Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Устойчивость моделей формирования многолетнего годового стока Северо-Западной Африки и долгосрочная оценка его статистических параметров при климатических изменениях

ВАК РФ 25.00.27, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Устойчивость моделей формирования многолетнего годового стока Северо-Западной Африки и долгосрочная оценка его статистических параметров при климатических изменениях"

Министерство образования и науки РФ РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ (РГГМУ)

На правах рукописи УДК [556.162 "451":551/583](682.4)

Хамлили Абделатиф

УСТОЙЧИВОСТЬ МОДЕЛЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ МНОГОЛЕТНЕГО ГОДОВОГО СТОКА СЕВЕРО-ЗАПАДНОЙ АФРИКИ И ДОЛГОСРОЧНАЯ ОЦЕНКА ЕГО СТАТИСТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРИ КЛИМАТИЧЕСКИХ ИЗМЕНЕНИЯХ

Специальность 25.00.27 - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

АВТОРЕФЕРАТ 1 О НОЯ 2011

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 4859028

2011

4859028

Работа выполнена в Российском государственном гидрометеорологическом

университете

Научные руководители: доктор технических наук,

профессор Коваленко Виктор Васильевич, доктор физико-математических наук Кондратьев Сергей Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор географических наук,

профессор Догановский Аркадий Михайлович кандидат технических наук, Соловьев Филипп Леонидович

Ведущая организация: Центр Междисциплинарных исследований по проблемам окружающей среды РАН

Защита диссертации состоится «24» ноября 2011 г. в 15— часов на заседании специализированного совета Д212.197.02 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 «24» октября 2011 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат географических наук ^

Воробьев В. Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время практически все гидрометеорологи вынуждены согласиться с инструментально фиксируемым фактом потепления климата (споры ведутся только о его причинах). В связи с этим возникает проблема, связанная с оценкой экономических и экологических последствий такого потепления. Эту проблему невозможно решить без знания долгосрочных оценок вероятностных характеристик многолетнего речного стока, в первую очередь -годового, являющегося индикатором обеспеченности водными ресурсами регионов интенсивного водопотребления. Методологии подобных оценок разработаны и успешно применяются для различных видов речного стока России. Однако попытка их применения для Африки успехом не увенчалась. Выяснилось, например, что решения системы уравнений для моментов, используемых в классе распределений К. Пирсона, неустойчивы (для России решения подобных моделей для годового стока неустойчивы в южных регионах). Позже выяснилось, что эта неустойчивость связана, в основном, с очень малыми коэффициентами стока. Была предпринята попытка расширения размерности моделей (фрактальная диагностика, сделанная для рядов годового стока доктором Куасси Би Гессан Арманом из Кот-Д'Ивуара в 2008 г.), но сами модели в силу ряда трудностей для Африки не получены до сих пор.

Однако в РГГМУ два года назад были найдены еще две возможности обеспечения устойчивости прогностических моделей: 1) переход к условным распределениям (диссертация защищена Л. Ф. Соловьевым в 2009 г.) и 2) переброс мультипликативных шумов (вызывающих неустойчивость) в аддитивное внешнее воздействие. Тем самым были созданы предпосылки для возможности устойчивого прогнозирования долгосрочных изменений годового стока Африки. Таким образом на текущий момент тема диссертации актуализирована не только очевидной «социальной потребностью», но и реальной возможностью эту потребность удовлетворить.

Цели и задачи исследования. Целью исследования является разработка методики устойчивого оценивания характеристик многолетнего стока и ее применение для получения вероятностных параметров годового стока Северо-Западной Африки.

Для достижения сформулированной цели решены следующие задачи:

- созданы базы данных по годовому стоку, осадкам и приземной температур воздуха по 149 пунктам наблюдений на территории Северо-Западной Африки;

- с использованием стандартной гидрометеорологической информации и ГИС-технологий рассчитаны и закартированы статистические характеристики многолетнего годового стока Северо-Западной Африки;

- вычислены и закартированы критерии устойчивости решений стохастических моделей (для моментов) формирования годового стока в двух вариантах: с мультипликативными и аддитивными шумами;

- выполнена параметризация двух вариантов прогностических моделей на изучаемой территории общей площадью более 5 млн. км2;

- для климатических сценариев COMMIT, SRA1B, SRA2 и SRB1 получены и закартированы оценки расчетных гидрологических характеристик на 2040-2060 гг.;

- выявлены и закартированы зоны статистически значимых отклонений (аномалий) прогнозных характеристик от фактических;

- оценена устойчивость прогнозных режимов формирования вероятностного режима многолетнего годового стока полученных по моделям с аддитивными и мультипликативными шумами.

