научная статья по теме Совместное использование результатов математического моделирования, дистанционных и натурных наблюдений для управления состоянием экологической системы шельфа Каспийского моря Геофизика

Текст научной статьи на тему «Совместное использование результатов математического моделирования, дистанционных и натурных наблюдений для управления состоянием экологической системы шельфа Каспийского моря»

Информационные технологии

УДК 622.24.085.5 © Л.И. Лобковский, О.В. Копелевич, Н.В. Соловьева, 2005

Совместное использование результатов математического моделирования, дистанционных и натурных наблюдений для управления состоянием экологической системы шельфа Каспийского моря

Л.И. Лобковский, О.В. Копелевич, Н.В. Соловьева (Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН)

Экологическая система морского шельфа с позиций математического моделирования является наиболее общим случаем морской экологической системы. По замечанию одного из ведущих специалистов в области экологического моделирования В.И. Беляева, составленная в общем виде математическая модель шельфа учитывает как свойства открытого моря, так и гидротермодинамические и биологические эффекты контактной зоны море - суша. Предельные, упрощенные случаи математической модели морского шельфа могут давать модели замкнутых, «средиземных» морей или экологических систем океанических акваторий, ограниченных жидкой границей [1]. Отмеченное относится не только к биологическим и химическим, но и к гидродинамическим подсистемам модели.

Разработка математической модели морского шельфа, как решение любой большой задачи, имеющей природоохранное значение, проводится поэтапно, по мере накопления фактических знаний о системе с помощью данных лабораторных, натурных и дистанционных наблюдений [2]. Реализация проектов разработки нефтегазовых месторождений морских шельфов, влияющих на состояние как морской среды, так и прибрежных территорий, а также на всю инфраструктуру не может проводиться по методу «проб и ошибок». Задача прогноза последствия деятельности данного вида может эффективно решаться только в рамках междисциплинарного подхода с использованием методов математического моделирования сложных систем, данных натурных и дистанционных наблюдений. Привлечение всех имеющихся знаний по этому вопросу позволяет осуществлять управление состоянием экосистем шельфа [2] и, в частности, управление риском [3-5].

Управление состоянием экологической системы на основе ее математической модели несколько отличается от аналогичной задачи, предлагаемой теорией оптимального управления для более простых преимущественно технических систем. По модели экологической системы можно рассчитывать фазовые траектории изменения ее состояния, затем, применяя методы динамического программирования, - принцип максимума и так далее, определять управляющие факторы, отвечающие оптимальному режиму функционирования системы. Однако такой способ управления реальной экологической системой шельфа вряд ли осуществим на практике, за исключением решения отдельных частных идеализированных задач. Это связано с тем, что поэтапное моделирование сложной экологической системы шельфа представляется процедурой, состоящей из многих последовательных шагов, на

Sharing of results of mathematical modelling, remote and full-scale supervision for management of a state of Caspian sea shelf ecological system

L.I. Lobkovskiy, O.V. Kopelevich, N.V. Solovyeva (P.P. Shirshov Institute of oceanology RAN)

Change of annual and seasonal biooptical characteristics and their standard deviations in various areas of Caspian sea in 1998 - 2002 according to the satellite scanner data is given. Results of research of four areas of Caspian sea are considered. Spectra of brightness coefficient of the radiation, leaving water column, measured with the help of floating spectrora-diometer, are analysed.

каждом из которых сохраняется значительная неопределенность результатов моделирования. По указанной причине, несмотря на количественный характер расчетов, можно установить лишь вероятные тенденции изменения состояния и структуры экологической системы при соответствующих вариациях управляющих воздействий [2]. Для того, чтобы получаемые выводы были достаточно надежными, на каждом этапе моделирования должна проводиться независимая проверка результатов расчета по материалам натурных и дистанционных наблюдений. Предложение о применении результатов дистанционных наблюдений для этих целей стало возможным после создания оптического блока модели экосистемы шельфа [1] и реализации его для акваторий различных масштабов и процессов [2, 6, 7].

Спутниковые наблюдения позволяют получать одновременные изображения всей исследуемой акватории с пространственным разрешением от нескольких метров до нескольких километров. Их можно проводить регулярно в течение многих лет. Это наиболее экономически эффективный метод мониторинга. Данные спутниковых измерений дают возможность оценить параметры, предусмотренные требованиями к экологическому мониторингу водных объектов. К числу их относятся нефтяные углеводороды (нефтяные пленки), температура, оптические характеристики воды, концентрация взвеси, хлорофилла и первичная продукция. Спутниковые наблюдения обеспечивают регулярную последовательность пространственных распределений каждого указанного параметра, они позволяют своевременно выявлять происходящие изменения и их причины [8]. Совместное использование их с численными экспериментами по модели экологической системы позволяет прогнозировать ее состояние перебором возможных ситуаций воздействия внешних факторов [2].

