CC BY
29
КОНЦЕПЦИЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ОБЪЕДИНЕННОЙ СИСТЕМЫ «ЭКОНОМИКА-КЛИМАТ» С ПРИЛОЖЕНИЯМИ К ПРОБЛЕМАМ РОССИЙСКОГО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА
Д.В. Ковалевский, к.ф.-м.н, рук. группы Международного центра по окружающей среде и дистанционному
зондированию им. Нансена
Широко обсуждаемая в настоящее время проблема глобальных изменений климата (IPCC, 2007; Оценочный..., 2008) имеет важное значение для многих отраслей экономики и здоровья населения России и всего мира. Разработка мер по смягчению антропогенно обусловленных изменений климата, по переводу российской и мировой экономики, в настоящее время базирующейся на невозобновляемых энергоносителях, на возобновляемые источники энергии является крайне актуальной научной и практической проблемой.
Сельское хозяйство - это отрасль экономики, которая, с одной стороны, зависит от изменений климата, а с другой, сама оказывает существенное влияние на его изменения. В настоящее время среди исследователей нет единого мнения о том, будет ли предстоящее изменение климата в России аридным (сопровождающимся уменьшением увлажнения) или гумидным (сопровождающимся увеличением увлажнения): расчеты по различным численным климатическим моделям дают разные ответы на этот вопрос (Оценочный., 2008). Ожидается, что как при первом, так и при втором типе потепления его влияние на агропромышленный комплекс России будет неоднозначным (в некоторых аспектах положительным, в других - отрицательным).
Широко распространенным подходом к исследованию влияния предстоящих изменений климата на отрасли экономики, в том числе на сельское хозяйство, является следующий: выбирается сценарий (один или несколько) из набора долгосрочных сценариев антропогенного воздействия на климатическую систему Земли в XXI в. (IPCC, 2000), разработанных экспертами МГЭИК (Межправительственная группа экспертов по изменению климата, IPCC), после чего анализируются результаты расчетов в рамках данного сценария (-ев) по одной или нескольким численным климатическим моделям МГЭ-ИК (часто - с применением ансамблевого усреднения) и, наконец, делается вывод о возможном влиянии предстоящих изменений климата на ту или иную отрасль. Множество подобных исследований рассмотрено в (IPCC, 2007; Оценочный., 2008). Очевидным недостатком данного подхода является ограниченность и предопределенность набора используемых сценариев, делающая невозможной полноценное совместное моделирование объединенной системы «экономика - климат».
В качестве альтернативного подхода к проблеме остановимся на модели MADIAM (Multi-Actor Dynamic Integrated Assessment Model - Мульти-агентская динамическая модель совокупной оценки), предложенной К. Хассельманном с соавторами (Klaus Hasselmann) в работах (Weber, 2004; Weber et al., 2005). В данной модели «симметричным» образом описывается взаимное влияние экономического и климатического модулей, что позволяет строить по результатам моделирования возможные в будущем траектории объединенной системы «экономика - климат». При этом от других моделей совокупной оценки (Integrated Assessment) модель MADIAM отличает отход от укоренившейся в экономической теории парадигмы общего равновесия - особенность, характер-
ная для многих современных работ по мульти-агентскому моделированию (multi-agent modeling - см. обзор недавних работ в (Beinhocker, 2006)). По нашему мнению, именно развитие модели MADIAM может привести к созданию полезного инструмента, способного строить обоснованные проекции развития отечественного сельского хозяйства в контексте проекций эволюции объединенной системы «экономика - климат» на глобальном уровне.
Кратко охарактеризуем структуру модели MADIAM и ближайшие задачи по ее дальнейшему развитию. Как отмечено выше, модель состоит из двух модулей: экономического и климатического. Этим модули испытывают взаимное влияние. В экономическом модуле явным образом оцениваются эмиссии в атмосферу в результате хозяйственной деятельности человека углекислого газа как важнейшего парникового газа антропогенного происхождения. Данные эмиссии служат входной переменной для климатического модуля, в котором рассчитывается отклик на эмиссии ряда климатических переменных (в текущей версии MADIAM используется лишь глобальная среднегодовая температура воздуха). Рассчитанные климатические переменные, в свою очередь, поступают на вход экономического модуля, где на основании эмпирических соотношений оценивается зависящий от них климатический ущерб, выраженный в денежных единицах и влияющий на функционирование экономики.
В настоящее время модель MADIAM представляет собой однорегиональную модель, описывающую мир в целом; коме того, в версии модели, описанной в (Weber et al., 2005), моделировалось производство лишь двух агрегированных потребительских товаров. Желая моделировать в рамках данного подхода развитие российского сельского хозяйства, необходимо, во-первых, провести регионализацию модели, увеличив количество регионов хотя бы до двух (Россия и зарубежье) или же построив мультирегиональную модель; во-вторых - более детально описывать экономику регионов, обособив сельское хозяйство как отдельную отрасль.
Скажем несколько слов о математической структуре каждого из модулей модели MADIAM.
