Агрофизический НИИ, Санкт-Петербург (Россия) Перспективы использования динамических моделей агроэкосистем, построенных на основе принципа оптимальности, для задач прогноза и анализа в климатологии Р. А. Полуэктов, А. Г. Топаж
Модели «погода-урожай» • Агрометеорологические прогнозы продуктивность = f (интегральные показатели метеорологического режима за вегетационный период) • Динамические модели Xk+1 = L ( Xk , Uk , Wk , P ) Вектор динамических переменных модели Логика динамической модели Вектор управляющих воздействий продуктивность = f (XN ) Вектор статических параметров Вектор внешних неконтролируемых воздействий (погода)
Использование моделей продукционного процесса в климатологии. Оценка влияния возможных климатических изменений на продуктивность сельскохозяйственных посевов. Погода - урожай Климат - урожай Методика использования: • Агрометеорологические прогнозы прямой статистический анализ ? Можно ли этому верить? • Динамические модели использование синтетических сценариев погоды (генератор погоды) Параметры Реальные погодные данные идентификация вариация Параметры Генератор погоды Синтетические погодные данные генерация Модель ?
Modeling? Simulation? Speculation? A WEATHER THE CROP A CROP THE SOIL A SOIL SIMULATION ? ? ? ? ? CALIBRATION THE MODEL
Агрофизический НИИ, Санкт-Петербург (Россия) Процессы в системе почва-растение-атмосфера АБИОТИКА (физика) Транспирация ФИЗИОЛОГИЯ Тепло- и влагоперенос в почве Тепло- и влагоперенос в посеве Радиационный режим МЕТАБОЛИЗМ РЕГУЛЯЦИЯ (биохимия) (биокибернетика) Фотосинтез Дыхание Образование структуры Фенологическое развитие Органогенез Распределение ассимилятов Методика моделирования Теоретический подход Эмпирический подход
ОСНОВНЫЕ ПОСТУЛАТЫ Агрофизический НИИ, Санкт-Петербург (Россия) v Растение рассматривается как сложная открытая динамическая система (развивающийся и циклически воспроизводящийся механизм) с определенной целью своего функционирования. v Цель формулируется в интерпретируемых показателях воспроизводства наиболее многочисленного и жизнеспособного потомства. v Законы метаболизма (производства и транспорта структурных веществ внутри растения) известны и неизменны. Они, в определенном смысле, представляют собой ограничения, формирующие допустимый набор траекторий развития. v Конкретный исследуемый процесс регуляции интерпретируется как программа управления метаболизмом. Она ищется в виде набора директив по внешним условиям и динамических обратных связей по внутренним переменным. v Целью регуляции (управления) является достижение оптимального показателя поставленной цели, т. е. она служит решением некоторой обобщенной задачи оптимизации.
ФЕНОЛОГИЧЕСКОЕ РАЗВИТИЕ Агрофизический НИИ, Санкт-Петербург (Россия) Уравнения динамики Ограничения Цель V – вегетативная биомасса G – генеративная биомасса A(V, t) – интенсивность ассимиляции – удельная интенсивность дыхания
Агрофизический НИИ, Санкт-Петербург (Россия) Нестационарная среда Поликарпическое растение Монокарпическое растение Сезонная динамика ассимиляционного процесса
Модель устьичной регуляции Агрофизический НИИ, Санкт-Петербург (Россия) Устьица Атмосфера Радиация Апертура (Rst) Газообмен QФ CO 2 Реакционные центры Транспирация H 2 O
Транспирация: Агрофизический НИИ, Санкт-Петербург (Россия) Радиационный баланс: Поглощение воды корнями: Водный баланс: E Er ; R = leaf Фотосинтез:
Агрофизический НИИ, Санкт-Петербург (Россия) Моделирование транспирации как задача оптимального управления Осадки случайный процесс Пуассона Транспирация Почвенная влага W 0 – начальный запас Ш Цель – оптимизация средней интегральной ассимиляции за период засухи (дней без осадков), где длина этого периода – случайная величина Ш Управление - величина устьичной проводимости, определяющая интенсивности ассимиляции и транспирации Ш Ограничение – суммарная транспирация за период не должна превышать начальный запас влаги в почве
Математическая формализация модели Агрофизический НИИ, Санкт-Петербург (Россия) Цель Ограничения Ассимиляция Из радиационного баланса Из водного баланса Динамика ОГХ Потенциал завядания
Агрофизический НИИ, Санкт-Петербург (Россия) Решение задачи оптимизации Динамика устьиц в нестационарных условиях:
ПРЕИМУЩЕСТВА И ПЕРСПЕКТИВЫ Агрофизический НИИ, Санкт-Петербург (Россия) v Теоретический характер модели позволяет надеяться на достоверность результатов компьютерных экспериментов по оценке влияния климатических изменений на продуктивность агроэкосистем. v Явный учет в модели характеристик климата как параметров, определяющих характер решения задачи оптимального управления, дает принципиальную возможность для исследования механизмов постепенной адаптации на генетическом уровне современных растительных видов к меняющимся условиям внешней среды
Скачать презентацию Агрофизический НИИ Санкт-Петербург Россия Перспективы использования динамических моделей
fca159566d952aefc6a600c674c72b07.ppt