Vides modelēšana kā praktiski pielietojama pētniecības nozare attīstījusies pēdējo 50 gadu laikā, bet kā fundamentāla pētniecības nozare – pēdējo 100 gadu laikā. Vidē noritoša procesa raksturošanai tiek konstruēti modeļi (realitātes vienkāršota reprezentācija), kas attēlo pētījuma objekta komponentes un to savstarpējās saites atbilstoši realitātei un saskaņā ar pētnieka zināšanām. Atkarībā no modelēšanas objekta un jomas (piemēram, gaisa kvalitāte, populāciju mainība) modeļa komponentes reglamentē pielietošanas mērķis.
vides modelēšana
vides zinātnes apakšnozare, kas vides problēmu izpratnes, raksturošanas, pētniecības un risinājumu identificēšanai izmanto konceptuālus, fizikālus vai matemātiskus modeļus
Satura rādītājs
Teorētiskā un praktiskā nozīme
Vides modelēšanu teorētiski pielieto, lai izprastu dažādu vides sistēmu funkcionēšanas īpatnības, procesu telpisko un temporālo norisi un identificētu nepilnības. Vides modelēšanu praktiski pielieto valstu stratēģisko attīstības scenāriju izstrādē, atjaunojamo energoresursu efektivitātes izmantošanas izpētē, ekosistēmu nākotnes ekoloģiskā stāvokļa novērtēšanā, vidi piesārņojošo objektu izvērtēšanas projektēšanas stadijā.
Vieta zinātnes klasifikācijā. Galvenie sastāvelementi
Vides modelēšana ir vides zinātnes apakšnozare. Tās attīstību nosaka datorzinātnes, programmēšanas, matemātikas, fizikas, ķīmijas integrēšana, kā arī izpratnes par dabas un vides procesiem pilnveidošana. Modeļu iedalījums un raksturojums atkarīgs no ievades datiem, matemātiskām kopsakarībām, telpas un laika dimensijas. Statisks modelis vai dinamisks modelis raksturo attiecīgi statisku vai laikā mainīgu situāciju; deskriptīvs modelis vai preskriptīvs modelis – attiecīgi dabā esošu objektu vai hipotētisku objektu.
Deterministiskā modelī rezultāti tiek iegūti kā diskrēts skaitlis, bet stohastiskā modelī – kā mainīga skaitļu kopa. Funkcionāla modeļa rezultāti raksturo eksperimentālus novērojumus un prognozē nākotnes situācijas, bet mehāniska modeļa rezultāti izskaidro procesu norisi vidē. Ģeostatiskos modeļos rezultāti tiek reprezentēti telpiski. Statistiskos modeļos matemātiskais modelis tiek konstruēts, izmantojot novērojumu rezultātus un statistiskās analīzes metodes. Lai raksturotu kompleksas vides problēmas (piemēram, globālās klimata pārmaiņas, hidroķīmisko modelēšanu 3D telpā), tiek izmantotas matemātisko diferenciālvienādojumu un integrālvienādojumu sistēmas. Ņemot vērā monitoringa datu kopu apjoma palielināšanos, arvien biežāk tiek izmantoti statistiskie modeļi. Populārākie statistiskie modeļi: Baijesa lineārais regresijas modelis (Bayesian statistics), kurā visi mainīgie ir kategorizējami un tiek izmantoti datu klašu nosacītie sadalījumi; neirālie tīkli (neural network), kuros nākotnes situāciju prognozes tiek veidotas, balstoties uz pagātnē novēroto un atgadīšanās varbūtību aprēķiniem.
Galvenās teorijas
Modeļu teorijas būtību raksturo algebrisko vienādojumu un loģikas sakarības noteiktā pētniecības nozarē. Izmantoto teoriju spektrs katrā zinātnes nozarē ir specifisks. Vielu dispersijas teorija jeb Gausa dispersija (Gaussian dispersion) raksturo vielu pārnesi atmosfērā, izmantojot pārneses vienādojumus, vertikālos un horizontālos dispersijas koeficientus. Ūdens viļņošanās teorija jeb Venanta vienādojumi (Saint-Venant equations) raksturo plūsmas mainību ārēju spēku ietekmē. Molekulārās un turbulentās difūzijas teorija, kas raksturota Fika likumā (Fick's law), tiek izmantota, lai aprēķinātu piesārņojuma izplatību. Populāciju attīstības teoriju jeb Forestera modeli (von Foerster equation) izmanto populācijas dinamikas prognozēšanā.
