Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Моделирование снеготаяния для малоизученых бассейнов рек

ВАК РФ 25.00.27, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Гиоргиевский, Михаил Владимирович, Яманаси

62 11/61

МОДЕЛИРОВАНИЕ СНЕГОТАЯНИЯ

ДЛЯ

МАЛОИЗУЧЕНЫХ БАССЕЙНОВ РЕК

иШУЕРБНУ ОР УАМАМАдН!

Исполнитель

/Георгиевский М.В./

Март 2

Президиум ВАК Минобрнауки России (решение от »/^»¿О" 20^г, Ш^У^Х*}?*2 оешил РыпяШ&бйл • % Ул^ч?

решил

Р07 пу^^-су^ул^ неук

Ня1чальник отдела

ИНФОРМАЦИЯ ДЛЯ РЕЦЕНЗЕНТОВ

Представленная диссертационная работа была выполнена автором за более чем трехлетний период 2004-2007 гг. во время стажировки в Университете Яманаси, Япония 0англ. University of Yamanashi, Kofü, Japan; http://www.yamanashi.ac.jp/english /index.html). Обучение в аспирантуре проходило в рамках программы "Центры передовых знаний 21 века" (англ. 21st Century СОЕ Program;

http://www.coe.yamanashi.ac.jp/coe/top.html) организованной Японским обществом развития науки (англ. Japanese Society for the Promotion of Science, JPPS; http://www.jsps.go.jp/engIish/index.html). Научными руководителями диссертации являлись проф. Игорь Алексеевич Шикломанов (на момент написания диссертации директор Государственного гидрологического института) и проф. Куниёши Такеучи (англ. Kuniyoshi Takeuchi; на момент прохождения аспирантуры заведующий лабораторией университета Яманаси, а также президент международной ассоциации гидрологических наук (англ. International Association of Hydro logical Science, IAHS)).

Вся научно-исследовательская работа, выполненная во время стажировки, включая непосредственное написание диссертации, а также научных статей, необходимых для защиты диссертационной работы (для защиты диссертации требовалась публикация как минимум двух научных статьей, опубликованных в международных реферируемых журналах) выполнялась на английском языке, так как рабочим языком аспирантского курса университета Яманаси, вышеуказанной программы, являлся английский. Целью стажировки, сформулированной руководством Государственного гидрологического института перед отправлением автора в Японию, являлось изучение, с целью дальнейшего практического применения (после возращения на родину), современных технологий, методов, подходов, данных и т.п. используемых зарубежными коллегами. Основное внимание было уделено использованию данных дистанционного зондирования и ГИС-технологий. Представленная ниже диссертационная работа была успешно защищена 23 марта 2007 года в Университете Яманаси с присвоением докторской степени (англ. Doctor of Philosophy, PhD). Автор хотел бы обратить внимание рецензентов на следующие моменты, которые возникли при переводе диссертации на русский язык: 1. Диссертация переводилась с английского на русский язык с небольшими сокращениями и дополнениями "как она есть", т.е. сохранялась структура диссертации (последовательность глав и разделов) и ее объем. Т. к. хорошо известно, что при переводе с английского языка, который является более лаконичным по сравнению с русским, объем переведенного текста увеличивается, а также, что сама диссертация на английском языке была незначительно больше

общепринятых стандартов (120 страниц), поэтому размер переведенной диссертации увеличился до 160 страниц.

2. Из-за экономии времени диссертация частично отдавалась на перевод, в первую очередь это касается первой и второй главы, т.е. описательной части научной работы вроде обзоров и т.п.. Остальные главы (главы 3, 4 и 5, а также реферат и цели исследования и т.д.) диссертации, посвященные непосредственно научным исследованиям, переводились лично автором. Учитывая специфику специализированного текста диссертации, содержащего множество профессиональных терминов, посвященных дистанционному зондированию (типам спутников и сенсоров, методам зондирования, приборам и форматам получаемых данных), а также моделированию снеготаяния, в некоторых фрагментах переведенной диссертации (это, прежде всего, касается первых двух глав) "чувствуется", что русский текс является переводом. Автор принял решение оставить данные фрагменты без изменений, в первую очередь из-за экономии времени, а во-вторых, так как изначально было принято решение переводить диссертацию в полном объеме (см. выше пункт 1).

