חיזוי באקולוגיה וסביבה

יוחאי כרמל

היחידה להנדסת סביבה, מים וחקלאות

הטכניון

24.6.14

חיזוי באקולוגיה וסביבה

'ויקם יונה וילך אל נינוה... ויקרא ויאמר עוד ארבעים יום

ונינוה נהפכת. ויאמינו אנשי נינוה באלהים ויקראו צום

וילבשו שקים מגדולים ועד קטנים ... ויקראו אל אלהים

בחזקה וישובו איש מדרכו הרעה ומן החמס אשר

בכפיהם... וירא האלהים את מעשיהם כי שבו מדרכם הרעה וינחם האלהים על הרעה אשר

דבר לעשות להם ולא עשה'. (2-10)יונה ג'

הנביא יונה, גוסטב דורה

ועתה, משנסתלקה הנבואה – יותר ויותר פונים אל

בשאלות -- מדעניםהנוגעות לעתיד העולם.

אל מדענים ???

מדע ומדענים

מדענים אוהבים לראות עצמם כשופטים קרים ומנותקים, אינם מערבים רגשות במדע, זהירים,

תמיד מטילים ספק

Schussele 1862

הגישה המדעית שללה מאז ומתמיד את ההסתמכות על חוזים, איצטגנינים

...ונביאים

שר ההיסטוריה, בחיוך אירוני,

מלהק עכשיו את המדענים לתפקידי חוזים

ונביאים

Svante Arrhenius 1859-1927

“The increase of CO2 in the atmosphere will lead to higher temperatures"

"On the Influence of Carbonic Acid in the Air Upon the Temperature of the Ground“

Philosophical Magazine 1896 (41): 237-76

"It's hard to make predictions… especially about the future..." Robert Storm Petersen

Robert Storm Petersen

Why is it so hard to make predictions?

Intelligent system is a system that changes its behaviour in response to new information.

Examples: A person.A society.An ecosystem.

Intel l igent systems

George Shackle1903-1992

Karl Popper1902-1994

אינדטרמיניזם על פי שאקל ופופר

מה שיתגלה מחר – אינו יכול להיות ידוע היום

מערכות אינטילגנטיות – משנות התנהגותן בהתאם לידע חדש המגיע למערכת

לא ניתן למדל באופן מושלם את ההתנהגות העתידית של מערכת אינטיליגנטית*

*Yakov Ben Haim, 1998

אילו כלים יש למדענים על מנת לאפשר להם לחזות קדימה ?

מודלים

הם הכלי הנפוץ ביותר של מדענים בבואם לעסוק בחיזוי

מודל הוא תיאור פשטני של מציאות מורכבת

התועלת במודלים

'אין שום תועלת במודלים. היחידים שמרוויחים מבניית מודלים הם אנשי המודלים'

1999מדען אלמוני,

אלפי חוקרים עוסקים בבניה ושיפור של מודלים של אקליםאלפי חוקרים אחרים עוסקים במודלים של שינויים גלובאליים אחרים

Models are typically used when it is either impossible or impractical to create experimental conditions in which scientists can directly measure outcomes.

‘Models in Science’ in: Stanford Encyclopedia of philosophy

Frequency of modeling in ecological studies*

* Carmel et al. 2013, PLOS1. ‘Trends in ecological research during the last three decades’

ObservationExperimentModelData analysis / meta-analysisconceptual

(2התועלת במודלים )

כדי להגדיר מודל כמוצלח חייב להתקיים לפחות אחד מבין השניים:

האלמנט הראשון הוא בעייתי. איך ניתן לדעת שהתובנות שמפיקים ממודל קשורות למציאות, ולא רק למודל

עצמו?

האלמנט השני הוא בעייתי. איך ניתן לדעת את מידת ההצלחה של

חיזוי כלשהו של העתיד ?

ניתן ללמוד מהמודל תובנות לגבי המערכת

שהוא מייצג

ניתן להפיק מהמודל חיזוי כלשהו שיהיה טוב יותר מאשר ניתן להפיק

ללא המודל

אין ודאות מלאה. אין ודאות מלאה.

"קשה מאד לחזות ... במיוחד את העתיד"

אינדטרמיניזם על פי שאקל ופופראימות המודל (אפשרי רק בעתיד)

הקונספציה שגויה

בעיות טכניותאין מספיק נתונים או אין נתונים מהסוג הנדרש למודל

שגיאות בנתונים שגיאות בבנית המשוואות / הקוד

במודלים ססטיסטיים – הנחות המודל אינן מתאימות לאופי הנתונים

רוברט סטורם פטרסן

בעיות מהותיות

ובכל זאת... יש ערך רב למודלים

IUCN RED LISTמודלים לתחום תפוצה

מודלים לתחום תפוצה

קטלב מצויחיפה

זכרון יעקב

מיפוי ה'נישה'

טופוגרפיה

קרקע

צומח

צומח

טופוגרפיה

קרקע

מיפוי ה'נישה'חלק א' – מהמרחב

הגיאוגרפי אל מרחב סביבתי

טופוגרפיה

קרקע

צומח

צומח

טופוגרפיה

קרקע

מיפוי ה'נישה' חלק ב' – בחזרה אל המרחב

הגיאוגרפי

צומח

טופוגרפיה

קרקע

חיפה

זכרון יעקב

מודל לתחום תפוצה של קטלב מצויבכרמל

Kent & Carmel 2011

Predicting potential distribution of the Little Fire Ant )Wasmannia auropunctata(

Roy Federman and Yohay Carmel

. הגיעה כנראה שנים אחדות 2005 נתגלתה בישראל קודם בעץ שיובא מדרום אמריקה למפעל בקיבוץ

אפיקים, רוסק, ונשלח למספר משתלות באיזור עמק הירדן.

(Wasmannia auropunctata)נמלת-האש הקטנה

המינים הפולשים הגרועים ביותר.100 של IUCN נמצאת ברשימה העולמית של ה-

תצפיות בשטח התפוצה הטבעי N=146 של המין

(4) משתני טמפרטורה •)ממוצע שנתי,מקסימום, מינימום וטווח(

(4) משתני משקעים •

)ממוצע שנתי, חודש יבש, חודש גשום ושונות(

(2) אידוי •)אידוי שנתי, משקעים פחות אידוי שנתי(

גובה טופוגרפי •

MAXENTמודל לתפוצת מין:

מודל גלובאלי להתפשטות נמלת האש הקטנה(מפת ההסתברות להתבססות המין בהנחה שיגיע לאתר)

? מה השתבש

*שטח מיושב

שטח חקלאי *מושקה

שגיאה בקונספציה

ממוצע חודשי שנתי

משקעים חודש יבש

שווה לערך התאדות

שנתית

ממוצע משקעים

שנתיאפס

שונות משקעים

מיפוי כלל השטחים המושקים (חקלאיים ועירוניים) בעולם

תיקון למודל בשטחים מושקים

Irrigation-corrected model

The probability of establishment given introduction

Federman, Kent and Carmel 2013

Irrigation-corrected model

Model performance without- and with irrigation-correction

תוצאות מודלהתאמת תנאי אקלים

להתבססות נמלת האש הקטנה בישראל

התאמה להתבססות המין

0-0.082

0.16-0.24

0.32-0.40

0.64-0.56

0.73-0.81

המודל לאחר תיקון

שכבות משקעים

climate may be a misleading predictor of species distribution – in anthropogenic land-cover types

accounting for irrigation inputs is likely to improve distribution models for many species

erroneous concepts are not easy to avoid

Yohay Carmel, Faris Jahshan, Maxim Shoshany -- The TechnionShlomit Paz -- Haifa University

Funding: KKL (Israel Forest Authority) Forest Ecology and Management 2009

'אקולוגיה וסביבה' בתחרות 'התחדשות לאחר השריפה' של 2מקום YAצילום:

מודלים ככלי חיזוי: השריפה בכרמל כמקרה מבחן

השריפות בישראל יהיו שכיחות יותר וגדולות יותר מאשר בעבר

שטחים נרחבים בישראל כוסו ביערות בעשרות השנים האחרונות

ככל שהיער בוגר יותר הוא דליק יותר

באזורנו שינויי אקלים מביאים לקיץ ארוך

יותר ויבש יותר

יער ליד צובה, הרי יהודה

אמצעי מניעה ?

2007שריפה בפורטוגל, EPAתצלום:

ועל כן יש חשיבות עצומה לאמצעי מניעה

דילול*אמצעי מניעה :

איזורי חיץ*

שבילים

מגדלי תצפית

* כריתה,רעיה,

שריפות מבוקרות

מגדל תצפית ביער אחיהודיער יתיר

אמצעי מניעה

ועדות בעקבות השריפה , בעקבות 1989בכרמל

, 1995שריפת שער הגיא ועוד

כולן מסכימות שצריך מניעה ובעיקר צריך

איזורי חיץ !

צילום: שי לוי

בתחרות 3מקום צילום: שי ארגמן, הצילומים

של 'אקולוגיה 'התחדשות לאחר השריפה' וסביבה'

היכן כדאי להשקיע במניעה ?

אמצעי מניעה :

מיפוי סיכון אש באמצעות הדמיות מרובות של התנהגות אש

יוחאי כרמל, מקסים שושני, פארס ג'אהשן, הטכניוןשלומית פז, אוניברסיטת חיפה

נעמה טסלר, לאה ויטנברג, דן מלקינסוןתיעוד שריפות היסטוריות:

צילום: אודי גורן בתחרות הצילומים2מקום

'התחדשות לאחר השריפה' ''אקולוגיה וסביבהשל העיתון

מפות אופייניות של סיכון אש רזולוציה מרחבית גסה

הצומח והחומר הצמחי על :הדלקהקרקע

: אקליםרוח לחות וטמפרטורה

הטופוגרפיה

גורמים רבים משפיעים על סיכון אש

ברזולוציה מפת סיכוני שריפות)מאות מטרים( מרחבית גבוהה

וברמת פירוט גבוהה )דרגות רבות(, שתתבסס על כלל

הגורמים השונים המשפיעים על האש

האתגר

המטרהשל פעולות תכנון אסטרטגילאפשר

מניעה )דילול, איזורי חייץ וכד'( ברמה .האזורית

מתוך הדמיות סיכון אשאומדן התנהגות אש מודל מרובות של

הגישה

הרעיון המרכזי

הרצות מרובות של מודל התנהגות אש על פי התפלגויות על מנת לחזות התפשטות אש (גישת מונטה-קרלו)ידועות

פעמים רבות.

מספר הפעמים שתא שטח

ספציפי נשרף מהווה

אינדיקציה למידת

שלו, השרפתיותכלומר – הסיכון

שתא שטח זה יישרף בשריפת

אמת

הצתה

הסתברויות גבוהות יותר להצתה בקירבה לדרכים

1 km

הסתברויות הצתה:

: ליד איזורים עירוניים, 80%דרכים, שבילים וחניוני

מטיילים

: בשטחים אחרים20%

’Monte Carlo‘ מונטה קרלו

בחירת מועד השריפה

חודש

תפו

ריש

הר

פסמ

חודש

תפו

ריש

הר

פסמ

'מונטה-קרלו' פירושו שבכל סימולציה מוגרלים מחדש כל הפרמטרים. הערך של כל פרמטר מוגרל באקראי מתוך התפלגות ידועה של ערכים של

אותו פרמטר.

קובעת את תנאי מזג האויר באותה

סימולציה

-1987על פי מאגר המידע של הקק"ל שמכיל נתוני שריפות היסטוריות מהשנים 2004

‘Monte Carlo’

הגרלת משך זמן השריפה

תפו

ריש

הר

פסמ

משך השריפה בשעות

'מונטה-קרלו' פירושו שבכל סימולציה מוגרלים מחדש כל הפרמטרים. הערך של כל פרמטר מוגרל באקראי מתוך התפלגות ידועה של ערכים של

אותו פרמטר.

-1987על פי מאגר המידע של הקק"ל שמכיל נתוני שריפות היסטוריות מהשנים 2004

התוצר

1 km

מפת סיכון אש ברזולוציה מרחבית

גבוההPixel size = 100 m.

10 risk classes.

Forest Ecology and Management 2009

? איר נדע מה שווה התוצר הזה

יער אוניברסיטת חיפה / חי-בר

יער בית אורן

יער ניר עציון

יער עופר

Evaluation

Distribution of burned areas in historic fires among

risk classes

Historic fire documentation: Naama Tesler, Lea Wittenberg,

Dan Malkinson

הערכת המודל:התפלגות האיזורים שנשרפו בעבר

אל מול קטגוריות הסיכון במפה

-20

0

20

40

60

80

100

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

fire1998

fire1989

fire1983

fire1999

fire2005

1999a

2005a

fire1998a

fire1999b

fire1978

ן ו כ י ס ה ת ג ר ד

ףר

שנ

שר

זואי

הל

דגו

מכתב למנהל אגף הייעור בקק"ל

בעקבות הדו"ח המסכם -- ינואר

2008

היכן כדאי להשקיע במניעה ?

יערות סביב בית אורן

מתוך הרצאה בכנס השנתי [[2007של יערני קק"ל, דצמבר

בית אורן

אפשר להריח את הקטסטרופה

נם, 25 דו גים44אלף הרו

בתחרות הצילומים 'התחדשות לאחר 3צילום: אודי גורן, מקום ''אקולוגיה וסביבההשריפה' של העיתון

02-12-2010שריפה בכרמל,

EvaluationPart 2

University Forest

Beit Oren

Nir Etzion

Ofer Forest

יש הרבה מגבלות, מכשלות, הנחות שגויות – בשימוש במודלים לחיזוי

בפארפרזה לגישתם של כהנמן וטברסקי – בהערכת טיבם ותועלתם להפריזאנו נוטים כנראה

של המודלים שאנו בונים

ועל כן חשוב לשמור על פסימיות זהירה ...

אבל למרות כל ההסתייגויות הללו -יש מקרים שבהם מודלים לחיזוי באקולוגיה –

שימושיים ואפילו רבי ערךעשויים להיות

לסיכום