Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Чувствительность критериев оптимальной плотности режимной гидрологической сети к климатическим изменениям

ВАК РФ 25.00.27, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Чувствительность критериев оптимальной плотности режимной гидрологической сети к климатическим изменениям"

Министерство образования и науки Российской Федерации РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК 556.025:551.583+556.167(282.256.1)

Гайдукова Екатерина Владимировна

ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ КРИТЕРИЕВ ОПТИМАЛЬНОЙ ПЛОТНОСТИ РЕЖИМНОЙ ГИДРОЛОГИЧЕСКОЙ СЕТИ К КЛИМАТИЧЕСКИМ ИЗМЕНЕНИЯМ (НА ПРИМЕРЕ МИНИМАЛЬНОГО СТОКА БАССЕЙНА Р. ОБИ)

Специальность 25.00.27 - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2004

Работа выполнена в Российском государственном гидрометеорологическом университете

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор В. В. Коваленко Научный консультант: кандидат технических наук И. И. Пивоварова

Официальные оппоненты: доктор географических наук

Н. Н.Бобровицкая кандидат технических наук, доцент Г. Н. Угренинов

Ведущая организация: Северо-западное межрегиональное территориальное управление по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды

Защита диссертации состоится «18» ноября 2004 г., в 15^ часов на заседании специализированного совета Д.212.197.02 Российского государственного гидрометеорологического университета по адресу: 195196, г. Санкт-Петербург, Малоохтинский проспект, 98.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного гидрометеорологического университета

Автореферат разослан «18» октября 2004 г. „

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат географических наук В. Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. За последнее десятилетие число постов в нашей стране изменилось: на 1996 год в границах России было 3403 поста, на 1 января 2003 года число постов составляло 3058. Например, в Якутии число постов сократилось на 40%, а на Чукотке - вдвое.

Экономические проблемы ведут к необоснованному сокращению сети наблюдений, что приводит к уменьшению количества данных наблюдений, необходимых для составления гидрологических прогнозов; снижению качества обслуживания потребителей; невозможности подготовить прогнозы и материалы, необходимые для принятия хозяйственных решений; увеличению числа непредсказанных гидрологических явлений (стихийных); снижению заблаго-временности предупреждения возникновения этих явлений. В связи с этим возникает задача обоснования пределов сокращения сети, нахождения такой плотности размещения пунктов наблюдения, которая будет достаточной для получения достоверных и репрезентативных гидрологических характеристик и при этом будут минимальны затраты материальных ресурсов.

Кроме того, уменьшение числа пунктов наблюдений происходит в условии изменяющегося климата, который существенно влияет на сток. Изменение климата официально признано, его почувствуют все отрасли экономики, в том числе и гидрометеорология с ее сетью постов.

Цели и задачи исследования. Целью работы является разработка методики оценки чувствительности критериев оптимальной плотности режимной гидрологической сети к изменению водности, которая происходит за счет естественной цикличности стока и общего изменения климата.

Для достижения этой цели были решены следующие задачи:

- выполнен анализ существующих методик оптимизации режимной гидрологической сети, дающих численные оценки плотности постов и адекватно воспринимающих информацию,

риях изменения климата;

РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ

- изучены многолетние изменения речного стока на территории РФ, с целью выявления местности, в которой имели место статистически значимые изменения водности, для использования ее в качестве региона для ретроспективных оценок чувствительности критериев оптимальности режимной сети;

- с учетом наиболее вероятного сценария изменения климата, дан прогноз статистических характеристик зимнего и летне-осеннего минимального стока для выявленного региона на XXI в.;

- оценена чувствительность критериев оптимальной плотности сети к изменениям водности на ретроспективном материале для выявленного региона;

- произведена оценка чувствительности критериев оптимальной плотности гидрологической сети к климатическим изменениям, ожидаемым в XXI в.

Методика исследования и исходный материал. Решение поставленных задач проводилось путем применения методик оптимизации режимной гидрологической сети ГГИ и РГГМУ к бассейну верхнего и среднего течения Оби. Более тридцати лет для определения оптимальной плотности пунктов наблюдения применялся метод И. Ф. Карасева (ГГИ). Развитие этого метода выполнено В. В. Коваленко и И. И. Пивоваровой (РГГМУ). Карасевым был установлен общий методологический подход к фоновой оценке состояния сети и сформулированы предложения по ее развитию. Коваленко и Пивоварова впервые теоретически получили критерии оптимизации гидрологической режимной сети из пространственной стохастической модели формирования речного стока. По данным о летне-осеннем и зимнем стоке с бассейна р. Оби исследовалась чувствительность критериев оптимизации к вариациям водности и климатическим изменениям. Прогнозные статистические характеристики зимнего и летне-осеннего минимального стока для заданного региона на XXI в. рассчитывались по модели Фоккера-Планка-Колмогорова (ФПК).

Научная новизна и практическая значимость. В результате диссертационного исследования получены следующие основные научные результаты:

- разработана методика оценки чувствительности существующих критериев оптимальной режимной сети к климатическим изменениям;

- выполнена ретроспективная оценка чувствительности критериев оптимальной сети к изменениям водности на фактическом материале наблюдений по бассейну р. Оби;

- получены прогнозные гидрологические карты статистических характеристик стока бассейна р. Оби на XXI век, включая второй и третий начальные моменты, необходимые для расчета критериев оптимальности, вытекающих из стохастической модели формирования стока;

- установлено, что существующие методики оптимизации режимной гидрологической сети (ГГИ и РГТМУ) являются «технически грубыми»; они обеспечивают устойчивость системы наблюдений к колебаниям водности, но может происходить потеря точности восстановления поля речного стока при изменении климата.

Диссертация выполнялась в рамках плановых НИР, утвержденных Министерством образования РФ (шифр гранта Е00-10.0-62 «Методика выявления географического распределения зон повышенной чувствительности критериев оптимальной плотности режимной гидрологической сети к неустойчивости водных ресурсов, вызванной естественными и антропогенными факторами» центра фундаментальных исследований МО РФ).