Экономическая подсистема рассматривается в модели MADIAM как динамическая система, состоящего из небольшого числа взаимодействующих агрегированных агентов, идентифицируемых по своим функциям, - например, бизнес, работники, акционеры, потребители, государство, - при этом переменные модели подразделяются на переменные состояния X и управляющие переменные z . Предполагается, что текущие значения управляющих переменных z определяются детерминированными управляющими стратегиями рассматриваемого агента, которые, в свою очередь, зависят от текущих (и, возможно, прошедших) значений переменных состояния: z = C{x} . Эволюция переменных состояния определяется системой нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений первого порядка: X = F(x, z). Поскольку, согласно вышесказанному, z могут быть выражены через x , систему уравнений можно записать в
замкнутом виде, содержащем лишь переменные состояния: X = G(x) . Ввиду нелинейности и сложности модели, данную систему можно решить лишь численными методами. Поскольку в расширенной версии модели планируется моделировать систему из двух или нескольких взаимодействующих регионов, динамические уравнения модели следует записать для нескольких наборов агентов (бизнес, работники, акционеры, потребители, государство в каждом из регионов). Динамические уравнения дополняются связями между переменными. Определение вышеупомянутых управляющих стратегий агентов является творческой задачей, для решения которой необходимо привлекать дополнительные соображения.
В климатическом модуле MADIAM - модели NICCS (Nonlinear Impulse-response model of the coupled Carbon Cycle - Climate System - Нелинейная модель импульсных функций отклика объединенной системы углеродный цикл - климат, (Hooss et al., 2001)) - дважды применяется метод импульсных функций отклика (функций Грина). Первый раз данный метод используется для расчета отклика содержания углекислого газа в атмосфере на его эмиссии, второй - при расчете отклика четырех климатических переменных (среднегодовые значения приземной температуры воздуха, облачности, осадков, уровня моря) на содержание углекислого газа в атмосфере. Модель позволяет воспроизводить пространственно-временное распределение указанных климатических переменных, однако в настоящее время, как уже отмечалось, в модели MADIAM используется лишь глобальная среднегодовая температура воздуха. Импульсные функции отклика найдены путем сравнения с расчетами по МОЦАО (модели общей циркуляции атмосферы и океана) ECHAM3-LSG.
Поскольку для приложений к сельскохозяйственной проблематике необходимо рассчитывать достаточно сложные агроклиматические показатели, не сводимые к четырем вышеупомянутым климатическим переменным, требуется работа по расширению модели NICCS, что является масштабной, но принципиально выполнимой задачей.
В заключение, приведем два примера частных сельскохозяйственных вопросов, которые могут быть с успехом проанализированы и с использованием имеющейся версии модели NICCS:
1. Оценка сокращения энергопотребления в сельском хозяйстве (пример позитивного влияния изменений климата). Сокращение энергопотребле-
ния в сельском хозяйстве можно оценить для каждой ячейки расчетной сетки модели NICCS согласно методике, изложенной в (Хомяков, 2005, гл. 3.4.3). Идея расчета заключается в декомпозиции энергопотребления на основные слагаемые в известных из опыта пропорциях с последующей оценкой относительного изменения каждого слагаемого при повышении температуры согласно поправочным коэффициентам, табулированным в (Хомяков, 2005) как функции прироста температуры.
2. Моделирование расширение ареала колорадского жука (пример негативного влияния изменений климата). Динамика северной и восточной границ потенциального ареала опасного сельскохозяйственного вредителя - колорадского жука при потеплении климата может быть картирована с помощью простого биоклиматического критерия, применявшегося в работе (Ясюкевич и др., 2007) - она определяется изотермой среднегодовой температуры 0°С.
Источники
1. Оценочный доклад об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации. В 2-х тт. Т. 1. Изменения климата. Т. 2. Последствия изменений климата. Росгидромет, 2008.
2. Хомяков П.М., Кузнецов В.И., Алферов А.М. и др. (2005). Влияние глобальных изменений климата на функционирование экономики и здоровье населения России. М.: ЛЕНАНД, 424 c.
3. Ясюкевич В.В., Попова Е.Н., Гельвер Е.С., Ривкин Л.Е. (2007). Влияние климатических факторов на формирование ареала колорадского жука (Leptinotarsa decem-lineata Say), в кн.: Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем, т. 21, СПб., Гидрометеоиз-дат. - С. 348-379.
4. Beinhocker, E.D. (2006). The Origin of Wealth. Harward Business School Press, Boston, Massachusetts.
5. Hooss, G, R. Voss, K. Hasselmann, E. Maier-Reimer, F. Joos (2001). A nonlinear impulse response model of the coupled carbon cycle-climate (NICCS). Climate Dynamics 18, 189-202.
6. IPCC (2000). Emission scenarios. In: Nakicenovic, N., Swart, R. (Eds.), Special Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press, UK.
7. IPCC (2007). The Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press, UK.
8. Weber, M. (2004). A multi-actor dynamic integrated assessment model (MADIAM). PhD Thesis. University of Hamburg.
9. Weber, M., V. Barth, and K. Hasselmann (2005). A multiactor dynamic integrated assessment model (MADIAM) of induced technological change and sustainable economic growth. Ecological Economics 54. - С. 306-327.
