Существующая экологическая обстановка свидетельствует, что современные развитые методы регулирования природопользования, экологический мониторинг позволяют только наблюдать и регистрировать изменения состояния окружающей среды, не позволяя в полной мере прогнозировать дальнейшее развитие событий. В целях повышения экологической безопасности необходимо развивать и внедрять новые инструменты контроля, прогнозирования и предупреждения, базирующиеся на применении методов математического и имитационного моделирования. В работе математический аппарат, основанный на факторизационных методах, применяется для построения и анализа моделей комплексного экологического мониторинга среды (атмосфера, вода). Выполнены постановки диффузионных граничных задач, описывающих процесс переноса в атмосфере и водной среде с учетом суперпозиций движений различных пространственно-временных масштабов. Путем применения дифференциального метода факторизации построены функциональные и псевдодифференциальные уравнения блочной структуры, проведено их исследование. Получены решения поставленных диффузионных задач, пригодные для применения в современных наукоемких системах экологического мониторинга. Выполнено сравнение результатов расчета, полученных с применением стандартного метода интегральных преобразований для совокупности слоев и дифференциального метода факторизации для блочно-структурированной среды.