Моделирование – это создание моделей, в той или иной степени подобных оригиналу. Моделирование имеет большое значение, что связано с тремя свойствами моделей: 1) модель изменяет размеры природных систем до удобной величины с помощью масштаба; 2) моделирование позволяет изучить динамику природных процессов, отличающихся малой или значительной скоростью протекания; 3) моделирование позволяет упростить сложные географические системы, выделить ограниченное число элементов и их связей. Моделирование состоит из нескольких этапов. Первый этап моделирования – это качественный анализ. На его основе формируются задачи и выбирается вид модели. Модель должна соответствовать двум требованиям: отражать те особенности оригинала, которые выступают в качестве предмета познания и должна быть адекватна оригиналу. Второй этап моделирования – это математическая реализация логической структуры модели. С применением математических методов выводятся зависимости в модели. Третий этап моделирования предусматривает проверку соответствия модели оригиналу. Для этого проводится эмпирическая проверка – сравнение полученных данных с результатами наблюдений за оригиналом. Четвертый этап моделирования – изучение модели, экспериментирование с моделью. Основная цель этапа – выявление новых закономерностей и исследование возможностей оптимизации структуры и управление поведением моделируемой системой, а также пригодность модели для прогнозирования. Вот некоторые цели создания математических моделей в классической экологии. 1. Модели помогают выделить суть или объединить и выразить с помощью нескольких параметров важные разрозненные свойства большого числа уникальных наблюдений, что облегчает экологу анализ рассматриваемого процесса или проблемы 2. Модели выступают в качестве “общего языка”, с помощью которого может быть описано каждое уникальное явление; относительные свойства таких явлений становятся более понятными. 3. Модель может служить образцом “идеального объекта” или идеализированного поведения, при сравнении с которым можно оценивать и измерять реальные объекты и процессы. В экологии наиболее часто используются следующие группы моделей: дескриптивные, оптимизационные, имитационные. Дескриптивные модели предназначены для описания различных процессов. Например, такие модели позволяют определить численность популяции животных через определенное время, или дают возможность предсказать, как при том или ином мероприятии будет меняться ход эпидемии, то есть, как будет меняться число заболевших и т.д. Оптимизационные модели позволяют не только описывать происходящие процессы, а также управлять процессом. Часто оптимизационное моделирование применяется при разработке эколого-экономических моделей, поскольку они позволяют выбрать оптимальную политику хозяйствования. Например, размещение предприятий при отраслевом или территориальном планировании с учетом их сырьевых возможностей, укрупнении предприятий, управлении запасами, рациональном природопользовании и др. Имитационные модели предназначаются для «проигрывания» возможных вариантов поведения (смены состояний) природных систем под влиянием изменения внешних факторов. Они позволяют логически увязать эмпирические знания о различных процессах, протекающих в природных системах, и на основе машинного (ЭВМ) эксперимента получить непротиворечивые количественные данные об их изменениях во времени и пространстве. Имитационные модели используются: а) как средство изучения систем, выявления и анализа закономерностей их функционирования; б) для получения количественной оценки происшедших изменений природных объектов; в) как средство прогнозирования поведения систем под влиянием предполагаемых внешних факторов. Первая попытка математического моделирования глобальных экологических процессов была предпринята в 1971 году американским исследователем Дж. Форрестером. Его модель содержала два экологических параметра: загрязненность среды и численность населения. Последующие модели были значительно детализированы и учитывали региональные различия, ограничения в использовании природных ресурсов, пределы роста населения и другие факторы. В настоящее время разработана серия моделей глобальных процессов [13, 16]. 1. Модель гидросферы - это модель круговорота воды в биосфере. В ней выделяются четыре зоны циркуляции: экваториальная, субтропическая, умеренных широт и полярная. Учитывается динамика водообмена между океанами, а также тенденции в использовании водных ресурсов на хозяйственные нужды; 2. Модели климата. Модели потепления климата (парниковый эффект), и охлаждения климата (за счет аэрозолей и пыли); 3. Модель биогеоценотических процессов. Центральное место в данной модели занимает продукция растительных организмов (фотосинтез, дыхание, рост и отмирание); 4. Глобальная модель. Базовыми блоками являются блоки климата и гидросферы, так как через их компоненты осуществляется основная циркуляция вещества и энергии. В нашей стране известны региональные имитационные модели природнохозяйственного комплекса бассейна Азовского моря (Горстко, 1976), природно-хояйственной системы бассейна р.Преголи (Сергин, Зотов, 1988; Зотов, 1993), серия моделей глобальных процессов в биосфере (Крапивин и др., 1982) и другие [11, 17]. Спектр применения математических моделей в экологии весьма широк - от исследования циркуляции загрязняющих веществ в геофизических природных средах до изучения накопления поллютантов в экосистемах. Эти разработки, несмотря на определенную схематичность и недостаточный учет пространственной дифференциации природной среды, могут быть использованы для получения оценочной и прогнозной информации в целях предотвращения негативных последствий антропогенного воздействия на природную среду.
