Базові методики прогнозування стану довкілля

Виділені парадигми екологічного прогнозування відрізняються один від одного за багатьма ознаками. Основні з них - це роль ЕОМ у розробці предиктора й формуванні прогнозів і рівень формалізації вистав про механізм функціонування екосистеми (табл. 1.1).

Характеристика парадигм екологічного прогнозування

Розділ 2. Екосистема та її проблеми прогнозування

2.1 Екосистема як об`єкт прогнозування

Деяка невизначеність майбутнього стану гнітючого числа экосистем не може бути повністю знята силою сучасної науки. Можна відзначити кілька причин непереборності цієї невизначеності.

По-перше, вона зв'язана зі значними помилками й нечисленністю вимірів різних екологічних процесів (параметрів). Дійсно, довжина екологічних тимчасових рядів рідко перевищує 20-30 спостережень. При цьому їх точність часто настільки низька, що навіть губиться зміст вимірів у кількісних шкалах.

По-друге, невизначеність має місце й через наявність обумовлених неповнотою наших знань механізму функціонування экосистем. В.І.Ленін писав: "... людське поняття причини й наслідку завжди трохи спрощує об'єктивний зв'язок явищ природи, лише приблизно відбиваючи її, штучно ізолюючи ті або інші сторони одного єдиного світового процесу".

У цей час, очевидно, найбільш істотними є лакуни в інформаційній структурі співтовариств. Існує думка що "лінгвістичне бачення" екології може значно змінити наші представлення про экосистему, і як наслідок цього, наше розуміння того, які фактори є значимими в екологічному прогнозуванні.

По-третє, невизначеність майбутнього стану може бути обумовлена внутрішньою властивістю экосистем і пов'язана з незалежністю їх динаміки від початкового стану.

По-четверте, один з основних підсумків математизації екології полягає в усвідомленні принципової непередбачуваності стану багатьох экосистем. Використовуючи три основні характеристики прогнозу, підсумок можна сформулювати точніше: при завданні будь-яких двох характеристик існує таке значення третьої, досягнення якого неможливо в принципі. Зокрема, при певному часі попередження й детальності формулювання прогнозу досягнення прийнятної надійності для цілого ряду экосистем неможливо принципово.

Наприклад, нехай еволюція екосистеми описується моделлю:

dx / dt = X (x, l , x ),

де х - вектор фазових координат, l - параметр системи, x - випадковий вплив, X - деякий нелінійний оператор, і нехай l *- крапка біфуркації системи, з якої виходять кілька галузей розв'язку рівняння. Якщо система функціонує поблизу крапки біфуркації, то виникає питання: про який з галузей піде її подальша динаміка? Але це визначить як завгодно мале випадкове збурювання. Тому при такій детальності формулювання прогнозу (вказівці відповідної до галузей) досягтися розумної надійності неможливо в принципі, причому практично ні при якому періоді попередження .

Ще один приклад. Розглянемо экосистему, моделлю функціонування якої є динамічна система з дивним аттрактором. Нехай необхідна детальність прогнозу стану такої системи відповідає вказівці значень координат крапки, що описує її поведінка у фазовому просторі. Якщо ця крапка перебуває усередині області, що притягає, то розумна надійність таких прогнозів також не досяжна в принципі.

Усвідомлення цього факту непередбачуваності стану ряду систем важко переоцінити. Його розуміння в прогностику, очевидно, можна зрівняти з розумінням неможливості створення вічного двигуна в механіку.

Непередбачуваність поведінки траекторій, обраних завданням початкових умов з як завгодно високої (але кінцевої) точності, служить принциповою перешкодою на шляху довгострокового екологічного прогнозування. Один з авторів відкриття дивних аттракторов, Є.Лоренц, назвав цей ефект непередбачуваності поведінки динамічних систем "батерфляй-ефектом": нехай атмосфера описується динамічною системою з дивним аттрактором, тоді навіть незначна зміна початкових умов, викликане змахом крилець метелика, приведе до катастрофічних для довгострокового прогнозу погоди наслідкам. Для подібних систем мають сенс тільки короткострокові прогнози.

Усе вищевикладене приводить до висновку про принципове обмеження передбачуваності структури й поведінки экосистем.

