Г. С. Розенберг, В. К. Шитиков, П. М. Брусиловский




Скачать 207.25 Kb.
НазваниеГ. С. Розенберг, В. К. Шитиков, П. М. Брусиловский
Дата публикации11.03.2013
Размер207.25 Kb.
ТипКнига
skachate.ru > География > Книга
Российская Академия наук

ИНСТИТУТ ЭКОЛОГИИ ВОЛЖСКОГО БАССЕЙНА

Г.С.Розенберг, В.К.Шитиков, П.М.Брусиловский

Э К О Л О Г И Ч Е С К О Е П Р О Г Н О З И Р О В А Н И Е


(Функциональные предикторы временных рядов)

Тольятти


1994

УДК 519.237:577.4;551.509

Розенберг Г.С., Шитиков В.К., Брусиловский П.М. Экологическое прогнозирование (Функциональные предикторы временных рядов). - Тольятти, 1994. - 182 с.

Рассмотрены теоретические и прикладные вопросы прогнозирования временной динамики экологических систем методами статистического анализа. Обсуждаются основные парадигмы и общая методология экологического прогнозирования. С использованием конкретных примеров наблюдений за компонентами экосистем оценивается работоспособность и эффективность методов классического математического анализа временных рядов, интерполяции тренда полиномами, сплайнами, моделями регрессии и МГУА. Приведено описание алгоритмов получения комплексных прогнозов коллективами предикторов. Обсуждаются проблемы получения долгосрочных прогнозов методами конечных автоматов.

Книга предназначена для специалистов, занимающихся методами прикладной статистики в экологии, метеорологии, медицине и других областях знаний, а также в качестве учебного пособия для студентов старших курсов.

Табл. - 12; ил.- 42; библиогр. - 189.

Рекомендовано к печати Ученым советом Института экологии

Волжского бассейна РАН.

Отв.редактор: д.б.н. Меншуткин В.В. (г.Санкт-Петербург)

445003, Россия, Самарская обл., г.Тольятти, ул.Комзина, 10 Институт экологии Волжского бассейна РАН, тел.(8469) 28-95-04

C Розенберг Г.С., Шитиков В.К., Брусиловский П.М., 1994

ПРЕДИСЛОВИЕ

Предлагаемая монография по своей теме весьма актуальна: любая экологическая экспертиза так или иначе нуждается в прогнозировании. Состоявшийся в июне 1993 г. в Санкт-Петербурге международный симпозиум "Теория и практика комплексных экологических экспертиз" показал насущную практическую необходимость разработки достаточно надежных методов экологического прогнозирования, что совпадает с научными усилиями авторов рассматриваемого труда.

По содержанию, стилю изложения, а так же по составу потенциальных читателей книга распадается на две части. Первая часть (Введение и глава 1) - это живо и хорошо написанный обзор современного состояния проблемы и перспектив экологических прогнозов. Очень широкий круг специалистов - от профессиональных статистиков, прикладных математиков и экологов до работников самых разнообразных экологических комитетов, отделов и комиссий административных, законодательных и других органов - с большим интересом и несомненной пользой для себя прочтет эти разделы книги. Остальная часть монографии (главы 2, 3, 4 и 5, а также приложение) носит специальный характер и адресована, в первую очередь, пока немногочисленному, но постоянно расширяющемуся слою неортодоксальных биологов, которые после полевого сезона садятся за персональные компьютеры и пытаются извлечь "зерна истины", рассыпанные в громадных файлах экологической информации объемом в многие мегабайты. Вот им то и будет очень ценен опыт работы авторов с системами "Мезозовр", "SSР" и отечественными разработками МГУА.

Практические пользователи пакетов статистических компьютерных программ (особенно зарубежного происхождения) будут благодарны авторам книги за большой труд апробирования самых различных и подчас экзотических методов прогнозирования и статистического анализа на конкретном экологическом материале. Конечно, выводы о том, что приложимо в каждом конкретном случае, а что не имеет смысла и "фантастично" (по выражению авторов, с.73) придется делать читателям, но легкого чтения этой части книги никто и не обещал.

Не следует обвинять авторов монографии в том, что они не добились гармонического сочетания первой и второй части: попробуйте выразить принцип омнипотентности В.В.Налимова в терминах теории стационарных случайных процессов... Следуя традиции авторов предпосылать главам стихотворные эпиграфы, подобную ситуацию можно интерпретировать таким советом:

^ Если вы окно разбили,

Не спешите признаваться.

