Мониторинг окружающей среды

Прогноз выполняется  на основе создания модели природно-антропогенного процесса. Разрабатываются и применяются различные экологические модели: реальные, идеальные, концептуальные, вербальные, графические, математические, аналитические, имитационные.

Реальная  модель отражает существенные черты  оригинала по самой природе  своей  физической (а может, химической и  биологической) реализации. Примером может  служить аквариум с растительностью, животным миром и микробами. Несомненно, он воспроизводит некоторые существенные характеристики естественного водоема. На сегодняшний день остается проблема адекватности реальной модели оригинальной экосистеме.

Знаковая  модель представляет собой описание с помощью каких-либо символов, которые  интерпретируются как отражения  свойств и связей экосистемы-оригинала.

Считается, что наиболее значимы концептуальные и математические модели. Назначение первой из них – дать обобщенное и понятное выражение представлений  и знаний об изучаемом объекте.

Продолжают  развиваться методики прогнозирования, основанные на анализе данных экспериментов  и на натурных моделях для нахождения эмпирических зависимостей.

К наиболее современным способам необходимо отнести  так называемый метод Делфи (интуитивное, экспертное предсказание, основанное на логическом моделировании, индивидуально проводимом группой экспертов, сближающих свои позиции на основе специальной математической обработки результатов высказывания), вообще создание тестовых моделей.

В экологическом  мониторинге часто применяют  метод первичного толчка (наблюдаемое  слабое изменение, несущественное сейчас, рассматривается как способное перерасти в сильное, высокозначимое), качественного скачка (предсказание перехода слабого роста в сверхэкспоненциальный — вариант метода экстраполяции). Все способы имеют ограничение, связанное с неполнотой информации.

Рекомендуется при разработке прогноза соблюдать  следующую последовательность:

– предпрогнозная ориентация;

– построение исходной концептуальной модели;

– анализ исходных данных;

– построение динамических рядов показателей методом экстраполяции;

– остроение серии предварительных моделей;

– оценка достоверности моделей и результатов прогноза.

Предпрогнозная ориентация представляет собой предварительное обсуждение систематизированной информации на совместном заседании исследовательской группы и нескольких специалистов, способных дать важные дополнительные оценки. На этой стадии помимо основных моментов предпрогнозной ориентации определяются и уточняются масштабы и особенности исследуемых природно-антропогенных процессов, круг экспертов, перечень рабочих документов прогнозирования, производится выбор основной концепции.

Выбор и построение концептуальной модели, как правило, зависят от объекта прогнозирования. После выбора объектов рассматриваются  имеющиеся фактические сведения (результаты наблюдения) и проводится сбор дополнительных сведений, методами интерполяции решаются задачи по составлению  репрезентативной базы данных. Наиболее простое и в то же время достоверное  предсказание можно выполнить, продолжая  динамические ряды данных на будущее (этап 4). Наконец определяются наиболее оптимальные  математические зависимости и модели для описания экологических процессов, дается оценка их достоверности. В случае неудовлетворительных результатов  необходимо вернутся ко второму этапу и повторить процедуру разработки прогноза.

 

 

2.1 Классификация экологических прогнозов

 

Существует  обширная литература по классификации  объектов прогнозирования, методов  прогнозирования и самих прогнозов  применительно к различным областям знаний (Тейл, 1971; Рабочая книга.., 1982). Однако сколько-нибудь обстоятельной классификации экологических прогнозов до сих пор не разработано. Поэтому, основываясь на классификации прогнозов функционирования сложных систем и собственного опыта, дадим классификацию экологических прогнозов, необходимую для дальнейшего изложения.

Все прогнозируемые системы и явления можно различать  по шести основным признакам. Природа  объекта моделирования и прогнозирования  задает специфичность подходов (для  экологических систем об этом говорилось выше). Можно добавить, что экосистемы - это объекты сложной природы, и методологической основой их изучения служит теория сложных систем (системология). По масштабности различают сублокальные (1-3 переменные), локальные (4-14), субглобальные (15-35), глобольные (36-100) и суперглобальные (более 100 переменных). В экологии для прогнозирования используют системы всех масштабов, однако наибольший интерес представляют различные варианты глобальных экосистем (число переменных более 15). Масштабность не имеет самостоятельного значения для выбора метода прогнозирования.