Аналіз великої літератури по динаміці чисельності реальних і модельних популяцій, співтовариств і экосистем дозволяє зробити наступні висновки:

1. існують фактори, які в основному не впливають на динаміку экосистем, але іноді виявляються значимими;

2. для кожної фази динаміки экосистем визначальними є свої власні фактори;

3. характер і рівень зв'язків для різних фаз динаміки экосистем суттєво різняться;

4. багато виявлених закономірностей, як би вони спочатку не були гарні, згодом руйнуються (стають не відповідними до дійсності).

У певному змісті аналогічні висновки мають місце при вивченні динаміки багатьох і економічних, і метеорологічних систем . Однак надзвичайно низька точність вимірів, а також гострий дефіцит апостеріорної інформації в цілому характерні лише для екологічного прогнозування.

2.2 Основні проблеми екологічного прогнозування

Якість і тип будь-якої моделі (предиктора) визначаються наступними обставинами:

· метою дослідження;

· обсягом знань про досліджувану систему, що перебувають у розпорядженні модельєра;

· обсягом ресурсів, наявних у розпорядженні модельєра (наприклад, кількістю часу, відведеним на розробку моделі, типом ЕОМ, числом системних програмістів і т.п.);

· парадигмою, до якої належить модельєр;

· досвідом і талантом модельєра.

Оцінку сучасного стану екологічного прогнозування можна намагатися здійснити двома природніми шляхами, уважаючи під час обговорення прогностичного дослідження первинною ознакою метод або об'єкт прогнозування. Однак при ближчому розгляді обоє ці шляхи виявляються нереалістичними, тому що в екології застосовуються близько 100 методів прогнозування, різноманітність б'єктів прогнозування значно більше.

Прийнятним тут виявляється третій шлях, пов'язаний з оцінкою успіхів і невдач використання предикторів, породжених різними парадигмами екології. При цьому всю проблематику екологічного прогнозування умовно можна розділити на дві групи: перша обумовлена збором і обробкою первинної інформації, друга - складністю экосистем і недосконалістю традиційної методології екологічного прогнозування.

2.3 Поблеми, індуковані збором і обробкою первинної інформації

Прогнозування станів функціонуючої екосистеми можливо лише при наявності достатнього обсягу даних спостережень, що характеризують її структуру й поведінку. Якщо таких даних зовсім мало, то ніякий математичний апарат, ніяка ЕОМ тут не допоможуть. Єдиний вихід у таких ситуаціях - зібрати відсутню інформацію. З іншого боку, до самого останнього часу спостереження над окремими екологічними параметрами (і экосистемами в цілому) здійснювалося безсистемно, і тому мають місце інформаційні лакуни.Заповнення таких лакун - завдання надзвичайно важке, а часто й нездійсненне.

Мінімальний обсяг даних спостережень, при якому має сенс побудова відповідного предмктора,суттєво залежить від необхідного періоду попередження, детальності формулювання й надійності розроблювальних прогнозів, а також специфіки поведінки досліджуваної системи. Незважаючи на те, що в цей час у рамках функціональної парадигми існують методи прогнозування коротких тимчасових рядів, їх повсюдне застосування в екології вимагає обачності. Наприклад, при наявності навіть 100 спостережень без лакун (а ця цифра для екологічного дослідження значна!) говорити про середньостроковий прогноз має сенс лише в ситуації, коли у відповідний інтервал спостережень (100 крапок) 2-3 рази укладаються характерні часи досліджуваної змінної. Для короткострокового прогнозування ця умова зайво: такі прогнози можна намагатися будувати вже при 20-30 спостереженнях і, як правило, незалежно від специфіки досліджуваної системи. Правда, для такого обсягу вихідної емпіричної інформації одні методи прогнозування не працюють взагалі на загал (наприклад, спектральний аналіз), а інші хоча й застосовні, але окремо не забезпечують прийнятної надійності висновків.

У силу унікальності всіх екологічних об'єктів системи екологічного прогнозування не можуть бути орієнтовані на широкий клас об'єктів прогнозування. Розглянемо, наприклад, наскільки адекватний підхід до прогнозування чисельності деякого виду тільки за допомогою середнього значення.