Погодите, - не начнется ль

Вдруг гражданская война.

Артилерия ударит,

Стекла вылетят повсюду,

И никто ругать не станет

За разбитое окно.

Г.Остер. Вредные советы. М: "Росмэн", 1994

По всей видимости, прогнозировать "гражданскую войну" при помощи многорядного алгоритма МГУА авторы в явной форме не рекомендуют.

Значение монографии не в том, что предлагаются конкретные рецепты прогнозирования экологических процессов на основе анализа временных рядов, а в том, что здесь убедительно показывается недостаточность описываемого математического аппарата для решения задач экологического прогнозирования. Знать же методы, которые предлагают авторы, очень полезно и нужно для всякого, кто занимается экологическими прогнозами или имеет к ним отношение. Но еще важнее понимать, что при помощи только этих методов, которые излагаются в книге, экологический прогноз невозможен. Резким контрастом первой и второй части монографии авторы очень хорошо подчеркнули эту мысль. Пафос книги видится в демонстрации незавершенности и открытости аппарата экологического прогнозирования. Не будем отнимать у читателя замечательного права самому внести нечто новое в данную проблематику, ибо монография Г.С.Розенберга, В.К.Шитикова и П.М.Брусиловского всем своим содержанием призывает к этому.

Лауреат Государственной премии СССР, доктор биологических наук, профессор

В.В.Меншуткин

^ БЛЕСК И НИЩЕТА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО ПРОГНОЗИРОВАНИЯ

(вместо введения)

Гадать надо умеючи. В этом деле существуют разные теории, но имейте в виду, что десятка пик никогда не означает дороги.
^

Карел Чапек


"Существует широкий класс явлений, в которых объектом наблюдения служит какая-либо числовая величина или последовательность числовых величин, распределенные во времени. Температура, непрерывно записываемая самопишущим термометром; курс акций на бирже в конце каждого дня; сводка метеорологических данных, ежедневно публикуемая бюро погоды, - все это временные ряды, непрерывные или дискретные, одномерные или многомерные. Эти временные ряды меняются сравнительно медленно, и их вполне можно обрабатывать посредством вычислений вручную или при помощи обыкновенных вычислительных приборов, как счетные линейки и арифмометры. Их изучение относится к обычным разделам статистической науки." (Винер, 1968, с. 115).

На протяжении всей истории у человечества постоянно возникают задачи, на которые в рамках имеющегося знания трудно получить однозначный ответ. Последние годы общество интересовали, например, такие проблемные вопросы: "Что будет с экосистемой Балтийского моря в 2021 году?", "Как изменится экологическая ситуация при переброске вод северных рек в аридные районы?", "В каком направлении пойдет развитие рыночной экономики в России?", "К каким последствиям может привести нарушение озонного слоя атмосферы?" и т.д. Проблемы такого рода повсеместно возникают как у специалистов, непосредственно изучающих сложные системы, так и у лиц, принимающих решения о том или ином характере использования этих систем.

С древнейших времен (и по сегодняшний день) люди верили в то, что их будущее определяется богами и познать его можно лишь прибегнув к магии или гаданию. Все окружающие человека явления природы и его собственное развитие объяснялись воздействием фантастических или мифических сил. Однако и в те далекие времена человек смутно осознавал, что события будущего каким-то образом связаны с настоящим и прошлым. Сейчас трудно сказать, кто был первым прогнозистом, но достоверно известно, что с очень давних времен существовал (и существует по сей день) "институт предсказателей" - пророков, оракулов, авгуров, шаманов, астрологов и др.

Из истории Древней Греции хорошо известен своими оракулами славный город Дельфы. Прогноз этих оракулов отличался от обычных пророчеств отдельных прорицателей тем, что он обсуждался на совете дельфийских мудрецов, тщательно знакомившихся со всеми обстоятельствами прогнозируемой ситуации.

Авгуры - коллегия жрецов в Древнем Риме, назначенных, по преданию, первым римским царем Ромулом, - гадали и строили прогнозы по поведению птиц (полеты птиц были своеобразными "моделями", с помощью которых надо было вывести настоящее из прошлого). Без предсказаний авгуров не проводилось ни одно сколько-нибудь серьезное государственное мероприятие Древнего Рима.

