Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Методика прогнозирования среднедекадных расходов воды на северных реках Колумбии с использованием динамических и стохастических моделей

ВАК РФ 25.00.27, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Ривера Мария Эстер

Введение.

1 Описание бассейна рек северной части Колумбии и постановка задача.

1.1 Физико-географическая характеристика.

1.1.1 Рельеф.,.

1.1.2 Почвы.

1.1.3 Растительность.

1.1.4 Климат.

1.1.5 Гидрографическая сеть.

1.1.6 Гидрологическая изученность.

1.1.7 Развитие гидрологии.

1.2 Постановка задачи.

2 Прогноз декадного стока на основе регрессионных уравнений.

2.1 Исходные данные.

2.2 Регрессионные уравнения. Их значимость.

2.3 Региональные уравнения регрессии.

2.4 Оценка оправдываемосги прогнозов.

2.5 Оправдываемость поверочных прогнозов.

3 Динамические модели формирования речного стока.

3.1 Модели формирования стока первого и второго порядка.

3.2 Параметризация моделей формирования стока.

3.3 Прогнозы стока.

3.4 Оценка эффективности методик прогнозирования.

4 Стохастические модель формирования стока.

4.1 Исходные данные.

4.2 Уравнение Фоккера-Планка-Колмогорова.

4.3 Поверочные прогнозы распределения плотности вероятности декадных расходов воды.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Методика прогнозирования среднедекадных расходов воды на северных реках Колумбии с использованием динамических и стохастических моделей"

Более конкретно актуальность темы, цели и задачи исследования, методы и исходный материал, научная новизна и практическая значимость состоят в следующем. В настоящее время перед Колумбийским гидрометцентром стоит задача оснащения страны нормативными документами в области гидрометрического оценивания речного стока и его прогнозирования. Тема диссертации соответствует этой задаче и направлена в конечном итоге на то, чтобы создать необходимый научно-технический задел для разработки в будущем практического руководства по гидрологическим прогнозам по м> *врия««?я»> /С -4 Р И Б С К О с

MsAitvCyMfiKt (КоОТб) я,гальсног

Рисунок 1 - Схема расположения рассматриваемых водосборов аналогии с наставлениями, которые существуют в России.

Гидрологические прогнозы декадного стока, выпускаемые в настоящее время отделом оперативной гидрологии Гидрометслужбы, представляют собой информационные сообщения о степени отклонения от многолетней нормы. При этом предполагается, что прогнозируемое событие является не обязательным, а только наиболее вероятным.

Подобная формулировка прогноза мало информативна: во-первых, не прогнозируется динамика исследуемого процесса; во-вторых, не указывается количественная вероятность, с которой следует ожидать предсказываемое событие. Несмотря на указанные недостатки методики прогнозирования, различные министерства и ведомства ощутили их пользу в экономике страны и в развитии национального хозяйства.

У потребителей гидрологической информации ощущается потребность в количественном описании динамики декадного стока, что объясняется современным экономическим развитием различных отраслей национального хозяйства Республики Колумбии. В связи с тем, что различные пользователи гидрологической информации осознали экономическую эффективность гидрологических прогнозов, настоящее исследование по данной тематике представляется достаточно оправданным и актуальным.

Целью работы является разработка методики прогнозирования декадного стока рек севера Республики Колумбии (на примере рек Кататумбо и Сину), дающей количественные сведения о динамике предсказанного события в вероятностной форме.

Для достижения этой цели были решены следующие задачи:

- выбор наиболее актуальных для национального хозяйства речных водосборов с целью адаптации динамических и стохастических моделей, разработанных в России, к условиям Колумбии. В эту же задачу входит сбор и статистическая обработка необходимой гидрометеорологической информации;

- разработка наиболее оптимальных регрессионных методов прогнозирования для выбранных водосборов;

- разработка наиболее оптимальных динамических методов прогнозирования;

- адаптация стохастических моделей к выбранному региону Колумбии и их применение для вероятностного прогноза;

- обоснование применимости и использование для условий Колумбии методик оценки эффективности прогнозирования, принятых в РФ.