3. Все названия рисунков и таблиц переведены на русский язык, но в некоторых случаях, когда, по мнению автора, это не носило принципиально важного значения, а общий смысл оставался понятен и без перевода, в нескольких таблицах и рисунках присутствуют термины, обозначения и названия на английском языке.

4. Главной целью стажировки являлось освоение современных технологий используемых за рубежом. Поэтому все научные исследования проводились на основе зарубежных источников, опубликованных за последние десятилетия, в основном, на английском языке. Это служит объяснением тому, что в диссертации мало ссылок на советские и российские научные труды.

Автор заранее выражает свою глубочайшую признательность рецензентам за проделанную ими профессиональную работу, посвященную критическому обзору приведенной ниже научно-исследовательской работы.

С уважением,

Михаил Георгиевский.

РЕФЕРАТ

Сотни миллионов людей на Земном шаре зависят от водных ресурсов, одним из важнейших источником которых является талая вода. Ее определение опирается на знание запасов воды в снежном покрове и расчете интенсивности снеготаяния. Для того чтобы правильно использовать водные ресурсы необходимо их заблаговременное и точное прогнозирование.

В настоящее время для осуществления данной задачи чаще всего используются два подхода, а точнее говоря типа моделей. Первый основан на расчете снеготаяния по одному аргументу -температуре воздуха (метод температурных коэффициентов). Этот метод является простым и, как считаю многие исследователи, приближенным. В основу его положено допущение о линейной зависимости средних суточных составляющих теплового баланса снежного покрова от температуры воздуха. Моделирование снеготаяния по первому методу зависит от температурных коэффициентов стаивания, определение которых зачастую бывает произвольным или значения их берутся из опубликованных материалов. Второй подход к расчету интенсивности таяния снега (образованию талой воды) основан на применении метода теплового (энергетического) баланса. Учитывается приток тепла к снежному покрову от солнечной радиации, от жидких осадков, за счет турбулентного теплообмена с атмосферой, от земли. Использование этого метода опирается на сведения о температуре и влажности воздуха, скорости ветра, облачности и солнечной радиации, а также свойствах снежного покрова. Следует отметить, что во многих регионах Земли ни один из вышеперечисленных подходов не может быть применим из-за недостатка необходимых исходных данных. Это препятствует эффективному экономическому развитию многих регионов и обеспечению безопасности жизнедеятельности населения. Для того чтобы решить данную проблему, необходимо применение и развитие, по крайней мере, двух методологий. Во-первых, современной технологии расширенных наблюдений, а именно технологии применения данных спутникого зондирования земной поверхности, и, во-вторых, нового теоретического подхода к моделированию снеготаяния. Данный подход должен основываться на упрощении, при сохранении необходимой точности, традиционных схем моделирования, а также на развитии методов определения основных параметров моделирования путем использования спутниковой информации. Обобщая вышесказанное, основные цели данной диссертации можно сформулировать как следующие:

1. Разработка метода определения температурных коэффициентов стаивания во времени и пространстве путем использования спутниковой информации. Достижение данной задачи можно условно разбить на два этапа:

(1) Выбор наиболее приемлемой спутниковой информации из всего многообразия существующих баз данных путем сравнительного анализа. Дополнительно на данном этапе будет приведен пример возможности использования спутниковых данных в климатических исследованиях.

(2) Создание пространственно-распределенной модели снеготаяния основанной на методе температурных коэффициентов и применение данной модели совместно с

разработанным методом оценки температурный коэффициентов стаивания в бассейне р. Желтая (Китай).

