научная статья по теме О ПРИМЕНЕНИИ МЕТОДА ОРТОГОНАЛЬНЫХ РАССТОЯНИЙ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ СЕЗОННОЙ ДИНАМИКИ ПЛАНКТОНА ОНЕЖСКОГО ОЗЕРА Охрана окружающей среды. Экология человека

Текст научной статьи на тему «О ПРИМЕНЕНИИ МЕТОДА ОРТОГОНАЛЬНЫХ РАССТОЯНИЙ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ СЕЗОННОЙ ДИНАМИКИ ПЛАНКТОНА ОНЕЖСКОГО ОЗЕРА»

ЭКОЛОГИЯ, 2013, № 3, с. 234-236

КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ =

УДК 574.34:574.583(282.247.211)

О ПРИМЕНЕНИИ МЕТОДА ОРТОГОНАЛЬНЫХ РАССТОЯНИЙ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ СЕЗОННОЙ ДИНАМИКИ ПЛАНКТОНА

ОНЕЖСКОГО ОЗЕРА © 2013 г. М. Т. Сярки*, С. П. Чистяков**

*Институт водных проблем Севера Карельского научного центра РАН 185003 Петрозаводск, просп. Ал. Невского e-mail: MSyarki@yandex.ru **Институт прикладных математических исследований Карельского научного центра РАН

Петрозаводск, ул. Пушкинская, 11 e-mail: chistiakov@krc.karelia.ru Поступила в редакцию 13.03.2012 г.

Ключевые слова: сезонная динамика планктона, модель с ошибками измерений, метод ортогональных расстояний.

DOI: 10.7868/S036705971302011X

Одним из самых важных процессов в лимниче-ских экосистемах, особенно в крупных озерах, являетя сезонная динамика планктона. Известно, что характер сезонных процессов в планктоне центральной и глубоководных частей Онежского озера за последние 50 лет существенно не изменился (Онежское озеро. Атлас, 2010; Ladoga and Onego..., 2010; Сярки, 2008), т.е. планктонные системы в этих районах находятся в динамическом равновесии и, следовательно, существует средне-многолетняя траектория их сезонной динамики. Нами предложен подход, основанный на описании среднемноголетней сезонной динамики характеристик планктона с помощью нелинейных регрессионных моделей, параметры которых оцениваются с использованием метода ортогональных расстояний (м.о.р).

Построение регрессионной модели сезонной динамики планктона связано с серьезными методическими проблемами. Основная их них — необходимость использования для построения модели среднемноголетней динамики данные за несколько лет. Поскольку гидробиологические процессы, наблюдаемые в разные годы, различаются не только интенсивностью, но и значительными временными сдвигами, объединение данных за несколько лет фактически приводит к эффекту ошибок измерения независимой переменной (в нашем случае времени), хотя в действительности значения независимой переменной известны точно. В этой ситуации использование классического нелинейного метода наименьших квадратов (н.м.н.к) для оценки пара-

метров функции регрессии не может считаться корректным, так как метод основан на предположении, что независимые переменные измерены без ошибок, и его применение в случае нарушения данного предположения приводит к смещенным оценкам параметров функции регрессии.

Эффект смещения оценок особенно сильно проявляется в случае небольших объемов выборок, что является характерным для гидробиологических данных. Корректный подход в этой ситуации состоит в использовании модели с ошибками измерений (measurement error model). Обозначим y,x,i = 1,2,...,n наблюдаемые значения зависимой (отклика) и независимой переменных. Модель с ошибками измерений основана на предположении, что наблюдаемые значения отклика могут быть представлены в виде (Boggs, Rogers, 1990)

Уi = f (x, + 8, ; b ) - s, ,i = 1,2,...,n.

* *

Здесь 6, ,5, ,i = 1,2,...,n представляют собой неизвестные ошибки измерений отклика и независимой переменной и b* — вектор неизвестных параметров функции регрессии f. Для оценки параметров модели был разработан метод ортогональных расстояний и соответствующая регрессия получила название регрессия (методом) ортогональных расстояний (orthogonal distance regression) (Boggs et al., 1987). Метод основан на аппроксимации b* посредством нахождения b, для которого сумма квадратов ортогональных

О ПРИМЕНЕНИИ МЕТОДА ОРТОГОНАЛЬНЫХ РАССТОЯНИЙ

235

N, тыс. экз/м2

Время,сут

Сезонная динамика численности (Ы, тыс. экз/м2) рачкового планктона центральной и глубоководной частях озера. 1 — метод ортогональных расстояний; 2 — нелинейный метод наименьших квадратов; 3 — эмпирические данные.

расстояний от n точек данных до кривой fx; b) минимальна и приводит к задаче минимизации

n i=1

по параметрам b, 5, 6 при ограничениях yi = f (xi + 8,;b) - si, i = 1,2,...,n

для некоторых фиксированных, но неизвестных

* *

б;, s, , i = 1,2,...,n и вектора b неизвестных параметров функции регрессии f Для построения моделей использовался модуль ODR из библиотеки SkyPy для языка Питон (http://www.skypy.org), основанный на алгоритме Боггса (Boggs et al., 1989).

