На протяжении всей истории у человечества постоянно возникают задачи, на которые в рамках имеющегося знания трудно получить однозначный ответ. Последние годы общество интересовали, например, такие проблемные вопросы: "Что будет с экосистемой Балтийского моря в 2021 году?", "Как изменится экологическая ситуация при переброске вод северных рек в аридные районы?", "В каком направлении пойдет развитие рыночной экономики в России?", "К каким последствиям может привести нарушение озонного слоя атмосферы?" и т.д. Проблемы такого рода повсеместно возникают как у специалистов, непосредственно изучающих сложные системы, так и у лиц, принимающих решения о том или ином характере использования этих систем.

Из истории Древней Греции хорошо известен своими оракулами славный город Дельфы. Прогноз этих оракулов отличался от обычных пророчеств отдельных прорицателей тем, что он обсуждался на совете дельфийских мудрецов, тщательно знакомившихся со всеми обстоятельствами прогнозируемой ситуации.

Авгуры - коллегия жрецов в Древнем Риме, назначенных, по преданию, первым римским царем Ромулом, - гадали и строили прогнозы по поведению птиц (полеты птиц были своеобразными "моделями", с помощью которых надо было вывести настоящее из прошлого). Без предсказаний авгуров не проводилось ни одно сколько-нибудь серьезное государственное мероприятие Древнего Рима.

И вот сегодня, в соответствии с крылатым выражением "все новое - это хорошо забытое старое", исследователи вновь вспомнили и авгуров, и дельфийских оракулов. Чтобы проиллюстрировать это, приведем несколько цитат известных экологов и специалистов в области экологического прогнозирования.

Доктор биологических наук Н.Ф.Реймерс (1990, с. 409): "Прогнозирование экологическое - предсказание возможного поведения систем, определяемого естественными процессами и воздействием на них человечества".

Академик В.Е.Соколов (1979, с. 5): "...Экологическое прогнозирование охватывает сложный комплекс объектов - от природных экосистем до промышленных и сельскохозяйственных. Одними из центральных компонентов прогнозирования являются экосистемы... Одна из целей прогнозирования - сохранение природных ресурсов на высокопродуктивном уровне, который может быть использован в течение неопределенно продолжительного времени".

Доктор биологических наук В.Д.Федоров (1983, с. 10, 22, 23): "Уточняя понятие экологического прогноза, мы должны касаться прежде всего изменений природных экосистем, их состава и структуры, а также уровня функционирования и степени устойчивости к неблагоприятному воздействию извне... Существуют две противоположные крайние точки зрения на экологический прогноз. Согласно одной, поддерживаемой главным образом частными экологами - специалистами по экологии различных таксономических групп, в прогнозе вообще не нужно никакого системного подхода... Сторонники другой позиции утверждают, что поведение экосистемы невозможно свести к закономерностям поведения популяций, видят в применении имитационного моделирования отображение возможности учета эмерджентных свойств (свойств целого, отсутствующих у компонентов системы или не выводимых из знания этих свойств у компонентов. - Г.Р., В.Ш., П.Б.) и считают конструирование и изучение на ЭВМ свойств таких больших, дорогостоящих и громоздких моделей - единственно приемлемой, подлинно научной основой экологического моделирования... Существует, конечно, еще компромиссное мнение, когда экологи говорят о разумных началах каждого из подходов и возможностях их синтеза".

Доктор биологических наук Л.Н.Зимбалевская (1980, с. 5): "Если считать экологическое прогнозирование конечным и обязательным результатом исследований системной экологии, то основным его методом должно стать математическое моделирование как формальное упрощение сложных экосистем, как абстрактное отображение реального мира".

Доктор биологических наук Г.Е.Михайловский (1983, с. 55): "Экологический прогноз может быть основан на одном из двух методологических подходов: во-первых, на создании динамической модели исследуемой системы и анализе ее поведения во времени, а во-вторых, на статистической обработке временных рядов наблюдений и экстраполяции этих рядов в будущее. При обоих подходах предварительно необходимо достаточно длительное наблюдение за системой".

Доктор технических наук В.В.Налимов (1983, с. 42): "Невозможность охватить мысленным взором все потенциально существующее поле элементарных событий делает вероятностный прогноз в экологии <<авгуровским>>".

Эти достаточно пространные цитаты хорошо вводят в проблематику экологического прогнозирования.

Логика построения прогнозов дельфийскими оракулами лежит в основе современного метода экспертных оценок. Одним из распространенных алгоритмов экспертных оценок является "мозговой штурм", суть которого сводится к разделению решения задачи построения прогноза и (или) принятия решений на два этапа: генерирование новых идей и их последующий анализ и обсуждение. Следует отметить, что такая процедура прогнозирования и (или) принятия решений часто используется в нашей повседневной жизни без указания ее принадлежности к мозговому штурму. Так, например, на семейном совете в присутствии дедушек, бабушек, родителей, других родственников и друзей обсуждается и принимается решение о выборе жизненного пути юного отрока после окончания школы - поступление в ВУЗ, ГПТУ, колледж, работа на производстве и т.д. (кстати, мнение самого подростка здесь часто оказывется "задавленным" большинством голосов родственников, которые выбирают для принятия решения не самую лучшую из систем весов мнений). Другим общеизвестным примером мозгового штурма - уже в масштабе страны (с аналогичным авторитарным "семейным" давлением на общественное мнение и потому достаточно жалким результатом) - может служить всенародное обсуждение проекта Конституции СССР 1977 г. (по свидетельству газеты "Правда" в обсуждении приняло участие 140 млн. человек, было высказано 400 тыс. предложений, после рассмотрения которых в 110 статей было внесено около 150 поправок и уточнений). Аналогично, но с еще более упрощенной дихотомической процедурой обсуждения - "да" или "нет" - проходило принятие на всенародном референдуме Конституции России 1993 г.

Однако в задачах экологического прогнозирования обращение к экспертным оценкам - это неизбежная ориентация на взгляды большинства. А большинство, как известно, отражает установившуюся точку зрения, т.е., фактически, взгляды вчерашнего дня. Всякие новые идеи - взгляды завтрашнего дня - в момент их возникновения имеют мало сторонников. Следовательно, если даже в ходе экспертного опроса они выявятся, у нас не будет критерия, позволяющего опереться на них (на меньшинство); иными словами, они будут непопулярны и их придется отбросить. Пример из физики: "водружение" Земли в центре планетной системы путем "голосования" научного сообщества, где голоса "против" были за Коперником, Галилеем и Бруно (лишь в ноябре 1992 г. Ватикан отменил результат "голосования" и реабилитировал Галилея).

Аналогичными примерами в экологии могут служить: концепция непрерывности растительного покрова Раменского-Глизона, сформулированная в начале ХХ века и ставшая главенствующей лишь в 50-60-х годах; как положительные, так и отрицательные последствия воздействия лесополос на плодородие земель; изменение отношения к волку - то хищник, то "санитар" - и пр. Известны примеры, когда научное сообщество достаточно организованно и долго шло не только по неверному, но и по нелепому пути ("агробиологическая наука" Т.Д.Лысенко). Все это заставляет очень осторожно относиться к качественному экологическому прогнозированию на основе экспертных оценок.

Другая дорога "ведет в Рим" - к авгурам, методология которых (Augurary futura praetetis - прогноз будущего по знанию прошлого и Salutem populi augurare - гадать о народном благоденствии) лежит в основе большинства современных методов прогнозирования (в первую очередь, основанных на использовании методов математики). Бытует мнение, что математика является "панацеей от всех бед" и может дать ответы на самые сложные вопросы. При этом часто наблюдается фетишезация получаемых с помощью математического моделирования прогнозов, следствием которой является повышение доверия к ним со стороны конкретных специалистов и лиц, принимающих решение. Но здесь уместно вспомнить стихи Павла Антокольского:

Следует заметить, что это доверие быстро рассеивается, если к решению конкретных проблем были независимо применены, по крайней мере, два различных способа моделирования, так как получаемые в этом случае прогнозы оказываются различными (и зачастую - весьма значительно). Это обусловлено как объективными, так и субъективными причинами. Первые связаны со сложностью исследуемых систем, вторые - с особенностями самого процесса познания (в частности, два разных специалиста не могут иметь абсолютно одинаковую информацию, включая и априорную, об изучаемом сложном объекте - один знает что-то больше, другой - что-то детальнее и т.д.). Чем больше разрабатывается моделей для ответа на конкретный вопрос, тем больший спектр прогнозов поступает на стол лица, принимающего решение, и тем сложнее оказывается сам процесс его выбора.