2. Разработка упрощенного метода теплового (энергетического) баланса, который мог бы применяться при минимальном наборе исходной информации. Подтверждение преимущества данной модели снеготаяния путем ее применения в различных физико-географических регионах.

Для того чтобы успешно решить вышеперечисленные цели диссертации исследования велись в трех направлениях, а именно:

1) Сравнительный анализ глобальных баз данных информации о снежном покрове получаемой на основе данных дистанционного зондирования земной поверхности.

Распределение снега по времени и в пространстве является важнейшим параметром для широкого круга решаемых задач. Знание площади бассейна покрытой снегом является ценной информацией для прогнозирования количества стаявшей воды, которое пойдет на пополнение речного сток и будет доступно для водоснабжения. Также отметим, что снежный покров является важной составляющей при оценке радиационного и водного баланса, что очень важно для многих гидрологических исследований. Более того, современные численные модели расчета гидрологических или атмосферных процессов требуют знания о составе и распределении снежного покрова с достаточно высокой точностью. Однако во многих регионах мира отсутствует продолжительная оперативная система мониторинга снежного покрова. Одной из самых распространенных проблем, с которой ученые данных регионов сталкиваются, является недостаток информации о снежном покрове и его свойствах для соответствующих исследований. Даже если данные имеются, то быстрый (так называемый "online" доступ через Интернет) и своевременный доступ к информации зачастую невозможен. Спутниковые данные могут быть прекрасным решением проблемы для многих районов с недостаточным набором данных наземных наблюдений, а также для большинства развивающихся стран. В этой части исследования, диссертация посвящена сравнительному анализу существующих глобальных банков спутниковой информации о снеге с целью определения качества и перспективности ее использования.

Первоначально, количественные оценки характеристик снежного покрова, таких как его пространственное распределение, снегозапасы, высота снега рассчитывались на основе трех глобальных баз данных спутниковой информации о снеге, а именно: NIMBUS-7 Global Monthly Snow Cover, Snow Depth, SSM/I Global Monthly Snow Cover, и Global Monthly Ease-Grid Snow Water Equivalent Climatology, совместно с картами снежного покрова построенными на основе спутниковых снимков NOAA/NASA Pathfinder AVHRR. Полученные сведения сравнивались между собой. Сравнительный анализ производился для бассейнов рек Желтой и Меконга и был выполнен путем визуальной оценки построенных карт, а также путем сравнении полученных результатов с данными наземных наблюдений (база данных 60-Station Network Climate Data Base). Анализ показал, что оценки распределения снежного покрова, установленные на базе данных AVHRR, показали наиболее высокую точность в то время как остальные базы данных имеют тенденцию к завышению количественной оценки площади

снежного покрова в исследуемых бассейнах. Одной из основных причин этого является более детализированное пространственное разрешение предоставляемой информации базой AVHRR (~ 8 км) по сравнению с другими базами, (> 25 км), которые возможно, пригодны для глобальных или континентальных исследований.

В последующем, точность информации о снежном покрове, установленная по десятидневным композитным снимкам AVHRR PAL, была проверена путем сравнения с информацией полученной на основе восьмидневных данных MODIS. Причем за эталон были приняты глобальные данные MODIS как наиболее современные и имеющие более высокое пространственное разрешение (~ 5.6 км). Сравнение показало, что информация о площади снежного покрова для бассейнов рек Меконг и Желтая рассчитанная на основе базы AVHRR PAL схожа с оценками, полученными по данным MODIS. Таким образом, можно сделать вывод о целесообразности использования информации о распределении снежного покрова обеих баз данных в районах, где отсутствуют систематические наблюдения.