Методика исследований и исходный материал. Решение поставленных задач основывалось на методологии частично инфинитного моделирования, разработанной в РГГМУ. В основе примененных методов прогнозирования и оценки устойчивости вероятностных распределений стока (начальных моментов) лежала модель линейного формирующего фильтра, прошедшая широкую апробацию на речных бассейнах России, Колумбии, Боливии, Камеруна, Китая, Никарагуа, Кот-Д'Ивуара.

Фрактальные размерности оценивались на основе теоремы Та-кенса с помощью корреляционного интеграла (информационной размерности).

Реализация методик осуществлялась на персональном компьютере на базе среды разработки Visual Basic 6 и С++ Builder.

Исходным материалом для проведения расчетов служили ряды гидрометеорологических элементов, опубликованные в изданиях Всемирной метеорологической организации, а также карты Мирового водного баланса.

Научная обоснованность и достоверность результатов работы основывается на использовании в качестве модели формирования го-

дового стока широко апробированного в гидрологии за последние 20 лет уравнения Фоккера-Планка-Колмогорова (ФПК), приводящего в условиях стационарного случайного процесса к семейству кривых К. Пирсона, широко применяемых в инженерных расчетах. Также использовались широко известные статистические оценки надежности промежуточных результатов и линейная теория устойчивости решения систем обыкновенных дифференциальных уравнений.

Научная новизна и практическая значимость. В ходе проведенного в диссертации исследования получены следующие основные результаты:

1. По итогам статистической обработки гидрометеорологических рядов для Северо-Западной Африки построены карты распределения нормы, коэффициентов вариации и асимметрии, а также коэффициентов автокорреляции.

2. Рассчитаны и закартированы численные значения критерия устойчивости статистических моментов моделей формирования годового стока с мультипликативными и аддитивными шумами для Северо-Западной Африки (впервые).

3. Впервые для Африки оценены долгосрочные последствия климатических изменений для многолетнего годового стока по двум вариантам стохастической модели его формирования (с аддитивными и мультипликативными шумами) и выявлены регионы, в которых ожидаются наиболее существенные отклонения прогнозных значений

расчетных характеристик от текущих.

4. Впервые на примере годового стока Африки оценена устойчивость ожидаемых режимов формирования многолетнего стока.

5. Впервые (для Северной Африки) оценена фрактальная размерность рядов годового стока и диагностированы размерности пространств вложения.

6. Для территории Алжира выполнена оценка долгосрочных изменений статистических характеристик малых рек по различным климатическим сценариям.

Практическая значимость исследований заключается в возможности использования полученных методик и карт проектными и научно-исследовательскими организациями для повышения надежности

проектируемых сооружений.

Работа выполнялась в рамках темы «Создание диагностических и прогностических моделей развития процессов катастрофического формирования многолетнего речного стока», финансируемой Мини-

стерством образования и науки РФ (грант, проект № 2.1.1/3355). Ее результаты внедрены в учебный процесс по специальности «Гидрология» - 07.32.00 в РГТМУ и переданы в гидрометеорологическое агентство республики Алжир.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Способ оценки устойчивости моментов стохастической модели формирования многолетнего годового стока с аддитивными шумами и его применение для условий Африки, позволившие выбрать надежный вариант оценки долгосрочных последствий изменения климата на расчетные гидрологические характеристики.

2. Методика оценки долгосрочных изменений вероятностных характеристик годового стока, вызванных колебаниями климата, обеспечивающая устойчивость прогнозируемого режима в рамках распределений К. Пирсона при условии аддитивного задания потерь стока на испарение.

3. Гидрологические карты распределения по территории СевероЗападной Африки расчетных характеристик многолетнего годового стока на середину XXI в. при условии реализации наиболее вероятного климатического сценария COMMIT, реализующего модель HADCM3 для условий среднего экономического роста стран Африки.