В качестве успешного экспертного прогноза вспомним обсуждавшийся в 60-е годы проект сооружения гидроэлектростанции в нижнем течении Оби. Специалистами были высказаны прогнозы целого ряда отрицательных последствий такого строительства: затопление и подтопление территории, измеряемой десятками миллионов гектаров, гибель огромных запасов лесных, растительных и животных ресурсов, недоступность ценнейших полезных ископаемых. В этом случае прислушались к мнению экологов, хотя, к сожалению, это происходит далеко не всегда.

А вот курьезный пример прогноза в стиле "авгуров", сделанный более ста лет тому назад. Тогда лошадь была практически единственным "источником" энергии в сельскохозяйственном производстве и считалось, что она способна прокормить четырех человек. Исходя из этого простого соотношения в 1870 г. был дан прогноз, что в 1970 г. "российское стадо лошадей" составит 50 млн. голов (см. Браун, 1972; Большаков, 1983; оценки численности населения при этом, как мы теперь знаем, тоже были занижены). Но вскоре пришла эра двигателей внутреннего сгорания и сегодня многие городские дети с удивлением рассматривают редкую лошадь - по данным статистической отчетности в 1981 г. в России насчитывалось 2,546 млн. голов лошадей (ошибка прогноза 1000% !).

Ошибки количественного прогноза тоже были весьма существенны. Так, продуктивность фитопланктона оказалась на практике выше прогнозируемой ("цветение" водохранилищ, практически с первого года их затопления), а зоопланктона и промысловых рыб - значительно меньше прогнозной. По ряду данных (Кудерский, 1976), максимальные уловы рыбы оказались меньше прогнозируемых: по Иваньковскому и Рыбинскому водохранилищам почти в 2 раза, по Камскому - в 4 раза, по Куйбышевскому - в 5, по Волгоградскому - в 6, по Горьковскому - в 7, по Воткинскому - почти в 8 раз. Ошибки в прогнозе рыбной продуктивности водохранилищ объясняются в десятки раз завышенными значениями биомассы зообентоса. Все эти расхождения между ожидаемыми и наблюдаемыми значениями характеристик искусственно создаваемых озеровидных водоемов позволяют сделать вывод о том, что экологическое прогнозирование в этом случае нельзя признать удовлетворительным.

В настоящее время широко дискутируется вопрос о путях развития биосферы в целом. Отметим, что данная экосистема - биосфера - не позволяет проведения над собой экспериментов в общепризнанном, естественнонаучном смысле слова (лабораторных или натурных экспериментов; см. Флейшман, 1986; Розенберг, Мозговой, 1992); единственным способом ее изучения и прогнозирования поведения целостных характеристик становится математическое моделирование. Причем разные авторы акцентируют внимание на различной проблематике в исследовании биосферы (экологической, эколого-экономической, экономической, демографической), строят модели различного типа (имитационные, аналитические, самоорганизующиеся), предлагают различные решения для достижения устойчивого состояния биосферы (концепции "нулевого роста", "ограниченного роста", "перераспределения капиталовложений", "сбалансированного по регионам роста", "переход на новые ресурсы" и пр.). Прогнозы этих исследователей также имеют самый широкий спектр - от социально-экологического пессимизма (Дж.Форрестер, Д.Медоуз), через ограниченный оптимизм (М.Месарович, Э.Пестель, В.А.Геловани, Н.Н.Моисеев и др.) к сверхоптимизму (Г.Кан, В.Браун).

Одной из наиболее интересных моделей биосферы стала имитационная система "Гея", разработанная в ВЦ АН СССР под руководством академика Н.Н.Моисеева (Крапивин и др., 1982; Моисеев и др.,

1985). В 1983 г. эта система была использована для прогноза последствий ядерного конфликта по сценарию К.Сагана и позволила по результатам моделирования "пронаблюдать": как после ядерной катастрофы меняются климатические параметры, возникает и постепенно просветляется "ядерная ночь", каковы последствия ее воздействия на продуктивность биосферы. Можно смело утверждать, что прогнозируемый эффект "ядерной ночи" оказал значительное воздействие на дальнейший характер взаимоотношений СССР и США и привел к подписанию договора о сокращении ядерных вооружений. Это положительный пример прямого воздействия экологического прогнозирования на политику.

Интересен и такой факт. В 1975 г. в Нью-Йорке в разных издательствах вышли в свет две монографии: Х.Вилкокс в книге "Теплица Земля" приводит расчет и прогноз ожидаемого в ближайшие десятилетия потепления климата, а Н.Кальдер в книге "Механизм погоды" не менее убедительно прогнозирует похолодание климата.

Все рассмотренные примеры хорошо иллюстрируют ту сложнейшую ситуацию, в которую попадает лицо, принимающее решение. Действительно, если средства, отпущенные на подготовку к тому или иному изменению климата ограничены (а они всегда ограничены и важнейшая роль лица, принимающего решение, - распределить эти средства наилучшим образом), то необходимо решить, во что вкладывать средства: в изготовление холодильников (в случае потепления климата) или в изготовление валенок (для более прохладной погоды).

Второй, очень важный принцип, - это принцип омнипотентности факторов, также предложенный В.В.Налимовым (1983). Суть его сводится к тому, что существуют факторы (они-то и называются омнипотентными, т.е. всемогущими), которые вчера и сегодня не играли никакой значимой роли в динамике той или иной экосистемы, но которые могут оказывать на нее определяющее воздействие завтра. Классическим примером проявления омнипотентности можно считать все гидробиологические прогнозы развития водохранилищ, которые "не заметили" эффекта цветения водоемов (ни один прогноз!), хотя к их построению привлекались лучшие специалисты.

Четвертый - это принцип несоответствия точности и сложности, который предложил Л.Заде (1974; 1976) и который формулируется следующим образом: понятия "точности" и "сложности" при прогнозировании структуры и поведения экосистем связаны обратной зависимостью - чем глубже анализируется реальная экосистема, тем менее определенны наши суждения о ее поведении. Несовместимость "простоты" модели и точности решения задачи проявляется и в высказывании академика А.А.Самарского (1979, с. 28): "... исследователь постоянно находится между Сциллой усложненности и Харибдой недостоверности. С одной стороны, построенная им модель должна быть простой в математическом отношении, чтобы ее можно было исследовать имеющимися средствами. С другой стороны, в результате всех упрощений она не должна утратить и <<рациональное зерно>>, существо проблемы".

Таким образом, несмотря на то, что правдоподобных моделей одной и той же экосистемы можно предложить несколько (первый принцип), ни одной из них нельзя безоговорочно доверять (второй принцип), как нельзя доверять и экспертам (третий принцип). Более того, высокие требования к точности экологического прогнозирования вообще представляются недостижимыми (четвертый принцип). Если вспомнить еще об уникальности экосистем, невозможности редукции их, сложности проведения системных экспериментов, значительной погрешности и малочисленности измерений многих экологических параметров (традиционны временные ряды наблюдений в 10-20 значений), неполноте наших знаний о механизмах функционирования экосистем, то становятся понятны сомнения ряда специалистов относительно возможностей экологического прогнозирования вообще.

Однако необходимость в надежных экологических прогнозах становится все более острой, растет число их возможных потребителей. Особую актуальность получают экологические прогнозы в свете создаваемой сейчас системы экологической экспертизы проектов в нашей стране.

Все это и определило главные цели настоящей работы: изложить основные теоретико-методические подходы к экологическому прогнозированию, продемонстрировать работоспособность и эффективность основных типовых методов анализа временных рядов, указать их "сильные" и "слабые" стороны, дать некоторые рекомендации по повышению надежности предлагаемых прогнозов.

Авторы чувствуют внутреннюю потребность сделать рекламу высокопрофессиональному программному продукту коллектива разработчиков ЦЭМИ РАН и СП "Диалог" (С. Кузнецова, А. Халилеева и др.) - системе анализа временных рядов "МЕЗОЗАВР". Приобретенный традиционным для России "пиратским" способом этот пакет удовлетворил почти все вычислительные потребности авторов и во многом определил содержание и стиль гл. 2.

Отдельные разделы данной работы выполнены в рамках Государственной программы "Экологическая безопасность России" - гранты N 5.4.6.1 (Разработать автоматизированную систему принятия решений в области охраны окружающей среды и природопользования на региональном уровне) и 10.2.4.1 (Разработать комплексную оценку и прогноз состояния волжско-камских водохранилищ, план мероприятий по оптимизации их рыбохозяйственного использования) и Государственной научно-технической программы России "Биологическое разнообразие" - грант N 1.3.5 БР (Создание базы данных и экспертной системы по биологическому разнообразию крупного региона).