Рассмотрены некоторые аспекты математического моделирования экосистем на основе использования данных наблюдений за вектором состояния системы. Предложен метод конструирования прогностического уравнения для переменной состояния, сочетающий преимущества нейронной сети и эволюционного алгоритма. Этот метод тестируется на имитационной системе функций и затем применяется к рядам данных наблюдений за состоянием экосистемы Азовского моря. Обсуждены полученные результаты.

Многолетние архивные наблюдения за гидрологическим и гидробиологическим состоянием Азовского моря использованы для идентификации структуры модели его экосистемы. Дополненная экспертными оценками потребления биоресурса (рыбных запасов), уровня загрязнения и возможных экологических штрафов за нарушение естественного состояния моря модель экосистемы формализована методом системной динамики. При этом основная часть функций влияния найдена по данным наблюдений с применением алгоритмов самоорганизации. Приведены результаты имитационных экспериментов с моделью экосистемы, позволяющие анализировать сценарии ее поведения при различных внешних воздействиях (ветер, речной сток, водообмен с Черным морем и пр.).

Предложена динамическая эколого-экономическая модель, основанная на аналогии математического описания природных и экономических процессов. Такой подход позволяет с единых позиций рассматривать весь комплекс взаимодействующих факторов. Численные эксперименты, выполненные с помощью упрощенного варианта этой модели, показали ее работоспособность и возможность использования в качестве инструмента имитационного моделирования в системах принятия решений.

Рассмотрена задача восстановления (интерполяции и экстраполяции) вертикальных профилей гидрохимических и гидробиологических элементов по неполным данным с одновременной фильтрацией короткопериодных составляющих на основе разложения по эмпирическим ортогональным функциям. Для расчета коэффициентов разложения профилей, в которых имеются пропуски, использован генетический алгоритм. Приведены результаты обработки массивов данных по кислороду, хлорофиллу "а" и биогенным элементам, полученных в Черном море с 1982 г. по 1993 г. Средняя ошибка восстановления профилей позволяет сделать вывод о том, что предлагаемый метод обладает существенными преимуществами перед традиционными.

Отмечено, что имитационное моделирование эволюции планктонного сообщества позволяет осуществлять непрерывный мониторинг динамики энергетических потоков в системе и оценивать соотношения между ними в различных звеньях трофической сети. Проанализированы результаты такого мониторинга, выполненного с использованием объектно-ориентированной модели, и приведены средние оценки энергетических потоков и их соотношения.

Рассмотрена экосистема планктонного сообщества фотической зоны шельфа в виде сложной системы, имеющей пять иерархических уровней. Для построения компьютерного образа экосистемы применяются методы объектно-ориентированного моделирования. Детально описана жизнедеятельность организмов каждого вида внутри некоего условного объема воды - базового объекта модели. В результате вся система моделирует взаимодействие видов в выделенной экосистеме. Система объединяет четыре группы биологических элементов - фитопланктон, бактерии, простейшие и зоопланктон, биокосные элементы - органический и минеральный фосфор, а также включает в себя уравнения для температуры воды и растворенного кислорода. Предлагаемая численная модель воспроизводит наблюдаемый пятнистый характер пространственно-временного распределения плотности гидробионтов и их активности. Выполненные численные эксперименты показали соответствие интегральных количественных показателей, рассчитываемых в модели, средним характеристикам, полученным в природных условиях.

Перевірено гіпотезу про те, що одним з біологічних чинників, які визначають ступінь агрегації планктонних організмів на масштабах від десятків метрів до кількох кілометрів, є їх питомий основний обмін. Проаналізовано літературні дані спостережень і результати імітаційних експериментів з об'єктно-орієнтованою моделлю планктонного угруповання.

Имитируется ситуация развития гипоксии в период весенне-летнего прогрева на мелководье. Исследована пространственно-временная динамика процесса. Использована объектно-ориентированная модель планктонного сообщества пелагиали, дополненная гидрохимическим блоком, который описывает циклы азота и серы в аэробных и анаэробных условиях. Гидродинамика системы описывается интегральной двухслойной моделью, учитывающей влияние атмосферной изменчивости на развитие процесса. Смоделирована реакция живых компонентов системы на смену режима в нижнем слое с окислительного на восстановительный и обратно.

