Введение к работе
Определение предельно допустимой нагрузки на морскую прибрежную экосистему, оценка ее ресурсного биопотенциала, прогноз возможностей самоочищения являются важными проблемами п требуют проведения междисциплинарных исследований. Экосистемы шельфовых зон могут быть дополнены искусственными техническими системами, позволяющими интенсифицировать преобразование неорганических и органических веществ, поступающих в прибрежную зону со стоками, в биомассу промышленных биологических объектов. Создание шельфовых управляемых морских ферм (искусственных продукционных экосистем) является перспективной народнохозяйственной задачей, вносящей дополнительный практический стимул в изучение этого сложного природного объекта.
Актуальность темы. В последнее время уделяется все большее внимание использованию различных моделей как современного инструмента исследования пространственно-временной изменчивости параметров морских экосистем, находящихся под всевозрастающим антропогенным прессом. Преимуществом использования математического моделирования для исследователя является возможность восстановления пространственного распределения компонентов экосистемы особенно биологических при недостатке данных и их точечным характером. Данные, взятые в нескольких точках исследуемой области, при высокой дисперсии распределения не только не дают полной картины, но и могут приводить к искаженным представлениям о пространственно- временной динамике параметров морской экосистемы. Модель в данном случае может служить инструментом интерполяции измеренных характеристик, и, кроме того, позволяет оценивать неизмеряемые параметры, и лучше понимать процессы взаимодействия между компонентами экосистемы в изменяющихся условиях морской среды.
Модели морских экосистем, как правило, основаны на совместном использовании результатов математической экологии и численного моделирования уравнений термогидродинамики морской среды. Результаты, полученные в экологическом моделировании, весьма впечатляющи, однако, существует ряд проблем, связанных с трудностями описания биологических компонентов морских экосистем. На малых масштабах изменчивости, которые рассматриваются в данной работе, эти проблемы особенно явственны. Они связаны с необходимостью учета сложных взаимодействий внутри сообщества гидробионтов, существенной неоднородности их пространственного распределения и возможности активного движения. Настоящая работа посвящена поиску решений эпгх проблем с привлечением новых эволюционных методов, развивающихся в последние десятилетия в теории сложных адаптивных систем. Эволюционный подход объединяет довольно большую группу вычислительных методов, в основе которых лежит то, что вычислительная система (модель) разрабатывается на основе биологических принципов наследственности, изменчивости и отбора, вследствие чего демонстрирует эволюционное, самоорганизующееся, адаптивное поведение во времени.
Предложенный в диссертации эволюционный метод моделирования морских прибрежных экосистем основан па сочетании лагранжева подхода к описанию биологических компонентов и эйлерова представления гидрофизических и гидрохими-
ческих компонентов экосистемы. Исследование изменчивости морских прибрежных экосистем проводилось с помощью эйлерово-лагранжевых объектно-ориентированных моделей (ООМ) в сопоставлении с данными наблюдений. Использование такого подхода позволяет глубже понимать явления, происходящие в прибрежной зоне, в частности, в работе получены новые результаты по спектральной структуре пятнистости распределения биологических компонентов и ее влиянию на продуктивность морской экосистемы, выполнена оценка потоков вещества и энергии в пищевой цепи и пр. Кроме того, объектно-ориентированное моделирование дает возможность учитывать в явном виде возрастную структуру популяций, что является весьма важным фактором, позволяющим получать более адекватное представление о пространственно-временной изменчивости биологических компонентов и биопродуктивности морской экосистемы.
Объектно-ориентированный подход, вследствие возможностей, которые он дает в плане учета особенностей функционирования биологических объектов, может быть с успехом использован при разработке моделей объектов марикультуры, которые необходимы для создания информационных технологий управления этими при-родно-хозяйственнымн комплексами. Морская среда рассматривается в диссертации с позиций системного подхода, сочетающего в себе разработку как теоретических моделей, таки методов сбора и обработки информации, позволяющих корректировать и уточнять модельные сценарии развития. Такая постановка проблемы обусловила содержание работы, основная часть которой посвящена исследованию морских экосистем с использованием эволюционного моделирования в сопоставлении с имеющимися данными наблюдений, а последний раздел — созданию нового способа поиска связей между компонентами экосистемы на основе анализа данных, потребность в котором диктуется спецификой объекта моделирования.
В настоящее время возможности использования эволюционных методов моделирования живых объектов при изучении изменчивости морских экосистем практически никем еще не исследованы. Актуальность диссертационной работы определяется значением ее результатов для фундаментальной океанологии, а также возможностью использования их для решения задач рационального природопользования морской прибрежной зоны и управления ее устойчивым развитием.
