Введение к работе
Актуальность темы. Исследования последних лет показывают, что для успешного продвижения теории и построения моделей естественных процессов необходимо развивать комплексные исследования по изучению взаимосвязанных процессов, определяющих формирование строения и функционирование экологических систем на различных уровнях их организации. При проведении таких разработок большая роль должна отводиться исследованиям в фундаментальных отраслях науки об окружающей среде: агрофитоэкологии, агрофизике, физиологии растений, климатологии, и других дисциплин. Можно отметить, что примеры наиболее удачных разработок, ориентированных на решение экологических аспектов указанных дисциплин, показывают, что успех внедрения результатов научных исследований в практику экологического мониторинга и в природоохранную деятельность во многом зависит от исследований, способствующих развитию наименее разработанных проблем экологической науки. К их числу относится и важнейшая проблема описания взаимодействия между экологическими системами и их растительным компонентом и гидрометеорологическим окружением. В этой связи принципиально важной и весьма актуальной является задача определения возможности применения предпосылок теории равновесных процессов к описанию функционирования природных комплексов различной структуры и компонентного состава, которые в принципе представляют собой неравновесные нелинейные открытые системы, процессы в которых практически всегда нестационарны.
В рамках этой общей проблемы весьма актуальными являются модельные разработки, касающиеся описания динамики многомерных микро- и мезомасштабных явлений в сложных агрофитогеоценозах. Однако, важно заметить, что в последние годы этим вопросам и в особенности мезомасштабному моделированию уделялось явно недостаточное внимание. Выполненные до настоящего разработки касались в основном развития параметризированных схем расчета суммарных показателей функционирования агрофитоценозов, которые лишь интегрально могут характеризовать их энерго- и массообмен. Вопрос о вертикальном и горизонтальном разрешении для этих характеристик решался весьма схематично.
Очевидно, что многомерное мезомасштабное моделирование процессов в пространственно - неоднородных экосистемах является одной из наиболее сложных задач в количественной экологии. Сложность ее решения не в проследнюю очередь определяется ограниченным количеством данных натурных измерений. В то же время общепризнанным является то, что для обоснования программ экологического мониторинга и для решения прогностических задач экологической науки это направление исследований несомненно актуально.
Цель работы. В рамках указанной проблемы и с учетом современного уровня развития мезомасштабных моделей энерго- и массообмена агрофитоценозов при выполнении диссертационной работы была определена цель исследования, которая заключалась в построении мезомасштабной модели турбулентного течения в пограничном слое атмосферы над естественной неоднородной подстилающей поверхностью, покрытой растительностью. Модель должна включать расчет основных характеристик энерго- и влагообмена фитоценоза и учитывать трехмерную его архитектуру.
Достижение указанной цели осуществлялось при последовательном решения следующих задач:
- Оценка наиболее существенных факторов, формирующих водный и тепловой
режим фитометеорологической системы и пограничного слоя атмосферы над ней в
случае горизонтальной неоднородности их строения и нестационарности процессов
переноса тепла и влаги.
- Построение трехмерной модели нестационарного метеорологического
режима системы "агрофитогеоценоз - пограничный слой атмосферы".
- Разрабоїка инициального алюршма и ею реализация на современных
ПЭВМ.
Проведение численных экспериментов для оценки чувствительности блоков модели к вариациям параметров строения растительности и характеристик окружсния.
Комплексные расчеты мезомасштабных гидрометеорологических явлений в пограничном слое атмосферы с учетом конкретной структуры естественной поверхности, покрытой растительностью.
Методическую основу исследования составляет метод компьютерного моделирования, базирующийся на физически обоснованном описании механизмов энерго- и массообменных процессов и их последующей математической реализации; разработка алгоритма и анализ численных экспериментов по построенной модели.
Научная новизна диссертационной работы:
Построена замкнутая трехмерная модель нестационарного
метеорологического режима системы "фитоценоз - пограничный слой атмосферы", учитывающая детали трехмерной структуры растительности.
- Впервые для такого класса мезомасштабных моделей применена методика
расчета радиационного поля в неоднородной растительности, базирующаяся на
параметрическом статистическом описании.
Решена задача расчета детализированного температурного режима фитоэлементов.
Реализованы наиболее полные аппроксимационные зависимости для интегральных коэффициентов тепло - и влагообмена фитоэлементов при разных режимах течения;
Проведены комплексные численные эксперименты, направленные на изучение особенностей теплового и водного режима агрофитоценозов в зависимости от структуры растительности и условий окружения.
Определены возможности использования построенной модели для решения прикладных экологических задач.
Проведена верификация модели с привлечением данных натурных измерений в естественной лесной экосистеме.
Практическая значимость работы. Диссертационное исследование
выполнялось в рамках Российско - Германского проекта "Научные основы
комплексного глобального экосистемного мониторинга, включая мониторинг в
'биосферных заповедниках и на других охраняемых территориях", проводимого
согласно Межправительственному Соглашению о сотрудничестве в области охраны
окружающей среды. Результаты исследований использованы при разработке
комплексной экологической модели Центрального Лесного Биосферного
Заповедника России, включающей согласованный набор математических моделей различного пространственно - временного масштаба, адаптированных к еловым лесным системам. Модель использовалась для обосновании набора параметров функционирования лесной экосистемы, которые должны включаться в систему экологического мониторинга, а также требований к точности, частоте и пространственному разрешению измерений. Реализованный модельный подход может быть использован для обоснования рекомендаций по реализации программ мониторинга применительно и к другим лесным экосистемам. В численных экспериментах показано, что, построенная модель может быть использована для обоснования полезащитных агролесомелиоративных мероприятий.
Публикации. По теме диссертации опубликованы и сданы в печать 6 публикаций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, перечня основных результатов и выводов и списка литературы. Общий объем работы - 148 стр., в их числе 22 рисунка, 5 таблиц и библиография, включающая 286 наименований, из которых 190 иностранных.