Алтайский Краевой Инновационный Банк Данных
Министерство экономического развития Алтайского края
Управление инновационного развития и кластерной политики 
Алтайский Центр
Кластерного Развития
Инновации

Моделирование и прогноз изменений климата, агроклиматического потенциала и эффективности землепользования в Алтайском крае и Сибирском федеральном округе

Отношение к критическим технологиям:
Не определено


Контактная информация

Название организации
Учреждение Российской академии наук Институт водных и экологических проблем Сибирского отделения РАН


ФИО руководителя организации
Винокуров Юрий Иванович


Юридический адрес
656038, г. Барнаул, ул. Молодежная, 1


Почтовый адрес
656038, г. Барнаул, ул. Молодежная, 1


ФИО руководителя проекта:
Кирста Юрий Богданович


Аннотация проекта

Постановка и описание научной или научно-технической проблемы, решаемой в рамках Проекта
Предлагаемые исследования направлены на создание эффективной технологии математического моделирования, обеспечивающей научно обоснованные оценку и прогноз изменений мезоклимата, агроклиматического потенциала и эффективности землепользования в зернопроизводящих регионах, где основной зерновой культурой является пшеница. Исследования базируются на системном подходе к анализу сложноорганизованных природных систем, разработанном методе системно-аналитического моделирования и ГИС. Прогноз вышеуказанных характеристик будет осуществляться путем решения обратной задачи оптимизационными методами по имеющимся многолетним рядам урожаев зерновых и среднемноголетним метеорологическим данным на характеризуемой территории. Для этого будет использоваться разработанная универсальная имитационная модель агроклиматического потенциала территорий, описывающая с теоретически наилучшей точностью фенологическое развитие растений, влагообмен в почве и формирование урожая зерновых в зависимости от метеорологических условий. Будут оценены прошедшие и спрогнозированы будущие (до 2020 года) многолетние изменения температур, осадков, агроклиматического потенциала и эффективности землепользования для Алтайского края и Сибирского федерального округа с картографическим представлением климатических оценок


Современное состояние исследований в данной области науки, сравнение ожидаемых результатов с мировым
Одной из актуальных мировых проблем является достижение устойчивого развития зернопроизводящих регионов в условиях глобальных климатических изменений и нарушения стабильности климата. Особенно остро эта проблема стоит для зон рискованного земледелия, регионов с высокой степенью распаханности земель и постоянно усиливающейся сельскохозяйственной нагрузкой на них. Решение сформулированных в проекте задач обеспечивает возможность оптимизации структуры земельного фонда и систем земледелия на региональном уровне, а также выделения территорий, потенциально перспективных для сельскохозяйственного производства при современных изменениях климата. В основу решения будет положено оригинальное системно-аналитическое моделирование, позволяющее выполнить одновременную количественную оценку многолетних изменений агроклиматического потенциала, климатических трендов, тренда эффективности землепользования, а также сезонной и межгодовой динамики основных агроэкосистемных процессов.В связи с глобальными изменениями климата, которые приводят к значительному изменению природных условий, и связанного с этим природопользования, включая сельскохозяйственное производство, во всех развитых странах мира развернуты исследования по оценке последствий изменений климата. Важнейшим направлением здесь является оценка агроклиматического потенциала территорий на основе математических моделей, в том числе моделей продуктивности сельскохозяйственных культур (например, см. Drouet and Pages, 2003; Potter, 2004; Santos and Costa, 2004). Особое внимание в мировых исследованиях сейчас уделяется влиянию идущих климатических изменений на продуктивность зерновых. Кроме того, математические модели продуктивности начинают соединяться со спутниковой информацией и с пространственным ГИС-моделированием. Предлагаемый проект аналогов не имеет и включает передовую технологию одновременной оценки региональных климатических изменений, динамики агроклиматического потенциала и изменения эффективности землепользования в неразрывной связи с идущими региональными климатическими изменениями.Таким образом, теоретический и методический уровень предлагаемых исследований и ожидаемых результатов не ниже мирового, что также подтверждается рядом публикаций авторов в зарубежных рецензируемых журналах


Новизна подхода в решении обозначенной проблемы
Предлагаемый проект аналогов не имеет и включает передовую технологию одновременной оценки региональных климатических изменений, динамики агроклиматического потенциала и изменения эффективности землепользования в неразрывной связи с идущими региональными климатическими изменениями.