Связь работы с научными программами
Работа выполнялась в соответствии с планами научных исследований и хозяйственных тем Морского гидрофизического института НАН Украины (МГИ НАНУ):
тема НАН Украины «Исследование закономерностей функционирования шельфовых экосистем в условиях антропогенной и техногенной нагрузок» (шифр «Шельф»), 2001 - 2005 гг., ГР № 0101U001019, исполнитель;
тема НАН Украины «Междисциплинарные исследования фундаментальных процессов формирования и эволюции глубоководной части Черного моря в условиях интенсивной антропогенной нагрузки, региональных вариаций и глобальных изменений климата» (шифр «Экосистема»), 2001 - 2005 гг., ГР№ 0101U001020, исполнитель;
тема НАН Украины «Современное состояние шельфовой зоны Черного моря и рекомендации по использованию минеральных и рекреационных ресурсов » (шифр «Ресурсы шельфа»), 2002 - 2006 гг., ГР № 0102U001482, исполнитель;
тема HAH Украины «Междисциплинарные фундаментальные исследования прибрежных и шельфовых зон Азово-Черноморского бассейна» (шифр «Эко-шельф»), 2006 - 2010 гг., ГР № 0106U001409, исполнитель;
тема НАН Украины «Исследование гидрофизических и биогеохимических процессов, определяющих устойчивость и ассимиляционную емкость большой черноморской экосистемы, в целях управления и создания методологии оценки качества морской среды» (шифр «Стабильная экосистема»), ГР № 0106U001408,2006 - 2010 гг., исполнитель;
тема НАН Украины «Формирование универсальной ресурсно-ориентированной системы сбора, обработки, сохранения и использования океанологической, геолого-геофизпческой и эколого-экономической информации для Азово-Черноморского бассейна и приморских регионов Украины» (шифр «Информ-ресурс»), 2007 - 2009 гг., ГР № 0107U004397, исполнитель;
тема НАН Украины Управление прибрежным ресурсным потенциалом морских акваторий Украины» (шифр «Управление»), 2007 - 2011 гг., ГР№ 0107U001161, исполнитель;
тема НАН Украины «Комплексные междисциплинарные исследования океанологических процессов, которые определяют функционирование и эволюцию Черного и Азовского морей, на основе современных методов контроля состояния морской среды и гридтехнологий» (шифр «Фундаментальная океанология»), ГР № 0111U001420,2011 - 2015 гг., исполнитель;
прикладная ведомственная тема НАН Украины «Морские берега Крыма» (шифр «Берег»), ГР № 011Ш006764,2011 - 2013 гг., исполнитель.
Цель и задачи исследования. Цель диссертации - комплексное исследование пространственно-временной изменчивости параметров морских прибрежных экосистем, включая популяции биологических компонентов экосистемы, при различных внешних условиях с использованием новых эволюционных методов моделирования и анализа данных наблюдений.
Задачи исследования:
-
Анализ возможностей применения в океанологии методов моделирования сложных систем, базирующихся на эволюционных принципах.
-
Разработка имитационной объектно-ориентированной модели морской экосистемы прибрежной зоны Черного моря на основе эволюционного подхода к моделированию морских экосистем с использованием эйлерово-лагранжевого метода.
-
Разработка методов поиска оптимальных эмпирических зависимостей для параметризации основных жизненных функций биологических компонентов и других взаимосвязей между переменными морской экосистемы на основе анализа имеющихся баз данных.
-
Исследование спектральной структуры пятнистости в пространственном распределении морского планктона, механизма ее формирования в отсутствие значимых гидродинамических факторов и влияния пятнистости на биопродуктивность экосистемы.
-
Исследование пространственно-временной изменчивости возрастной структуры популяций морского зоопланктона, ее формирования в зависимости от гидрофизических и трофических условий существования на основе натурных данных и численных экспериментов.
-
Исследование развития гипоксии и анаэробного режима на мелководье и пространственно-временной изменчивости полей экосистемы многоэлементного планктонного сообщества прибрежной зоны Черного моря на основе усовершенствованной ООМ.
-
Исследование потоков энергии и вещества в трофической цепи морской экосистемы прибрежной зоны Черного моря и численное прогнозирование морфо-метрических характеристик и составляющих энергетического баланса мидий в процессе их роста на коллекторе морской фермы на примере мидийного хозяйства в б. Ласпп.
Объект исследования - морские экосистемы прибрежной зоны Черного моря в контексте рационального использования биоресурсов.
Предмет исследования — пространственно-временная изменчивость параметров морских экосистем.
Материалы и методы исследования:
-
Системный подход как принцип выполнения исследований, объедошяющий при комплексном анализе проблемы теоретические способы описания объекта исследования с экспериментальными - обработкой и использованием данных наблюдений.
-
Балансово-энергетический подход к описанию биологических компонентов экосистемы.