Результаты нашли применение в учебном процессе РГТМУ при подготовке специалистов-гидрологов и магистров по курсам: «Моделирование гидрологических процессов», «Гидродинамическое моделирование природных процессов».

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на научных семинарах кафедры гидрофизики и гидрологических прогнозов, итоговых сессиях ученого совета РГГМУ в 2001, 2002 и 2003 гг.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, содержащего 56 источников, 9 прило-

жений. Работа изложена на 131 странице текста, включая 26 рисунков, 16 таблиц и 9 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, излагаются цели и задачи диссертационной работы.

В первой главе рассматриваются существующие методики оптимизации численности режимной гидрологической сети.

Подробно рассмотрены методика И. Ф. Карасева (ГГИ) и методика В. В. Коваленко, И. И. Пивоваровой (РГГМУ).

Метод ГГИ основан на том, что для каждой области стохастического поля сток можно рассматривать как пространственную реализацию случайной функции Щ) с конечным математическим ожиданием /и^), на которое наложены случайные отклонения

(*£) = «,(«+/№)•

Изменение стока в одном измерении а именно в направлении градиента grad У, сводиться к функции поля, содержащей характеристики пространственно-временной изменчивости стока (коэффициент вариации Су и пространственная корреляционная функция г{1)) и точности его определения а:

¥ = /&Су,т<1Г,Г{1),с). (2)

Предложенные в этом методе формулы для расчета критериев, позволяющих получить оптимальную площадь приходящуюся на один режимный пост, имеют следующий вид:

(4)

(5)

(6)

где

- критерий репрезентативности;

- градиентный критерий;

- корреляционный критерий;

- погрешность определения нормы стока; N число лет наблюдений;

- средняя на участке радиусом норма стока;

- радиус корреляции;

Ж- площадь оптимизируемой территории;

Если соотношение (6) между критериями нарушено, то рекомендуется использовать следующие соотношения: при принимается

^ /\,пг Рград»

при ^кор» ^рад ^ ^репр ^репр ^ ^01

Критерий репрезентативности - первое и обязательное условие для размещения сети. Его соблюдение дает возможность получить

зональные характеристики стока. Градиентный критерий характеризует надежность информации о пространственных изменениях нормы стока. Он служит для того, чтобы выявить наблюдениями на постах изменения нормы стока. Верхний предел оптимальной площади водосбора выражает корреляционный

л/п>тт - оптимальное число постов.

критерий. Превышение этого критерия приводит к потере корреляции стока между бассейнами.

Критерии оптимизации режимной гидрологической сети в методе РГГМУ получены из пространственной стохастической модели формирования речного стока (из них как частный случай следуют критерии Карасева). Это позволяет конкретизировать условия формирования стока, при которых последние справедливы.

В качестве исходной динамической модели принято дифференциальное уравнение

йУ1<^ = -(\1ЩУ + ХИ, (7)

где У- модуль стока;

- коэффициент стока; X - интенсивность осадков;

Ь - параметр «пространственной релаксации», то есть расстояние, на котором не проявляются азональные факторы формирования стока (глубина эрозионного вреза русел и степень дренирования подземных вод, наличие карста и т. п.).

Введя обозначения:

1 /кЬ = с = г + г!, (8)

ХИ = Ш + П, (9)

где - матожидания,

- белые шумы с интенсивностями приходим к

уравнению Фоккера-Планка-Колмогорова

др(УЛ)_ д

= £,)р(Г, 4)] + 0,5~[В{¥^)р(¥, $)], (10)

дв

дв4

где р(У, £) - плотность вероятности;

А(У, 4) , В(У, - коэффициенты сноса и диффузии, определяемые формула-

А(У, Я = -(с - 0,5Се)Г - 0,5С^п + Л',

(11)

Уравнение ФПК аппроксимируется системой дифференциальных уравнений для начальных моментов

<1тп = пМ[ЛУпА] + 0,5 (и - 1)М[гУ-2], (12)

где М - символ математического ожидания; И -1,2,3....

Ограничившись тремя моментами, можно рассчитать гидрологические характеристики (норму стока, коэффициенты вариации и асимметрии).

Из системы (12) получаются все критерии (включая репрезентативный), которые при определенных допущениях можно свести к критериям Ка-расева. В частности градиентный критерий обобщается на более старшие моменты

2 £та<1 т„

ми:

а корреляционный критерий может быть приведен к виду:

1<о\ЦС1а),

(14)

где параметр а = £ — 0,5С/е явным образом определяется физико-статистическими свойствами бассейна, а С„ является пространственным коэффициентом вариации.

В этой главе проводится сравнительный анализ обеих методик и ставится задача исследований.

Во второй главе обосновывается выбор территории (бассейна верхнего и среднего течения р. Оби) для ретроспективной оценки чувствительности существующих критериев оптимальной плотности режимной гидрологической сети. Выполнено районирование территории на области, различающиеся друг от друга периодами маловодной и многоводной фазы водности на реках (рис. 1).

I

Рисунок 1 - Схема бас-

сейна верхнего и среднего течения р. Оби с выделенными областями

Летне-осенний мини-

мальный сток (области 1 и 2);

- Зимний минимальный

сток (области 3 и 4)

В третьей главе оценена чувствительность критериев оптимизации режимной гидрологической сети на фактическом ретроспективном материале (ряды наблюдений за летне-осенним и зимним минимальным 30-суточным стоком) бассейна р. Оби по методам ГГИ и РГГМУ и произведено сравнение методик с точки зрения полученных по ним результатов.

Построены графики зависимости модуля стока от площади водосбора для каждой фазы водности по восстановленным рядам наблюдений за минимальным стоком. Репрезентативная площадь определялась по специально разработанной методике, в основе которой лежал критерий оценки однородности Стьюдента.