Середнє є нестійкою статистикою. Статистика називається стійкою, якщо при зміні малої частки даних (неважливо який і як сильно) істотних змін у підсумовуючій статистиці не відбувається. Якщо в даних зміниться яке-небудь одне значення на n одиниць, то середнє зміниться в тому ж напрямку на n/m одиниць, m - обсяг вибірки.

Прикладом стійкої статистики може служити медіана. На медіану не впливають величини "більших" і "малих" значень: вона терпима до порушень нормальності на "хвостах" розподілу. Однак крім стійкості до передумов, "гарна" статистика повинна мати ще й властивість стійкості до ефективності, тобто висока ефективність оцінювання повинна гарантуватися при широкім варіюванні ситуацій.

Ф.Мостеллер і Дж.Тьюки (1982, с. 214) приводять важливу для практики таблицю властивостей деяких статистик центральної тенденції, яку має сенс тут відтворити (див. табл. 1.2).

Стійкістьсть до ефективності деяких статистик центральної тенденції

Отже, якщо зневажити зовсім малими вибірками, бівес-оцінка має всі бажані властивості й може бути рекомендована для практики. У ситуаціях, де досить помірної ефективності, а також у випадку малих вибірок обсягом 3-5 краще працювати з медіаною. Середнє ж потрібно використовувати досить обережно, коли немає викидів, "хвости" розподілу короткі й т.п. Таким чином, практика прогнозування чисельності різних видів тільки за допомогою середнього неадекватна реальної ситуації.

Якщо емпірична інформація отримана з низькою точністю, то важко очікувати гарної якості від прогнозів, побудованих на її основі (незалежно від використовуваного методу). 18

У прогностичних екологічних дослідженнях широко поширений опис і моделювання систем у кількісних шкалах (відносин або інтервалів). Разом з тим, найчастіше результати дослідження формуються в шкалах найменувань. Так, при описі динаміки ссавців (Єфімов, Галактионов, 1983) у моделі фігурують змінні, вимірювані в кількісних шкалах (чисельність популяції), результати ж моделювання й прогнози описуються в термінах змінних, вимірюваних у шкалі найменувань (у такі- то роки відбудеться спалах чисельності, а в такі- то - немає).

В екології, як правило, точність спостережень і вірогідність висновків у шкалах найменувань (наприклад, при роботі з бінарними даними) вище, чим у кількісних шкалах. Тому часто має сенс описувати й пророкувати параметри экосистем відразу в шкалах найменувань, минаючи проміжний етап досліджень у кількісних шкалах (роки сильного "цвітіння" водоймищ, спалахів чисельності популяцій шкідників та ін.).

Прогнози стану экосистем, як ми вже відзначали, можуть будуватися й у кількісних, і в якісних шкалах одночасно. Можна сказати, що в таких ситуаціях окремі предиктори "розмовляють" на різних діалектах мови прикладної математики. Але при цьому одні з них ніяк не використовуються для підвищення надійності інших.

Таким чином, розробка предикторів, а також алгоритмічного й програмного забезпечення системи екологічного прогнозування повинна вестися з обов'язковим обліком не тільки властивостей досліджуваної системи, але й обсягу, і якості (точності) наявної емпіричної інформації. Мистецтво модельєра часто спрямоване саме на те, щоб, з одного боку, будувати моделі, параметри яких визначаються в підсумку спостережень досить точно, а з іншого - щоб вони (моделі) представляли ще й практичну значимість.

Розділ 3. Проблеми, породжені складністю екосистем

3.1 Проблеми породжені традиційною методологією екологічного прогнозування

В екології стала стандартною ситуація, коли вивчення системи й побудова прогнозів її стану здійснюється (або може здійснюватися) одночасно всіма парадигмами. При цьому кожна з них индуціює розробку досить великого числа найрізноманітніших моделей, що й не стикуються між собою (предикторів).

Наприклад, прогнози стану планктонних співтовариств оз.Байкал можна одержати за допомогою трьох зовсім різні імітаційні моделей,декількох ескізних моделей, вербального предиктора і двох функціональні.

Прогнози чисельності гризунів (полівки) можуть здійснюватися за допомогою імітаційного, функціонального, вербального предикторів.