Рассмотрены различные модели интегральных (пространственно осреднённых) процессов в морских экосистемах. Разработана объектно-ориентированная модель (ООМ) планктонного сообщества пелагиали, дополненная гидрохимическим блоком, который учитывает аэробные и анаэробные циклы азота и серы. Гидродинамика среды описывается интегральной двухслойной моделью, учитывающей влияние атмосферы на развитие интегральных процессов. ООМ применена для оценки явления гипоксии на мелководье, а также динамики производства и потребления кислорода в различных гидрохимических условиях. Построена математическая модель многоуровневой системы фитопланктон - зоопланктон - рыбы - рыбный промысел. Изучены реакция подобных систем на периодические и импульсные возмущения и их эволюционная релаксация к стационарным состояниям. Предложена динамико-стохастическая модель интегральных процессов в экосистеме северо-западного шельфа Черного моря. Сделан вывод о перспективности интегрального описания процессов в морских экосистемах, основанного на объектно-ориентированном и динамико-стохастическом моделировании.

Предложена объектно-ориентированная модель планктонного сообщества пелагиали, дополненная гидрохимическим блоком, который описывает циклы азота и серы в аэробных и анаэробных условиях. Гидродинамика системы описана интегральной двухслойной моделью, учитывающей влияние атмосферной изменчивости на развитие процесса. Модель используется для имитации развития гипоксии в период весенне-летнего прогрева на мелководье. Исследована пространственно-временная динамика процесса, а также динамика производства и потребления кислорода при аэробном и анаэробном режимах.

Рассмотрен алгоритм прогнозирования нестационарных временных рядов, который основан на методе аналогов. Поскольку для подгонки параметров оптимальной модели прогноза требуется перебор большого количества вариантов, описан генетический алгоритм, который при этом использовался. Рассмотрены несколько способов построения модели прогноза. По результатам расчетов выбран способ, который дает наименьшую среднеквадратическую ошибку. Определены параметры модели, влияющие на качество прогноза. Предлагаемый метод протестирован на данных реанализа (проект NCEP/NCAR) об аномалиях среднемесячной температуры воздуха у поверхности Земли за 58 лет. Результаты прогнозирования сравнены с оценками, полученными методом линейной регрессии. Показано, что метод аналогов дает удовлетворительные результаты в условиях, когда регрессионные методы приводят к ошибке, равной дисперсии прогнозируемого ряда.

Рассмотрена технология моделирования морских экосистем, сочетающая объектноориентированное моделирование с традиционными методами. Предлагаемая технология находится на стыке нескольких научных направлений, лежащих в разных областях знаний. Для ее иллюстрации приведено описание химико-биологической объектно-ориентированной модели планктонного сообщества мелководья северо-западного шельфа Черного моря и некоторых результатов, полученных с ее помощью. Модель включает в себя описание жизненного цикла копепод - одной из наиболее широко распространенных и многочисленных групп зоопланктона. Проведен сравнительный анализ численных экспериментов, выполненных при различных условиях внешней среды.

Приведены результаты сравнительного анализа численных экспериментов, проведенных с помощью двух разных способов моделирования биологических компонентов морской экосистемы: "традиционного" и объектно-ориетированного. Они свидетельствуют о том, что характер пространственного распределения (пятнистость) пищевого ресурса низшего звена трофической цепи существенно влияет на скорость роста плотности популяции следующего звена и формирует особенности его пространственного распределения, что, в конечном счете, влияет на продуктивность всех звеньев трофической цепи. Представление фитопланктона (низшего звена) в модели в виде непрерывного поля пассивной примеси приводит к более благоприятным условиям для питания организмов, потребляющих этот ресурс. Поэтому в расчетах при "традиционном" способе моделирования морской экосистемы продуктивность всех ее живых компонентов выще, чем при объектно-ориетированном. Различия особенно существенны на масштабах порядка десятка киломеров.

Динамика возрастной структуры популяций копепод исследована с помощью химико-биологической модели экосистемы мелководья, разработанной в рамках технологии объектно-ориентированного моделирования морских экологических систем. Прототипом модельного вида копепод является Euterpina acutifrons, отряд Harpacticoida. Приведено подробное описание параметризаций, использованных для описания жизненного цикла этого вида. Проанализированы результаты численных экспериментов, в которых исследованы эволюция генерации копепод от первой стадии развития, установление стационарной возрастной структуры при различных температурных и трофических условиях, а также возникновение популяционных волн как последствий воздействия на популяцию дестабилизирующих факторов.