И вот сегодня, в соответствии с крылатым выражением "все новое - это хорошо забытое старое", исследователи вновь вспомнили и авгуров, и дельфийских оракулов. Чтобы проиллюстрировать это, приведем несколько цитат известных экологов и специалистов в области экологического прогнозирования.

Доктор биологических наук Н.Ф.Реймерс (1990, с. 409): "Прогнозирование экологическое - предсказание возможного поведения систем, определяемого естественными процессами и воздействием на них человечества".

Академик В.Е.Соколов (1979, с. 5): "...Экологическое прогнозирование охватывает сложный комплекс объектов - от природных экосистем до промышленных и сельскохозяйственных. Одними из центральных компонентов прогнозирования являются экосистемы... Одна из целей прогнозирования - сохранение природных ресурсов на высокопродуктивном уровне, который может быть использован в течение неопределенно продолжительного времени".

Доктор биологических наук Ю.З.Кулагин (1980а, с. 15; 1980б, с. 36; 1985, с. 10): "...Для экологии прогнозирование стало настолько значимым, что современный этап ее развития характеризуется интенсивным формированием экологического прогнозирования как самостоятельного научного направления. Это связано с резко возросшей актуальностью принятия защитных превентивных мер по отношению к отдельным видам и биоценозам; очевидна и жизненная необходимость экологических прогнозов для перспективных народнохозяйственных планов и проектирования новых технологий по использованию природных ресурсов... Под экологическим прогнозированием целесообразно понимать создание таких обобщений и методов, которые обеспечивают выработку прогностических оценок по отношению к особям и популяциям видов, о судьбе которых мы беспокоимся... Сугубо практический аспект прогнозирования требует подчеркнуть обязательную заблаговременность и необходимое дальнодействие прогноза, его тесные связи с проектированием и перспективными планами. От экологического прогнозирования принципиально нельзя требовать предельно точных картин будущего и однозначного предсказания конкретных деталей организации вида, динамики его популяции в еще не реализованных условиях... Исходя из современного уровня развития теории и методов экологического прогнозирования, необходимо сделать более интенсивным процесс изучения биологических компонентов экосистем и анализировать полученные результаты в комплексе с данными других наук с целью повышения точности и дальнодействия прогноза последствий от современного техногенеза".

Доктор биологических наук В.Д.Федоров (1983, с. 10, 22, 23): "Уточняя понятие экологического прогноза, мы должны касаться прежде всего изменений природных экосистем, их состава и структуры, а также уровня функционирования и степени устойчивости к неблагоприятному воздействию извне... Существуют две противоположные крайние точки зрения на экологический прогноз. Согласно одной, поддерживаемой главным образом частными экологами - специалистами по экологии различных таксономических групп, в прогнозе вообще не нужно никакого системного подхода... Сторонники другой позиции утверждают, что поведение экосистемы невозможно свести к закономерностям поведения популяций, видят в применении имитационного моделирования отображение возможности учета эмерджентных свойств (свойств целого, отсутствующих у компонентов системы или не выводимых из знания этих свойств у компонентов. - Г.Р., В.Ш., П.Б.) и считают конструирование и изучение на ЭВМ свойств таких больших, дорогостоящих и громоздких моделей - единственно приемлемой, подлинно научной основой экологического моделирования... Существует, конечно, еще компромиссное мнение, когда экологи говорят о разумных началах каждого из подходов и возможностях их синтеза".

Доктор биологических наук Л.Н.Зимбалевская (1980, с. 5): "Если считать экологическое прогнозирование конечным и обязательным результатом исследований системной экологии, то основным его методом должно стать математическое моделирование как формальное упрощение сложных экосистем, как абстрактное отображение реального мира".

Доктор биологических наук Г.Е.Михайловский (1983, с. 55): "Экологический прогноз может быть основан на одном из двух методологических подходов: во-первых, на создании динамической модели исследуемой системы и анализе ее поведения во времени, а во-вторых, на статистической обработке временных рядов наблюдений и экстраполяции этих рядов в будущее. При обоих подходах предварительно необходимо достаточно длительное наблюдение за системой".

Доктор технических наук В.В.Налимов (1983, с. 42): "Невозможность охватить мысленным взором все потенциально существующее поле элементарных событий делает вероятностный прогноз в экологии <<авгуровским>>".

Эти достаточно пространные цитаты хорошо вводят в проблематику экологического прогнозирования.