Аналогічна ситуація має місце при вивченні динаміки біосфери за допомогою ескізних, імітаційних і численних функціональних предикторів.

Специфіка екологічного прогнозування на сучасному етапі полягає насамперед у баченні того самого феномена за допомогою безлічі різних і більш-менш рівноцінних моделей (прояв принципу множинності моделей). Традиційний підхід до прогнозування полягає у виборі єдиного, кращого в якому-небудь змісті предиктора і його експлуатації.

У підсумку корисна інформація про досліджувану систему виявляється розосередженої із цілого ряду окремих джерел і використовується нераціонально. Принципи системологии, що мають важливе значення для екологічного прогнозування, часто просто ігноруються. У процесі розробки прогнозів межпарадигмальная комплексация методів і алгоритмів отсутствует. Що робити із прогнозами, отриманими за допомогою різних предикторів, неясно. Очевидно, існує цілий спектр "елементарних" механізмів функціонування экосистем, кожний з яких реалізується тільки при окремих умовах. Змішуючись один з одним, вони утворюють реальний механізм функціонування (генерації спостережуваних тимчасових рядів). Наприклад, для популяцій комах елементарними механізмами можуть служити вплив энтомофагів, спеціалізованих хижаків і паразитів, епізоотії і, нарешті, внутрішньовидова конкуренція. В окремих предикторах відображаються, як правило, лише деякі з елементарних механізмів.

В.В.Налімов (1983) у якості одного з головних недоліків існуючої методології екологічного прогнозування відзначає потенційну можливість омніпотентності тих факторів, які не включені в модель внаслідок їхньої малої значимості в минулому. У зв'язку із цим він уважає властиво екологічне прогнозування фактично безглуздим, і в якості ослабленого варіанта пропонує спостереження за станом экосистем (так званий паттерн- аналіз). Однак змінні паттерна знову ж вибираються тільки з міркувань їх значимості в минулому або експертним шляхом, і тому проблема омніпотентності тим самим не знімається. Крім того, паттерн екосистеми суттєво залежить від кроку спостереження: кореляційні паттерны среднедекадных, среднесезонных і середньорічних значень можуть сильно 20 різнитися. ЯК приклад укажемо на, що спостерігалися зовсім різні паттерни лугових рослин на Південному Уралі, як у різні роки, так і при різному впливі на них. Навіть для фіксованого кроку спостереження структура паттерна може різко мінятися в часі при нормальному функціонуванні систем.

Омніпотентність (універсальність) факторів проявляється в контринтуитивном поведінці екосистеми - у цілому наша інтуїція виявляється поганим помічником при розробці екологічних прогнозів. Омніпотентність факторів - об'єктивно існуюче явище, і тому його обов'язково потрібно брати до уваги. Однак у традиційній методології екологічного прогнозування приймань боротьби з омніпотентністью, по суті, немає.

Таким чином, для ефективного функціонування системи екологічного прогнозування необхідно таке алгоритмічне й програмне забезпечення, яке б дозволяло:

· працювати з невеликими вибірками даних, отриманих зі значною погрішністю;

· використовувати приймання боротьби з омніпотентністью факторів;

· ураховувати неформальне знання й бачення того самого феномена за допомогою цілої безлічі різних і більш-менш рівноцінних моделей, можливу "разношкальність" предикторів, відсутність уніфікованої й загальновизнаної методики оцінки їх якості;

· бути гнучким стосовно нової інформації.

Висновки

Актуальність теми «прогнозування стану навколишнього середовища під впливом негативних факторів необхідне при вирішенні екологічних задач, пов'язаних з пошуком оптимальних форм управління екологічною безпекою. Найбільш характерними з таких задач є наступні:

· екологічний моніторинг;

· нормування природокористування;

· оцінка впливу на навколишнє середовище (ОВНС).

Отже можна зробити обєктивну оцінку,що прогнозування стану довкілля -- це урегульована екологічним законодавством діяльність спеціально уповноважених суб'єктів права, спрямована на підготовку та проведення екологічних прогнозів у галузі використання та відтворення природних ресурсів та забезпечення сприятливого стану навколишнього природного середовища й екологічної безпеки.

