5.1. Классификация методов прогноза состава и состояния биосферы

Прогноз состояния биосферы является завершающей стадией экологического мониторинга. Он необходим для решения следующих задач:

▫ определение вероятной экологической обстановки в любой конкретной точке окружающей среды при минимальном количестве стационарных постов наблюдения (прогноз пространственного рассеяния загрязнителей);

▫ анализ вероятных последствий влияния деятельности того или иного промышленного или гражданского объекта на окружающую среду для принятия решения о допустимости его строительства;

▫ анализ вероятной экологической обстановки для расчета предельно допустимых выбросов и сбросов того или иного промышленного или гражданского объекта;

▫ анализ вероятных последствий влияния деятельности того или иного промышленного или гражданского объекта на окружающую среду в случае производственных аварий;

▫ прогноз метеорологических условий в конкретном регионе;

▫ прогноз глобальных экологических последствий антропогенного загрязнения природной среды.

В соответствии с решаемыми задачами прогнозы состава и состояния окружающей среды можно разделить на пространственные и временные. Пространственные прогнозы позволяют предсказать состояние биосферы в какой-либо точке окружающей среды в текущий момент времени. При составлении такого прогноза используется информация о состоянии окружающей среды в нескольких местах, окружающих данную точку. Также при прогнозировании учитываются метеорологические условия и рельеф исследуемой местности, расположение и величина выбросов источников загрязнения биосферы.

Прогнозы изменения состояния окружающей среды во времени подразделяются на долгосрочные, среднесрочные и краткосрочные. Отличительной чертой прогнозирования состояния окружающей среды являются прогнозы, сделанные не на конкретный промежуток времени, а на конкретную ситуацию, которая может возникнуть в будущем [14].

По масштабу исследования все прогнозы можно подразделить на глобальный (в масштабах планеты), региональный (в масштабах Сибири, например) и локальный (на территории в несколько километров). Глобальные прогнозы охватывают всю географическую оболочку или крупнейшие ее части (например, северное и южное полушарие).

Региональные прогнозы включают в себя многочисленные прогнозы для отдельных стран, которые чаще всего представляют собой анализ вероятностных последствий влияния деятельности того или иного промышленного или гражданского объекта на окружающую среду. Региональные прогнозы состояния окружающей среды охватывают множество промышленных и гражданских объектов. Локальные прогнозы, как правило, относятся к одному или двум объектам и источникам загрязнения соизмеримых масштабов.

По прогнозируемым факторам выделяют:

▫ Прогноз термодинамического состояния атмосферы: температуры, давления, влажности, направления и скорости ветра

▫ Прогноз динамики атмосферы: общей циркуляции атмосферы, турбулентности атмосферы, диффузии основных компонентов и примесей.

▫ Прогноз атмосферного аэрозоля, облачности и осадков.

▫ Прогноз содержания атмосферных газов, в том числе основных биосферных газов (О₂, N₂, СО₂, Н₂О); парниковых газов (СО₂, СО, Н₂О, О₃, СН₄, NO, NO₂); канцерогенных газов (SO₂, тяжелые углеводороды, фтор- и хлорсодержащие газы, пары тяжелых металлов).

▫ Прогноз атмосферной радиации, в том числе оптического, ультрафиолетового, видимого, инфракрасного излучений. Прогноз радиоволнового излучения в микроволновом, коротковолновом, длинноволновом диапазонах.

▫ Прогноз атмосферного электричества, включая электрическую напряженность и проводимость атмосферы.

▫ Прогноз атмосферной радиоактивности, включая наблюдение α-, β-, γ-излучений и отдельных продуктов радиоактивного распада.

▫ Прогноз внешних факторов, в том числе альбедо подстилающей поверхности, извержения вулканов, техногенных выбросов в нижней границе атмосферы, космических факторов (потоки жесткого солнечного излучения, метеориты на верхней границе атмосферы).

Получение исходной информации для прогноза состояния биосферы возможно следующими способами:

▫ результаты физических измерений;

▫ физико-химические исследования;

▫ химический анализ;

▫ применение биоиндикационных методов.