Она учитывается  в совокупности со  сложностью обработки  информации о  системе:  сверхпростые  системы (связей переменных практически нет), простые (только парные  взаимосвязи),  сложные (учитывается взаимовлияние 3 и более переменных)  и сверхсложные  (учитываются все взаимосвязи между переменными). Экосистемы принадлежат к сложным системам и качество прогноза прямо связано как с учетом большого числа переменных, так и всевозможных взаимосвязей этих переменных. Далее, для выбора метода прогнозирования важны степень детерминантности систем (детерминированные, стохастические и смешанные системы) и характер развития систем во времени (дискретные, апериодические и циклические системы). Экологические системы имеют существенную стохастическую составляющую и, практически, весь спектр характера развития. Например, американский эколог Р.Уиттекер (1980) приводит примеры разнообразных типов поведения популяций во времени: почти детерминированный характер смены деревьев дуба белого в дубово-гикориевом лесу, периодический характер распространения ели под воздействием штормовых ветровалов в Аппалачских горах, почти случайный характер "вспышек" численности саранчи или иван-чая на гарях, периодические колебания системы зайцы - рыси в Канадской Арктике и пр. Последний важный признак - это степень информационной обеспеченности. В шкале системы "черного ящика" (структура и поведение которых практически неизвестны) и "белого ящика" (о системах известно все) экологические объекты должны быть отнесены к типу "серого ящика", в "цветовой шкале" - скорее даже к темно-серому цвету.

В зависимости  от величины периода упреждения, различают  прогнозы  краткосрочные, среднесрочные, долгосрочные и дальнесрочные. Однако в "количественном определении" последних царит неразбериха - в экономике, метеорологии, сельском хозяйстве (т.е. тех областях знания, в которых проблема надежного прогнозирования становится центральной) приняты свои стандарты "срочности". В экологии характерные времена многих процессов лежат в диапазоне от нескольких часов и суток (например, для популяции комаров) до нескольких веков (для ряда сукцессионных процессов в лесных биогеоценозах). Поэтому жесткая регламентация прогнозов по величине периода упреждения, измеренного в абсолютных временных единицах, в экологии бессмысленна. Понятия "срочности" экологических прогнозов относительны и зависят прежде всего от свойств изучаемой системы (процесса) и от детальности формулировки прогнозов по оси времени.

Критерием "срочности" экологического прогноза можно считать  детальность его формулировки по оси времени. Прогнозы с периодом упреждения до 2-3 шагов будем называть краткосрочными, от 3 до 7 - среднесрочными, от 8 до 15 - долгосрочными. Однако такая  классификация не учитывает свойств  изучаемого процесса.

Если формулировка экологического прогноза содержит категорические утверждения о будущем состоянии  системы, без каких бы то ни было указаний на степень неуверенности  его осуществления, то такие прогнозы, так же как и в метеорологии (Груза, Ранькова, 1983), будем называть категорическими. В противном случае, т.е. когда вместе с формулировкой предсказываемого состояния системы указывается и некоторая мера неопределенности (неуверенности) его достижения (например, доверительный интервал), будем говорить о размытых (интервальных) прогнозах. Так, прогноз типа "в будущем году произойдет вспышка численности полевки" является категорическим, а прогноз типа "в будущем году вспышка численности полевки возможна с мерой принадлежности 0,74" - размытым.

Вслед за В.В.Налимовым (1983) будем делить экологические прогнозы на тривиальные и нетривиальные. О первых говорят в ситуации, когда предсказания относятся к ординарным проявлениям некой инерционной, устойчивой системы, а о вторых - когда речь идет об изменениях самой системы или о каких-то неординарных событиях в ней.

Как уже отмечалось, в зависимости от типа шкалы, в  которой формируются прогнозы (т.е. по уровню детализации), различают прогнозы нормальные, ранговые, количественные.

В системологии выделяют структуру системы и ее поведение (Флейшман, 1982); в соответствии с этим имеет смысл различать прогнозы структуры экосистемы и прогнозы ее поведения (Розенберг, 1984). Например, исследования Н.С.Абросова с соавторами (1982) по экологическим механизмам сосуществования и видовой регуляции можно трактовать как прогнозы видовой структуры сообществ, а исследования по динамике численности популяций грызунов (Максимов, 1984) - как прогнозы поведения популяций мелких животных.

Часто математики строят абстрактные модели сообществ (или экосистем), основываясь только на априорных представлениях (Свирежев, Логофет, 1978; Базыкин, 1985 и мн.др.), и получают с их помощью качественный прогноз. Прогнозы, полученные с помощью  подобных моделей, вслед за В.И.Беляевым (1978), будем называть  априорными,  а полученные с  использованием  эмпирической  информации  - апостериорными.

