Визначення міри аридності кліматичних умов для проведення розрахунків викидів парникових газів від природно-антропогенних екосистем

Аналітична записка від 05.03.2024 року

Розробник: Оксана Бутрим, агроном – дослідник, доктор економічних наук, старший науковий співробітник.

Постановка задачі: проведення розрахунків щодо оцінки динаміки змін запасів вуглецю під впливом антропогенної діяльності у різних резервуарах, а також визначення обсягів прямих і непрямих (опосередкованих) викидів закису азоту від застосування азотовмісних добрив, як мінерального (штучного), так і органічного походження – відбувається на основі використання низки коефіцієнтів і параметрів. Методологічний базис проведення алгоритмів розрахунків, результати яких визнаються міжнародно, формуються на підходів Міжурядової групи експертів ООН зі зміни клімату (МГЕЗК ООН), Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC. Зазначені методологічні підходи спираються на системні наукові дослідження і враховують кліматичні особливості природних зон світу, отже коефіцієнти і параметри, які використовуються у розрахунках, систематизовано на основі урахування режимів температури і вологості. Від визначення того чи іншого режиму вологості чи посушливості (аридності), залежить вибір тієї чи іншої системи розрахункових коефіцієнтів, що визначає отримані результати щодо обсягів викидів/поглинання парникових газів. Відповідь на це питання є важливим фактором оцінки ефективності впровадження системи природоохоронних заходів господарювання у природноантропогенних екосистемах, а прийняття рішень потребують обґрунтувань, яким і присвячено цей аналітичний огляд.

Документи, які використовуються:

• стандарт Verified Carbon Standard (VCS) [1]
• методика VM0042 Methodology for Improved Agricultural LandManagement, 0 [2]
• опис проекту : “LIVING CROPLAND (non EU 8+1)” [3]

• рекомендації Міжурядової групи експертів ООН зі зміни клімату (МГЕЗК ООН),

Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC, 2006 [4]

Мета: обґрунтувати вибір міри аридності кліматичних умов України, що є вихідними умовами вибору системи коефіцієнтів для проведення розрахунків обсягів викидів парникових газів від природно-антропогенних екосистем.

Методи дослідження. Теоретико-методичним підгрунтям проведеного аналітичного аналізу є загальнонаукові та спеціальні методи дослідження, напрацювання вітчизняних та іноземних шкіл і метеорології, а також база національних метеоспостережень.

Вивчення визначеного завдання відбувалось на засадах системного підходу при залученні сучасних методів дослідження, наприклад: монографічний – для узагальнення наявних напрацювань наукових досліджень і спостережень у сфері метеорології; статистичного аналізу – для оцінювання сучасного стану метеорологічних характеристик досліджуваної території за вказангий період; кореляційно-регресійного аналізу – для оцінювання впливу різних кліматичних параметрів на динаміку коефіцієнта вологостіза даної території за обраний період дослідження; графічний – для візуалізації отриманих результатів проведених розрахунків.

Проведення дослідження відбувалось на інформаційній основі наукових публікацій у періодичних національних та зарубіжних виданнях. Крім того, використано дані відомчих установ, зокрема метеорологічної служби України та публікації інтернет- ресурсів.

Виклад основного матеріалу. Згідно найбільш вживаного підходу до організації розрахунків, про які йдеться, що засновано на рекомендаціях МГЕЗК ООН (IPCC) [4] на всіх рівнях деталізації, систему розрахункових коефіцієнтів і параметрів градуйовано за кліматичною поясністю для врахування зональних відмін у температурних та водних режимах.

Отже, вагомим є прийняття рішення щодо вибору системи розрахункових коефіцієнтів для умов вологого чи сухого клімату. Відповідь на це питання є вкрай важливим для території України, як країни, для якої рослинництво є провідною галуззю з переліку господарської спеціалізації економіки.