Так как сезонная динамика планктона в значительной степени определяется температурным фактором, в качестве функции регрессии f использовалась функция, применявшаяся для описания сезонной динамики температуры воды в некоторых озерах Карелии (Пальшин, Ефремова, 2005) и имеющая следующий вид:

f(t;b) = bo + blS(b2(t - Ьз))(1 - S(bA(t - b5)),

где b0, bx b2, b3, b4, b5 — неизвестные параметры, t —

время в сутках (с начала года), а S(x) = ex/(1 + ex) — сигмоидальная (логистическая) функция.

Для оценки параметров моделей использовались данные комплексных гидробиологических съемок на Онежском озере с мая по ноябрь за период с 1988 по 2008 гг., полученные Институтом водных проблем Севера КарНЦ РАН. Ряды численности и биомассы как общей, так и основных групп зоопланктона за разные годы объединяли в

одну выборку, а в качестве независимой переменной использовали время в сутках с начала года.

Различия в регрессионных моделях, построенных с использованием метода ортогональных расстояний и нелинейного метода наименьших квадратов, иллюстрируют графики соответствующих функций регрессии (см. рисунок), описывающих сезонную динамику численности рачково-го планктона в центральной и глубоководной частях Онежского озера (Ы, тыс. экз/м2). Анализ остатков модели показал, что средняя величина временных сдвигов достигает 5—7 сут, а максимальные отклонения от среднемноголетней траектории достигают 15—25 сут. Эти величины сопоставимы с колебаниями дат в гидротермическом режиме озера (сход и образование льда, термобар, период "биологического лета" и т.д.), разброс которых может достигать 1.5 мес. (Онежское озеро, 1999; Климат Карелии, 2004).

Апробация описанного выше подхода показала, что построенные модели имеют ряд преимуществ по сравнению со стандартными методами (Розенберг и др., 1994; Шитиков и др., 2005), применяющимися в гидробиологических исследованиях.

Во-первых, более корректно описывается форма сезонной динамики характеристик, особенно в области максимальных значений отклика. Модели позволяют легко вычислять соотношения различных величин, например среднегодовых, среднесезонных, среднемесячных и среднемного-летних максимумов (Сярки, 2008; Сярки, Текано-ва, 2008), а также оценивать абсолютные и относительные скорости изменения численностей и биомасс как планктона в целом, так и отдельных популяций (Сярки, Калинкина, 2010).

ЭКОЛОГИЯ № 3 2013

236

СЯРКИ, ЧИСТЯКОВ

Во-вторых, статистический анализ остатков

* *

моделей 5,-, 6,, i = 1,2, ..., n позволяет оценить межгодовую изменчивость сезонных процессов и ввести критерий для обнаружения экстремальных наблюдений (отскакивающих точек). Как известно, увеличение изменчивости и появление отскакивающих точек являются индикаторами начального этапа нарушения стабильности системы. Так, с помощью модели сезонной динамики суточной первичной продукции удалось проследить влияние спорадических выносов трансформированных сточных вод Целлюлозно-бумажного комбината (ЦБК) на планктон олиготрофного района озера (Сярки, Теканова, 2008).

По нашему мнению, предложенный подход предоставляет новые возможности для анализа сезонной динамики озерных экосистем и является весьма перспективным в исследовании устойчивости экологических процессов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Климат Карелии: Изменчивость и влияние на водные объекты и водосборы. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2004. 224 с.

Онежское озеро. Атлас. Отв. ред. Н.Н. Филатов. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2010. 151 с.

Онежское озеро. Экологические проблемы. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 1999. 293 с.

Пальшин Н.И., Ефремова Т.В. Стохастическая модель годового хода температуры поверхности воды в озерах // Метеорология и гидрология. 2005. № 3. С. 85—94. Розенберг Г.С., Шитиков В.К., Брусиловский П.М. Экологическое прогнозирование (Функциональные предикторы временных рядов). Тольятти, 1994. 182 с. Сярки М.Т. Зоопланктон // Биологические ресурсы Онежского озера. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2008. С. 54-67.

Сярки М.Т., Калинкина Н.М. Оценка влияния лигно-сульфоната натрия на состояние природных и лабораторных популяций ветвистоусых ракообразных // Биология внутренних вод. 2010. № 4. С. 80-86. Сярки М.Т., Теканова Е.В. Сезонный цикл первичной продукции в Онежском озере // Изв. РАН. Сер. биол. 2008. № 5. С. 621-625.

Шитиков В.К., Розенберг Г.С., Зинченко Т.Д. Количественная гидроэкология. Методы, критерии, решения. М.: Наука, 2005. Кн. 1. 281 с.

Boggs P.T., Byrd R.H., Schnabel R.B., Spiegelman C.H. A stable and efficient algorithm for nonlinear orthogonal distance regression // SIAM J. Sci. Stat. Comput. 1987. V. 8(6). Р. 1052-1078.

Boggs P. T., Rogers J.E. Orthogonal distance regression // Contemporary Mathematics. 1990. V. 112. P. 183-194. Boggs P. T., Byrd R.H., Donaldson J. R., SchnabelR.B. Algorithm 676 - ODRPACK Software for Weighted Orthogonal Distance Regression // ACM Trans. Math. Software. 1989. V 15(4). Р. 348-364.

Ladoga and Onego Great European Lakes. Observations and Modelling // Eds. L. Rukhovets and N. Filatov. Berlin: Springer-Praxis. 2010. 302 p.

ЭКОЛОГИЯ № 3 2013

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком