Моделирование биологических популяций с использованием комплексных моделей, включающих в себя индивидуум-ориентированные и аналитические компоненты

• Автор: Сорокин, Павел Александрович
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Долгопрудный
• Количество страниц: 153 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ПОПУЛЯЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ .

1.1 Специфика моделирования экологических объектов

1.2 Классические аналитические модели.

1.2.1 Уравнения Мальтуса и Ферхюльста

1.2.2 Модель ЛоткиВольтерра.

1.2.3 Уравнения с запаздыванием

1.2.4 Разностные уравнения и функции последования

1.2.5 Модели с возрастной структурой.

1.2.6 Статистические модели
1.2.7 Пространственнораспределенные модел и.
1.3 ИНДИВИДУУМОРИЕНТИРОВА 1НЫЕ МОДЕЛИ.
1.3.1 Современные методы изучения сложных систем.
1.3.2 Определение индивидуумориентированного моделирования
1.3.3 Классификация индивидуумориентированных моделей.
1.3.4 Современный опыт индивидуумориентированного моделирования.
1.3.5 Практические рекомендации по построению индивидуумориентированных моделей
1.4 Методология построения и исследования комплексных моделей.
1.4.1 Методология индивидуумориентированного модел ирован ия
1.4.2 Энергетический подход к построению индивидуумориентированных моделей
1.4.3 Метод построения комплексных моделей, включающих индивидуум
ориентированные и аначитические компоненты
1.5 Задачи математического моделирования популяций оленя Вапити и лемминга.
1.5.1 Математическое моделирование популяции оленя Вапити
1.5.2 Математическое моделирование популяции лемминга
Выводы к первой главе
ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОПУЛЯЦИИ ОЛЕНЕЙ ВАПИТИ. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ПОПУЛЯЦИИ
2.1 Объект моделирования
2.2 Постановка задачи.
2.2.1 Пространственные аспекты динамики попу.чяции оленя.
2.2.2 Индивидуумориентированная модель популяции оленя
2.2.3 Численный эксперимент
2.3 Индивидуумориентированная модель популяции оленя.
2.3.1 Краткое описание модели
2.3.2 Характеристические параметры ареача
2.3.3 Характеристические параметры индивидуума.
2.3.4 Движение индивидуумов
2.3.5 Уравнения бачанса энергии
2.3. б Динамика количества ресурса
2.4 Результаты моделирования
2.4.1 Исходные данные.
2.4.2 Результаты расчета
ВЫВОДЫ КО ВТОРОЙ ГЛАВЕ
ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОПУЛЯЦИИ ЛЕММИНГОВ. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ ФОРМИРОВАНИЯ ДИНАМИКИ ЧИСЛЕННОСТИ ПОПУЛЯЦИИ
3.1 Объект моделирования
3.2 Постановка задачи.
3.2.1 Механизмы формирования циклов.
3.2.2 Комплексная модель популяции леммингов
3.2.3 Численный эксперимент.
3.3 ИНДИВИДУУМОРИЕНТИРОВАННАЯ МОДЕЛЬ ПОПУЛЯЦИИ ЛЕММИГОВ
3.3.1 Краткое описание
3.3.2 Характеристические параметры ареала.
3.3.3 Характеристические параметры индивидуума
3.3.4 Уравнения баланса энергии.
3.3.5 Движение индивидуумов.
3.3.6 Размножение.
3.3.7 Динамика количества ресурса.
3.4 Комплексная модель популяции
3.4.1 Исходные данные.
3.4.2 Значения параметров модели
3.5 Вычислительные эксперименты с индивидуумориентированной моделью.
3.5.1 Динамика численности
3.5.2 Пространственное распределение.
3.5.3 Возрастная структура и распределение по потенциалу жизнестойкости
3.6 Исследование механизмов формирования численности популяции
3.6.1 Факторы, формирующие динамику численности.
3.6.2 Динамика в отсутствии ограничивающих факторов
3.6.3 Динамика в условиях ограничения по значению параметра Ип
3.6.4 Динамика в условиях ограничения по значению параметра А
3.6.5 в условиях ограничения по значению параметра Ь.
3.6.6 Динамика в условиях ограничения по значениям Ь. Ин.
3.6.7 Динамика в условиях ограничения значений всех параметров
ВЫВОДЫ К ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