Логика построения прогнозов дельфийскими оракулами лежит в основе современного метода экспертных оценок. Одним из распространенных алгоритмов экспертных оценок является "мозговой штурм", суть которого сводится к разделению решения задачи построения прогноза и (или) принятия решений на два этапа: генерирование новых идей и их последующий анализ и обсуждение. Следует отметить, что такая процедура прогнозирования и (или) принятия решений часто используется в нашей повседневной жизни без указания ее принадлежности к мозговому штурму. Так, например, на семейном совете в присутствии дедушек, бабушек, родителей, других родственников и друзей обсуждается и принимается решение о выборе жизненного пути юного отрока после окончания школы - поступление в ВУЗ, ГПТУ, колледж, работа на производстве и т.д. (кстати, мнение самого подростка здесь часто оказывется "задавленным" большинством голосов родственников, которые выбирают для принятия решения не самую лучшую из систем весов мнений). Другим общеизвестным примером мозгового штурма - уже в масштабе страны (с аналогичным авторитарным "семейным" давлением на общественное мнение и потому достаточно жалким результатом) - может служить всенародное обсуждение проекта Конституции СССР 1977 г. (по свидетельству газеты "Правда" в обсуждении приняло участие 140 млн. человек, было высказано 400 тыс. предложений, после рассмотрения которых в 110 статей было внесено около 150 поправок и уточнений). Аналогично, но с еще более упрощенной дихотомической процедурой обсуждения - "да" или "нет" - проходило принятие на всенародном референдуме Конституции России 1993 г.

Однако в задачах экологического прогнозирования обращение к экспертным оценкам - это неизбежная ориентация на взгляды большинства. А большинство, как известно, отражает установившуюся точку зрения, т.е., фактически, взгляды вчерашнего дня. Всякие новые идеи - взгляды завтрашнего дня - в момент их возникновения имеют мало сторонников. Следовательно, если даже в ходе экспертного опроса они выявятся, у нас не будет критерия, позволяющего опереться на них (на меньшинство); иными словами, они будут непопулярны и их придется отбросить. Пример из физики: "водружение" Земли в центре планетной системы путем "голосования" научного сообщества, где голоса "против" были за Коперником, Галилеем и Бруно (лишь в ноябре 1992 г. Ватикан отменил результат "голосования" и реабилитировал Галилея).

Аналогичными примерами в экологии могут служить: концепция непрерывности растительного покрова Раменского-Глизона, сформулированная в начале ХХ века и ставшая главенствующей лишь в 50-60-х годах; как положительные, так и отрицательные последствия воздействия лесополос на плодородие земель; изменение отношения к волку - то хищник, то "санитар" - и пр. Известны примеры, когда научное сообщество достаточно организованно и долго шло не только по неверному, но и по нелепому пути ("агробиологическая наука" Т.Д.Лысенко). Все это заставляет очень осторожно относиться к качественному экологическому прогнозированию на основе экспертных оценок.

Другая дорога "ведет в Рим" - к авгурам, методология которых (Augurary futura praetetis - прогноз будущего по знанию прошлого и Salutem populi augurare - гадать о народном благоденствии) лежит в основе большинства современных методов прогнозирования (в первую очередь, основанных на использовании методов математики). Бытует мнение, что математика является "панацеей от всех бед" и может дать ответы на самые сложные вопросы. При этом часто наблюдается фетишезация получаемых с помощью математического моделирования прогнозов, следствием которой является повышение доверия к ним со стороны конкретных специалистов и лиц, принимающих решение. Но здесь уместно вспомнить стихи Павла Антокольского:

^ Ключ ясных формул к жизни не подобран,

Но как не бейтесь с формулами вы,

Мир будет завтра праздничным и добрым

И совершенным с ног до головы.

Следует заметить, что это доверие быстро рассеивается, если к решению конкретных проблем были независимо применены, по крайней мере, два различных способа моделирования, так как получаемые в этом случае прогнозы оказываются различными (и зачастую - весьма значительно). Это обусловлено как объективными, так и субъективными причинами. Первые связаны со сложностью исследуемых систем, вторые - с особенностями самого процесса познания (в частности, два разных специалиста не могут иметь абсолютно одинаковую информацию, включая и априорную, об изучаемом сложном объекте - один знает что-то больше, другой - что-то детальнее и т.д.). Чем больше разрабатывается моделей для ответа на конкретный вопрос, тем больший спектр прогнозов поступает на стол лица, принимающего решение, и тем сложнее оказывается сам процесс его выбора.