Решение поставленных задач проводилось путем статистической обработки декадных данных по осадкам и речному стоку на 17 метеорологических и 10 гидрологических станциях севера Колумбии за 24 года наблюдений, а также с помощью математического моделирования. Кроме этого, использовались гидрологические отчеты гидрометеорологического центра Республики Колумбия «ГОЕАМ».

Реализация моделей для различных вариантов задания параметров и статистическая оценка надежности ретроспективных прогнозов проводилась на персональном компьютере Pentium ИТ в среде Turbo Pascal, Delphi и Excel.

Научная обоснованность и достоверность положений и выводов подтверждается статистическими оценками надежности всех промежуточных результатов, включая: оценку надежности параметров уравнений регрессии, оправдываемость ретроспективных прогнозов по традиционной методике S/стд, S/o и проценту оправдавшихся прогнозов. Кроме того, уверенность в надежности результатов придает использование достаточно авторитетной для многих отраслей знаний модели Фоккера-Планка-Колмогорова (ФПК), описывающей марковские случайные процессы, к которым принадлежит и случайный процесс формирования декадного стока рек.

В ходе диссертационного исследования были получены следующие основные результаты:

1. Разработана эффективная методика прогнозирования декадного стока северной рек Колумбии на основе линейных уравнений регрессии.

2. Доказана применимость дифференциальных уравнений 1 и 2 порядка для эффективных прогнозов декадного стока рек Кататумбо и Сину в диапазоне средних и максимальных расходов воды.

3. Адаптирована к условиям Колумбии стохастическая модель формирования декадного стока, результат применения которой для прогноза согласуется с результатами, полученными по динамическим моделям в области малой обеспеченности расходов воды.

4. Обоснована возможность применения для условий Колумбии методики оценки эффективности прогнозов речного стока, принятой в Российской Федерации.

Основные положения диссертации докладывалась на научных семинарах кафедры гидрофизики и гидрологических прогнозов, итоговых сессиях ученого совета РГГМУ в 1999, 2001 и 2003 гг. и на двух Всероссийских конференциях.

По теме диссертации опубликовано 6 работ.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, содержащего 70 источников, 11 приложений. Работа изложена на 135 страницах текста, включая 15 рисунков и 20 таблиц.

Заключение Диссертация по теме "Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия", Ривера Мария Эстер

Заключение

Данное исследование является вкладом в Программу образования и подготовки кадров в области метеорологии, оперативной гидрологии и океанологии для развивающихся стран. Автору удалось в диссертации достигнуть одну из самых главных целей Международной Гидрологической Программы ЮНЕСКО по Латинской Америке и Карибскому региону, а именно, разработать современную технологию прогнозирования водоносности рек.

Полученные автором результаты являются актуальными для Гидрометцентра Колумбии, и позволят заметно улучшить обеспечение прогнозной гидрологической информацией пользователей как государственного, так и частного секторов. Настоящее исследование находится в русле научной деятельности кафедры гидрофизики и гидрологических прогнозов РГГМУ.

Главные результаты настоящей диссертации состоят в следующем: а) Разработана эффективная методика прогнозирования декадного стока рек северной Колумбии на основе линейных уравнений регрессии. б) Доказана применимость дифференциальных уравнений 1 и 2 порядка для эффективных прогнозов декадного стока в диапазоне средних и максимальных расходов воды. в) Адаптирована к условиям Колумбии стохастическая модель формирования декадного стока, результат применения которой согласуется с результатами, полученными по динамическим моделям в области малой и средней обеспеченности расходов воды. г) Обоснована возможность применения для условий Колумбии методики оценки эффективности прогнозов речного стока, принятой в Российской Федерации.