-
Вычислительные методы, функционирующие по аналогии с законами эволюции в природных системах, - т. н. «эволюционные» методы:
индивидуум-ориентированное моделирование; метод группового учета аргументов; генетический алгоритм.
-
Разностные методы решения дифференциальных уравнений в частных производных, использующиеся в численной модели морской экосистемы.
-
Спектральный и вейвлет анализ рядов данных.
В основу работы легли данные наблюдений банка МГИ НАНУ (867 станций, выполненных судами МГИ и ИНБЮМ в Черном море), спутниковые данные о цветности поверхности Черного моря (1830 снимков, полученных в течение 2003 - 2011 гг.), многочисленные литературньте данные биологического характера, множество численных экспериментов, вьтолненных при варьировании параметров моделей, начальных и граничных условий.
Научная новизна полученных результатов: 1. Впервые на основании результатов имитационных экспериментов с многоэлементной объектно-ориентированной моделью в сопоставлении с данными наблюдений показано, что пятнистость пространственного распределения является необходимым услозием устойчивого существования планктонного сообщества, а ее свойства на масштабах от десятков метров до нескольких кило-
метров определяются функциональными характеристиками зоопланктона на организменном уровне и трофическими условиями существования.
-
Показано, что пятнистость пространственного распределения каждого из звеньев трофической цепи морской экосистемы существенно влияет на скорость роста биомассы следующего звена и формирует особенности его пространственного распределения, что, в итоге, влияет на продуктивность всей экосистемы. Получены характерные масштабы, на которых существует значимая корреляционная связь между биологическими компонентами морской экосистемы.
-
Показано, что наблюдаемая высокая изменчивость возрастной структуры популяций морского зоопланктона во многом объясняется пространственно-временной изменчивостью кормовой базы, а также наложением популяцион-ных волн, возникающих вследствие воздействий различных дестабилизирующих факторов.
-
Впервые разработан эйлерово-лагранжев метод представления компонентов морской экосистемы, позволяющий имитировать особенности жизнедеятельности и активное движение биологических компонентов морской экосистемы в изменяющейся морской среде, который реализован в виде численной двухслойной объектно-ориентированной модели с описанием жизненного цикла и репродукции гидробнонтов морской экосистемы прибрежной зоны Черного моря.
-
Впервые разработан эволюционный метод поиска эмпирических зависимостей между переменными экосистемы и внешними факторами, который позволяет существенно повысить точность получаемых уравнений, особенно в тех случаях, когда выборка данных наблюдений имеет небольшую длину.
-
Впервые получен детальный численный прогноз морфометрических характеристик и составляющих энергетического баланса мидий в процессе их роста на коллекторе в прибрежной зоне Черного моря.
Практическое значение полученных результатов.
Потенциал практического применения моделей морской среды, выполненных в данной диссертации и построенных на основе объектно-ориентированного подхода, обусловливается возможностью моделей более адекватно описывать живые компоненты экосистем на малых масштабах по сравнению с традиционными конечно-разностными моделями, в которых биологические составляющие представляются в форме пассивной примеси. Такие модели могут не только углублять понимание внутренних механизмов функциошфования экосистем, но и давать более близкие к реальным оценки продуктивности и других интегральных показателей, имеющих практическое значение для народного хозяйства. Особенно перспективным следует считать использование данного подхода при построении моделей управления объектами марикультуры. Подобные модели будут необходимы как на этапе проектирования новых объектов морских хозяйств, так и на этапе их эксплуатации. Новое направление моделирования разработано достаточно полно для того, чтобы перейти к практическому созданию информационной технологии управлеїшя морским хозяйством, на примере мгшийного хозяйства б.Ласгш.
Метод эволюционного моделирования сложных систем, развиваемый в диссертации, имеет широкое практическое применение в задачах обработки массивов разнородных данных и построения эмпирических моделей, предназначенных для прогноза состояния морской среды. Потенциал этого метода выходит далеко за рамки использования его в целях уточнения параметризаций при построении базовых уравнений морских экосистем прибрежной зоны моря и включает в себя обработку разноплановых натурных данных как контактных, так и дистанционных наблюдений. В диссертации решен ряд практических задач моделирования интегральных среднегодовых характеристик морской среды Азовского моря, определения функциональных зависимостей между характеристиками деятельного слоя Черного моря по натурным данным, поиска связей среднегодовых гидрологических характеристик Каспийского и Черного морей с внешними факторами. Предложенный в работе метод используется в ГОИНе (Москва) и УкрНЦЭМ (Одесса).