Приведем несколько примеров.

В качестве успешного экспертного прогноза вспомним обсуждавшийся в 60-е годы проект сооружения гидроэлектростанции в нижнем течении Оби. Специалистами были высказаны прогнозы целого ряда отрицательных последствий такого строительства: затопление и подтопление территории, измеряемой десятками миллионов гектаров, гибель огромных запасов лесных, растительных и животных ресурсов, недоступность ценнейших полезных ископаемых. В этом случае прислушались к мнению экологов, хотя, к сожалению, это происходит далеко не всегда.

А вот курьезный пример прогноза в стиле "авгуров", сделанный более ста лет тому назад. Тогда лошадь была практически единственным "источником" энергии в сельскохозяйственном производстве и считалось, что она способна прокормить четырех человек. Исходя из этого простого соотношения в 1870 г. был дан прогноз, что в 1970 г. "российское стадо лошадей" составит 50 млн. голов (см. Браун, 1972; Большаков, 1983; оценки численности населения при этом, как мы теперь знаем, тоже были занижены). Но вскоре пришла эра двигателей внутреннего сгорания и сегодня многие городские дети с удивлением рассматривают редкую лошадь - по данным статистической отчетности в 1981 г. в России насчитывалось 2,546 млн. голов лошадей (ошибка прогноза 1000% !).

Интересен пример оценки точности прогноза развития экосистем равнинных водохранилищ СССР (Николаев, 1980). Интенсивное гидростроительство в 30-50-е годы (так называемый, "Сталинский план преобразования природы") привело к созданию серии крупных водохранилищ на Волге, Днепре, Каме и ряде других рек. Прогнозы составлялись с привлечением крупнейших гидробиологов и ихтиологов страны по всем основным водохранилищам, на которых с первых лет их существования проводились регулярные гидробиологические исследования, что позволило оценить оправданность прогнозов. Оказалось, что качественная картина расселения конкретных видов верна со знаком "до наоборот": неожиданным был процесс саморасселения элементов южной фауны (каспийского комплекса) по Волге и Каме (планктонные ракообразные, дрейссена, каспийская тюлька и др.) на север. Также не предсказывался и встречный поток расселения лимнофауны с севера на юг. Ни один прогноз не предусматривал общую закономерность в процессе расселения, связанную с обеднением компонент экосистемы.

Ошибки количественного прогноза тоже были весьма существенны. Так, продуктивность фитопланктона оказалась на практике выше прогнозируемой ("цветение" водохранилищ, практически с первого года их затопления), а зоопланктона и промысловых рыб - значительно меньше прогнозной. По ряду данных (Кудерский, 1976), максимальные уловы рыбы оказались меньше прогнозируемых: по Иваньковскому и Рыбинскому водохранилищам почти в 2 раза, по Камскому - в 4 раза, по Куйбышевскому - в 5, по Волгоградскому - в 6, по Горьковскому - в 7, по Воткинскому - почти в 8 раз. Ошибки в прогнозе рыбной продуктивности водохранилищ объясняются в десятки раз завышенными значениями биомассы зообентоса. Все эти расхождения между ожидаемыми и наблюдаемыми значениями характеристик искусственно создаваемых озеровидных водоемов позволяют сделать вывод о том, что экологическое прогнозирование в этом случае нельзя признать удовлетворительным.

В настоящее время широко дискутируется вопрос о путях развития биосферы в целом. Отметим, что данная экосистема - биосфера - не позволяет проведения над собой экспериментов в общепризнанном, естественнонаучном смысле слова (лабораторных или натурных экспериментов; см. Флейшман, 1986; Розенберг, Мозговой, 1992); единственным способом ее изучения и прогнозирования поведения целостных характеристик становится математическое моделирование. Причем разные авторы акцентируют внимание на различной проблематике в исследовании биосферы (экологической, эколого-экономической, экономической, демографической), строят модели различного типа (имитационные, аналитические, самоорганизующиеся), предлагают различные решения для достижения устойчивого состояния биосферы (концепции "нулевого роста", "ограниченного роста", "перераспределения капиталовложений", "сбалансированного по регионам роста", "переход на новые ресурсы" и пр.). Прогнозы этих исследователей также имеют самый широкий спектр - от социально-экологического пессимизма (Дж.Форрестер, Д.Медоуз), через ограниченный оптимизм (М.Месарович, Э.Пестель, В.А.Геловани, Н.Н.Моисеев и др.) к сверхоптимизму (Г.Кан, В.Браун).