Принципы биологической индикации основаны на зависимости ареала обитания, репродуктивных возможностей и свойств организмов от состояния окружающей среды. Используя селективную чувствительность конкретного вида организма к исследуемому экологическому фактору, по его состоянию, внешнему виду, распространенности можно судить о наличии и оценить величину данного экологического фактора. Биоиндикационные методы удобны при отсутствии измерительных приборов, а также для предварительной оценки экологической обстановки подвергающейся мониторингу местности [3].

По способу обработки информации существует три метода прогнозирования: экспертная оценка, экстраполяция и моделирование [18]. От правильного выбора метода прогнозирования зависит достоверность прогноза.

Метод прогнозирования с использованием экспертных оценок и специализированной обработкой анкет является наиболее разработанным. В основе метода лежит система получения и специализированной обработки прогностических оценок объекта путем целенаправленного опроса высококвалифицированных специалистов (экспертов) в узкой области науки, техники и производства. С помощью метода экспертной оценки можно существенно повысить надежность прогнозов, полученных с помощью других методов прогнозирования.

Методы экстраполяции применяются выборочно для краткосрочных прогнозов. Они основаны на изучении количественных и качественных показателей исследуемой проблемы за ряд предшествующих лет с последующим логическим продолжением тенденции их развития на прогнозируемый период. Эти методы применяются в том случае, если развитие за значительный период времени идет равномерно без значительных скачков.

Методы моделирования в настоящее время имеют наибольшую популярность, так как они применяются для составления самых разнообразных прогнозов — от глобальных до локальных.

▫ выявление факторов, имеющих существенное значение для предсказания;

▫ определение действительного отношения факторов к предсказуемому явлению;

▫ разработка алгоритма и программы.

Практически все глобальные прогнозы загрязнения воды и воздуха построены с помощью методов моделирования. Причем в настоящее время модели все больше усложняются, а при увеличении объема информации все шире применяются компьютеры. Однако какой бы сложной ни была модель, она всегда проще объекта. Особенно успешно методы математического моделирования используются при прогнозировании состояния отдельных компонентов природной среды.

При прогнозировании экологических последствий антропогенного загрязнения природной среды модели целесообразно подразделять на модели переноса и превращения загрязняющих веществ в окружающей среде (географические модели) и модели изменения состояния экосистемы под влиянием загрязнения (экологические модели).

Глобальные, региональные и локальные модели загрязнения природных сред позволяют прогнозировать изменение состояния природных геофизических сред с учетом процессов переноса, перехода загрязняющих веществ из одной среды в другую, их накопления, а также физической, химической и биологической трансформации и деструкции.

На рис. 58 приведена общая схема классификации видов прогноза состояния окружающей среды.

Снижение погрешностей прогноза состояния окружающей среды сдерживается целым рядом обстоятельств. Прежде всего, необходимо учитывать, что в любых реальных процессах присутствуют три составляющие [19]:

▫ детерминированная, поддающаяся точному расчету на период, достаточный для целей прогнозирования;

▫ вероятностная, которая выявляется в процессе изучения прогнозируемого объекта или явления, а точность предсказания во многом зависит от успешного выявления закономерностей развития процесса;

▫ случайная составляющая, которая на современном уровне знаний практически не поддается предсказанию.

Специфика прогнозирования состояния окружающей среды заключается в том, что в подавляющем большинстве случаев приходится сталкиваться с вероятностными и случайными составляющими процессов развития, что приближает подобные прогнозы по степени их достоверности к гипотезам. В наибольшей степени это относится к глобальным прогнозам. При описании атмосферных процессов и явлений невозможно пренебречь ни прямым, ни косвенным влиянием антропогенных факторов. Заметное влияние на процессы в биосфере имеют озоновые дыры, микроклимат промышленных центров и искусственных морей, парниковый эффект, изменение химического состава почв и опустынивание земель, сокращение площади лесных массивов. Возрастание потоков энергии и вещества антропогенного происхождения требует новых методов наблюдения и математического моделирования. Поэтому при составлении прогнозов приходится сталкиваться как с естественными, так и с социально-экономическими процессами. Их точный совместный учет, а тем более прогноз представляют чрезвычайно сложную методологическую задачу.

Таким образом, при прогнозе состояния окружающей необходимо совершенствовать методы прогнозирования, усложнять модели, а также систематически уточнять исходную информацию.