Application of the Principles of the Marine Ecosystems’ Adaptive Modeling to the Hydrochemical Observations in the Sevastopol Bay

Abstract

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».

Modeling of Intra-System Relationships in the Adaptive Model of the Marine Environment Biochemical Processes

“…Therefore the proposed methods of estimating the intra-system relationships' coefficients in the marine ecosystem adaptive model permit to reconstruct the scenarios of those processes in which only their average values are known. [2][3] для построения уравнений модели экосистемы, что существенно упрощает их вид по сравнению с традиционно используемой параметризацией причинно-следственных связей [4][5][6][7][8][9][10][11][12].…”

“…Целью работы является развитие метода оценки коэффициентов влияний в адаптивной модели экосистемы, основанного на отношениях средних значений моделируемых процессов. Ранее в работах [2,3,13] был предложен метод нормировки безразмерных множителей, которые появляются перед отношениями средних значений, когда влияющие функции приводятся к масштабам изменчивости основной переменной модели экосистемы. Множители считались постоянными и выбирались обратно пропорциональными количеству влияющих функций.…”

“…Множители считались постоянными и выбирались обратно пропорциональными количеству влияющих функций. В частности, в работах [3,13] этот метод был применен в задаче восстановления внутригодовой изменчивости процессов нитрификации в Севастопольской бухте. В настоящей работе предложена модификация метода с использованием переменных нормирующих множителей, которые учитывают динамику концентраций биохимических веществ в морской среде.…”

“…Ассимиляция данных гидрохимических наблюдений в интегральной модели экосистемы Севастопольской бухты В качестве примера рассмотрим применение интегральной модели экосистемы (9)-(15) к наблюдениям биохимических процессов в Севастопольской бухте. Данные о содержании в воде неорганических форм азота (нитратионов и ионов аммония) взяты из работ [3,13] и согласуются с многолетними значениями [16][17][18]. Из архивных данных многолетних наблюдений биохимических процессов в акватории бухты были получены следующие средние значения для концентраций фитопланктона, зоопланктона, бактериопланктона, нитратов, аммония, растворенных органических форм азота и детрита соответственно: 37,74; 18,87; 12,0; 42,35; 5,60; 18,0 и 15,0 мгN/м 3 .…”

“…В отличие от классических подходов к усвоению данных [19][20][21], адаптивные модели характеризуются более простым способом ассимиляции в них данных наблюдений [2,3,13]. Наблюдения входят в качестве дополнительных функций источников в круглые скобки уравнений модели (9)-(15) после приведения их к соответствующему интервалу изменчивости переменной путем преобразования (6).…”