Значення проблеми зміни клімату для господарського комплексу не викликає сумнівів, і у першу чергу, для практик господарювання, діяльність яких засновано на використанні природоресурсного потенціалу, і агроресурсного зокрема. Для рослинництва питання температурного режиму і вологозабезпечення є складовими із переліку визначальних факторів ефективності цієї діяльності. Наприклад, залежно від міри аридності клімату залежить вибір групи коефіцієнтів для розрахунку прямих і непрямих викидів закису азоту, які відбуваються при застосуванні азотовмісних мінеральних і оргшанічнеих добрив, що призводить до розбіжності результатів на порядок. Також це питання є базовим для оцінки змін запасів вуглецю у резервуарах агроландшафту, оскільки від оцінки рівнів вологості клімату напряму залежать результуючі значення обсягів викидів/поглинання парникових газів в наслідок рослинницької діяльності.

Таким чином, прийняття рішення щодо визначення характеристик вологості кліматичних умов є поворотним моментом, на кшталт точки біфуркації, у проведенні розрахунків з оцінки вуглецевої результативності рослинницької діяльності при виробництві сільськогосподарських культур у товарних обсягах. Від відповіді на питання: який клімат – сухий чи вологий? – залежить підсумкове значення щодо оцінки обсягів викидів парникових газів для сектору «Сільське господарство, лісове господарство та інші види землекористування» (СГЛГЗК), Agriculture, Forestry and Other Land Use (AFOLU), а відтак, і прибутковість проектної діяльності у секторі сільськогосподарського землекористування та лісового господарства на землях, які знаходяться на межі між Поліссям та північною частиною Лістостепу.

Географічна енциклопедія України [5], Т.3, c. 56 містить інформацію стосовно визначення межі між Поліссям і Лісостепом: загальновизнаною у наукових школах межею є умовна лінія, яка проходить через населені пункти: поблизу Львова, Шепетівки, Житомира, Києва, Ніжина, Глухова, а південна – по лінії Ананьїв – Знам’янка – Олександрія – Красноград – Балаклія – Куп’янськ. Тут слід відмітити, що в наслідок активізації процесів зміни клімату, агрокліматичні умови зазнають суттєвих неухильних змін та обумовлюють необхідність рослинництва додаткових затрат у рослинництві, що знижує його ефективність. Окрім режимів зволоження, які визначаються середньорічними обсягами опадів, їх інтенсивністю, періодичністю, сезонним розподілом, відбуваються суттєві зміни температурних режимів, які визначаються не лише сумою річних температур, середньорічними значеннями температур, а і є залежними мають значення сезонні коливання та таке явище, як хвилі тепла. Наочним підтвердженням кліматичних змін є динаміка ізотерм середніх значень січня і липня, які за період останній шести десятирічний період спостереження помітно змістились на північ, рис. 1 і 2 [6].

Рис. 1. Середня температура січня: а) 1961 – 1990 роки; б)1991 – 2020 роки.

Рис. 2. Середня температура липня: а) 1961 – 1990 роки; б)1991 – 2020 роки.

Режим зволоження визначається середньорічними обсягами опадів, їх, періодичністю, сезонним розподілом, а також залежить від температурного режиму, який визначається сумою річних та середньорічними значеннями температур. Ця система перебуває у стані хиткої рівноваги і зазнає змін під впливом комплексу факторів, у числі яких антропогенні – чи не єдині, які піддаються регулюванню. Наочним підтвердженням кліматичних змін є динаміка ізотерм середніх значень січня і липня, які за останні пів століття спостережень помітно змістились на північ, рис. 1 і 2 [1].

Для прийняття рішення щодо вибору системи коефіцієнтів і параметрів для умов сухого чи вологого клімату у розрахунках обсягів викидів парникових газів від природно-антропогенних екосистем існує декілька підходів оцінок за співвідношенням різних характеристик температурних режимів і опадів на території. Розглянемо найбільш поширені підходи.

