Introduction. Scenarios of development of the processes in the complex marine ecosystems are forecasted by the models developed for marine ecosystems. At that the method for formalizing the scheme of the cause-effect relations (impacts) is required. In other words, it is necessary to construct the equation system for the model variables connecting the functions representing the modeled processes. Data and Methods. Proposed are the methods for modeling the processes in the marine ecosystems based on the system principles of the adaptive balance of causes and informational unity of the processes' models and the corresponding observational data. Analysis of Results. It is shown that application of these principles permits to construct the adaptive models with negative feedbacks of the 1 st and the 2 nd orders between the model variables and the speed of their variation. These models provide automatic fitting of the model variables to each other and to the external effects; at the same time they preserve the matter balances in the substance transformation reactions in the marine environment. The simulation results reveal that the 2 nd order adaptive models are more sensitive to the external effects influencing the ecosystem and adapt to them quicker. Application of the adaptive modeling principles is illustrated by the data of hydrochemical observations in the Sevastopol Bay. Two methods of reconstructing dynamics of the nitrite concentration are comparatively analyzed using the time series of the ammonium and nitrate observations. Discussion and Conclusions. It is shown that the dynamic-stochastic equation provides much higher accuracy of reconstruction of the unobserved process of the nitrite concentration as compared to the method of the normalized relations of the mean values. Besides, the reconstruction accuracy increases with growth of length of the observation time series applied at constructing their covariance matrix.

Введение. Прогноз сценариев развития процессов в сложных морских экосистемах осуществляется путем создания динамической модели морской экосистемы. При этом возникает необходимость найти способ формализации схемы причинно-следственных связей (влияний), т. е. построить систему уравнений для переменных модели, связывающих между собой функции, представляющие моделируемые процессы. Материалы и методы. Предложены методы моделирования процессов в морских экосистемах, основанные на системных принципах адаптивного баланса влияний и информационного единства моделей процессов и данных наблюдений над ними. Анализ результатов. Показано, что применение этих принципов позволяет строить адаптивные модели с отрицательными обратными связями 1-го и 2-го порядков между пере-менными модели и скоростями их изменения. Эти модели обеспечивают автоматическую подстройку переменных модели морской экосистемы друг к другу и к внешним влияниям, сохраняя при этом материальные балансы реакций превращения веществ в морской среде. По результатам вычислительных экспериментов установлено, что адаптивные модели 2-го порядка имеют более высокую чувствительность к внешним воздействиям на экосистему и более высокую скорость адаптации к ним. Применение принципов адаптивного модели-рования проиллюстрировано на материалах гидрохимических наблюдений в Севастопольской бухте. Выполнен сравнительный анализ двух методов восстановления динамики концентрации нитритов по временным рядам наблюдений аммония и нитратов. Обсуждение и заключение. Показано, что динамико-стохастическое уравнение дает существенно более высокую точность восстановления ненаблюдаемого процесса концентрации нитритов по сравнению с методом нормированных отношений средних значений. Кроме того, точность восстановления возрастает с увеличением длины временных рядов наблюдений, используемых при построении их ковариационной матрицы. Ключевые слова: адаптивное моделирование, адаптивный баланс влияний, морская экосистема, восстановление ненаблюдаемых процессов, коэффициенты влияний, ковариационная матрица, динамико-стохастическое уравнение, нитрификация, Севастопольская бухта. Благодарности: постановка исследований выполнена в рамках государственного задания по теме № 0827-214-0010 «Комплексные междисциплинарные исследования океанических процессов, определяющих функционирование и эволюцию экосистем Черного и Азовского морей на основе современных методов контроля состояния морской среды и гридтехнологий». Разработка модели и вычислительные эксперименты проведены в рамках научного проекта РФФИ и Правительства Севастополя № 18-47-920001 «Исследование принципов построения адаптивных моделей эколого-экономических систем и цифровых информационных технологий для управления сценариями устойчивого развития природно-хозяйственных комплексов Севастопольского региона».

No abstract

No abstract

No abstract