Не все сформированные выше результаты развиты в полном объеме и доведены до состояния полной готовности к практическому применению. Прежде всего, это относиться к третьему пункту. Хотя модель ФПК действительно показала возможность давать правдоподобные результаты, но сама использованная методология, основанная на результатах к.т.н. Е. В. Шевниной, требует дальнейшего совершенствования [69, 70]. В первую очередь это относится к параметризации модели.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Ривера Мария Эстер, Санкт-Петербург

1. Линслей Р. К., Колер М. А., Паулюс Д. Л. Прикладная гидрология. -Л.: Гидрометеоиздат, 1962.-759 с.

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

3. Бедрицкий А.И. Влияние погоды и климата на устойчивость и развитие экономики// Бюллетень ВМО.-Женева, Изд. ВМО, 1999.- Т 48, № 2.

4. Астапов Ю.М., Медведев Ю.С. Статистическая теория систем автоматического регулирования и управления.-М.: Наука, 1982.-304 с.

5. Вуглинский B.C. Исследование метода водного баланса в гидрологических исследованиях.-Л.: Гидрометеоиздат, 1985.-300 с.

6. Владимиров A.M. Гидрологические расчеты,- Л.: Гидрометеоиздат, 1990.-365 с.

7. Шелутко В.А. Техника статических вычислений в гидрологии. -Л.: Изд. ЛПТУ, 1977.-174 с.

8. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. -М.: Высшая школа, 1999.-479 с.

9. Великанов М. А. Стохастическая структура гидропрогноза и учет его ошибок // Метеорология и гидрология.-l 960.~№4.-С. 17-24.

10. Коваленко В. В. Частично инфинитное моделирование и прогнозирование процессов развития. СПб.: Изд. РГТМУ, 1998. -112 с.

11. Димаксян А. М. Гидрологические приборы. -Л.: Гидрометеоиздат, 1973.-248 с.

12. Хандожко Л. А. Оптимальные погодно-хозяйственные решения СПб.:Иизд. РГГМУ, 1999.-160 с.

13. Карлос Г. Л. Наращивание имеющихся организационных возможно стей для подготовки метеорологических кадров// Бюллетень ВМО — Женева: Изд. ВМОЮ, 1999-Том 48 № 2.

14. Martinez Castillo L. Е. Datos geograficos de Colombia. -Bogota: Ed.1.stitute Geografico Agustin Codazzi.

15. Proyecto Colombo-Holandes. Control de tmundaciones en el Bajo Magdalena-Bogota. Ed.HEVLAT, 1978.- 700 p.

16. Belisario L. Verificacion у control de la calidad de la informacion hidrologica. Subdireccion de Hidrologia IDEAM, Bogota, 1995.

17. Геткер М.И. О некоторых закономерностях зонального распределения осадков и размещения сети осадкомеров для гидрологических целей. Тр. САНИИРИ, 1966.-120 с.

18. Денисов Ю. М. Схема расчета гидрографа стока горных рек. -Л.: Гидрометеоиздат, 1965.-103 с.

19. Кучмент Л.С., Гельфан А.Н. Динамико-стохастические модели формирования речного стока.-М.: Наука, 1993.-103 с.

20. Картвелишвили Н.А. Стохастическая гидрология.-Л.: Гидрометео издат, 1975.-163 с.

21. Колмогоров А.Н. Об аналитических методах в теории вероятностей //УМН.-1938.-Вып. 5.

22. Коваленко В. В. Стохастические модели формирования речного стока с сосредоточенными параметрами // Расчеты и прогнозы гидрологических характеристик: Междуведомственный сборник научных трудов,-Л.: Изд. ЛГМИ, 1989.-Вып. 103. -С.61-73.

23. Коваленко В.В. Моделирование гидрологических процессов. -СПб.: Гидрометеоиздат, 1993. -256 с.

24. Коваленко В.В., и др. К оценке гидрологических последствий изменения климата //Моделирование и прогнозы гидрологических процессов. СПб., 1992,-Вып. 113.-C.3-10.

25. Хаустов В. А. Моделирование антропогенного влияния на многолет нюю изменчивость речного стока Северо-Запада России // Тезисы докладов итоговой сессии ученого совета.-СПб: Изд. РТТМИ, 1996-С.20.

