Математичні моделі процесів емісії та стоку вуглекислого газу в лісовому господарстві та при змінах землекористування

Abstract

Розв’язано комплекс задач, які у сукупності вирішили науково-прикладну проблему математичного моделювання процесів емісії та стоку СО2 у лісовому господарстві та при змінах землекористування для підвищення ефективності прийняття природоохоронних управлінських рішень щодо пом’якшення зміни клімату на глобальному, регіональному та національному рівнях. Зокрема, розроблено метод моделювання вуглецевого балансу лісової екосистеми, з врахуванням таксаційних параметрів деревостану; метод геопросторового моделювання процесів лісокористування та зміни землекористування на глобальному рівні із врахуванням взаємного впливу цих процесів; метод моделювання процесу просторового поширення знеліснення для глобальної геопросторової моделі G4M; метод моделювання процесу прийняття рішень щодо заготівлі заданої кількості деревини та зменшення емісій СО2 від лісокористування при збереженні заготівлі деревини на рівні регіону; метод ідентифікації параметрів G4M (для моделювання процесів зміни землекористування) за даними міжнародних організацій. З використанням розроблених методів створено математичні моделі та проведено аналіз похибок моделей. Розроблено схеми взаємозв’язку G4M з іншими моделями для формування комплексів моделей для інтегральної оцінки. Решен комплекс задач, которые в совокупности разрешили научно-прикладную проблему математического моделирования процессов эмиссии и стока СО2 в лесном хозяйстве и при изменениях землепользования для повышения эффективности принятия природоохранных управленческих решений по смягчению изменения климата на глобальном, региональном и национальном уровнях. В частности, разработан метод моделирования углеродного баланса лесной экосистемы с учетом таксационных параметров древостоя; метод геопространственного моделирования процессов лесопользования и изменения землепользования на глобальном уровне с учетом взаимного влияния этих процессов; метод моделирования процесса пространственного распространения вырубки лесов для глобальной геопространственной модели G4M; метод моделирования процесса принятия решений по заготовке заданного количества древесины и уменьшения эмиссий СО2 от лесопользования при сохранении заготовки древесины в регионе; метод идентификации параметров G4M (для моделирования процессов изменения землепользования) за данными международных организаций. С использованием разработанных методов созданы математические модели и проведен анализ погрешностей моделей. Разработаны схемы взаимосвязи G4M с другими моделями для формирования комплексов моделей для интегральной оценки. The dissertation is devoted to the actual scientific and applied problem of mathematical modeling of CO2 emissions and sinks in land use change and forestry (LUCF) in order to increase the effectiveness of decisions on climate change mitigation at the global, regional and national levels. The 1st chapter analyzes the global CO2 budget, the main processes of carbon cycle in forest ecosystems and mathematical models used for studying processes related to CO2 budget. The 2nd chapter is devoted to development of methods and mathematical models for modeling the carbon budget of forest ecosystems. The 3rd chapter considers the mathematical modeling of forest management (FM) and land use change (LUC) processes and the development of the geospatial mathematical model of FM and LUC - G4M. The 4th chapter describes the validation of the G4M model. In the 5th chapter we give examples of the practical application of the G4M model, describe the schemes of data exchange between G4M and other models for the formation of modelling frameworks for integrated assessments. The 6th chapter considers methods for estimating emission uncertainties and the effect of uncertainties on decision making. Based on the models developed in the 2nd and 3rd chapters computer simulation tools were elaborated. A method for modeling of carbon budget of a forest ecosystem combining processes of carbon cycle and tree-stand taxation parameters is developed. The structure of the mathematical model of the carbon budget of a forest ecosystem has been improved taking into account the available data on forest ecosystems and climatic conditions in Ukraine by introducing additional reservoirs and flows of carbon that makes it possible to account for the dependence of the intensity of the carbon cycle processes on age of the tree stands, as well as reproduce the age and seasonal dynamics of the carbon cycle processes more adequately. A mathematical model of phenological processes in beech and oak forests of the Ukrainian Carpathians is developed based on observational data; the model takes into account the time shift of these processes due to climate change and gives an opportunity to reproduce the seasonal dynamics of carbon cycle processes more adequately. These developments are used for creation of mathematical models of tree stands, which are used to analyze the dynamics of carbon stocks in the components of forest ecosystem during afforestation. A method for geospatial modeling of FM and LUC processes at the global level is developed. The method takes into account the interdependence of these processes, as well as trade in harvested wood, and afforestation and deforestation, making it possible to consistently analyze and project these processes depending on the economic development and CO2 emission limitations. A method for modeling the process of decision-making on harvesting a given amount of wood and reducing FM CO2 emissions while preserving the harvest amount at the country or region level is developed for G4M; it is based on the principle of maximizing net present value, combining information on the harvesting of wood at various geospatial levels (regions, countries and individual raster cells) and gives an opportunity to simulate logging process and implementation of environmental policies. A method for identification of the G4M parameters reflecting the processes of afforestation and deforestation at the local level and taking into account data on afforestation, deforestation and the trend of changes in forest area at the national level is developed; the method makes it possible to reproduce historical LUC CO2 emissions in countries, as well as projecting emissions for different scenarios of socioeconomic development and CO2 prices. The methods and an algorithm for estimating the CO2 emissions from biomass, litter, soil and wetlands are used to improve the G4M model. G4M is used to analyze strategies of CO2 emission reduction at global, regional and national scales. In particular, G4M was applied to assess the effectiveness of the CO2 emission reduction policy for Ukrainian forests under various socio-economic scenarios; for numerical assessment of the Shared Socio-economic Pathways together with scenarios of Representative Concentration Pathways; for the analysis of the potential and costs of using land and forest resources by EU countries; creation of a reference scenario for LULUCF greenhouse gas (GHG) emissions by 2050 for EU countries; for preparation of the European Commission (EC) assessment of the impact of sustainable bioenergy use in EU countries; to support the decision of the EC to reduce LULUCF GHG emissions; preparing scenarios for enhanced emission reduction measures for countries that emit most of the GHGs; preparation of an integrated assessment of climate change mitigation and adaptation in developing countries for the World Bank; analysis of synergy measures to reduce CO2 emissions from deforestation and the risk of species extinction, etc.