Апробация работы. В 2009-2011 основные положения диссертации докладывались на Межрегиональной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Вопросы гидрологии, геоэкологии и охраны водных объектов» (Пермский государственный университет), на Межвузовской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Современные тенденции и перспективы развития водного транспорта России» (Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций), на итоговой сессии Ученого совета РГТМУ и на научных семинарах кафедры гидрофизики и гидропрогнозов РГТМУ.

По теме диссертации опубликовано 6 статьей (4 в изданиях по списку ВАК).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из ведения, трех глав, заключения, списка литературы, содержащего 46 источник, 7 приложений. Работа изложена на 157 страницах текста, включая 30 рисунков, 16 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы.

В первой главе рассматривается изученность многолетнего гидрологического режима Северной и Западной Африки, а также состояние гидрологической науки в отношении надежности оценок характеристик годового стока в условиях изменяющегося климата.

В настоящее время многолетний режим речного стока в Африке оценивается, в основном, с использованием карт Мирового водного баланса. Представленные в Атласе карты нормы годового стока отражают статистически стационарные гидрологические ряды, а также -устойчивость моментов в рамках семейства распределений К. Пирсона. Оба эти предположения в настоящее время могут быть поставлены под сомнение.

В последнее десятилетие в гидрологию были широко внедрены стохастические модели формирования стока, которые позволяют выявлять критерии устойчивости их решений по начальным моментам. Оказалось, что почти половина территории СНГ и Западной Африки неустойчива по второму и третьему начальным моментам, что ставит под сомнение возможность надежных долгосрочных оценок изменения характеристик стока при изменении климата.

В связи с этим логически возникает проблема разработки методологии, повышающей устойчивость решения моделей формирования речного стока. Подобная методология разработана в РГГМУ в рамках идей частично инфинитного моделирования. Она предлагает, по крайней мер, две альтернативные возможности, повышающих указанную устойчивость: 1) усложнение моделей путем увеличения размерности фазового пространства, в которое «погружаются задачи»; 2) упрощение моделей путем их разгрузки от мультипликативных шумов из-за которых и возникает неустойчивость. В данной диссертации использована вторая возможность. Исходя из этого, в конце главы формулируется цель и ставятся задачи исследований.

Во второй главе создается информационная база для параметризации прогностических вариантов моделей формирования многолетнего стока и оценки устойчивости их решений. Такой базой служат карты статистических характеристик годового стока, соответствующие стационарному климатическому режиму (норма, коэффициенты: вариации, асимметрии, стока, автокорреляции; а также критерии устойчивости).

Для построения этих карт использовался 51 ряд многолетнего годового стока для речных бассейнов, расположенных в 16 государствах рассматриваемой части Африки. Ряды наблюдений охватывали период с 1964 по 2004 гг. При их статистической обработке использовались все рекомендации инженерной гидрологии (построение разно-стно-интегральных кривых, оценка погрешностей и т. д.).

Результаты расчетов были закартированы с использованием современных ГИС-технологий (коммерческих программ Arc View, Surfer, Maplnfo).

На основе полученных карт была оценена устойчивость закар-тированных моментов (расчетных гидрологических характеристик) по критериям линейной теории устойчивости (см. стр. 12) для двух вариантов моделей стока: с мультипликативными и аддитивными шумами.

тивной (б) моделей.

Как видно из представленных карт, на территории СевероЗападной Африки имеются районы как с устойчивым режимом формирования стока, так и неустойчивым (в основном в пустынных районах с преобладающим влиянием испарения в многолетних водных балансах речных бассейнов).

Характерной особенностью является то, что использование модели с аддитивными шумами дает более устойчивую картину, что особенно наглядно показывает таблица 1.

Таблица 1

Критерии устойчивости для моделей с мультипликативными (pi) и аддитивными ((32)

Страна Река Станция r(l) мм q' г л/с KM к P. PÍ*

Бенин

Mekrou Mono Oueme Oueme Мои Houn

Вагой

Athieme

Sagon

Bonou

Dapola

0.22 0.38 0.43 0.56

1204 1171 1130 899

3.89 3.13 2.96 2.22

0.10 0.08 0.08 0.08

1.69 1.84 1:86 1.91

0.97 -1.03 0.07 0.30 0.86

Nakanbe Yakala -0.19 710 0.67 0.03 - _

Буркина-Фасо Sanaga Edea 0.32 1669 14.0 0.26 1.40 -0.26

Pra Daboasi 0.30 1339 7.95 0.19 1.56 -0.38

Продолжение таблицы 1 laño Alanda -0.14 1389 8.80 0.20 - -

Гана Black Volta Bamboi 0.28 1051 1.44 0.04 1.89 -0.53

White Volta Yarugu -0.01 750 1.50 0.06 - -

Oti Sabari 0.63 1031 4.89 0.15 1.86 1.08

Niger Kouroussa 0.23 1802 12.6 0.22 1.36 -0.9 Г

Гвинея Tinkisso Ouaran -0.09 1430 7.28 0.16 - - '

Milo Kankan -0.13 1845 19.1 0.33 - -

Либерия Saint John Baila 0.02 2211 9.04 0.13 0.95 -6.13

Мали Senegal kayes 0.55 822 2.54 0.10 1.88 0.81

Senegal Galougo 0.60 1067 3.33 0.10 1.90 0.97

Faleme Gourbassi 0.41 1270 7.10 0.18 1.69 0.23

Faleme Fadougou 0.55 1276 7.93 0.20 1.77 0.80

Bafing Dibia 0.53 1239 9.41 0.24 1.70 0.73

Bakoya Oualia 0.58 914 1.29 0.04 1.95 0.90

Baoule Dioila 0.74 1214 3.60 0.09 1.94 1.39

Sankarani Gouala 0.33 1569 9.08 0.18 1.60 -0.19

Bani Douana 0.79 1137 3.26 0.09 1.96 1.52

Niger Kirango Aval 0.74 1393 8.25 0.19 1.89 1.40

Продолжение таблицы 1

Страна

Река Станция r(l) MM 4, л/с KM к Pi Рг"

Niger Koulikoro 0.37 1456 10.6 0.23 1.54 0.00

Goulbi de Maradi Madarounfa -0.28 731 0.96 0.04 -

Gorouol Alcongui 0.04 441 0.19 0.01 1.91 -4.32

Gambie Kedougou 0.40 1337 11.6 0.27 1.50 0.15

Casamance kolga 0.58 1209 0.80 0.02 1.98 0.90

Gambie Wassadou aval 0.42 1128 4.19 0.12 1.80 0.26

Niokolo-Koba Pont Routier 0.44 1293 3.01 0.07 1.88 0.37

Thiokoye Pont Routier 0.36 1270 10.5 0.26 1.46 -o.o7-

Gambie - Gouloumbou 0.41 1168 4.42 0.12 1.79 0.24

Niaoula Niaoula Tanou 0.61 1024 0.27 0.01 1.99 1.01

Diarha Pont Routier 0.50 1333 10.9 0.26 1.65 0.62

Faleme Kidira 0.60 1027 4.17 0.13 1.87 0.99

Gambie Wassadou amont 0.42 1246 6.72 0.17 1.71 0.27

Gambie Simenti 0.49 1293 6.58 0.16 1.77 0.56

Gambie Mako 0.41 1299 9.09 0.22 1.61 0.22

Sénégal Bakel 0.49 876 2.42 0.09 1.88 0.57

Mono Correkope 0.44 1257 4.52 0.11 1.81 0.35

Oti Mango 0.64 954 2.84 0.09 1.92 1.12

Bandama Tiassale 0.32 1205 2.17 0.06 1.87 -0.29

Ouergha Ourtzagh 0.51 - 12.6 - - 0.66

Sebou Azib Soltane 0.59 550 3.10 0.18 1.81 0.94

Moulouya Dar el Caid 0.44 375 0.78 0.07 1.89 0.36

Oum er Rebia Dechra el Oued 0.36 448 8.99 0.63 0.72 -0.03

Ouergha M'Jara 0.49 471 14.0 0.94 0.67 0.58

Sebou Ain Timedrine 0.40 479 4.23 0.28 1.49 0.16

Нигер

Сенегал

Того Кот-Д'Ивуар

Марокко

* - отрицательные значения fi2 идентифицируют устойчивость четырех начальных моментов

В третьей главе выполнена оценка долговременных изменений вероятностных характеристик стока на 2060 г. по климатическим сценариям COMMIT, SRA1B, SRA2, SRB1 модели HADCM3, рекомендуемой к применению при водноресурсных прогнозах. Проведено выделение аномальных зон (в которых прогнозные значения гидрологических характеристик статистически значимо отличаются от фактических значений, полученных во второй главе). Также оценена степень устойчивости прогнозного режима формирования стока, полученного по вариантам модели с аддитивными и мультипликативными шумами.