Деякі прогнози науковців щодо майбутнього стану довкілля

Цікавим є підхід російського філософа М.Ф.Федорова, який створив «філософію спільної справи», де в контексті космічної тематики розробляв глобально-екологічні проблеми в виразах «гігієнічне питання», «санітарно-харчове питання», «метеорологічне управління». Мислитель підкреслював, що ми не обманюємося уявними успіхами, тим, що зараз називається торжеством над природою, і не ці уявні успіхи заставляють нас приписувати науці ту важливу роль, яку їй належить здійснити. «Перемоги» над природою обертаються для людства новими проблемами. Винищення палива (без його відновлення), необхідне при вже вказаному торжестві над природою, теж можна зарахувати до перемог, але до перемог, звичайно ж, пірових. Питання долі Землі приводить нас до переконання, що людська діяльність не повинна обмежуватись земною планетою. Приділяючи велику увагу розвиткові науки та техніки, обґрунтуванню ідеї про людину як фактор розвитку в космічних масштабах, М.Ф.Федоров, тим не менш, основний засіб вирішення екологічних проблем вбачає в моральному вдосконаленні людини, у формуванні нової свідомості та культури, системи життєвих пріоритетів.

Оригінальну наукову концепцію майбутнього у взаємовідносинах суспільства та природи було розроблено визначним українським вченим В.І.Вернадським. Теорія ноосфери лежить в основі ідей багатьох вчених сучасності, які намагаються передбачити майбутнє глобальної соціоекосистеми та розробити стратегії екологічно сумісного розвитку цивілізації. Детально вчення В.І. Вернадського про ноосферу було розглянуто нами в попередніх темах.

У колишньому Радянському Союзі та в країнах соціалістичного табору тривалий час проблема взаємовідносин суспільства та природи в майбутньому розглядалась в рамках марксистської доктрини при певному її спрощенні. Після появи перших доповідей Римського клубу та поширення тривоги за екологічне майбутнє серед широких мас населення індустріально розвинутих країн радянська наука трактувала екологічну кризу як ще одне свідчення «хижацької природи капіталізму» та обмеженості його можливостей. Щодо системи «реального соціалізму», увага зверталась на величезні природні багатства цих країн, а питання ліквідації суперечностей між людиною та природою пов'язувались з побудовою комуністичного суспільства. Стратегії розвитку з урахуванням екологічного компоненту, що розроблялись вченими західних країн, піддавались критиці за їх «нездатність та апологію буржуазного способу життя». Лише з початком перебудови почали з'являтися друком роботи, що намагались звільнитись від ідеологічного тиску.

В індустріально розвинутих країнах Заходу натомість розвивались різні підходи до вирішення глобальної екологічної проблеми, які, незважаючи на їх певні недоліки, впливали на масову свідомість і політику урядів. Це принесло за останні десятиліття видимі позитивні результати у ліквідацію екологічно негативних наслідків людської діяльності, хоча перелом у розвитку глобальних відносин суспільства та природи ще не відбувся і загроза екологічної катастрофи продовжує нависати над людством.

Однак ці успіхи зумовлені не наявністю якоїсь єдиної для всіх країн та вчених теорією вирішення глобальних екологічних проблем, а відкритою конкуренцією думок і ідей, яка дозволяє критично оцінювати кожну з них і одночасно відшукувати раціональне зерно.

Класичний поділ екофутуристичних концепцій було введено вченими Сассекського університету С.Колом, Дж.Гершуні та Й.Мілзом. Весь спектр Футорологічних концепцій екологічного напряму можна розділити на дві основні течії:

1) еконесимістична (неомальтузіанство, екоалармізм і т.п.);

2) технооптимістична (теорії постіндустріального, технотронного суспільства, техноапологетизм і т. ін.).

На перший погляд такий поділ не є достатньо строго послідовним. У першому випадку критерієм створення системної групи є песимістичне ставлення до майбутнього стану

природного середовища, а в другому - оптимізм щодо можливостей науки та техніки. Але ця непослідовність є позірною. В першому випадку головною причиною екологічної кризи визнаються пануючі технології, а в другому - вихід із становища, що склалося у взаємовідносинах суспільства та природи, вбачається саме в можливостях використання досягнень науки та техніки для створення екосумісних технологій і, тим самим, ліквідації загрози глобальної екологічної катастрофи. Тому з повним успіхом першу течію можна було б назвати техно-песимізмом, а другу - екооптимізмом.