Построены карты модуля и коэффициента вариации летне-осеннего и зимнего минимального стока для каждой области исследуемой территории, необходимые для нахождения погрешности определения нормы стока, средней по территории нормы и градиента стока, входящих в расчетную формулу для градиентного критерия (3).

Радиус корреляции стока необходимый для расчета корреляционного критерия, находился путем аппроксимации корреляционных функций рядов минимального стока экспоненциальной кривой по средним значениям коэффициентов парной корреляции для градации 20 км и вычислении диапазона (среднеквадратической отклонение). Координаты корреляционной функции: по оси Х- расстояние между центрами водосборов рек, по оси У- коэффициент корреляции между рядами наблюдений за минимальным 30-суточным стоком тех же рек.

Получены следующие общие выводы по влиянию водности на критерии метода ГГИ (таблица 1).

1. Критерий репрезентативности изменение водности как для летне-осеннего, так и для зимнего минимального стока не «чувствует».

2. Градиентный критерий чувствителен к изменению водности (может меняться почти в два раза). Однако однонаправленной тенденции не наблюдается, хотя в маловодный период он существенно больше, чем в многоводный.

Таблица 1 — Значения критериев оптимальной режимной гидрологической сети по методу ГГИ

Фаза водности Продолжительность фазы водности, г. р 1 репр» км2 1 град» км2 /г 1 ког , км2 г 1 опт. > км2 , км2 (эксп. кр. / лин. зав.) (без учета репр. кр.) Nопт. пр. '^ опг пр. (эксп. кр. / лин. зав.) (без учета репр. кр.) А^факт

(экспоненциальная кривая) (линейная зависимость)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 и

Летне-осенний минимальный сток

Область 1

Многоводный период 1935-1957 5580 591 352 710 5580 591/651 113 1060/962 301

Маловодный период 1958-1980 5580 1075 522 988 5580 1075 / 1075 ИЗ 583 / 583 301

Область 2

Маловодный период 1935-1963 13250 2048 145 438 13250 2048 / 2048 34 215/215 52

Многоводный период 1964-1980 13250 2254 219 342 13250 2254 / 2254 34 196/196 52

Зимний минимальный сток

Область 3

Многоводный период 1948-1964 1800 614 292 1061 1800 614/838 210 619/453 169

Маловодный период 1965-1980 1800 1268 266 740 1800 1268 / 1268 210 300/300 169

Область 4

Маловодный период 1936-1956 3170 577 26.1 121 3170 577/577 216 1191/1191 184

Многоводный период 1957-1980 3170 830 91.5 329 3170 ■ 830/830 216 828 / 828 184

3. Корреляционный критерий для летне-осеннего стока больше (примерно на 30%) для маловодного периода (при линейной экстраполяции корреляционной функции) и меньше (на 30% и более) для этого периода в случае зимнего стока. При экстраполяции корреляционной функции экспоненциальной кривой прослеживается тенденция увеличения корреляционного критерия в многоводный период, численное соотношение значений критерия для разных периодов для зимнего стока составляет 3,5, а для летне-осеннего -1,5. При изменении стока на 12% этот критерий будет определять оптимальную площадь, приходящуюся на один режимный пост в бассейне верхнего и среднего течения Оби.

4. Если при определении оптимальной площади не учитывать репрезентативный критерий, то ее величина возрастает в маловодный период как для летне-осеннего, так и для зимнего стока почти в два раза, что ведет либо к необходимости увеличивать плотность сети, либо довольствоваться менее репрезентативной информацией.

По методике РГГМУ градиентный критерий рассчитывался для первых трех моментов, которым соответствуют расчетные гидрологические характеристики - норма стока, коэффициенты вариации и асимметрии.

Для нахождения grad тп и т„ построены с помощью компьютерного приложения Surfer 7.0 карты первого, второго и третьего моментов, отдельно для летне-осеннего и зимнего стока.

Параметр (интенсивность белого шума), необходимый для вычисления градиентного (13) и корреляционного (14) критериев, рассчитывался по формуле:

(15)

где к - коэффициент стока;

/д/ - пространственный коэффициент корреляции;

АI - максимальное расстояние между соседними центрами водосборов, при котором сохраняется значимый коэффициент корреляции между стоком этих бассейнов;

¿репр - расстояние релаксации ( * л/^репр ).

Пространственные коэффициенты корреляции находились по корреляционным функциям каждой области путем откладывания по оси Xзначения А1 и снятия г и по оси У соответствующей точки аппроксимирующей экспоненциальной кривой.

Общие выводы по влиянию водности на критерии метода РГГМУ сводятся к следующему (таблица 2).

1. Градиентный критерий для первого момента чувствителен к изменению водности: в маловодный период он меньше (на 10-30%). Общей закономерности у градиентных критериев второго и третьего моментов от водности не наблюдается.

2. Корреляционный критерий реагирует на изменения водности, и его численные значения в маловодный и многоводный период для летне-осеннего и зимнего стока соотносятся в пределах от 0,07 до 3 раз в пользу многоводной фазы.

3. При определении оптимальной площади и оптимального числа постов главную роль играет репрезентативный критерий для летне-осеннего минимального стока, поэтому одинаково для маловодного и многоводного периодов. Для зимнего минимального стока для области 3, где градиентные критерии определяют оптимальную площадь, оптимальное число постов для многоводного периода уменьшается от первого момента к третьему, а для маловодного периода наоборот - увеличивается.