Личный вклад соискателя. Работы [18, 19, 24, 26 - 29, 34, 35] написаны без соавторов. В работах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежит идея исследования, анализ литературных источников и натурных данных, разработка концепции и компьютерных моделей, участие в планировании численных экспериментов, проведение расчетов, участие в анализе и интерпретации результатов. Часть научных результатов, вошедших в диссертацию, опубликованы в соавторстве с И.Е. Тимченко, В.Н. Еремеевым, В.Д. Яриным, Л.А. Петренко, В.Ю. Поляничевым, А.А. Прималенным, Е.М. Игумновой, B.C. Латуном, С.А. Шибаевой, А.И. Рябини-ным, которые на разных этапах принимали участие в исследованиях. Всем коллегам автор выражает глубокую благодарность за сотрудничество. В работах, опубликованных с соавторами, конкретный вклад соискателя заключался в следующем:
— в монографиях [1, 2] в разделах, посвященных разработке эволюционных ме
тодов анализа и прогноза процессов в экосистеме и объектно-ориентированному мо
делированию экосистем автору принадлежит обзор литературы, сравнительный ана
лиз новых методов, поиск путей адаптации этих методов к океанологическим зада
чам, идея объектно-ориентированного моделирования, участие в разработке концеп
ции, проведение численных экспериментов, участие в интерпретации результатов;
- в работах [3 - 13, 20 - 22, 33] автору принадлежит идея нового метода поиска
эмпирических зависимостей между переменными экосистемы и влияющими на них
факторами, участие в постановке задачи, разработка численных алгоритмов, прове
дение расчетов, анализ натурных данных и участие в интерпретации результатов;
- в работах [14 - 17, 23, 25, 30 - 32] автору принадлежит идея исследования, анализ литературных источников и натурных данных, разработка концепции и математической модели, разработка численной модели, участие в планирование численных экспериментов, проведение расчетов, участие в анализе и интерпретации результатов.
Апробация результатов диссертации. Результаты исследований, представленные в диссертации, докладывались на семинарах, рабочих группах и ученых советах МГИ НАН Украины, а также на следующих конференциях:
- Международный симпозиум по проблемам Черного и Азовского морей, ноябрь
1993 г., г. Севастополь;
Международная конференция «Открытое общество», октябрь 1998 г., г. Севастополь;
Международная конференция «Oceanography of the Eastern Mediterranean and Black Sea: Similarities and Differences of Two Interconnected Basins», 14-18 октября 2002 г. г. Анкара, Турция;
Международная конференция «Scientific and policy challengers towards an effective management of the marine environment», 12-18 октября 2003, г. Албе-на, Болгария;
Ш Международный симпозиум по продуктивности зоопланктона, 20 - 23 мая 2003 г., г. Гийон, Испания;
Международная научная конференция «Фундаментальные исследования важнейших проблем естественных наук на основе интеграционных процессов в образовании и науке», 19 - 26 августа 2006 г., г. Севастополь;
Международный научно-технический семинар «Системы контроля окружающей среды», 14—18 сентября 2009г., г. Севастополь;
Международная научная конференция «Функционирование и эволюция экосистем Азово-Черноморского бассейна в условиях глобального изменения климата», 6-11 сентября 2010 г., г. Севастополь - п. Кащшели;
Международная конференция «Современные проблемы математики и её приложения в естественных науках п информационных технологиях», 17 - 22 апреля, 2011 г., г. Харьков;
Международный научно-технический семинар «Системы контроля окружающей среды», 12 - 16 сентября 2011 г., г. Севастополь;
VII Международная научная конференция «Современные рыбохозяйственные и экологические проблемы Азово-Черноморского региона», 20 - 23 июня 2012 г., г. Керчь;
Международный научно-технический семинар «Системы контроля окружающей среды», 24 - 28 сентября 2012 г., г. Севастополь;
Международная научная конференция «Интегрігрованная система мониторинга Черного и Азовского морей», 24 - 27 сентября 2013 г., г. Севастополь;
УТЛ Международная конференция «Современные рыбохозяйственные и экологические проблемы Азово-Черноморского региона», 26 - 27 июня 2013 г., г. Керчь;
Международный научно-технический семинар «Системы контроля окружающей среды», 16 - 20 сентября 2013 г., г. Севастополь.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 42 научных работах. Из них: монографий - 2 (в соавторстве); статей в периодических научных журналах - 21; статей в сборниках научных трудов - 12; тезисов в трудах научных конференций - 7. 29 публикаций полностью отражают основные результаты диссертации и содержатся в изданиях, включенных в перечень ДАК МОН Украины: «географические науки», из них 7 публикаций без соавторов, в базе SCOPUS - 15 публикаций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка использованных источников и приложения. Полный объем диссертации 298 страниц текста. Основная часть содержит 276 страниц текста и
включает 106 рисунков, 17 таблиц. Список использованных источников включает 239 работ и занимает 22 страницы. Приложение занимает 5 страниц.
