Применение оптимизационного метода Хука-Дживса при калибровке параметров биогеохимической модели

Применение оптимизационного метода Хука-Дживса при калибровке параметров биогеохимической модели

Описывается использование оптимизационного метода Хука-Джиса для калибровки параметров одномерного варианта модели качества вод МЕССА c целью осуществления прогноза динамики фитопланктона, органических фосфора и азота, аммонийного азота и фосфора фосфатов поверхностных вод акватории Севастопольской...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2013
1. Verfasser: Слепчук, К.А.
Format: Artikel
Sprache:Russian
Veröffentlicht: Морський гідрофізичний інститут НАН України 2013
Schriftenreihe:Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу
Schlagworte:
Взаимодействие геосфер в зоне сопряжения суши и моря
Online Zugang:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/56978
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Применение оптимизационного метода Хука-Дживса при калибровке параметров биогеохимической модели / К.А. Слепчук // Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу: Зб. наук. пр. — Севастополь, 2013. — Вип. 27. — С. 418-421. — Бібліогр.: 4 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-56978
record_format dspace
spelling irk-123456789-569782014-03-02T03:01:34Z Применение оптимизационного метода Хука-Дживса при калибровке параметров биогеохимической модели Слепчук, К.А. Взаимодействие геосфер в зоне сопряжения суши и моря Описывается использование оптимизационного метода Хука-Джиса для калибровки параметров одномерного варианта модели качества вод МЕССА c целью осуществления прогноза динамики фитопланктона, органических фосфора и азота, аммонийного азота и фосфора фосфатов поверхностных вод акватории Севастопольской бухты. Данные, полученные в процессе вычислительного эксперимента с калибровкой и без нее, сопоставляются с натурными данными, осредненными за 2001 – 2005 гг. Сделан вывод об улучшении при калибровке модельного результата. Описується використання оптимізаційного методу Хука-Дживса в калібруванні параметрів одновимірного варіанта моделі якості вод МЕССА c метою здійснення прогнозу динаміки фітопланктону, органічних фосфору та азоту, азоту амонію і фосфору фосфатів поверхневих вод акваторії Севастопольської бухти. Дані, отримані в процесі обчислювального експерименту з калібруванням і без нього, зіставляються з натурними даними, осредненними за 2001 – 2005 рр. Зроблено висновок про поліпшення модельного результату. The use of optimization method of Hooke-Jeeves in calibration of parameters of one-dimensional variant of water quality model MECCA for forecasting dynamics of phytoplankton, organic phosphorus and nitrogen, ammonium and phosphates of surface waters of the Sevastopol Bay area is described. Data obtained in the process of computing experiment with and without calibration is compared with in situ averaged data of 2001 – 2005. Conclusion about the improvement of a model result is drawn. 2013 Article Применение оптимизационного метода Хука-Дживса при калибровке параметров биогеохимической модели / К.А. Слепчук // Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу: Зб. наук. пр. — Севастополь, 2013. — Вип. 27. — С. 418-421. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 1726-9903 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/56978 551.465.7:504.42 ru Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу Морський гідрофізичний інститут НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
topic Взаимодействие геосфер в зоне сопряжения суши и моря
Взаимодействие геосфер в зоне сопряжения суши и моря
spellingShingle Взаимодействие геосфер в зоне сопряжения суши и моря
Взаимодействие геосфер в зоне сопряжения суши и моря
Слепчук, К.А.
Применение оптимизационного метода Хука-Дживса при калибровке параметров биогеохимической модели
Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу
description Описывается использование оптимизационного метода Хука-Джиса для калибровки параметров одномерного варианта модели качества вод МЕССА c целью осуществления прогноза динамики фитопланктона, органических фосфора и азота, аммонийного азота и фосфора фосфатов поверхностных вод акватории Севастопольской бухты. Данные, полученные в процессе вычислительного эксперимента с калибровкой и без нее, сопоставляются с натурными данными, осредненными за 2001 – 2005 гг. Сделан вывод об улучшении при калибровке модельного результата.
format Article
author Слепчук, К.А.
author_facet Слепчук, К.А.
author_sort Слепчук, К.А.