Таблица 2

- Значения критериев оптимальной режимной гидрологической сети по методу РГГМУ

Фазы водности Значения критериев Рот (^щ), КМ2 Рот (/4*2), км2 /ли (М, км2/ли лг„„

КМ км2 КМ2 Ятз, КМ2 ^юо» КМ

Летне-осенний минимальный сток

Область 1

Многоводный период 5580 131 107 124 861 5580/113 5580/113 5580/ 113 301

Маловодный период 5580 140 91,5 41,0 540 5580/ 113 5580/ 113 5580/ 113 301

Область 2

Маловодный период 13250 848 114 160 2186 13250/34 13250/34 13250/34 52

Многоводный период 13250 59,4 78,2 81,8 959 13250/34 13250/34 13250/34 52

Зимний минимальный сток

Область 3

Многоводный период 1800 6623 7646 8484 153 3388/ 113 3900 / 98 4318/88 169

Маловодный период 1800 7211 6682 6459 49,3 3631 /105 3366/ 113 3254/117 169

Область 4

Маловодный период 3170 2073 1117 764 354 3170/217 3170/217 3170/217 184

Многоводный период 3170 1594 556 434 426 3170/217 3170/217 3170/217 184

Четвертая глава посвящена оценке чувствительности критериев метода РГГМУ к климатическим изменениям, предполагающим изменение водности вследствие глобального потепления. Рассмотрены изменение климата на 100-летнюю перспективу и влияние этих изменений на гидрологический режим.

Использовался сценарий, разработанный Международной группой по взаимодействию энергии и климата (МГЭИК), по которому дается прогноз эмиссии газов в атмосферу, соответствующий такому развитию экономики и энергетики, при котором темпы роста сжигания топлива сохраняются. Рассчи-

тывались абсолютное среднегодовое изменение температуры и возможные относительные изменения осадков в экономическом районе России, в котором находится бассейн р. Оби, путем умножения базовых полей этих характеристик на коэффициенты, зависящие от прогнозных значений содержания в атмосфере.

Для прогноза долгосрочных изменений речного стока использовалось уравнение ФПК. Методика прогноза предполагает следующее: вначале по рядам наблюдений производится параметризация системы уравнений для начальных моментов. Затем найденные параметры изменяются за счет климата ( N) (в отношении шумов Сс, и принималось допущение об их неизменности в новых условиях). Далее производится вычисление новых («прогнозных») моментов т„, по которым определяются расчетные гидрологические характеристики (норма, коэффициенты вариации).

Общие выводы по влиянию изменяющегося климата (подразумевается увеличение нормы осадков) на критерии, сводятся к следующему (таблица 3):

1. Репрезентативный критерий остается неизменным при новых климатических условиях - увеличении осадков на 26% по сравнению с современными и увеличении минимального летне-осеннего стока на 28% и зимнего - на 20%.

2. Корреляционный критерий зависит от климата, который, изменяясь, увеличивает норму стока. Чем больше сток, тем больше значение корреляционного критерия.

3. Максимальные значения градиентного критерия первого и второго моментов для летне-осеннего и зимнего минимального стока не совпадают (2060 и 2040 гг. соответственно), однозначной зависимости от нормы стока не прослеживается. Градиентный критерий третьего момента увеличивается при возрастании нормы осадков и стока.

Таблица 3 - Прогнозные значения критериев оптимальной плотности режимной гидрологической сети в бассейне р. Оби

Годы Значения критериев р 1 от- км2 ■^опг км2 1Мвт р 1 опт км2 1Мат

р 1 репр> км км2 КМ2 ^УЗ, км2 р кор' КМ

Летне-осенний минимальный сток

1980 1560 695 756 297 234 1560 / 684 1560 / 684 1560/684

2020 1560 763 824 421 264 1560 / 684 1560 / 684 1560 / 684

2040 1560 770 844 467 272 1560/684 1560 / 684 1560/684

2060 1560 777 862 513 280 1560/684 1560/684 1560/684

2080 1560 755 844 528 287 1560 / 684 1560 / 684 1560/684

2100 1560 756 853 567 295 1560 / 684 1560 / 684 1560 / 684

Зимний минимальный сток

1980 1730 6148 8692 7236 69,7 3109/343 4381/243 3653 / 292

2020 1730 6124 8794 8045 81,6 3103/344 4438/240 4063/262

2040 1730 6224 8886 8330 86,0 3155/338 4486 / 238 4208/253

2060 1730 6188 8875 8488 91,2 3140/340 4483/238 4290 / 248

2080 1730 6176 8878 8598 93,8 3135/340 4486/238 4346 / 245

2100 1730 6158 8871 8711 99,2 3129/341 4485/238 4405/242

Примечание = 353

В заключении сформулированы основные результаты: исследований:

1. Разработана методика оценки чувствительности существующих критериев оптимальной режимной сети к климатическим изменениям;

2. Выполнена ретроспективная оценка чувствительности критериев оптимальной сети к изменениям водности на фактическом материале наблюдений по бассейну р. Оби;

3. Получены прогнозные гидрологические карты статистических характеристик стока бассейна р. Оби на XXI век, включая второй и третий начальных моменты, необходимые для расчета критериев оптимальности, вытекающих из стохастической модели формирования стока;

4. Установлено, что существующие методики оптимизации режимной гидрологической сети (ГТИ и РГГМУ) являются «технически грубыми», что обеспечивает устойчивость системы наблюдений к колебаниям водности, хотя может происходить потеря точности восстановления поля речного стока при изменении климата.

В приложении представлены данные об использованной гидрологической информации, редукционные зависимости, корреляционные функции, карты второго и третьего моментов для летне-осеннего и зимнего минимального стока, а также справка об эффективности результатов исследований.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. К прогнозированию оптимальной численности режимной сети наблюдений за минимальным стоком // Информационные материалы итоговой сессии ученого совета. 23 - 24 января. - СПб.: Изд. РГГМУ, 2001. - С. 77-78 (в соавторстве с В. В. Коваленко, В. А. Хаустовым, И. И. Пивоваровой и др.).

2. Чувствительность режимной гидрологической сети России к возможным изменениям климата // Материалы итоговой сессии ученого совета. 30 -31 января. - СПб.: Изд. РГГМУ, 2002. - С. 67-68 (в соавторстве с В. В. Коваленко, И. И. Пивоваровой и др.).

