Лаборатория математической экологии (ЛМЭ)

Основные направления исследований:

• Природные экосистемы
• Экология и энергетика города
• Математическое моделирование
• КОмплексная Модель БОлотных ЛАндшафтов (КОМБОЛА)

Природные экосистемы

Эмиссии метана из природных экосистем северных районов на участке южной тундры Западной Сибири и на таёжных озёрах Национального парка «Паанаярви» (Карелия), исследованные методом статических камер для тундровой зоны, в летний период медианы распределений потока метана имеют следующие значения (мг СН ₄ /м ² /ч): для торфяных возвышений болот  — 0.01, в понижениях (мочажинах) болот  — 4.6, для суходольных экосистем  — -0.05, для термокарстовых озёр  — 0.5. Таким образом, суходолы тундры в теплый период являются стоком атмосферного метана. Для потоков метана из небольших таёжных озёр Карелии характерны следующие значения медиан (мг СН ₄ /м ² /ч): 4.5 для глубоководий, 14.9 для прибрежных мелководий. Для озёра Паанаярви характерна небольшая эмиссия метана  — около 0.6 мг СН ₄ /м ² /ч.

Образование метана в озёрах не прекращается и в зимний период. Во время весеннего таяния льда на озёрах происходит выброс вмерзшего в лед и скопившегося за зиму подледного метана. Полученные предварительные оценки показывают, что кратковременный выброс метана при таянии льда на исследованных озёрах тундры составляет 20–45% от эмиссии метана из этих озёр за теплый период.

Экология и энергетика города

Направления:

• изучение антропогенных потоков тепла крупнейших мегаполисов мира;
• изучение влияния региональных изменений климата на энергопотребление городского хозяйства мегаполисов России;
• статистическое моделирование концентраций загрязняющих веществ и изучение влияния метеорологических условий на концентрацию загрязняющих веществ в атмосфере города Москвы.

Аномально жаркое лето 2010 года в Москве

Продолжительная жара со среднесуточной температурой свыше 250С и дым от природных пожаров привели к увеличению смертности в июле-августе более чем в полтора раза по сравнению со средними значениями. Выполненная в ЛМЭ оценка максимально возможной температуры воздуха в Московском регионе в условиях устойчивого антициклона оказалась близка к наблюдавшимся в 2010 году температурам.

Математическое моделирование

Сотрудники лаборатории развивают матричные модели динамики популяций с дискретными структурами; анализируют полученные данных при помощи простых регрессионных моделей и методов статистического анализа; моделируют спектры излучения в атмосфере с учётом молекулярного поглощения, рассеяния и поляризации; совершенствуют модели глобального цикла углерода и биотических компонент климатической системы; модели болотных экосистем, исследуют отклик растительного покрова на возможные климатические изменения.

Разработан новый класс матричных моделей динамики популяций с двойной структурой для видов, жизненный цикл которых можно представить как орграф на целочисленной решетке состояний. Применяя аппарат неоднородных цепей Маркова для моделирования сукцессий, развивается методика прогнозирования локальных изменений растительного покрова при заданном сценарии глобальных изменений климата.

На основе биоклиматической модели продуктивности растительности Лаборатории и климатической модели ИФА РАН определены территории России, на которых вероятны существенные изменения продуктивности и структуры растительного покрова к концу 21 в. под воздействием ожидаемых климатических изменений. Полученные результаты указывают на мозаичный характер возможных изменений растительности внутри современных ареалов. Годовое депонирование углерода экосистемами на территории России может увеличиться на 30–55%.

КОмплексная Модель БОлотных ЛАндшафтов (КОМБОЛА)

Предназначена для оценки роли основных типов болотных ландшафтов в биологическом круговороте, моделирования генерации и эмиссии парниковых газов с поверхности болот и их реакции на климатические изменения и хозяйственные воздействия.

История лаборатории

В сентябре 1976 года по инициативе академика Никиты Николаевича Моисеева в Вычислительном Центре Академии Наук СССР была образована новая Лаборатория математической экологии (первое научное подразделение в нашей стране с подобным названием), которую возглавил Юрий Михайлович Свирежев. В начале 90-х годов часть Лаборатории во главе с Ю. М. Свирежевым перешла в Институт физики атмосферы РАН, образовав Лабораторию математической экологии в ИФА. В 1992 г. Ю. М. Свирежев был приглашен возглавить Отдел системного анализа в Институте изучения последствий изменения климата (Потсдам, Германия). Два года ЛМЭ руководил К. В. Чевелев, а затем с 1994 по 2022 г. Л. Л. Голубятников. В 2002 г. заведующим Лабораторией стал заместитель директора ИФА РАН по науке А. С. Гинзбург, который руководит работой ЛМЭ и по сей день.

В последнюю четверть ХХ века под руководством Ю. М. Свирежева получены общие уравнения динамики эволюционирующих популяций, построена математическая теория генотипического полиморфизма в популяциях, разработана теория устойчивости биологических сообществ. Результаты работы Лаборатории в составе ВЦ АН СССР опубликованы в монографии Ю. М. Свирежева и Д. О. Логофета «Устойчивость биологических сообществ», переведенной на английский язык, в книге Ю. М. Свирежева «Нелинейные волны, диссипативные структуры и катастрофы в экологии» м множестве научных статей. В Лаборатории были получены количественные оценки долговременных экологических последствий глобального ядерного конфликта.

За годы работы ЛМЭ в составе ИФА РАН была разработана модель для оценки потока углерода в естественных наземных экосистемах, Создан новый тип марковских моделей сукцессии для описания изменений растительного покрова под воздействием изменений климата и антропогенного воздействия.

В первую четверть XXI века наряду с развитием традиционной тематики ЛМЭ были получены результаты в области исследования климата и экологии больших городов, роли антропогенных потоков тепла в формировании городского климата, воздействия снижения карантина весны 2020 года, вызванного пандемией COVID-19, на качество воздуха в Москве в сравнении с другими мегаполисами мира.

В последние годы были получены результаты измерений баланса парниковых газов на поверхности водохранилищ Ангарского каскада ГЭС. В рамках важнейшего инновационного проекта государственного значения (ВИП ГЗ) под руководством Л. Л. Голубятникова создана электронная цифровая база данных полей параметров динамической модели углеродного цикла для тундровых и лесотундровых экосистем. Важнейшим результатом работы Лаборатории в 2023 году стала оценка потенциала степных регионов России для депонирования углерода. Показано, что степные экосистемы, способны оказывать значительное влияние на смягчение последствий климатических изменений.

Сотрудники Лаборатории активно участвуют в педагогической и просветительской деятельности. Из учебников и популярных изданий можно отметить «Как рассказывать о климате? Рекомендации и ориентиры для научных журналистов и коммуникаторов» под общей редакцией А. С. Гинзбурга и «Матричные модели биологических популяций: практический курс» Д. О. Логофета и Н. Г. Улановой.