26. Ривера Э.Г., Ривера М.Э. Методика прогнозирования месячного стока рек Колумбии (на примере реки Кататумбо) // Тезисы докла дов итоговой сессии ученого совета РГТМУ, 25-26 янв.-СПб.: Изд РГГМУ, 2000.-С. 66-67.

27. Ривера Э.Г., Ривера М.Э. Математическое моделирование месячного стока рек Колумбии (на примере р. Кататумбо) // Информационные материалы итоговой сессии Ученого совета-СПб.: Изд. РГГМУ, 2001. 101 с.

28. Ривера М.Э. Стохастическая методика прогнозирования декадного стока рек Колумбии (на примере рек Кататумбо и Сину) // Материалы итоговой сессии ученого совета. 27-28 янв.,2003.Часть 1.Секция Метеорологии и гидрологии-СПб.: изд-во РГГМУ, 2003. -102 с.

29. Виноградов Ю.Б. Вопросы гидрологии дождевых паводков на малых водосборах Средней Азии и Южного Казахстана. Л.: Гидроме-теоиздат, 1967. —262 с.

30. Машуков П.М. Основные методы гидрологических прогнозов, при меняемые в Средней Азии // Метеорология и гидрология в Узбекистане, АН УзбССР, 1955.-С. 12-20

31. Методика и практика гидропрогнозов по рекам Средней Азии // Метеорология и гидрология.-1936.-№ 2.-С. 50-68.

32. Мировой водный баланс и водные ресурсы Земли. — Л.: Гидроме-теоиздат, 1974. -638 с.

33. Salazar A. Metodica para la estimation de la cota maxima de inundation sin informacion hidrometrica. Informe Tecnico de la Subdireccion de Hidrologia, Bogota. Ed.HIMAT, 1995. 14 p.

34. Рахманов В. В. Долгосрочный прогноз объема половодья р. Оки //

35. Труды Гидрометцентра. 1976. - Вып. 175. - С. 3-39.

36. Гигинейшвили В. М. К методике определения водоносности горных рек//Метеорология и гидрология. -1936. -№ 1.-С. 69-75.

37. Важнов А. Н. Прогноз стока половодья горной реки с использованием вероятностной зависимости // Проблемы речного стока. М.: Изд. МГУ, 1968.-С. 107-112.

38. Георгиевский Ю. М., Шаночкин С. В. Прогнозы стока горных рек-JI.: Изд. ЛПТИ, 1987.-40 с.

39. Нежиховский Р. А. О вероятностной форме гидрологического прогноза//Метеорология и гидрология. -1959. -Вып.94. -С. 67-72.

40. Харшан Ш. А. Долгосрочные прогнозы стока половодья горных рек Сибири. -М.: Гидрометеоиздат, 1958. 120 с.

41. Молоснов И. И. Опыт прогноза водоносности рек по материалам снегомерных съемок // Метеорология и гидрология. 1938. - № 5 . С. 10-14.

42. Сапожников В. И., Климова В. В. Прогноз пентодного стока р. Арагви у с. Жинвании в весенне-летний период // Труды ЦИП. -1961.-Вып. 113,-С. 60-70.

43. Дрейпер Н., Смит Г. Прикладной регрессионной анализ. -М.: Статистика, 1973.-392 с.

44. Мостеллер Ф., Тьюки Дж. Анализ данных и регрессии. М.: Финансы и Статистика, 1982. - 239 с.

45. Уилкс С. Математическая статистика. -М. : Наука, 1967. 632 с.

46. Рожденственский А. В., Чеботарев А. И. Статистические методы в гидрологии. JI.: Гидрометеоиздат, 1974. - 424 с.

47. Романовский В. И. Математическая статистика. -Ташкент: Изд. АН УзбССР, 1961.-638 с.

48. Андерсон Г. Введение в многомерный статистический анализ. М.: Физматгиз, 1963. - 500 с.

49. Эзекиел М., Фокс К. А. Методы анализа корреляций и регрессий.50