Основой получения прогнозных характеристик и вычисления критерия устойчивости является уравнение ФПК, описывающее эво-

люцию марковских случайных процессов. Стохастической основой этой модели является дифференциальное уравнение, связывающее внешнее воздействие на водосбор с его реакцией и параметрами последнего:

(1)

где с - \/кх - с + с ; N = X/г = N + N [здесь с и N - математические ожидания; с и N - белые шумы с интенсивностями (7-, О- и взаимной интенсивностью ; Q - расход воды в замыкающем створе; т - время релаксации бассейна; к - коэффициент стока; X - внешнее воздействие (интенсивность) осадков на водосбор].

Этот вариант модели мы называем мультипликативным, так как уравнение (1) содержит в качестве коэффициента при искомой функции 0 задаваемые параметры, являющиеся источником внутренних шумов бассейна, определяющих устойчивость решения. Аналогичное по структуре уравнение будет, если эти шумы задать аддитивно: с = 1/т, N = кХ /х (так как мы находимся в условиях простого марковского процесса, то для годового стока время релаксации х определяется пересечением автокорреляционной функций доверительного интервала, а это, для подавляющего числа речных бассейнов, происходит при х = 1 году). Шум с в этом случае определяется не основным членом уравнения водного баланса - испарением, от которого зависят потери, - а изменением запасов воды в почво-грунтах, которые по мере увеличения интервала осреднения стремятся к нулю. Таким образом при аддитивном варианте модели мы в значительной мере ликвидируем источник неустойчивости решения, что и показывает приведенная выше таблица.

Уравнение (1) в любом из рассмотренных вариантов статистически эквивалентно уравнению ФПК, аппроксимируя которое системой уравнений для начальных моментов т„, получим:

¿тп /А = пЩАОГ1 ] + 0,5п(п - 1)М[ВО,"'1 ], (2)

где п - порядок момента; А, В- коэффициенты сноса и диффузии.

Уравнение (2) - это система из четырех обыкновенных дифференциальных уравнений, «развязанных» по моментам (младшие не зависят от старших). Критерий линейной устойчивости ее решений имеет вид:

$ = 0~/с<2/п. (3)

При Р > 0,67 неустойчив третий момент, при р > 1 - второй. Практический путь нахождения численных значений параметра р заключается в использовании частного решения уравнения ФПК для нормированной автокорреляционной функции:

г = ехр[-(с - 0,5(7г )т]. (4)

При годовой сдвижке (т = 1) это уравнение приводит к выражению

Р = 2&1пг + 2, (5)

определяемому по значениям к и г, которые находятся по стандартным гидрометеорологическим наблюдениям. В аддитивном случае, когда коэффициент к оказывается во внешнем воздействии, формула (5) принимает вид:

Р = 21п г + 2, (6)

Весь представленный здесь аппарат использовался для долгосрочного прогнозирования и оценки устойчивости спрогнозированных режимов стока.

Так как все, существующие в открытом доступе, климатические сценарии даются в виде двадцатилетних квазиравновесных ступенек, то модель (2) можно свести к системе алгебраических уравнений. Сначала решается обратная задача: по известным из карт, полученных во второй главе, моментам т„ находятся параметры системы (2); а затем, меняя с и N в соответствии с используемым климатическим сценарием, решаем прямую задачу по определеншо прогнозных значений моментов. При этом для задания прогнозного значения к в аддитивной модели (или с~Мк в мультипликативной) использовалось выраже-

ние для коэффициента стока к = ()1Х = \~Е1Х, получаемое из уравнения водного баланса для замкнутого водосбора. Коэффициент стока связывается с параметрами, которые фигурируют в климатических сценариях (Т° С и X), путем использования формулы Н. А. Багрова (Е = /(Х,Е0) (здесь Е0 - испаряемость) и Л. Тюрка (Е0 = /(Г))

& = 1 - Й1((300 + 25Г + 0,057"3)/ X) (7)

(при использовании формулы связи Е = /(Х,Е0) Э. М. Ольдекопа численные результаты практически одинаковы).