Описание области применения результатов научно-исследовательской работы
Выработка принципов регулирования и управления сельскохозяйственно-климатическими системами на региональном уровне с определением перспектив земледелия для Алтайского края и Сибирского федерального округа до 2020 года.


Имеющийся у коллектива научный задел по предлагаемому проекту, полученные ранее результаты, разработ
Коллектив имеет следующие важные оригинальные результаты исследовательских работ, которые будут применяться в заявленном проекте:1. Разработанный информационный системно-иерархический подход к анализу природных сложноорганизованных эволюционных систем [Kirsta, 1992, 2001, 2009, 2010]. Отечественные и зарубежные аналоги [Kristensen, 2003; Schulte, 2003; Fath, 2004; Svirezhev, 2004] менее эффективны и не позволяют решить поставленные в проекте задачи.2. Эффективное системно-аналитическое моделирование сложноорганизованных природных систем, с помощью которого уже установлены адекватные реальным сезонные и межгодовые закономерности функционирования агроэкосистем зерновых [Kirsta, 2006a, 2006b, 2009]. Данное моделирование позволяет выявлять и адекватно характеризовать системами имитационных уравнений структурно-функциональную организацию эволюционных динамических систем, причем с теоретически обоснованной по системно-иерархическому подходу наилучшей точностью [Кирста, 2009]. Отечественные и зарубежные аналоги отсутствуют.3. Разработана модель агроклиматического потенциала, которая успешно апробирована на примере зернопроизводящих зон России и США в целом [Kirsta, 2006a, 2006b]. Для каждой зоны использовались статистические данные об урожаях зерновых и отвечающие территориям среднемноголетние месячные температуры воздуха и осадки, рассчитанные с помощью ГИС ArcView по данным Digital Atlas of the World Water Balance (GisHydro97).4. Разработанный в рамках системно-аналитического моделирования специальный пакет компьютерных и ГИС-программ [Кирста, и др., 2005], использующий ряд вычислительных и оптимизационных методов для решения указанной в пункте 4.3 обратной задачи. Пакет обеспечивает многократный просчет сложных математических моделей с одновременной обработкой больших массивов данных по динамике исследуемых природных систем (десятки тысяч единиц хранения) и оптимизационным подбором до 100 параметров моделей.5. Установленная периодичность многолетних рядов приземных температур и циркуляции атмосферы на юге Западной Сибири [Зинченко, и др., 2009].6. Авторские макеты среднемасштабных ландшафтных карт на территорию исследований [Ротанова, и др., 2007].В целом коллектив заявленного проекта имеет более чем 20-летний опыт работ по анализу природных комплексов и математическому моделированию динамики экосистем и агроэкосистем под воздействием меняющихся климатических и антропогенных факторов, обладает 10-летним опытом создания и использования различных ГИС.С 2001 г. по настоящее время по заданию Главного управления природных ресурсов и охраны окружающей среды МПР России по Алтайскому краю Институтом водных и экологических проблем СО РАН ведутся работы по созданию геоинформационных систем, ориентированных на использование службами управления природопользованием. Создана серия эколого-географических карт, отражающих состояние окружающей среды региона. Важное место в работах Института занимает разработка региональных моделей устойчивого развития сибирских регионов, комплексных программ регионального развития. Институт выполняет большой объем прикладных научно-исследовательских работ по заданиям органов государственной власти субъектов РФ (Алтайский край, Республика Алтай, Кемеровская, Новосибирская и Томская области), хозяйственных и иных организаций (http://www.iwep.ru).


