С. и др. Моделирование глобальных процессов системы "экология климат - экономика" с использованием метода многовариантных кооперативных расчетов //

18. Перванюк B.C., Тарко A.M. Моделирование глобального цикла углерода в системе атмосфера океан // Математическое моделирование, 2001. (в печати)

19. Романкевич Е.А. Геохимия органического вещества в океане. М. Наука. 1977. 256 с.

20. Романкевич Е.А., Ветров A.A. Потоки и массы органического углерода в океане // Геохимия, 1997. № 9. С. 945-952.

21. Рябченко В.А. Усовершенствованная модель сезонной эволюции углеродного цикла в океане // Докл. АН СССР, 1982. Т.267, № 4. С. 946949.

22. Bacastow R. Numerical evaluation of the evasion factor // Carbon Cycle Modeling, SCOPE 16. N.-Y., 1981. P. 95-101.

23. Bacastow R., Maier-Reimer E. Ocean-circulation model of the carbon cycle // Climate Dynamics. 1990. N 4. P. 95-125.

24. Fasham M.J.R., Ducklow H.W., McKelvie S.M. A nitrogen based model of plancton dynamics in the oceanic mixed layer // J. Mar. Res. 1996. Vol. 101. P. 3697-3713.

25. Maier-Reimer E., Haselmann K. Transport and storage of C02 in the ocean an inorganic ocean-circulation carbon cycle model // Climate Dynamics. 1987. N 2. P.63-90.

26. Pearman G., Hyson P. A global atmospheric diffusion simulation model for atmospheric carbon studies // Carbon Cycle Modeling, SCOPE 16. N.-Y., 1981. P. 227-240.

27. Sarmiento J.L., Hughes T.M.C., Stouffer R.J., Manabe S. Simulated response of the ocean carbon cycle to anthropogenic climate warming // Nature. 1998. Vol. 393. P. 245-249.

28. Takahashi T., Feely R.A., Wiess R. et al. Global air-sea flux of C02: an stimate based on measurements of sea-air pC02 difference // Proc. Nat. Acad. Sci. 1997. Vol. 94. P. 8292-8299.