Развиваемый подход к моделированию экологических систем шельфа, основанный на агрегировании и усреднении компонентов с последующей иерархической декомпозицией, дает возможность описать сложную экологическую систему шельфа расширяющейся последовательностью моделей. Включаемые в рассмотре-

ние модели последующих уровней описывают исследуемую систему с возрастающей степенью детализации. При этом модели предыдущих уровней должны корректироваться на основе сравнения результатов моделирования с данными натурных наблюдений. При этом оптические свойства воды, определяемые содержащимися в ней компонентами, являются эффективными и удобными индикаторами экологического состояния морского шельфа. Оптические параметры можно получить как дистанционными, так и контактными методами. В отличие от контактных дистанционные методы удовлетворяют требованиям одновременности и комплексности получения значений некоторых компонентов экологической системы.

С использованием предыдущего опыта моделирования экологической системы северо-западного шельфа Черного моря и оптических данных, получаемых дистанционно и контактными измерениями, были проведены настройка модели на акваторию шельфа Каспийского моря [6, 7] и численные эксперименты по расчету годового хода ее основных компонентов. С помощью оптического блока модели были рассчитаны коэффициент поглощения на молекулах желтого вещества, коэффициент рассеяния назад и диффузного отражения на всем видимом участке спектра. Расчет выполнялся для всех сезонов года, но для сравнения с данными наблюдений был выбран июль - август, в этот период проводились две экспедиции в 2003 и 2004 г. Результаты экспедиционных работ использовались в качестве подспутниковых данных для серии наблюдений со сканера цвета SeaWiFS и MODIS-Aqua.

Предварительно проводились сбор, обработка и анализ данных спутникового сканера цвета SeaWiFS за 2002 г. [9]; были рассчитаны среднемесячные распределения концентрации хлорофилла, показатели рассеяния взвешенными частицами и поглощения желтым веществом в Каспийском море по данным спутникового сканера цвета SeaWiFS за 2002 г. (рис. 1) [10]. Указанные параметры характеризуют пространственную и временную изменчивость трех важнейших компонентов содержащегося в морской воде вещества: фитопланктона, взвеси и окрашенного органического вещества.

3

со И СП

83

Рис. 1. Среднемесячные распределения концентрации хлорофилла Схл (а), показателя рассеяния взвешенными частицами вЬр (б) и показателя поглощения желтым веществом ад (в) в Каспийском море в июле 2002 г. по данным спутникового сканера цвета SeaWiFS [10]

В таблице приведены среднегодовые (для концентрации хлорофилла и показателя рассеяния назад взвешенными частицами) и сезонные (для показателя поглощения желтым веществом) биооптические характеристики в Северном, Среднем и Южном Каспии в 1998 - 2002 гг. Из нее следует, что среднегодовое значение Схл увеличилось в Южном Каспии в 2001 г. почти в 2 раза по сравнению с 2000 г., а вЬр - более чем в 1,5 раза. Рост всех биооптических характеристик начался в Южном Каспии уже в 2000 г.: критерий Стьюдента показывает значимые различия (по уровню значимости 0,001) всех характеристик в Южном Каспии в 1999 и 2000 г. Также значимы (по уровню 0,01) различия всех характеристик в 2000 и 2001 г. в Среднем Каспии [10]. В 2002 г. среднегодовые концентрации хлорофилла и показатель рассеяния назад взвешенными частицами в Южном Каспии существенно уменьшились по сравнению с 2001 г., но были заметно выше, чем в 2000 г., не говоря о 1998 и 1999 г. В Среднем Каспии концентрация хлорофилла в 2002 г. была примерно такой же, как в 2000 г., а показатель рассеяния примерно таким же, как в 2001 г.

Наиболее информативным и схожим с результатами моделирования параметром является спектральный коэффициент яркости излучения, выходящего из водной толщи. Этот параметр измерялся с 4 по 9 июля 2003 г. на судне МРС-150. Во время экспедиции были выполнены 13 станций [10]. В состав использованной аппаратуры входили следующие приборы, которые ранее многократно использовалась в экспедициях Ио РАН: плавающий спекрора-диометр; контрольный фотометр; прозрачномер «ПАРОМ»; стандартный белый диск.

По результатам наблюдений различия между водами разных типов проявлялись и по их цвету, что хорошо видно из рис. 2. В частности, смещаются максимумы спектров: если в наиболее чистых водах (станции 9 и 10) максимум находится вблизи 500 нм (сине-зеленый цвет), то в мутных водах (станция 3) смещается к 580 нм (желтый цвет). Различие спектральных коэффициентов яркости позволяет оценивать по их значениям биооптические характеристики вод, даже если эти значения измерены спутниковыми сканерами. Стандартный алгоритм расчета концентрации хлорофилла по спутниковым данным дает завышенные значения в Каспийском море [11, 12], поэтому одной из задач экспедиции являлась попытка на основе полученных рез

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