Введение к работе
з гуальность темы
цели энерго- и массообмена (ЭМО) класса 'ТІочва-Растительность-Атмосфе-Іеренос" (ПРАП) (Soil-Vegetation-Atmosphere-Transfer (SVAT)) в настоящее мя являются основным инструментом, используемым при математическом сании физических и биологических процессов, контролирующих перенос печной радиации, тепла, влаги, атмосферных газов и аэрозолей между земной ерхностью и атмосферой. Они широко используются в моделях климата, в (елях Общей Циркуляции Атмосферы (ОЦА), при решении "обратных" задач ^станционном зондировании, при моделировании продукционного процесса ьскохозяйственных посевов, а также при решении широкого класса приклад-: задач современного экологического мониторинга и задач климатического пгозирования. Модели имеют различные степени сложности и детализации и дая из них, в той или иной степени, включает в себя различные численные и [ельные упрощения реальных природных процессов, а также факторов опре-яющих эти процессы.
работанные в настоящее время ПРАП модели значительно различаются по ієни сложности и описывшот процессы ЭМО в различных пространственных отдельного листа, растения (дерева) до отдельной экосистемы, ландшафта и тона) и временных (от нескольких секунд до месяца, года) масштабах. К со-!ению, в большинстве случаев они не могут быть использованы, для решения а прикладных задач экологического и климатического мониторинга обшир-: территорий земной поверхности покрытых лесной растительностью в силу гй неадаптированности к описанию процессов ЭМО в лесных экосистемах. іме того, в большинстве разработанных универсальных и специализирован-: моделей для описания процессов ЭМО между земной поверхностью покры-
лесом и атмосферой в локальном и региональном масштабе (например, <\ESTRO", "Forest-BGC", "SPAC" и др.) используется или довольно упрощен-
(однослойное) описание процессов ЭМО (например, модели, основанные на ользовании уравнения Пенмана-Монтисса), что в принципе достаточно для сания процессов ЭМО в региональном масштабе, однако недостаточно - в ло-ьном масштабе, или концентрируется внимание только на описании некото-: отдельных процессов (например, "MAESTRO" (трехмерная модель фотосин-I и переноса солнечной радиации в растительном покрове (РП)), "SPAC" (мо-ь водного режима РП)), что не совсем приемлемо при решении, например, плексной задачи оценки чувствительности и устойчивости лесных экосистем
4 к внешним воздействиям. В некоторых случаях, использование в моделях мно численных неунифицированных эмпирических приближений и констант так делает невозможным широкое применение подобных моделей к различным : дам лесной растительности.
Таким образом, поскольку в настоящее время не существует общепринятой к< плексной, откалиброванной ПРАП модели, адекватно описывающей процес ЭМО в лесных и, в частности, в хвойных экосистемах, для решения широкі спектра прикладных задач современного экологического мониторинга и за, климатического прогнозирования появилась необходимость создания новой кі плексной ПРАП модели для описания процессов Н20 и ССЬ-обмена в лесг экосистемах в локальном и региональном масштабе. Цели и задачи работы. Основными целями данной работы являлись:
разработка шестислойной одномерной нестационарной ПРАП модели для а
кватного описания процессов тепло-, влаго- и углеродного обмена в сиси
"почва - лес - приземный слой атмосферы", основанной на комплексном о
сании процессов тепло, Н2О и СОг обмена между РП и атмосферой, и объе
няющей в единое целое детальное описание микроклиматических услови
приземном слое атмосферы и в РП, гидрологического режима РП и поч
экофизиологических процессов (устьичной проводимости, фотосинтеза и ,
хания растений) на уровне листа и на уровне РП в целом; и
проверка адекватности разработанной модели на независимом материале.
С этой целью решались задачи:
нахождения оптимальной численной схемы расчета и стыковки различі блоков модели, описывающих радиационный, тепловой, углеродный и воді режим лесной экосистемы;
калибровки основных параметров модели (устьичной проводимости, инт сивности фотосинтеза и дыхания, интенсивности транспирации);
проведения комплексных полевых гидрометеорологических измерений, сб и анализа данных наблюдений на станции лесного мониторинга в Золли для проверки адекватности разработанной модели.
Кроме того, на основании разработанной ПРАП модели решалась задача прс дения оценки чувствительности основных составляющих водного и углеродн балансов РП к изменению параметров внешней среды и оценки возможной ре ции эвапотранспирации, транспирации и фотосинтеза лесной экосистемы на менения внешних гидрометеорологических параметров, имитирующих разл ные возможные климатические сценарии.