Pētniecības metodes
Modelēšanā izmantotās metodes reglamentē modeļa tips un pielietojums. Neatkarīgi no modeļa veida tiek izmantotas skaitliskās metodes un diferenciālvienādojumu sistēmas. Visbiežāk kā būtiski modeļu novērtēšanas indikatori tiek izmantoti: modeļa spēja izskaidrot vēsturiskos novērojumus un prognozēt nākotni; modeļa validācija, kas raksturo iekšējās loģikas atbilstību; modeļa kalibrācijas rezultāti, kuros novērtēta atšķirība starp monitoringa un modelēšanas rezultātiem; jutības analīze, kurā tiek pētīta modeļa svarīgāko komponentu reaģētspēja, mainoties ievades parametriem; rezultātu vizualizācijas un telpiskās izplatības raksturojuma iespējas.
Īsa vēsture
Pirmie pielietojamie modeļi tika sastādīti, lai paredzētu plūdu epizodes Dublinā, Īrijā, 19. gs. vidū. 20. gs. pirmajā pusē ar modeļu palīdzību tika raksturota atmosfēras piesārņojuma noplūde un dispersija atmosfērā no punktveida piesārņojuma avotiem Anglijā un Austrijā. Pilnveidojoties vides kvalitātes novērojumu, datu apstrādes un analīzes metodēm, 20. gs. otrajā pusē strauji attīstījās modeļi gaisa, ūdens, augsnes, klimata, vides pārvaldības un sistēmdinamikas jomās. Līdz ar skaitļošanas procesu automatizāciju kopš 20. gs. 80. gadiem modeļu iekšējā loģika tika transformēta, pārejot no empīriskiem risinājumiem uz fizikāli-matemātiskiem un procesu pamatotiem modeļiem.
Pašreizējais attīstības stāvoklis
Mūsdienās vides modelēšanas metožu pielietošana saistīta ar izmaiņām likumdošanā un iedzīvotāju interesi par tīras vides saglabāšanu. Prasības pēc trokšņa līmeņa novērtēšanas pilsētās reglamentē nepieciešamību izstrādāt atbilstošus matemātiskos modeļus. Paaugstināts atmosfēras piesārņojuma līmenis rada vajadzību modelēt pasākumus piesārņojuma mazināšanai un novērtēt hipotētisko pasākumu efektivitāti vēl pirms to ieviešanas.
Vadošās pētniecības iestādes
Vadošās organizācijas vides modelēšanas instrumentu izmantošanai, stimulēšanai un uzraudzībai ir Amerikas Savienoto Valstu (ASV) Nacionālā okeanogrāfijas un atmosfēras administrācija (National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA), Starptautiskais Lietišķās sistēmanalīzes institūts (International Institute for Applied Systems Analysis, IIASA), Eiropas Vides aģentūra (European Environmental Agency, EEA), Ekonomiskās sadarbības un attīstības organizācija (Organisation for Economic Co-operation and Development, OECD).
Nozīmīgākie periodiskie izdevumi
Environmental Modeling & Assessment (kopš 1996, Springer), Environmental Modelling & Software (kopš 1997, Elsevier Science), Geographical and Environmental Modelling (kopš 2003, Taylor & Francis).
Ievērojamākie pētnieki
Velsas matemātiķis un meteorologs Greiems Sutons (Sir Graham Sutton) 1947. gadā formalizēja piesārņojošo vielu izkliedes modeli atmosfērā – Gausa dispersijas modeli, kurš mūsdienās ir viens no populārākajiem modeļiem. Franču inženieris un matemātiķis Ademārs Barē de Sen-Venāns (Adhémar Jean Claude Barré de Saint-Venant) plūdmaiņu raksturošanai 1855. gadā publicēja modeli, kurš mūsdienās iekļauts visos hidrodinamiskajos modeļos. Populāciju novērtējuma un attīstības prognožu pamatlicējs Johaness Petersens (Carl Georg Johannes Petersen), izmantojot pētījumus ekoloģijas jomā, 1896. gadā formalizēja savu modeli.