Различают прогнозы положительные и отрицательные (Беляев и др., 1986). Последние формируются  теорией потенциальной эффективности  сложных систем (Флейшман, 1982) и дают представление о том, каких состояний экосистема не может иметь в принципе при заданных ограничениях. Положительные прогнозы, наоборот, несут информацию только о возможных состояниях изучаемой системы.

Кроме того, выделяют прогнозы точечные и распределенные (Ивахненко, 1982), поисковые и нормативные (Прогностика. Терминология.., 1978; Большаков, 1983). Если в процессе прогнозирования изучаемая экосистема считается однородной, то говорят о точечных прогнозах; в противном случае, прогнозы называются распределенными. Поисковые прогнозы отвечают на вопрос: что вероятнее всего произойдет с экосистемой при сохранении существующих тенденций? В противоположность поисковым, нормативные прогнозы служат для ответа на вопрос: какими путями можно достичь желаемого состояния? Нормативное прогнозирование широко используется в настоящее время при исследовании биосферы (Крапивин и др., 1982; Моисеев и др., 1985).

 

 

 

2.2 Прогнозирование возможной радиационной обстановки

 

Радиационная  обстановка - это масштабы и степень  радиоактивного заражения местности, оказывающие влияние на деятельность человека.

Масштабы  и степень радиоактивного заражения  местности зависят в основном от количества, мощности и вида ядерных  взрывов, времени, прошедшего после  ядерного удара, и метеорологических  условий. Большое влияние на масштабы, степень заражения и на положение  радиоактивного следа оказывает  направление и скорость ветра.

Выявление радиационной обстановки может производиться  по данным непосредственного измерения  уровней радиации или методом  прогнозирования масштабов возможного радиоактивного заражения.

Выявление радиационной обстановки методом прогнозирования  включает сбор и обработку данных о ядерных взрывах (координаты, мощность, вид взрыва, время) и о параметрах среднего ветра (направление и скорость), а также нанесение района возможного заражения на карту, схему.

В результате прогнозирования определяются местоположение и размеры возможного радиоактивного заражения.

Для определения  параметров могут использоваться светотехнический, электромагнитный, сейсмический, акустический, радиолокационный и другие методы обнаружения  и регистрации ядерных взрывов.

Координаты  ядерного взрыва могут быть определены путем засечки центра взрыва (эпицентра) с пунктов сопряженного наблюдения с помощью оптических приборов. Использование  радиопеленгационной аппаратуры для регистрации электромагнитного импульса ядерного взрыва позволяет определить его координаты с высокой точностью и на значительных расстояниях.

Мощность  ядерного взрыва можно определить методом  регистрации длительности свечения огненного шара, максимальной высоты подъема верхней кромки облака взрыва и его размеров. Вид ядерного взрыва можно установить путем определения  высоты взрыва с помощью приборов засечки и последующего расчета  приведенной высоты взрыва.

Местоположение  и размеры района возможного радиоактивного заражения местности и воздушного пространства определяются направлением, скоростью среднего ветра и временем, прошедшим после взрыва.

Средний ветер  рассчитывается графическим способом по данным зондирования атмосферы с  помощью радиозондов, шар-пилотов, оптическими, акустическими, радиолокационными средствами. Данные о среднем ветре регулярно, с определенной периодичностью, сообщаются метеостанциями. Прогноз позволяет указать возможный район (зону) формирования радиоактивного следа на местности и определить границы района, в пределах которого с заданной вероятностью будет находиться реальный след облака ядерного взрыва.

Достоверные данные о радиоактивном заражении, полученные органами разведки с помощью  дозиметрических приборов, позволяют  объективно оценить (уточнить) радиационную обстановку.

Посты радиационного  и химического наблюдения, звенья и группы радиационной и химической разведки устанавливают начало радиоактивного заражения и сообщают уровни заражения  в штаб ГО объекта, где они заносятся  в специальный журнал и наносятся  на карту. По нанесенным на карту уровням  радиации проводятся границы заражения.

Для прогнозирования  возможной радиационной обстановки исходными данными являются:

– координаты местоположения АЭС или эпицентра ядерного взрыва;

– тип реактора, его энергетическая емкость или вид ядерного взрыва;

– время начала выброса радиоактивных веществ в атмосферу, или время ядерного взрыва;

– направление и скорость ветра;

– степень вертикальной устойчивости приземной атмосферы.