Следующим этапом исследований было продемонстрировать, как спутниковая информация о снеге может быть использована в климатических исследованиях. Используя информацию о площади снежного покрова в исследуемых бассейнах, полученную на основе данных AVHRR PAL, был выполнен анализ, существуют ли какая-нибудь взаимосвязь между изменениями площади снежного покрова и Эль-Ниньо (ENSO - EINino Southern Oscillation). Дополнительно, площадь снежного покрова в течение различных фаз ENSO (т.е. Эль-Ниньо, Jla-Нинья, Нейтральная) была сравнена с весенним речным стоком, для того чтобы определить вносил ли ENSO вклад во междугодичная изменчивость весенних расходов воды через его влияние на аккумуляцию снега в течение зимних месяцев. Было обнаружено, что площадь снежного покрова и весенний речной сток, формирующийся в результате снеготаяния, в бассейнах рек Желтой и Меконга подвержены влиянию ENSO. А именно во время периодов Эль-Ниньо наблюдалась большая заснеженность исследуемых бассейнов.

В заключение приведены исследования посвященные выбору данных дистанционного зондирования для адаптации в схемы прогнозов притока талого стока к Краснодарскому водохранилищу и анализ возможностей их использования. В результате выполненных исследований было выявлено, что исходя из размеров бассейна р. Кубань, а также требований к исходной информации, в качестве спутниковой информации было принято решение выбрать данные MODIS, как сочетающие в себе главные достоинства глобальных баз данных и спутниковых снимков высокого разрешения, а именно восьмидневные композитные мозаики MODIS Snow Cover 8-Day L3 Global 500m Grid (сокращенное имя - MOD10A2) пятой версии (v05). Но основе этих данных была разработана методика оперативного мониторинга максимальной площади снежного покрова в бассейне Краснодарского водохранилища. Методика включает в себя комплекс программ позволяющих загрузить и обработать спутниковые снегсъемки MOD10A2, а также непосредственно рассчитать на их основе площадь снежного покрова для любого водосбора бассейна Краснодарского водохранилища. На основе подготовленной базы данных, был выполнен расчет динамики изменения максимального снежного покрова в различных районов бассейна р. Кубань за период с 2000

года по настоящее время. К сожалению, попытки установления корреляционной зависимости между площадью максимального снежного покрова (рассчитанную на основе космических снимков MODIS) и притоком речного стока в Краснодарское водохранилище не увенчалось успехом, что позволяет сделать вывод о недостаточности использования только спутниковой информации в методах прогноза притока речного стока к Краснодарскому водохранилищу. Зато было установлено, что данные о распределении снежного покрова в бассейне могут быть полезны в предсказании наводнений. Так, на вторую декаду июня 2002 года, периода предшествующего катастрофическому наводнению на р. Кубань, заснеженность горной и предгорной части бассейна была на 10-60 % больше по сравнению с другими годами.

2) Разработка распределенной модели снеготаяния основанной на методе температурных коэффициентов.

Подавляющее большинство моделей снеготаяния основываются или на уравнении теплового баланса или же на использовании метода температурных коэффициентов. Несмотря на то, что модель теплового (энергетического) баланса имеет большую физическую основу по сравнению с методом температурных коэффициентов, данные необходимые для решения уравнения теплого баланса столь обширны, что зачастую невозможно применить данный метод в реальном речном бассейне. Поэтому на практике во многих случаях модели снеготаяния используют подход, основанный на температурных коэффициентах стаивания. Главным достоинством метода температурных коэффициентов является то, что для его применения требуется только данные по температуре воздуха и осадкам. Тем не менее, применение этого метода связано с определенными проблемами главной из которых является непосредственное определение основного параметра модели, т.е. самих температурных коэффициентов. Каждый коэффициент стаивания является уникальным для определенного бассейна и географического расположения. Во многих работах выбор значения для этого параметра не имеет точного обоснования и эмпиричен.

Новый метод оценки температурных коэффициентов был разработан автором и применен для бассейна реки Желтой. Предложенная методика основывается на использовании данных дистанционного зондирования земной поверхности и позволяет определить температурные коэффициенты изменяющимися как во времени, так и в пространстве. В бассейне реки Желтая, коэффициенты стаивания бы