Академик В.И.Вернадский (1967, с. 237) писал: "Живой организм биосферы сейчас эмпирически должен изучаться как особое, целиком не сводимое на известные физико-химические системы тело". Биосфера - уникальная экосистема, закономерности структуры и функционирования которой до сего времени изучались только в ретроспективе. Экспериментировать с биосферой в целом нельзя, так как трудности глобального эксперимента носят не только технический характер: исследователь не вправе идти на риск, меняя тем или иным образом условия существования того единственного в своем роде объекта, каким является биосфера. Таким образом, имитация на ЭВМ, псевдоэксперимент с моделью биосферы становятся единственным методом исследования системных (сложных) характеристик биосферы в различных сценариях развития человечества.

Одной из наиболее интересных моделей биосферы стала имитационная система "Гея", разработанная в ВЦ АН СССР под руководством академика Н.Н.Моисеева (Крапивин и др., 1982; Моисеев и др.,

1985). В 1983 г. эта система была использована для прогноза последствий ядерного конфликта по сценарию К.Сагана и позволила по результатам моделирования "пронаблюдать": как после ядерной катастрофы меняются климатические параметры, возникает и постепенно просветляется "ядерная ночь", каковы последствия ее воздействия на продуктивность биосферы. Можно смело утверждать, что прогнозируемый эффект "ядерной ночи" оказал значительное воздействие на дальнейший характер взаимоотношений СССР и США и привел к подписанию договора о сокращении ядерных вооружений. Это положительный пример прямого воздействия экологического прогнозирования на политику.

Интересен и такой факт. В 1975 г. в Нью-Йорке в разных издательствах вышли в свет две монографии: Х.Вилкокс в книге "Теплица Земля" приводит расчет и прогноз ожидаемого в ближайшие десятилетия потепления климата, а Н.Кальдер в книге "Механизм погоды" не менее убедительно прогнозирует похолодание климата.

Все рассмотренные примеры хорошо иллюстрируют ту сложнейшую ситуацию, в которую попадает лицо, принимающее решение. Действительно, если средства, отпущенные на подготовку к тому или иному изменению климата ограничены (а они всегда ограничены и важнейшая роль лица, принимающего решение, - распределить эти средства наилучшим образом), то необходимо решить, во что вкладывать средства: в изготовление холодильников (в случае потепления климата) или в изготовление валенок (для более прохладной погоды).

Для современного состояния экологического прогнозирования характерны четыре основных принципа (Розенберг, 1984; Брусиловский, 1987). Первый из них - это принцип множественности моделей; он был предложен В.В.Налимовым (1971) и заключается в том, что для прогнозирования конкретной экологической ситуации возможно построение нескольких, одинаково достоверных математических моделей. Этот принцип хорошо иллюстрируется всеми приведенными выше примерами.

Второй, очень важный принцип, - это принцип омнипотентности факторов, также предложенный В.В.Налимовым (1983). Суть его сводится к тому, что существуют факторы (они-то и называются омнипотентными, т.е. всемогущими), которые вчера и сегодня не играли никакой значимой роли в динамике той или иной экосистемы, но которые могут оказывать на нее определяющее воздействие завтра. Классическим примером проявления омнипотентности можно считать все гидробиологические прогнозы развития водохранилищ, которые "не заметили" эффекта цветения водоемов (ни один прогноз!), хотя к их построению привлекались лучшие специалисты.

Следующий принцип был предложен американским исследователем Дж.Форрестером (1977; 1978), автором системной динамики (одного из наиболее распространенных приемов имитационного моделирования) - принцип контринтуитивного поведения сложных систем. В соответствии с этим принципом сложные системы (в том числе и экологические) ведут себя совсем не так, как подсказывает нам наша интуиция, т.е. ведут себя контринтуитивно. Причинами такого поведения являются объективная сложность экосистем, субъективность наших знаний и уже названный принцип омнипотентности факторов. Примеров контринтуитивного поведения экосистем - огромное количество. Можно смело утверждать, что экологический кризис сегодня во многом "обязан" этому принципу. Например, прогноз заиления Вахшского водохранилища определял срок в 1000 лет, а он сбылся уже через 7-8 лет! Печально, что этот "отрицательный опыт", к сожалению, очень медленно усваивается. И вот уже прогноз заиления Башкирского (Иштугановского) водохранилища на р.Белой и Крапивинского на р.Томь опять определяет срок ... 1000 лет! (см. Проект Башкирского.., 1985, с.33).