3. Чувствительность режимной гидрологической сети к многолетним изменениям речного стока // Материалы итоговой сессии ученого совета. Часть I. Секция метеорологии и гидрологии. 27 - 28 января. - СПб.: Изд. РГГМУ, 2003. -С. 75-76.

4. Чувствительность режимной гидрологической сети к многолетним изменениям речного стока // Материалы итоговой сессии ученого совета. Часть I. Секция метеорологии, гидрологии, экономических и социально-гуманитарных наук. 27 - 28 января. - СПб.: Изд. РГГМУ, 2004. - С. 67-68.

5. Чувствительность корреляционного критерия оптимальной режимной гидрологической сети к изменению водности (на примере бассейна реки Оби) // Электронный журнал «Исследовано в России», ПО, стр.1184-1193, 2004 г. http://zhuraal.ape.relarn.rU/articles/2004/l 10.pdf.

6. Оптимизация режимной гидрологической сети в условиях изменения климата // Электронный журнал «Исследовано в России», 138, стр. 1499-1510, 2004 г. http://zhurnal.ape.relam.ru/articles/2004/138.pdf (в соавторстве с В. А. Хаустовым).

7. Чувствительность критериев оптимальности режимной гидрологической сети к изменениям климата // Проблемы современной гидрологии. Сборник научных трудов гидрологического факультета. - СПб.: Изд. РГГМУ, 2004. - С. 138-142 (в соавторстве с И. И. Пивоваровой).

Подписано в печать с оригинал-макета 13.10.2004 Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Печать ризографическая. Уч.-изд. л. 1,0. Печ. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ № 1310/01-Р

Мини-типография «Знак» издательства «Знак» 191025, Санкт-Петербург, ул. Восстания, д. 6

РГГМУ, 195196, СПб, Малоохтинский пр. 98

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Гайдукова, Екатерина Владимировна

Сокращения

Введение 4 1 Существующие методики оптимизации численности режимной гидрологической сети и постановка задачи исследований

1.1 Методика И. Ф. Карасева

1.1.1 Градиентный критерий

1.1.2 Корреляционный критерий

1.1.3 Репрезентативный критерий

1.1.4 Оптимальное число постов

1.2 Методика РГГМУ

1.2.1 Градиентный критерий

1.2.2 Корреляционный критерий

1.2.3 Репрезентативный критерий

1.3 Другие подходы к оптимизации режимной сети

1.4 Постановка задачи исследований

2 Подготовка объекта для ретроспективных оценок чувствительности сети к изменениям водности

2.1 Анализ научно-литературных источников по изменению водности территории СССР

2.2 Построение разностных интегральных кривых, районирование территории

3 Оценка чувствительности критериев к изменению водности

3.1 Чувствительность критериев И. Ф. Карасева к изменению водности

3.2 Чувствительность критериев РГГМУ к изменению водности

3.3 Сравнение результатов по двум методикам

4 Чувствительность критериев к климатическим изменениям

4.1 Изменения климата

-а 4.2 Влияние изменения климата на гидрологический режим

4.3 Климатические сценарии

4.4 Методика оценки долгосрочных изменений речного стока

4.5 Чувствительность критериев РГГМУ к изменению климата 73 Заключение 87 Список использованных источников 90 Приложение А - Список гидрологических постов 95 Приложение Б - Периоды водности рядов минимального

30-суточного стока 99 Приложение В - Распределение фаз водности для каждой станции наблюдения за минимальным стоком 110 Приложение Г - Деление бассейна верхнего и среднего течения

Оби на области

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Чувствительность критериев оптимальной плотности режимной гидрологической сети к климатическим изменениям"

Сеть гидрологических станций и постов складывалась постепенно. Первоначально она строилась без какого-либо перспективного плана для исследований, связанных с удовлетворением весьма разнообразных текущих хозяйственных и культурных требований, возникающих при изучении водного фактора. Поэтому элемент случайности в географическом распределении станций и постов имел большое значение. Рядом с объектами, которые имели густую сеть станций и постов, было не мало водных объектов, на которых сеть была крайне редка или совсем отсутствовала. На некоторых реках существовала плотная сеть станций на участках транзита вод, и совершенно не было станций в области их питания. Имелись случаи, когда на бесприточных участках рек станции располагались настолько часто, что приращение стока от станции к станции оказывалось меньше допустимых погрешностей учета стока. Некоторые станции располагались в таких местах, где особенности режима настолько своеобразны, что выводы наблюдений нельзя было распространить на объект в целом или на его определенный участок, а тем более на соседние реки.

Разработка научно обоснованных принципов создания сети, которые обеспечивали бы рациональное размещение, завершилась признанием необходимости создания единой государственной опорной сети гидрологических станций взамен существовавшей, раздробленной по различным ведомствам. Объединение гидрологических наблюдений и изучение вод суши в одном общегосударственном органе осуществилось в 1929 г. путем создания Единой гидрометеорологической службы СССР.

Создание Гидрометеорологической службы СССР способствовало развитию сети гидрологических станций, установлению единой методики работ, улучшению качества гидрометрических работ и расширению программы исследований водных ресурсов. В 1960 г. число гидрометеорологических станций ГУГМС (Главное управление гидрометеорологической службы с 1936 г.), ведущих наблюдения за режимом рек, озер и болот, достигло почти 6000. Изменение числа стоковых постов представлено на рисунке 1.

Рисунок 1 - Изменение числа стоковых постов в СССР (Российской

Федерации с 1992 года) [1,2]

Актуальность работы

За последнее десятилетие число постов в нашей стране изменилось: в 1996 году в границах России было 3403 поста, на 1 января 2003 года число постов составляет 3058 [2]. Например, в Якутии число постов сократилось на 40 %, а на Чукотке - вдвое.