Перший підхід. За рекомендаціями міжнародної методики МГЕЗК ООН, 2019 p. [7], для прийняття рішення необхідно послуговуватись мапою Світу (розділ 3, стор. 3.47). Згідно вказаного джерела характеристики клімату для України визначаються як “помірний прохолодний вологий”, “помірний прохолодний сухий” та “помірний теплий сухий”. На вказаному зображенні мапи через високу зернистість при збільшенні, прийняття рішення щодо кліматичних характеристик для територій, які знаходяться вздовж кордонів природних зон буде мати надмірно високий рівень невизначеності. Також цей розділ пропонує приймати читачу рішення самостійно для кожного конкретного випадку за допомогою «дерева рішень» (Figure 3A.5.2, стор. 3.48). У якості критерію вибору зазначений граф пропонує послуговуватись співвідношенням середньорічної кількості опадів до потенційного випаровування. На додачу відмітимо, що у розділі 11, на стор. 11.26 у нотатках до таблиці 11.3, вказано визначення вологого (wet) і сухого (dry) типів клімату [7] у загальному вигляді, як: вологий клімат зустрічається в помірних і бореальних зонах, де співвідношення річної кількості опадів до потенційної евапотранспірація більше 1, а сухий клімат – де це співвідношення менше 1.

Другий підхід. Для прийняття рішення щодо типу клімату можна також скористатись й іншими джерелами. Наприклад, публікацією Даріо Ботті, 2024 [8], де автор наводить методику визначення типу клімату за розрахунком на основі метеорологічних параметрів з наступним співвіднесенням отриманих результатів з клімаграмою Дефола, ключом до якої є розрахунок ступеня посушливості:

,                         

де Qn2 – коефіцієнт посушливості, в.о.;

Т – середньорічна температура, градусів Цельсія;

tc – середньомісячна температура найтеплішого місяця, градусів Цельсія;

tf – середньомісячна температура найхолоднішого місяця, градусів Цельсія; Р – середньорічна кількість опадів, мм;

P’ — кумулятивна кількість опадів за три найпосушливіші послідовні місяці.

За вказаним підходом на території України також визначаються подібні до методики МГЕЗК кліматичні зони, але зберігається недостатній рівень прозорості стосовно перехідних прикордонних кліматичних територій. Крім того, процес розрахунків достатньо складний і потребує широкого масиву вихідних даних.

Третій підхід. Інший підхід запропоновано національною школою кліматологів – метод Іванова-Висоцького. Цей підхід у наукову практику був запроваджений В. В. Докучаєвим, доопрацьований Г. Н. Висоцьким та Н. М. Івановим [9]. Коефіцієнт зволоження визначається як відношення річної кількості опадів до випаровуваності за той самий період, є одним з головних кліматичних показників і вказує на характеристику рівня вологості клімату. Слід враховувати, що при розрахунках береться потенційна випаровуваність, а не реальна, оскільки частина опадів зазвичай не випаровується, а просочується під землю, стікає річками тощо. Коефіцієнт зволоження (Кзв) за Н. М. Івановим:

Кзв= P/Е,                                            

де P — кількість опадів, мм;

Е — випаровуваність за цей же період, максимально можливе випаровування за даних температурних умов, не обмежене запасами вологи, зазвичай з поверхні водойм, мм.

Розрахунок випаровуваності проводиться за Н. М. Івановим :

E = 0,018*(t + 25)2*(100 — R),                                                         

де t — середня температура за період, °C/рік; R — середня відносна вологість, %.

Для підвищення достовірності розрахункових результатів і пом’якшення впливів екстремальних        обсягів   атмосферних опадів,   пропонується   приймат до уваги усереднені значення усіх необхідних показників за період п’яти попередніх до оцінювання років. У практиці підготовки звітності щодо обсягів викидів парникових газів існує прецедент подібного підходу. Зокрема, Рішенням Конференції Сторін Рамкової конвенції про зміну клімату (РКЗК ООН) вводиться у практику підготовки звітності кадастрів викидів парникових газів можливість застосування усереднених значень за певний період часу з відсіканням визначених екстремальних випадків. Для мети нашого аналітичного обґрунтування на підставі прецедентного права пропонується застосувати підхід з використанням усереднених значень за вказаний відрізок часу.

Розглянемо гіпотетичний приклад ситуації, коли для мети оцінювання обсягів викидів парникових газів у результаті запровадження проектної діяльності щодо протидії кліматичним змінам у господарстві рослинницького профілю необхідно прийняти рішення щодо того яку групу розрахункових коефіцієнтів слід приймати до уваги (для умов сухого чи вологого клімату) для стану 2021 року.