Четвертый - это принцип несоответствия точности и сложности, который предложил Л.Заде (1974; 1976) и который формулируется следующим образом: понятия "точности" и "сложности" при прогнозировании структуры и поведения экосистем связаны обратной зависимостью - чем глубже анализируется реальная экосистема, тем менее определенны наши суждения о ее поведении. Несовместимость "простоты" модели и точности решения задачи проявляется и в высказывании академика А.А.Самарского (1979, с. 28): "... исследователь постоянно находится между Сциллой усложненности и Харибдой недостоверности. С одной стороны, построенная им модель должна быть простой в математическом отношении, чтобы ее можно было исследовать имеющимися средствами. С другой стороны, в результате всех упрощений она не должна утратить и <<рациональное зерно>>, существо проблемы".

Таким образом, несмотря на то, что правдоподобных моделей одной и той же экосистемы можно предложить несколько (первый принцип), ни одной из них нельзя безоговорочно доверять (второй принцип), как нельзя доверять и экспертам (третий принцип). Более того, высокие требования к точности экологического прогнозирования вообще представляются недостижимыми (четвертый принцип). Если вспомнить еще об уникальности экосистем, невозможности редукции их, сложности проведения системных экспериментов, значительной погрешности и малочисленности измерений многих экологических параметров (традиционны временные ряды наблюдений в 10-20 значений), неполноте наших знаний о механизмах функционирования экосистем, то становятся понятны сомнения ряда специалистов относительно возможностей экологического прогнозирования вообще.

Однако необходимость в надежных экологических прогнозах становится все более острой, растет число их возможных потребителей. Особую актуальность получают экологические прогнозы в свете создаваемой сейчас системы экологической экспертизы проектов в нашей стране.

Все это и определило главные цели настоящей работы: изложить основные теоретико-методические подходы к экологическому прогнозированию, продемонстрировать работоспособность и эффективность основных типовых методов анализа временных рядов, указать их "сильные" и "слабые" стороны, дать некоторые рекомендации по повышению надежности предлагаемых прогнозов.

Главы 2-5 представляют собой своеобразный путеводитель по различным алгоритмам моделирования тренда - от широко применяемых методов сглаживания до конструирования конечных автоматов. Особое внимание уделено процедурам синтеза отдельных прогнозов в коллектив для получения наиболее надежных и детальных прогнозов. Описание каждого математического метода анализа приводится в книге по единой схеме в объеме, необходимом и достаточном для уверенного использования уже готовых компьютерных программ: общая идея алгоритма, итоговые расчетные формулы и иллюстративные примеры. Последние носят "сквозной" характер и основаны на достаточно длинных временных рядах наблюдений за абиотическими и биотическими компонентами водной экосистемы Куйбышевского водохранилища. При этом авторы не претендуют на какую-либо экологическую интерпретацию получаемых результатов. Что может означать, например, всплеск спектральной плотности численности коловраток в Куйбышевском водохранилище? Это может объясняться и приходом в точку наблюдения новых водных масс, и сменой видового состава, и вспышкой численности отдельного вида, например, Asplanchna priodonta. Однако в настоящем контексте важнее сама процедура получения этого феномена, а любая его смысловая интерпретация предоставляется читателям-профессионалам.

Авторы чрезвычайно признательны сотрудникам бывшей Куйбышевской биологической станции, Института экологии Волжского бассейна РАН и Тольяттинской ГМО, получившим и любезно предоставившим данные многолетних наблюдений. Авторы также считают своим приятным долгом выразить глубокую благодарность руководителям научных коллективов, кандидатам наук В.Н.Паутовой, В.А.Селезневу, Л.А.Выхристюк и Т.Д.Зинченко за помощь при подборе и интерпретации численных примеров; научному редактору, профессору В.В.Меншуткину, взявшему на себя труд рецензирования рукописи и сделавшему ценные замечания, способствующие улучшению ее содержания, а также сотрудникам Института экологии Волжского бассейна РАН: В.Г.Морозову - за программирование метода эволюционного моделирования (гл. 5) и Н.В.Афанасьевой, В.В.Кренделеву, Г.В.Исаковой, Л.В.Дворниковой и О.Л.Носковой - за техническую помощь в оформлении рукописи.