Экономические проблемы ведут к необоснованному сокращению сети наблюдений, что приводит к уменьшению количества данных наблюдений, необходимых для составления гидрологических прогнозов; снижению качества обслуживания потребителей; невозможности подготовить прогнозы и материалы, необходимые для принятия хозяйственных решений; увеличению числа непредсказанных гидрологических явлений (стихийных), снижению заблаговременности предупреждения возникновения этих явлений. В связи с этим возникает вопрос об обосновании пределов такого сокращения сети, то есть такой плотности размещения пунктов наблюдения, которая будет еще достаточной для получения достоверных и репрезентативных гидрологических характеристик и не будет неоправданных затрат материальных ресурсов.

Кроме того, уменьшение числа станций наблюдений происходит в условии изменяющегося климата, который существенно влияет на сток. Изменение климата официально признано (см. главу 4), его почувствуют все отрасли экономики, в том числе и гидрометеорология с ее сетью постов.

Цели и задачи исследования

Целью работы является разработка методики оценки чувствительности критериев оптимальной плотности режимной гидрологической сети к изменению водности, которая происходит за счет естественной цикличности стока и за счет общего изменения климата.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

- выполнить анализ существующих методик оптимизации режимной гидрологической сети, дающих численные оценки плотности постов и адекватно воспринимающих информацию, заключенную в существующих сценариях изменения климата;

- изучить многолетние изменения речного стока на территории РФ, с целью выделения местности, в которой имели место статистически значимые изменения водности, и использовать в качестве региона для ретроспективных оценок чувствительности к ним критериев оптимальности режимной сети;

- с учетом наиболее вероятного сценария изменения климата, дать прогноз статистических характеристик зимнего и летне-осеннего минимального стока для выбранного региона на XXI в.;

- оценить чувствительность критериев оптимальной плотности сети к изменениям водности на ретроспективном материале данного региона;

- произвести оценку чувствительности критериев оптимальной плотности гидрологической сети к климатическим изменениям, ожидаемым в XXI в.

Методика исследований и исходный материал

Решение поставленных задач проводилось путем применения методик оптимизации режимной гидрологической сети И. Ф. Карасева и РГГМУ к бассейну верхнего и среднего течения Оби. Более тридцати лет для определения оптимальной плотности пунктов наблюдения применялся метод Кара-сева [3]. Развитие этого метода выполнено в работе В. В. Коваленко и И. И. Пивоваровой [4]. Карасевым был установлен общий методологический подход к фоновой оценке состояния сети и сформулированы предложения по ее развитию. В работе [4] впервые теоретически получены критерии оптимизации гидрологической режимной сети из пространственной стохастической модели формирования речного стока. По данным о летне-осеннем и зимнем стоке с этой территории исследовалась чувствительность критериев оптимизации к изменению водности и климатическому изменению. Прогнозные статистические характеристики зимнего и летне-осеннего минимального стока для заданного региона на XXI в. рассчитывались по модели Фоккера - Планка - Колмогорова.

Научная новизна и практическая значимость

В результате диссертационного исследования получены следующие основные научные результаты:

- разработана методика оценки чувствительности существующих критериев оптимальной режимной сети к климатическим изменениям; выполнена ретроспективная оценка чувствительности критериев оптимальной сети к изменениям водности на фактическом материале наблюдений по бассейну р. Обь;

- получены прогнозные гидрологические карты статистических характеристик стока бассейна р. Обь на XXI век, включая второй и третий начальные моменты, необходимые для расчета критериев оптимальности, вытекающих из стохастической модели формирования стока; установлено, что существующие методики оптимизации режимной гидрологической сети (И. Ф. Карасева и РГГМУ) являются «технически грубыми»; они обеспечивают устойчивость системы наблюдений к колебаниям водности, но может происходить потеря точности восстановления поля речного стока при изменении климата. Апробация

Основные положения диссертации докладывались на научных семинарах кафедры гидрофизики и гидрологических прогнозов, итоговых сессиях ученого совета РГГМУ в 2001, 2002 и 2003 гг. Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, содержащего 56 источников, 9 приложений. Работа изложена на 131 странице текста, включая 26 рисунков, 16 таблиц и 9 приложений.

Заключение Диссертация по теме "Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия", Гайдукова, Екатерина Владимировна

Общие выводы по влиянию изменяющегося климата, который подразумевает изменение (увеличение) нормы осадков, на критерии сводятся к следующему:

- Репрезентативный критерий остается неизменным при новых климатических условиях - увеличении осадков на 26 % по сравнению с современными и увеличении минимального летне-осеннего стока на 28 % и зимнего - на 20 %.

- Корреляционный критерий зависит от климата, который, изменяясь, к увеличивает норму стока. Чем больше сток, тем больше значение корреляционного критерия.

- Максимальные значения градиентного критерия первого и второго моментов для летне-осеннего и зимнего минимального стока не совпадают (2060 и 2040 гг. соответственно), однозначной зависимости от нормы стока не прослеживается. Градиентный критерий третьего момента увеличивается при возрастании нормы осадков и стока.

Существующая (фактическая) плотность сети наблюдения за минимальным стоком в бассейне верхнего и среднего течения Оби будет поставлять данные, удовлетворяющие требованиям о надежности и репрезентативности и в новых климатических условиях только для зимнего стока. Информация о поле летне-осеннего минимального стока при изменении климата будет не репрезентативной и содержащей погрешности интерполяции. т

2000 2020 2040 2060 2080 , 2100 годы

1980 2000 2020 2040 2060

200

1980 2000 2020 2040 2060 2060^^2100

0.37

1980 2000 2020 2 040 2060 2080 . 2100 у-гхУы

0.285

1980 2000 2020 2040 2060 2080 v 2100 годы

1.7 '1.6 1.5 1.4 1.3 1.2 1 И '1

1980 2000 2020 2040 2060 2080^^2100

4 5 1»2 4

3.5 3

2.5

1980

200D: 2020 2040 2060 2080^^2100

15 да. ю

1980 2000 2020 2040 2060 2080 . . 2100

•оды

0.36 0.35 0.34 0 33 0.32

0.31

1980 2000 2020 2040 2060 2080 , , 2100 гоОы

0:785 % к

0.78

0.775

1980 2000 2020 2040 2060 2080 , 2100

Рисунок 26 - Графики зависимостей первого (а), второго (б), третьего (в) моментов, коэффициента вариации (г) и интенсивности бассейновых шумов (д) от времени - летне-осеннии минимальныи сток — — . - зимний минимальный сток