Серед найбільш відомих представників екопесимізму можна назвати прізвища О.Тофлера, Е.Фрома, Дж.Мак-Дермота, Ж.Еллюля, Г.Мюлера, Б.Скінера та інших.

Одним з засновників цього напрямку по праву вважають американського футуролога О.Тофлера. В роботі «Шок від майбутнього», що набула широкої популярності, він робить висновок про те, що людство створило цивілізацію, яку само не може зрозуміти, і розвиток якої воно нездатне контролювати. Причиною цього він називає панування індустріальних технологій, які не управляються людиною, а керують нею.

Розвиваючи цю ідею в наступних роботах («Доповідь про екоспазм», «Третя хвиля», «Передбачення та передумови»), О.Тофлер констатував той факт, що раніше жодна цивілізація не створювала засобів, здатних, у прямому значенні слова, знищити життя на планеті і саму планету. Ніколи раніше всім океанам Землі не загрожувало забруднення, а з поверхні планети не зникав щоденно один вид рослин чи тварин внаслідок людської жадібності чи невігластва. Війна проти природи досягла поворотної межі, і біосфера більше не в силах протистояти промисловій агресії. Головною причиною цього він вважає те, що для технократа і в Чикаго і в Києві основна мета - економічний ефект, технологія - основне знаряддя. Критикуючи крайнощі неомальтузіанства, О.Тофлер залишається на песимістичних позиціях щодо екологічного майбутнього людства.

Подібних поглядів притримувався і Т.Роззак, який в роботі «Де закінчується марнотратство» протиставляє імперіалізму сучасної науки і техніки, що поставив світ перед невідворотністю екологічної катастрофи, ідею релігійного відродження Заходу, покаяння перед природою і повернення до «провіденційного мислення» і містицизму середньовіччя. Він не бачить іншої можливості уникнути глобальної екологічної катастрофи крім відмови від сучасних досягнень науки та техніки і повернення до доіндустріального стану суспільства. Сучасна цивілізація, індустріальні технології не лише змінили речовинні умови взаємодії суспільства та природи, а й підірвали традиційну духовність, яку Т.Роззак асоціює з релігією. Оскільки немає Бога, потойбічного життя, то не буде й невідворотного покарання за земні діяння, а отже, нічого турбуватись про майбутнє, треба жити задоволеннями сьогоднішнього дня. Щоб повернути цей процес у зворотному напрямку, Т.Роззак і пропонує повернутись до релігії. Це, на його думку, зможе забезпечити відродження духовних цінностей людства та відновити гармонію між суспільством та природою.

Прогнози екоалармістів отримали обґрунтування в роботах Дж.Форрестера та Д.Медоуза, які були авторами перших доповідей Римського клубу.

В другій доповіді - «Людство на роздоріжжі» було сформульовано оригінальний підхід до екологічної проблеми. А саме:

* по-перше, світ необхідно розглядати як систему взаємозалежних територій (маються на увазі відмінності в культурі, традиціях і економічному розвитку), а не як однорідне ціле (що може призвести до серйозних помилок);

* по-друге, до середини майбутнього століття замість руйнації цієї системи можуть відбутися місцеві конфлікти на різних територіях з різних причин;

* по-третє, катастрофі у світовій системі можна запобігти за допомогою вжиття заходів у глобальному плані, а відмова від них буде мати наслідки на всіх територіях;

* по-четверте, глобальне вирішення проблем можна здійснити без урівноваженого, диференційованого зростання (яке ближче до органічного, ніж до однорідного);

* по-п'яте, відтермінування реалізації світової стратегії не тільки шкідливе і високовартісне, а й ставить світ перед смертельною небезпекою.

Список використаної літератури

1. http://www.ievbran.ru/kiril/Library/Book2/content0/content0.htm#Ref

2. http://www.djerelo.com/index.php?option=com_content&task=view&id=1252&Itemid=55

3. http://uk.wikipedia.org/wiki/Прогнозування_екологічне

Страницы: 1, 2, 3