title Применение оптимизационного метода Хука-Дживса при калибровке параметров биогеохимической модели
title_short Применение оптимизационного метода Хука-Дживса при калибровке параметров биогеохимической модели
title_full Применение оптимизационного метода Хука-Дживса при калибровке параметров биогеохимической модели
title_fullStr Применение оптимизационного метода Хука-Дживса при калибровке параметров биогеохимической модели
title_full_unstemmed Применение оптимизационного метода Хука-Дживса при калибровке параметров биогеохимической модели
title_sort применение оптимизационного метода хука-дживса при калибровке параметров биогеохимической модели
publisher Морський гідрофізичний інститут НАН України
publishDate 2013
topic_facet Взаимодействие геосфер в зоне сопряжения суши и моря
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/56978
citation_txt Применение оптимизационного метода Хука-Дживса при калибровке параметров биогеохимической модели / К.А. Слепчук // Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу: Зб. наук. пр. — Севастополь, 2013. — Вип. 27. — С. 418-421. — Бібліогр.: 4 назв. — рос.
series Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу
work_keys_str_mv AT slepčukka primenenieoptimizacionnogometodahukadživsaprikalibrovkeparametrovbiogeohimičeskojmodeli
first_indexed 2025-07-05T08:13:46Z
last_indexed 2025-07-05T08:13:46Z
_version_ 1836793963364745216
fulltext 418 УДК 551 .465 .7 :504 .42 К.А.Слепчук Морской гидрофизический институт НАН Украины, г.Севастополь ПРИМЕНЕНИЕ ОПТИМИЗАЦИОННОГО МЕТОДА ХУКА-ДЖИВСА ДЛЯ КАЛИБРОВКИ ПАРАМЕТРОВ БИОГЕОХИМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ Описывается использование оптимизационного метода Хука-Джиса для ка- либровки параметров одномерного варианта модели качества вод МЕССА c целью осуществления прогноза динамики фитопланктона, органических фосфора и азота, аммонийного азота и фосфора фосфатов поверхностных вод акватории Севасто- польской бухты. Данные, полученные в процессе вычислительного эксперимента с калибровкой и без нее, сопоставляются с натурными данными, осредненными за 2001 – 2005 гг. Сделан вывод об улучшении при калибровке модельного результата. КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА : биогеохимическое моделирование, биогенные элементы, фитопланктон, методы оптимизации, метод Хука-Дживса. Влияние океанологических факторов на экологическое состояние при- брежных морских акваторий при решении проблем рационального приро- допользования остается актуальным на протяжении многих десятков лет. Чтобы контролировать качество водной среды, необходимо использо- вать математические модели. Созданию математической модели, как прави- ло, предшествует экологический мониторинг исследуемой экосистемы и целый ряд специализированных экспериментов для оценки интенсивности связей между компонентами экосистемы. Для оценки состояния морской экосистемы требуются натурные на- блюдения из различных областей знаний: гидрофизики, гидрогеологии, гидрохимии, гидробиологии, метеорологии, которые выполняются на осно- ве различных методик с разной точностью и дискретностью. Не всегда эти натурные наблюдения выполнены в достаточном количестве в разных точ- ках пространства. Применение математического моделирования позволяет не только восполнить пробелы в точках отсутствия натурных данных, но и осуществить модельную оценку состояния экосистемы в условиях изменчи- вости ее компонентов. Кроме того, математическое моделирование позволяет получить про- гноз эволюции экосистемы при взаимном влиянии природно-климатических и антропогенных факторов. Материалы и методы. В данной работе было проведено моделирова- ние годовой динамики фитопланктона, органического фосфора, фосфора фосфатов, органического азота, аммонийного азота в акватории Севасто- польской бухты с помощью модели качества вод МЕССА (Model for Estuarine and Coastal Circulation Assessment) [1]. Севастопольская бухта очень активно используется на протяжении более двух столетий в различ- ных сферах народного хозяйства. Бухта является гаванью для военных и торговых судов. По берегам бухты расположена историческая часть города Севастополя, а также промышленные предприятия (судоремонтные и судо- © К .А .