В рамках направления "Биофизика, радиобиология, математические модели в биологии, биоинформатика" программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013 - 2020 годы ФИЦ "Красноярский научный центр СО РАН" реализует следующие бюджетные проекты: 

• Модельно статистический анализ взаимодействия различных иерархических уровней системы биосфера-климат в условиях глобального потепления

Проект

Модельно статистический анализ взаимодействия различных иерархических уровней системы биосфера-климат в условиях глобального потепления

Ключевые слова

малоразмерные модели системы биосфера-климат, скачкообразные изменения климата, множественные состояния системы биосфера-климат, дистанционное зондирование, квазистационарные климатические зоны

Цель исследования

При построении концептуальной модели взаимодействия биосферы и региональных экосистем невозможно рассматривать все региональные экосистемы. Необходимо выделить небольшой набор наиболее значимых и/или наиболее показательных региональных экосистем.

Тундровые экосистемы представляют собой очень важный объект для исследования процессов взаимодействия СБК в целом и входящих в нее региональных экосистем. Дело в том, что с одной стороны, полярные регионы подвергаются наибольшему воздействию глобального изменения климата, а значит, волею природы, являются модельным объектом для изучения экологических последствий таких воздействий. С другой стороны, огромные залежи органического углерода в грунтах вечной мерзлоты (более 1000 Гт ), в сочетании с повышенными темпами изменения климата в полярных регионах, могут способствовать активизации потенциально опасной обратной связи, которая может оказать значительное влияние на темпы глобальных изменений. Учет этих фактов практически формулирует "техническое задание" на концептуальную модель тундровой экосистемы в нулевом приближении – модель должна оценить возможность обратного влияния потепления в полярных регионах на ход глобальных процессов.

Цель работы состоит в построении малоразмерной модели, учитывающей обратные связи между региональными системами и системой «биосфера-климат» в целом и способной описывать множественные состояния СБК и возможные пороговые переключения между этими состояниями.

В ходе выполнения проекта предполагается: провести статистический анализ различных параметров региональных экосистем и СБК, направленный на выявление ключевых закономерностей динамики этих параметров; построить малоразмерную модель, способную строить достаточно адекватные сценарии изменений климата и биоты для выделенных региональных экосистем и биосферы в целом; построить семейство возможных сценариев отклика региональных экосистем и СБК на различные природные и антропогенные воздействия с особым акцентом на оценку возможности пороговых переключений этих систем.

Актуальность

Прогнозирование реакции биосферы и региональных экосистем на наблюдаемые и ожидаемые изменения климата при различных сценариях антропогенного воздействия или под действием естественных причин является фундаментальной проблемой, имеющей очевидное прикладное значение. Прогноз состояния системы «биосфера-климат» (СБК) осложняется ее принципиальной нелинейностью, способной порождать множественные стационарные состояния системы и пороговые переключения между этими состояниями, которые наблюдаются для климатических и экологических показателей.

Быстрые переключения между стационарными состояниями вызывают особые опасения, поскольку момент переключения сложно предсказать, и кроме того, есть вероятность, что следующий стационарный уровень температуры может существенно ухудшить качество жизни большей части человечества. Наличие климатических переключений заставляют усомниться в адекватности, а значит и эффективности использования регрессионных моделей для прогноза динамики СБК. Единственным инструментом осуществления такого прогноза являются механизменные или процессные математические модели СБК и региональных экосистем. Однако построение детальных моделей региональных экосистем, не говоря уже о СБК, наталкивается на практически непреодолимый барьер сложности.

Единственным приемлемым подходом к решению этой проблемы видится в построении ряда предельно простых, но последовательно усложняющихся концептуальных моделей СБК и региональных экосистем. Адекватность этих моделей проверяется путем сопоставления модельной динамики с данными дистанционного зондирования. Данный подход позволяет выделить ключевые свойства изучаемой системы и тем самым получить представление о возможных последствиях изменений климата и антропогенного воздействия, а также сформулировать принципиальные вопросы для экспериментального исследования этих систем.

Руководитель проекта

Дегерменджи Андрей Георгиевич доктор физико-математических наук, Академик РАН заведующий лабораторией Институт биофизики СО РАН +7 391 2431579 ibp@ibp.ru