5 :ачестве основного объекта исследований был выбран еловый лес (Picea abies) оллинговском Национальном парке (Центральная Германия). Выбор данного Зекта был обусловлен наличием для данной территории обширного банка экс-)иментальных данных, включающего результаты долгосрочных, непрерыв-х, комплексных микроклиматологических, гидрологических, экофизиологи-;ких, ботанических, геохимических и почвенных исследований необходимых і проведения надежной верификации и калибровки ПРАП модели, а также от-ствием подобных исследовательских полигонов в России. учная новизна предлагаемой работы заключается в следующем: шработана универсальная ПРАП модель, позволяющая комплексно и адек-sanio описать процессы переноса радиации, тепла, влаги, углекислого газа лежду хвойным (в частности еловым) лесом и атмосферой в различном пространственном (от отдельного листа до лесной экосистемы) и временном (от 1 іаса до всего вегетационного периода) масштабе с шагом по времени от 15мннутдо 1 часа;
модель проверена на независимом материале, полученном в ходе прямых ре-кимных микроклиматических, гидрологических и экофизиологических наблюдений в течение 1993-97 годов на станции лесного мониторинга "Золлинг" Гёттингенского Университета;
зыполнена комплексная калибровка входных параметров для параметризации /стьичной проводимости и интенсивности фотосинтеза хвои ели разного структурного типа, заданного возрастом и положением в кроне; га основе численных экспериментов показана чувствительность основных эиологически контролируемых параметров и потоков (устьичное сопротивле-іиє РП, интенсивность транспирации и фотосинтеза) с использованием методики многокомпонентного анализа, основанного на методе Монте-Карло; юказана возможность использования разработанной модели для решения при-спадной задачи оценки возможной реакции основных составляющих водного 1 углеродного балансов еловой экосистемы на изменения внешних гидрометеорологических параметров.
іактнчсская значимость. Построенная комплексная ПРАП модель ЭМО мо-г быть использована для решения различных прикладных задач климатологи-жого и экологического мониторинга лесных экосистем в различном прост-іственном и временном масштабе (исследование устойчивости и деградацион-"О риска лесных экосистем; обоснование выбора параметров, подлежащих мо-горингу; исследование реакции основных составляющих водного и углеродно-
6 го баланса лесных экосистем на изменения условий окружающей среды; време ная и пространственная интерполяция результатов измерений потоков теш И20 и С02 в лесных экосистемах; и.т.д.).
Эмпирические параметры, полученные в ходе калибровки модели, включены Европейский "экофизиологический" банк данных для лесных экосистем и мог быть использованы в других ПРАП моделях.
Результаты оценок чувствительности основных составляющих водного и уп родного балансов лесного РП к изменению параметров внешней среды мог быть использованы для оптимизации существующих и создания новых модел ЭМО разной степени сложности.
Разработанная модель может быть использована в качестве одного из блок комплексных моделей гидрологического цикла в региональном и глобальн масштабе.
Апробация работы. Разработанная ПРАП модель в настоящее время уже бы использована и используется при моделировании процессов ЭМО различи лесных экосистем в рамках нескольких международных проектов: "Оценка і клика бореальной лесной экосистемы на климатические изменения" (INTAS ! 1570); "Реакция водных потоков бореалыюго лесного региона в истоках Во; на климатические и природно-хозяйственные изменения" (VOLGAFORE (INCO-COPERNICUS), ІС15-СТ98-0120); "Научные основы комплексного г. бального экосистемного мониторинга, включая мониторинг в биосферных заі ведниках и других охраняемых территориях" (FKZ 809 01 005); "Углеродньи водные потоки средиземноморских лесов и влияние изменения землепользо ния" (MEDEFLU, ENV-CT97-0455); "Долговременное исследование потоков лекислого газа и водяного пара в Европейских лесах и их взаимодействие с к матической системой" (EUROFLUX, ENV4-CT95-0078), "Динамика лесных э систем: биофизический контроль углеродного и водного балансов в лесных э системах" (FKZ-BMBF 0339474В). Кроме того, разработанная модель исполь вана при выполнении плановых тем лаборатории биогеоценологии им. В.Н.Су чева Института проблем экологии и эволюции им. А.Н.Северцова РАН. В настоящее время планируется использование модели в качестве одной из ба вых моделей в нескольких новых международных исследовательских проек Министерства Науки и Технологий Германии (BMU), Немецкого Общества Ф даментальных Исследований (DFG) и Комиссии Европейского Сообщества (Е направленных на исследование процессов взаимодействия лесов и окружаюіі среды в Германии, Венесуэле и Индонезии.
7 бликании.
теме диссертации опубликовано 43 работы (11 статей и 32 тезиса докладов), ! научные статьи находятся в печати.
пуктура її объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, точения, списка литературы и приложений. Общий объем работы составляет I- страницы, в том числе 2 страницы приложений, 47 рисунков, 12 таблиц, исок использованной литературы содержит 115 наименований.