Слепчук , 2013 419 строительные, нефтебаза, ТЭЦ и др.). В бухте функционируют более 30 вы- пусков сточных вод – аварийных, временных и постоянно действующих, через которые поступает от 10 до 15 тыс. м3 сточных вод в сутки. Основной объем стоков сбрасывается без отчистки [2]. Бухта используется для судо- ходства и в рекреационных целях. В соответствии с принципами осреднения, модель может иметь различ- ную пространственно-временную разрешающую способность. Калибровка и эксплуатация трехмерной прогностической модели водной экосистемы предъявляет высокие требования к вычислительным возможностям ЭВМ и требует значительных, зачастую нереальных затрат машинного времени и времени исследователя. Поэтому на начальном этапе используется одно- мерный (с разрешением по вертикальной координате) вариант, где все дан- ные осреднены в одной точке при средней глубине водоема. В связи с достаточно большими несоответствиями данных, рассчитан- ных по модели, и натурных данных был применен оптимизационный метод Хука-Дживса [3]. Это метод прямого поиска минимума функционала, со- стоящий из последовательности шагов исследующего поиска вокруг базис- ной точки, за которой в случае успеха следует поиск по образцу. В уравне- ния блока эвтрофикации модели включены параметры (удельные скорости химико-биологических процессов) и коэффициенты в эмпирических урав- нениях, описывающих изменчивость значений этих параметров в зависимо- сти от характеристик среды и внешних факторов. Далее, варьируя эти пара- метры в рамках возможного диапазона их изменчивости, проводится по- пытка достижения максимального соответствия модельных результатов и данных наблюдений, используя минимизацию суммы квадратов отклонений данных, рассчитанных по модели, и натурных данных. Обсуждение результатов. На рис.1 представлена динамика температу- ра на поверхности и на дне Севастопольской бухты, где точками обозначе- ны натурные данные, осредненные за 2001 – 2005 гг., а кривой – модельные. Видно, что гидрологический блок модели достаточно хорошо воспроизво- дит температуру. На рис.2 представлена динамика фитопланктона, органического фосфо- ра и азота, аммонийного азота и фосфора фосфатов. Кривая линия соответ- ствует данным, рассчитанным по модели с учетом калибровки, пунктирная кривая соответствует данным, рассчитанным по модели без использования ме- тода калибровки, а точки – натурным данным, осредненным за 2001 – 2005 гг. а б Р и с . 1 .Поверхностная температура (а) и температура на дне (б) Севасто- польской бухты. 420 а б в г д Р и с . 2 .Динамика фитопланктона (а), органического фосфора (б), органического азота (в), азота аммонийного (г), фосфора фосфатов (д) в Севастопольской бухте. 421 Выводы. Моделирование биогеохимических процессов, протекающих при участии веществ естественного и антропогенного происхождения, игра- ет важную роль при оценке состояния морских экосистем. Из представлен- ных в работе результатов видно, что использование метода оптимизации Хука-Дживса позволяет более точно отобразить реальную картину годовой динамики биомассы фитопланктона, а также небольшие улучшения в про- гнозе годовой динамики органических азота и фосфора. Прогноз годовой динамики аммонийного азота лишь во второй половине года дает хорошие результаты. Однако использование метода Хука-Дживса почти не повлияло на прогноз годовой динамики фосфора фосфатов. Полученные результаты подтверждают целесообразность использования методов оптимизации в биогеохимическом моделировании, но следует откорректировать весовые коэффициенты в сумме квадратов отклонений натурных данных и данных, рассчитанных по модели, что может улучшить прогнозируемый результат. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Иванов В.А., Тучковенко Ю.С. Прикладное математическое моделирование ка- чества вод шельфовых морских экосистем.– Севастополь: ЭКОСИ- Гидрофизика, 2006.– 368 с. 2. Иванов В.А., Овсяный Е.И., Репетин Л.Н., Романов А.С., Игнатьева О.Г. Гид- ролого-гидрохимический режим Севастопольской бухты и его изменения под воздействием климатических и антропогенных факторов.– Севастополь: ЭКО- СИ-Гидрофизика, 2006.– 90 с. 3. Банди Б. Методы оптимизации. Вводный курс: Пер. с англ.– М.: Радио и связь, 1988.– 128 с. 4. Куфтаркова Е.А., Губанов В.И., Ковригина Н.П., Еремин И.Ю., Сеничева М.И. Экологическая оценка современного состояния вод в районе взаимодействия Севастопольской бухты с прилегающей частью моря // Морской экологический журнал.– 2006.– т.5, № 1.– С.72-90. Материал поступил в редакцию 23 .06 .2013 г . АНОТАЦIЯ Описується використання оптимізаційного методу Хука-Дживса в калібруванні параметрів одновимірного варіанта моделі якості вод МЕССА c метою здійснення прогнозу динаміки фітопланктону, органічних фосфору та азоту, азоту амонію і фосфору фосфатів поверхневих вод акваторії Севастопольської бухти. Дані, отримані в процесі обчислювального експерименту з калібруванням і без ньо- го, зіставляються з натурними даними, осредненними за 2001 – 2005 рр. Зроблено висновок про поліпшення модельного результату. ABSTRACT The use of optimization method of Hooke-Jeeves in calibration of parame- ters of one-dimensional variant of water quality model MECCA for forecasting dynamics of phytoplankton, organic phosphorus and nitrogen, ammonium and phosphates of sur- face waters of the Sevastopol Bay area is described. Data obtained in the process of com- puting experiment with and without calibration is compared with in situ averaged data of 2001 – 2005. Conclusion about the improvement of a model result is drawn.

Ähnliche Einträge