Заключение

В результате исследования чувствительности критериев оптимальной сети наблюдения за летне-осенним и зимним минимальным 30-суточным стоком методами И. Ф. Карасева и РГГМУ на примере бассейна среднего и верхнего течения Оби получены следующие выводы: а) Репрезентативный критерий, вычисленный по критерию однородности Стьюдента, не «чувствует» изменение водности как для летне-осеннего, так и для зимнего минимального стока. Этот критерий останется постоянным при изменении климата - увеличении нормы осадков на 26% и стока на 25% по сравнению с 1980 годом. б) Корреляционный критерий реагирует на изменения водности, и его численные значения в маловодный период меньше, чем в многоводный, и для летне-осеннего, и для зимнего минимального стока. При изменении климата, которое повлечет за собой увеличение нормы осадков, значения корреляционного критерия станут больше в зависимости от нормы стока. Корреляционный критерий, сосчитанный по формулам Карасева, для летне-осеннего стока больше (примерно на 30 %) для маловодного периода (при линейной экстраполяции корреляционной функции) и меньше (на 30 % и более) для этого периода для зимнего стока. При экстраполяции корреляционной функции экспоненциальной кривой прослеживается тенденция увеличения корреляционного критерия в многоводный период, численное соотношение значений разных периодов для зимнего стока составляет 3.5, а для летне-осеннего -1.5. Корреляционный критерий, определенный по методике РГГМУ, реагирует на изменение водности, и его численные значения в маловодный и многоводный период для летне-осеннего и зимнего стока соотносятся в пределах от 0.07 до 3.00 раз в пользу многоводной фазы. При изменении стока на 12 % эти критерии (по Карасеву и по методу РГГМУ) будут определять оптимальную площадь, приходящуюся на одну режимную станцию в бассейне верхнего и среднего течения Оби. в) Градиентный критерий, рассчитанный по методике Карасева, чувствителен к изменению водности (может меняться почти в два раза), однако однонаправленной тенденции не наблюдается, хотя в маловодный период он существенно больше, чем в маловодный. Градиентный критерий по методу РГГМУ для первого момента чувствителен к изменению водности: в маловодный период он меньше (на 10-30 %); общей закономерности градиентных критериев второго и третьего моментов от водности не выявлено. Однозначной зависимости этого критерия от нормы стока, значение которой связано с изменяющимся климатом, не прослеживается. Градиентный критерий третьего момента увеличивается при увеличении нормы осадков и стока. г) Оптимальное число постов наблюдений для летне-осеннего стока для области 4, рассчитанное как по методике РГГМУ, так и по методике Карасева, одинаковое, так как репрезентативный критерий «перекрывает» остальные значения критериев. Для области 3, отличающейся большими значениями градиентного критерия, получено оптимальное число постов в 2 раза меньше по методу РГГМУ, чем по методу Карасева.

В результате диссертационного исследования получены следующие основные научные результаты:

- разработана методика оценки чувствительности существующих критериев оптимальной режимной сети к климатическим изменениям;

- выполнена ретроспективная оценка чувствительности критериев оптимальной сети к изменениям водности на фактическом материале наблюдений по бассейну р. Обь;

- получены прогнозные гидрологические карты статистических характеристик стока бассейна р. Оби на XXI век, включая второй и третий начальных моменты, необходимые для расчета критериев оптимальности, вытекающих из стохастической модели формирования стока;

- установлено, что существующие методики оптимизации режимной гидрологической сети (И. Ф. Карасева и РГГМУ) являются «технически грубыми», что обеспечивает устойчивость системы наблюдений к колебаниям водности, но не гарантирует потери точности восстановления поля речного стока при изменении климата.

Эти результаты получены совместно с к.т.н. И.И. Пивоваровой (1 и 4) в отношении (пока) летне-осеннего и зимнего минимальных стоков.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Гайдукова, Екатерина Владимировна, Санкт-Петербург

1. Коваленко В.В. Моделирование гидрологических процессов- СПб.: Гидрометеоиздат, 1993.-253 с.

2. Итоги деятельности Росгидромета // Корпорат. сервер Мировой метео-рол. центр «Москва» Электронный ресурс.: Государственный научный центр РФ Москва: МИС, 1996-2003 - Режим доступа: http:// www. rhm. hy-dromet.ru/

3. Карасев И.Ф. О принципах размещения и перспективах развития гидрологической сети // Труды ГГИ- 1968 Вып. 164 - С. 3 - 36.

4. Коваленко В.В., Пивоварова И.И. Оптимизация режимной гидрологической сети на основе стохастической модели формирования речного стока-СПб.: Изд. РГГМУ, 2000.- 43 с.

5. Покровский О.М. О рационализации региональных наблюдательных сетей // Метеорология и гидрология,- 2000.- №8.- С. 5 21.

6. Кузин П.С. О рациональном размещении гидрологических станций и постов на территории СССР // Водные ресурсы 1975 - № 1- С. 3 - 14.

7. Швейкина В.И. Анализ гидрологических полей с помощью метода главных компонент // Водные ресурсы,- 1975 № 1- С. 14-20.

8. Зарецкая И.П. Использование метода наименьших квадратов для оценки водных ресурсов административной территории // Труды ГГИ-1991.-Вып. 352.-С. 83 -87.

9. Воскресенский К.П. Норма и изменчивость годового стока рек Советского Союза-JL: Гидрометеоиздат, 1962 538 с.

10. Кузин П.С. Классификация рек и районирование СССР Л.: Гидрометеоиздат, I960-379 с.