Авторы чувствуют внутреннюю потребность сделать рекламу высокопрофессиональному программному продукту коллектива разработчиков ЦЭМИ РАН и СП "Диалог" (С. Кузнецова, А. Халилеева и др.) - системе анализа временных рядов "МЕЗОЗАВР". Приобретенный традиционным для России "пиратским" способом этот пакет удовлетворил почти все вычислительные потребности авторов и во многом определил содержание и стиль гл. 2.

Отдельные разделы данной работы выполнены в рамках Государственной программы "Экологическая безопасность России" - гранты N 5.4.6.1 (Разработать автоматизированную систему принятия решений в области охраны окружающей среды и природопользования на региональном уровне) и 10.2.4.1 (Разработать комплексную оценку и прогноз состояния волжско-камских водохранилищ, план мероприятий по оптимизации их рыбохозяйственного использования) и Государственной научно-технической программы России "Биологическое разнообразие" - грант N 1.3.5 БР (Создание базы данных и экспертной системы по биологическому разнообразию крупного региона).

Очевидно, что как и любая научная работа, данная книга не лишена недостатков. Авторы с признательностью учтут все замеченные недочеты и внимательно рассмотрят любые другие предложения коллег-читателей.

Похожие:

Г. С. Розенберг, В. К. Шитиков, П. М. Брусиловский iconКоличественная
Шитиков В. К., Розенберг Г. С., Зинченко Т. Д. Количественная гидроэкология: методы системной идентификации. – Тольятти: иэвб ран,...
Г. С. Розенберг, В. К. Шитиков, П. М. Брусиловский iconВ истории войн найдется не много стратегических операций, названных...
Брусиловский прорыв. До сих пор Брусиловский прорыв вызывает интерес у множества историков и у людей увлекающихся военной историей....
Г. С. Розенберг, В. К. Шитиков, П. М. Брусиловский iconВ. Н. Краснов кандидат военно-морских наук, капитан 1 ранга, Е. А....
В. Н. Краснов кандидат военно-морских наук, капитан 1 ранга, Е. А. Шитиков кандидат технических наук, лауреат Государственной премии,...
Г. С. Розенберг, В. К. Шитиков, П. М. Брусиловский iconВ. Н. Краснов кандидат военно-морских наук, капитан 1 ранга, Е. А....
В. Н. Краснов кандидат военно-морских наук, капитан 1 ранга, Е. А. Шитиков кандидат технических наук, лауреат Государственной премии,...
Г. С. Розенберг, В. К. Шитиков, П. М. Брусиловский iconПитер Брусиловский и Филипп Миллер
Технологический Университет Д. Карнеги, 4615 Forbes Avenue, Pittsburgh, pa 15213, США
Г. С. Розенберг, В. К. Шитиков, П. М. Брусиловский iconБ. П. Уткин «Брусиловский прорыв» 1916 г. 22 мая (4 июня)- 31 июля...
«Брусиловский прорыв» 1916 г. 22 мая (4 июня)— 31 июля (13 августа). Одна из крупнейших боевых операций первой мировой войны, закончившаяся...
Г. С. Розенберг, В. К. Шитиков, П. М. Брусиловский iconВ. Н. Краснов кандидат военно-морских наук, капитан 1 ранга, Е. А....

Г. С. Розенберг, В. К. Шитиков, П. М. Брусиловский icon5 Известный театральный и художественный деятель, организатор «Русских...
А оборона Шипки б Брусиловский прорыв в взятие крепости Измаил г оборона Порт – Артура
Г. С. Розенберг, В. К. Шитиков, П. М. Брусиловский iconФлот накануне и в период Великой Отечественной войны
В. Н. Краснов, кандидат военно-морских наук, капитан 1 ранга, Е. А. Шитиков, кандидат технических наук, лауреат Государственной премии,...
Г. С. Розенберг, В. К. Шитиков, П. М. Брусиловский iconИстория России XX век
До сих пор Брусиловский прорыв вызывает интерес у множества историков и у людей увлекающихся военной историей. Прежде всего этих...

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2014
контакты
skachate.ru
Главная страница