Умовно, приймемо, що підприємство розташовується на території, через яку пролягає межа між агрокліматичними зонами Полісся і Лісостепу, яка є зоною активного господарювання рослинницького профлю. Сумарна кількість опадів для цієї території за 2021 рік становила 702,4 мм, а середньорічна температура 9,20С; відносна вологість повітря – 75 %. Спробуємо здійснити розрахунки за трьома різними підходами, які викладено вище.

Результати розрахунків за першим підходом, за рекомендаціями РКЗК ООН, 2019, подано у таблиці 1.

Таблиця 1.

Коефіцієнт зволоження за рекомендаціями МГЗК ООН, 2019 р.

Значення евапотранспірації взято консервативно для умов вологого та субгуміднго клімату з помірною температурою 200С на рівні випаровуваносні 2-4 мм/день [10; 11], що призводить до обсягів випаровування за рік на рівні від 730 до 1460 мм. За таких умов коефіцієнт зволоження (на основі співвідношення річної кількості опадів до потенційної евапотранспірації) менше одиниці, що відповідає умовам сухого клімату, табл. 1.

За другим підходом, методом Даріо Ботті, 2024, застосування формули (1), для розрахунку за якою взято значення за 2017 – 2021роки, табл.2.

Таблиця 2.

Коефіцієнт зволоження за підходом Даріо Ботті, 2024 р.

Порівняння отриманого результату із кліматограмою Дефола показує, що отримане значення потрапляє у першу половину відрізка між значеннями SA (субаридний )i SH (субгумідний) клімату, що дає підстави зробити висновок про можливість застосування розрахункових коефіцієнтів і параметрів для умов сухого клімату. Здійснення розрахунків за цим підходом є достатньо трудомісткім процесом і потребує відносно великого обсягу даних, а результати мають високий рівень невизначеності.

Спробуємо здійснити розрахунки за третім підходом, методом Висоцького- Іванова, за яким необхідно знайти співвідношення між загальною річною кількістю опадів за рік до випаровуваності (тобто до гранично можливого обсягу випаровування

за фактичних умов погоди). Для розрахунку цього параметру необхідно знайти квадрат суми між середньорічним значенням температури, до якого додають температурну константу 250С та перемножуються на коефіцієнт 0,018 і на різницю 100 і значення відносної вологості повітря, згідно формули 2. Для підвищення достовірності розрахункових результатів і пом’якшення впливів екстремальних обсягів атмосферних опадів, приймаємо до уваги усереднені значення за період п’яти послідовних років до моменту здійснення оцінки, як показано у табл. 3.

Таблиця 3.

Розрахунок коефіцієнта зволоження за підходом Висоцького-Іванова

Джерело: сформовано автором.

Розрахунки показали, що господарювання у зоні спостережень, які охоплено територією оцінки даного метеорологічного майданчика відбувається за умов помірного сухого клімату, оскільки усереднені значення коефіцієнту зволоження за період 2017 – 2021 роки означеної території на рівні менше одиниці (0,99), табл.1. Розрахунок проведено на основі припущення щодо загально прийнятого значення середньорічної відносної вологості повітря – 75 %, хоча для кожного окремого випадку слід використовувати дані того метеорологічного майданчика, спостереженнями якого охоплено територію реалізації проектної діяльності, що буде сприяти підвищенню точності і достовірності результатів прийнятих припущень.

Результати сформованого масиву даних подано у графічному виразі, рис.1. Чорна пряма на рівні 10 С позначає граничне значення, як критериальну межу. З огляду на викладені вище розрахунки та з урахуванням наведеної динаміки ізотерм середніх температур найтеплішого і найхолоднішого місяців, можемо вважати обґрунтованим запропонований метод розрахунків Висоцького-Іванова щодо прийняття рішення стосовно міри аридності кліматичних умов території. На користь саме цього методу свідчить висока точність, адже отримано чіткий результат на основі даних безпосередніх спостережень і замірів для локального рівня, чим забезпечується прийнятний рівень невизначеності, який вимірюється рівнем похибки приладної бази і процесу обробки отриманих даних на метеорологічних майданчиках спостережень.