Вычислительные эксперименты с моделями популяций, сопоставление результатов эксперимента с данными полевых наблюдений популяций для различных ареалов, данными, полученными другими исследователями. В первой главе описана специфика моделирования экологических объектов, приведен краткий обзор аналитических методов в популяционном моделировании. Выполнен системный анализ существующих индивидуумориентированных моделей, на основе которого построена современная классификация индивидуумориентированных подходов, позволяющая наглядно и обозримо провести их систематизацию. Представленная классификация делит ИОМ в зависимости от типов явно описываемых моделью характеристических параметров индивидуумов и ареала. Предложены практические рекомендации по построению ИОМ. Предложен метод построения комплексных моделей, когда в качестве имитационной компоненты применяется ИОМ, динамика характеристических параметров индивидуума определяется уравнением энергетического баланса. В конце главы поставлены задачи исследования. Вторая глава посвящена применению разработанного метода для исследования механизмов пространственного перемещения популяции оленя Вапити. Описана индивидуумориентированная модель популяции оленя Вапити, построенная с целью исследования влияния неоднородности ареала на перемещение отдельных особей с временным масштабом 1 сутки, пространственным масштабом порядка сотен метров. Для описания движения особей используется стохастический механизм коррелированного случайного блуждания. Приводятся данные моделирования двух реальных ареалов Канада. Получены модельные распределения суточных перемещений и углов поворота особей, находящиеся в удовлетворительном соответствии с имеющимися экспериментальными данными. Показана возможность эффективного применения построенной модели для решения ряда важных задач в области экологии популяции оленя Вапити. Описана комплексная модель популяции лемминга, построенная с использование предложенного подхода. Комплексная модель включается в себя индивидуумориентированную модель популяции, в которой использован детерминированный поведенческий механизм описания движения особей, с учетом обеспеченности ресурсом, плотности популяции, социальнотерриториальных механизмов гнездования. В качестве аналитической модели, входящей в состав комплексной модели, используется функция последования. Приводятся результаты моделирования популяции копытного лемминга на о. Врангеля. В результате вычислительных экспериментов с моделью получены циклические режимы динамики численности, проведен анализ динамики пространственного, возрастного распределений популяции, зависимости характеристик особей от плотности популяции. Получен эффект снижения жизнестойкости особей, уменьшения интенсивности размножения при больших плотностях популяции. Выделены ключевые параметры, ограничения по которым определяют динамический режим, исследованы динамические режимы при различных комбинациях значений параметров модели. В результате анализа полученных данных сформулированы гипотеза о природных механизмах формирования популяционной динамики. Показана возможность эффективного применения построенной модели для решения ряда важных задач в области экологии популяции леммингов. Классификация ИОМ, основанная на типах явно описываемых моделью характеристических параметров индивидуумов и ареала. Метод применения комплексных моделей, включающих аналитические компоненты, и ИОМ в качестве имитационных компонент. Динамика характеристических параметров индивидуума в ИОМ определяется уравнением энергетического баланса. ИОМ популяции оленя Вапити, построенная с применением предложенного метода. Комплексная модель популяции леммингов, построенная с применением предложенного метода. Анализ внутрипопуляционных механизмов формирования динамики численности популяции леммингов, на основе применения разработанной модели. Автор выражает глубокую благодарность за неоценимую помощь, оказанную мне при выполнении работы, моему научному руководителю, Александру Степановичу Бугаеву, а также Саранча Дмитрию Александровичу, всем коллегам, участвовавшим в обсуждении работы, и сотрудникам Центра Открытых Систем и Высоких Технологий МФТИ.