11. Чебаторев А.И. Общая гидрология.- Л.: Гидрометеоиздат, I960 471 с.

12. Руководство по гидрологии Женева: Изд. ВМО, 1994 - № 168 - 564 с.

13. Государственный водный кадастр. Многолетние данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши.- Л.: Гидрометеоиздат, 1985- Том 1, вып. 10,-С. 69-102, 165-244.

14. Владимиров A.M. Гидрологические расчеты- Л.: Гидрометеоиздат, 1990.-356 с.

15. Новая иллюстрированная энциклопедия М.: Науч. изд-во Большая Российская энциклопедия, 2002.- Том 15.- С. 195.

16. Агупов А.В. Колебания и изменения речного стока М.: Изд-во Академия наук СССР, I960,- С. 20^17.

17. Артемьева Н.П., Куприянов В.В. Анализ цилических колебаний минимального зимнего стока рек Советского Союза // Труды ГГИ- 1988 Вып. 20.-С. 104-114.

18. Лобанова Е.В., Лобанов В.А. Анализ динамики синхронности минимального стока на азиатской территории СССР // Труды ГГИ- 1988-Вып. 20.-С 79-92.

19. Ресурсы поверхностный вод СССР Л.: Гидрометеоиздат, 1972- Том 15, вып.2 - С. 3-62.

20. Шикломанов И.А. Антропогенные изменения водности рек- Л.: Гидрометеоиздат, 1979.-302 с.

21. Атлас СССР М.: Глав, управл. геодезии и картографии МВД СССР, 1955.- С. 59-64.

22. Рождественский А.В., Чеботарев А.И. Статистические методы в гидрологии-Л.: Гидрометеоиздат, 1974.-423 с.

23. Surfer 7.0 // Surface Mapping System 7.0 Электронный ресурс.: Golden Software Inc, 1997-2001.-Режим доступа: http://www.goldensoftware.com

24. Коваленко В.В. Частично инфинитное прогнозирование СПб.: Изд-во РГГМУ, 1998.- 112 с.

25. Плиткин Г.А. Водный баланс Западной Сибири // Труды ГГИ- 1976-Вып. 228.- 246 с.

26. Метеорология и гидрология 2004.- №4- 168 с.

27. Вакалюк Ю.В., Назаров И.М. Проблемы изменения глобального климата // Метеорология и гидрология 1991.- Вып. 4 - С. 74-83.

28. Израэль Ю.А. II Всемирная климатическая конференция // Метеорология и гидрология 1991- Вып. 4- С.5 - 28.

29. Бюллетень изменения климата // Исследования климата Электронный ресурс.: Всерос. науч.-исслед. ин-т гидромет. инфор- Обнинск: ВНИИГМИ-МЦД, 2004 Режим flocTyna:http:\ www.meteo.ru

30. Сорохтин О.Г., Ушаков С.А. Эволюция климатов Земли // Научно-информационный журнал «Вестник ОГГГТН РАН».- М.: ОНТИ ОИФЗ РАН, 1997.-Том 1, № 2.

31. Войткевич Г.В., Воронский В.А. Основы учения о биосфере.- Ростов-на-Дону: «Феникс», 1996.- С. 375 389.

32. Будыко М.И. Современное изменение климата- JI.: Гидрометеоиздат, 1977.-43 с.

33. Максаковский В.П. Лекции по географии М.: Просвещение, 1993223 с.

34. Винников К.Я. Чувствительность климата.- JL: Гидрометеоиздат, 1986.-351 с.

35. Израэль Ю.А. Исследования влияния изменения климата // Метеорология и гидрология.- 1991- Вып. 4 С. 29 - 38.

36. Шикломанов И.А., Линз Г. Влияние изменений климата на гидрологию и водное хозяйство // Метеорология и гидрология 1991- Вып. 4- С. 51 -64.

37. Кароль И.Л. и др. Изменение химического состава атмосферы в XXI столетии // Метеорология и гидрология 1995— Вып. 5— С. 14 — 22.

38. Будыко М.И. и др. Предстоящее изменение климата Л.: Гидрометеоиздат, 1991.-256 с.

39. Клименко В.В. и др. Энергия, природа и человек М.: Изд-во МЭИ — 260 с.

40. Израэль Ю.А. И др. Адаптация водного хозяйства Российской Федерации // Глобальные изменения природной среды: Избр. науч. тр.— М., 1997, С. 373-391.

41. Владимиров A.M. Минимальный сток рек СССР Л.: Гидрометеоиздат, 1970.-213 с.

42. Владимиров A.M. Сток рек в маловодный период года- Л.: Гидрометеоиздат, 1976.-293 с.

43. Водные ресурсы 1992 - Вып. 4 - 158 с.

44. Гидрологические исследования рек и водоемов Западной Сибири // Труды Новосибир. регион, гидрометеорол. центра-Л., 1971-Вып. 4 155 с.

45. Коваленко В.В. Нелинейные аспекты частично инфинитного моделирования в эволюционной гидрометеоэкологии СПБ.: Изд. РГГМУ, 2002-157 с.

46. Кохановский В.П. Философия и методология науки Ростов-на-Дону: изд-во Феникс, 1999 - 574 с.

47. Никитин С.П., Земцов В.А. Изменчивость полей гидрологических характеристик в Западной Сибири — Новосибирск: изд-во Наука Сибир. Отд., 1986.- 232 с.

48. Гайдукова Е.В. Чувствительность режимной гидрологической сети к многолетним изменениям речного стока // Материалы итоговой сессии ученого совета. Часть I. Секция метеорологии и гидрологии. 27 28 января.-СПб.: Изд. РГГМУ, 2003.- С. 75-76.

49. Пивоварова И.И., Гайдукова Е.В. Чувствительность критериев оптимальности режимной гидрологической сети к изменениям климата // Проблемы современной гидрологии. Сборник научных трудов гидрологического факультета.- СПб.: Изд. РГГМУ, 2004 С. 138-142.