Рис. 1. Динаміка коефіцієнту зволоження

Джерело: сформовано автором

ВИСНОВКИ:

1. У аналітичній записці на основі опублікованих результатів наукових досліджень наведено докази існування процесів зміни кліматичних умов на території України. Визначено складність, обґрунтовано актуальність завдання визначення міри аридності (міри посушливості) кліматичних умов для діяльностей, які засновано на використанні природоресурсного потенціалу природно-антропогенних екосистем.
2. Доведено необхідність проведення оціночних розрахунків та розглянуто три підходи щодо відповіді на поставлене питання, які засновано на: і) підході МГЕЗК ООН, 2019; іі) підході Даріо Ботті, 2024 р. та іі) національним підходом Висоцького-Іванова. Обгрунтовано рекомендацію до застосування методу національної агроекологічної школи за підходом Висоцького-Іванова. Основою рекомендації є найвищий рівень точності і достовірності отриманих результатів саме за цим (третім) методом, відносно розглянутих інших.
3. Доведено практична значимість проведеного аналітичного огляду, як основи для обґрунтування вибору системи розрахункових коефіцієнтів і параметрів для умов сухого чи вологого клімату при проведенні оцінки обсягів викидів парникових газів від господарської діяльності у природно-антропогенних екосистемах.

4. Наведено обґрунтування пом’якшення впливу екстремально надмірних значень атмосферних опадів шляхом здійснення оціночних розрахунків коефіцієнту зволоження для окремої ділянки господарської діяльності на основі прийняття до уваги усереднених за попередні п’ять років значень всіх характеристик, які задіяні у розрахунку.
5. Для цілей розрахунку значень скорочення викидів і поглинання парникових газів для проектів, які пов’язано зі зміною застосування традиційних сільськогосподарських практик землекористування на регенеративні за сучасних кліматичних умов України рекомендується робити вибір системи розрахункових коефіцієнтів для базового й проектного сценарію на основі визначення режиму аридності для кожного метеорологічного майданчика за методом Висоцького- Іванова.

СПИСОК ПЕРШОДЖЕРЕЛ

• Verified Carbon Standard (VCS) Program. URL: 
• V2.1. (2024). VCS Methodology. IMPROVED AGRICULTURAL LAND MANAGEMENT. URL: 
• 2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas / Simon Eggelston and others. IPCC National Greenhouse Gas Inventories Programme. Published by the Institute for Global Environmental Strategies (IGES) for the IPCC. ISBN 4-88788-003-

1. URL: Географічна енциклопедія України / О. М. Маринич, Є. І. Стеценко // Енциклопедія Сучасної України [Електронний ресурс] / Редкол. : І. М. Дзюба, А. І. Жуковський, М. Г. Железняк [та ін.] ; НАН України, НТШ. – К. : Інститут енциклопедичних досліджень НАН України, 2006. URL: 

• Wilson, , New, S., Daron, J., Golding, N. (2021). Climate Change Impacts for Ukraine. Met Office. URL: 
• IPCC (2019). 2019 Refinement to the 2006 IPCC guidelines for national greenhouse gas Institute for Global Environmental Strategies. URL: 
• Dario Botti, « A phytoclimatic map of Europe », Cybergeo: European Journal of Geography [En ligne], Environnement, Nature, Paysage, document 867, mis en ligne le 16 octobre 2018, consulté le 27 mars 2024. URL: 

• Сільськогосподарська меліорація і меліоративна техніка. Лабораторний практикум. О.Г. Караєв, С.Л. Сушко, В.М. Дядя та ін. / за редакцією О.Г. Караєва – Мелітополь: ПП Белень В.В., 2021 – 115с. URL: 
• Евапотранспірація Як Процес Та Методи Її Вимірювання. URL: 
• Allen, G. et al. (1998). Crop evapotranspiration – Guidelines for computing crop water requirements. FAO. URL: