Модель продуктивности системы «почва – растение – атмосфера», разработанная отделом земельных и водных ресурсов ФАО (FAO) для оценки влияния климатических условий, свойств почвы и агротехнического управления на урожайность.

AquaCrop позволяет прогнозировать урожайность травянистых культур в зависимости от доступной влаги и водопотребления, что особенно актуально для регионов, подверженных засухам. AquaCrop имитирует рост растений, учитывая почвенно-климатические факторы, и позволяет определять оптимальный режим орошения для достижения максимальной урожайности при рациональном использовании водных ресурсов.

DSSAT (Decision Support System for Agrotechnology Transfer) – это пакет моделей роста и развития сельскохозяйственных культур, разработанный международной группой учёных в рамках проекта IBSNAT при участии Университета Флориды и широко используемый в крупнейших агропромышленных предприятиях во всем мире.

Модельный комплекс DSSAT/CSM (Cropping System Model) имитирует полный цикл развития растений для более чем 16 видов культур, используя в качестве входных данных метеорологическую информацию, характеристики почв, агротехнические приёмы, параметры сортов и др. DSSAT позволяет проводить виртуальные эксперименты и оперативно анализировать различные сценарии развития культур, значительно сокращая время по сравнению с полевыми испытаниями.

Система используется для прогнозирования урожайности и разработки стратегий управления (например, режимов удобрения и орошения) с учётом агротехнических приемов и изменений внешних условий; модель используется для поиска решений для повышения производства при одновременном снижении экологической нагрузки.

APSIM (Agricultural Production Systems Simulator) – комплексная модульная модель агроэкосистем, разработанная для анализа влияния климатических рисков и агротехнологий на урожайность и состояние окружающей среды. APSIM имитирует биофизические процессы в сельском хозяйстве (рост и развитие растений, баланс воды в почве, циклы азота, углерода и др.) с учётом управленческих решений на уровне поля и хозяйства.

В структуру модели входят компоненты, описывающие функционирование растений и почвы. В модель также входит модуль, описывающий процессы сельскохозяйственного менеджмента. Включает широкий набор моделей сельскохозяйственных культур, пастбищ, древесных насаждений, процессов водной миграции, эрозии, изменений плодородия почвы и др.

APSIM позволяет проводить вычислительные эксперименты от генного уровня до масштаба фермы, оценивая различные сценарии (например, севообороты, меры адаптации к климату) и долгосрочные последствия для агроландшафта.

ParFlow – интегрированная гидрологическая модель, способная моделировать распределение водных потоков одновременно через подземный сток и по поверхности водосбора. В модели решается уравнение Ричардса для трёхмерного насыщенно-ненасыщенного потока в гетерогенных пористых средах, а также учитывает поверхностный сток (склоновый сток и речной сток) в единой математической постановке, что позволяет реалистично симулировать динамику влаги в масштабе всего бассейна.

ParFlow специально адаптирована для высокопроизводительных вычислений и эффективно решает задачи в крупном пространственном масштабе на многопроцессорных системах, с использованием продвинутых численных методов, основанных на многосеточных и нелинейных решателях.

Модель является открытой и активно развивается; её можно интегрировать с анализом различных поверхностных процессов (например, при помощи моделей эрозии и моделей плодородия) и моделями атмосферы, что делает ParFlow эффективным инструментом исследования водного баланса в различных сценариях внешних условий.

PNflow – это классическая поросетевая модель (pore-network model), предназначенная для моделирования одно- и многофазной фильтрации в гетерогенных пористых средах. Модель решает систему уравнений, описывающих поток жидкости и массоперенос на микроуровне, представляя сложную поровую структуру в виде сети узлов (нод) и тонких связей между ними. Данный подход позволяет с высокой эффективностью предсказывать макроскопические транспортные свойства, такие как относительная проницаемость и капиллярное давление, непосредственно на основе данных о микроструктуре пористой среды. Модель реализует детальное физическое описание процессов на поровом уровне, включая капиллярные явления, эффекты, связанные с вязкостью, и массоперенос, что обеспечивает точное прогнозирование многофазной фильтрации.

PNflow специально разработана для интеграции с методами цифровой томографии и инструментами извлечения сетей пор (pnextract), позволяя напрямую сопоставлять экспериментальные данные и результаты моделирования. Модель обладает открытым исходным кодом и активно развивается; результаты такого моделирования помогают понять, как структура пор влияет на проницаемость, удерживающую способность капилляров и другие. Открытый код модели включает утилиту pnextract для автоматического построения цифровой сетей по данным микротомографии.

LISEM (Limburg Soil Erosion Model) – это модель, основанная на физических принципах, которая предназначена для моделирования поверхностного стока и эрозии почв. Она позволяет оценивать последствия ливневых дождей в масштабах целых водосборных бассейнов. Разработанная в Нидерландах, LISEM стала одной из первых моделей, полностью интегрируемых в ГИС-системы, что значительно упрощает её применение для крупных территорий с использованием цифровых моделей рельефа, почвенных карт и данных о землепользовании.

Модель обеспечивает расчёт воздействия отдельных ливневых событий и детально воспроизводит ключевые природные процессы: инфильтрацию осадков в почву, заполнение микрозападин рельефа, формирование поверхностного стока, размыв почвы под действием дождевых капель и водного потока, а также перенос и отложение взвешенных наносов.

LISEM активно применяется для прогнозирования потерь почвы и оценки эффективности противоэрозионных мероприятий, таких как террасирование склонов или изменение структуры посевов, в условиях конкретных ландшафтов. Модель построена по модульному принципу, что позволяет гибко настраивать сценарии расчетов, и использует полностью открытый код, обеспечивая прозрачность методик и модифицируемость и воспроизводимость расчетов. 

WaTEM/SEDEM — это модель для оценки эрозии почв и переноса осадочных материалов, работающая в пространственном разрешении. Разработанная в начале 2000-х годов в Католическом университете Лёвена (Бельгия), она объединила две предыдущие разработки: WaTEM (Water and Tillage Erosion Model) и SEDEM (Sediment Delivery Model). Основная задача модели заключается в оценке влияния противоэрозионных мероприятий и изменений землепользования на динамику выноса почвенного материала и поступления наносов в речные системы в масштабах водосборного бассейна.

В основе модели лежит модифицированная методика RUSLE, рассчитывающая среднегодовой смыв почвы для каждого участка территории с учётом комплекса факторов: эрозивной силы осадков, устойчивости почвы к размыву, особенностей рельефа, типа растительного покрова и применяемых защитных мер. На следующем этапе модель прослеживает путь перемещения наносов склоновыми потоками и определяет баланс между переносом и отложением почвенного материала, что позволяет выявить зоны активной эрозии и участки аккумуляции наносов.

Несмотря на то, что модель фокусируется исключительно на склоновых процессах транспорта материала и не описывает перемещение наносов в русловой сети, её гибкая архитектура и быстродействие делают WaTEM/SEDEM оптимальным решением для моделирования склоновой эрозии и оценки эффективности почвозащитных мероприятий, что подтверждается её успешным применением в различных природно-климатических условиях.

Стандартизированный программный интерфейс, разработанный сообществом CSDMS для унификации управления численными моделями. BMI определяет обязательный набор методов управления жизненным циклом модели (инициализация, выполнение временного шага, доступ к переменным, завершение работы), что обеспечивает взаимозаменяемость компонентов в вычислительных сценариях.

Программная инфраструктура для создания комплексных модельных сценариев, позволяющая интегрировать разнородные компоненты через BMI-интерфейсы. Для подключения моделей, написанных на языках C, C++ и Fortran, используется инструмент Babelizer, который автоматически генерирует Python-обёртки, обеспечивающие совместимость с инфраструктурой PyMT.

Инструмент обеспечивает:

• Единую среду выполнения для моделей, реализованных на разных языках программирования
• Автоматизированный обмен данными между компонентами с контролем согласованности
• Механизмы пространственно-временной синхронизации взаимодействующих моделей
• Разрабатываемый при поддержке CSDMS, PyMT используется в научном сообществе для создания coupled models – комплексных модельных систем, где выходные параметры одной модели (например, гидрологической) непосредственно используются в качестве входных данных для другой (например, модели почвенной эрозии).