Перечень основных публикаций и публичных выступлений, в которых отражены достигнутые результаты научно-исследовательских работ по проекту
-


Перечень международных, федеральных, региональных и муниципальных конкурсов, в которых проект был признан победителем
-


Текущая стадия разработки проекта
Научно-исследовательская работа


Патентная чистота научно-технического задела, его защищенность
Данный вопрос не рассматривался


Тип научно-исследовательской работы
Поисковые проблемно-ориентированные исследования


Описание основных ожидаемых научных результатов
1. С помощью ГИС будет сформирована база данных по среднемноголетним среднемесячным температурам и месячным осадкам, а также по многолетним рядам урожаям (с 1955 года) для отдельных областей Сибирского округа, включая Алтайский край.2. Будет определена количественная связь (через параметры математической модели) агроклиматического потенциала исследуемых территорий с климатическими факторами. Рассчитываемый по модели потенциал, во-первых, будет адекватно учитывать весь комплекс основных факторов среды, влияющих на развитие и продуктивность зерновых. Во-вторых, он будет сопоставим с их среднемноголетней урожайностью – основной характеристикой, используемой в сельском хозяйстве. Среднемноголетнее значение потенциала будет совпадать с этой урожайностью. Третьим преимуществом потенциала будет возможность оценки с помощью математической модели его межгодовых изменений и выполнение долгосрочных прогнозов. В четвертых, он позволит оценить многолетнюю реакцию системы землепользования на широкий спектр процессов, направленность и темп протекания которых определяются как неконтролируемыми погодными условиями, так и контролируемыми человеком воздействиями на агроэкосистемы, например, использованием районированных сортов культур и специализированных агротехнологий. В пятых, потенциал позволит оценивать степень его адекватности конкретным территориям путем сравнения рассчитанных по математической модели и наблюдаемых урожаев, тогда как для традиционно используемых потенциалов такая оценка невозможна в принципе. Наконец, полученные оценки потенциала позволят выбирать наиболее оптимальную стратегию использования земель и проводить мониторинг эффективности их использования в меняющихся климатических условиях. В свою очередь, это даст возможность сохранять максимально высокий уровень сельскохозяйственного производства в целом.3. В ходе исследования впервые будет разработана методика прогноза климатических изменений и агроклиматического потенциала по площадям возделывания зерновых, которая требует только данных наблюдений за среднемноголетними месячными температурой, осадками и погодовыми урожаями зерновых. При этом методика прогнозов может быть распространена на другие зернопроизводящие регионы России.4. Будут оценены прошедшие и спрогнозированы будущие (до 2020 года) многолетние изменения температур, осадков, агроклиматического потенциала и эффективности землепользования для Алтайского края и Сибирского федерального округа. Подобные прогнозы изменений климата и потенциала выбранного региона сейчас отсутствуют. В то же время, достижение устойчивого развития Сибирского региона России, и Алтайского края в частности, в условиях ограниченности агроклиматических ресурсов и идущих изменений климата (потепления и нарушения устойчивости климатических процессов) является в настоящее время актуальной задачей.5. С помощью ГИС будет осуществлено картографическое представление климатических прогнозов для исследуемых территорий. Одновременное использование ГИС-технологий и математического системно-аналитического моделирования позволит систематизировать и характеризовать информацию в пространственно-временном аспекте с визуализацией результатов исследований.6. Будет подготовлен годовой отчет по проекту с представлением результатов работы в виде научных публикаций в рецензируемых изданиях.


Ожидаемая научная, научно-техническая продукция
Прогноз изменений климата и агроклиматического потенциала исследуемых территорий до 2020 г. (включая Алтайский край), зависящего от уровня сельскохозяйственных технологий и региональных климатических изменений. С помощью ГИС будет осуществлено картографическое представление климатических прогнозов для исследуемых территорий.


Срок реализации Проекта (месяцев)
12


Необходимый объем финансирования (тыс. руб.)
275


Ключевые слова

-


Графические, презентационные, текстовые и иные материалы к проекту

-