На рис. 2, а п б представлены результаты наложения прогнозных карт коэффициентов вариации (вычисленных по двум вариантам модели) на фактические с выделенными статистически значимых отклонений (> 15 %), а на рис. 2, в и г - карты распределения зон неустойчивости. Из этих рисунков видно, что качественно обе модели дают похожие результаты, но модель с аддитивными шумами прогнозирует более устойчивый режим стока.

Для региона Северной Африки была выполнена фрактальная диагностика восьми рядов годового стока. Использовался метод, основанный на теореме Такенса. Вычислялась так называемая информационная размерность, позволившая определить как саму фрактальную размерность, так и размерность пространства вложения (табл. 2).

Таблица 2

Фрактальная размерность и размерность пространства вложения_

Страна Река Станция Фрактальная размерность Размерность пространства вложения

Sebou Azib Soltane 1.15 2

Moulouya Dar el Caid 0.68 1

Марокко Oum er Rebia Dechra el Oued 0.61 1

Ouergha M'Jara 1.73 2

Sebou Ain Timedrine 1.47 2

Tafna Pierre du Chat 0.70 1

Алжир Chel iff Sidi bel Attar 1.67 2

Elkebir El Ancert 0.71 1

Эти данные не противоречат картам зон неустойчивости (рис. 2, в, г) - в этом регионе допустимо выполнять гидрологические расчеты и долгосрочное прогнозирование в рамках классических распределений семейства К. Пирсона. Что касается Западной Африки, то ее фрактальная диагностика была выполнена в 2008 г. доктором Куасси Би Гессан Арман (Кот-Д'Ивуар) и ее результаты также показали, что для Африки размерность пространства вложения меньше, чем для России, т. е. речной сток устойчиво описывается меньшим числом фазовых переменных.

Рис. 2. Выявленные зоны аномалий коэффициентов вариации по мультипликативной (а) и аддитивной (б) моделям, а также соответствующие (в, г) прогнозные карты критерия устойчивости.

В четвертой главе рассмотрена возможность применения методики прогноза к азональным рекам Алжира. Использованы данные о расходах воды по 26 станциям, расположенным на малых реках (площадь водосбора не превышает 1 500 км2). Рассчитаны критерии устойчивости по модели с мультипликативными и аддитивными шумами, дан прогноз на 2050 год по климатическим сценариям COMMIT, SRA1B, SRA2, SRB1. Получено, что многолетний модуль стока сред-

ний по рассматриваемой территории колеблется в диапазоне от 0,025 до 0,35 л/с км2 в год по всем сценариям.

В заключении сформулированы основные результаты исследований:

1. В результате обработки многолетних рядов гидрометеорологических элементов на территории Северо-Западной Африки удалось создать информационную базу в виде гидрологических карт для параметризации прогностических моделей формирования годового стока и осуществить оценку статистической устойчивости современного режима его формирования из которой следует, что с точки зрения устойчивости предпочтительно использовать модель с аддитивно задаваемыми внутренними шумами речных бассейнов.

2. Для Северо-Западной Африки успешно апробирована (на примере годового стока) методика долгосрочных оценок гидрологических последствий изменения климата по различным вариантам прогностических моделей и построены карты распределения статистических характеристик стока по наиболее востребованному климатическому сценарию на 2060 г.

3. Выявлены наиболее вероятные регионы, в которых можно ожидать статистически значимые изменения (по сравнению с существующими режимом стока) норм и коэффициентов вариации годового стока, определяющие водные ресурсы и возможные их колебания, что необходимо для стратегического планирования экономик развивающихся стран Африки.

4. Получены прогнозные оценки устойчивости статистических характеристик годового стока на 2060 г. и определены регионы, которые по обоим вариантам модели (с аддитивными и мультипликативными шумами) являются потенциально опасными с точки зрения применения классических моделей формирования стока.

5. Выполнена фрактальная диагностика стоковых рядов Алжира и Марокко, которая подтвердила как полученную прогнозную карту зон неустойчивости, так и сделанный ранее анализ фрактальных размерностей Западной Африки, из которого следует, что формирование многолетнего годового стока Африки происходит более просто, чем в России и для его моделирования требуется меньшее число фазовых переменных.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Устойчивость и фрактальная диагностика речного многолетнего стока России / Межрегиональная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Вопросы гидроло-

16

гии, геоэкологии и охраны водных объектов», Пермский государственный университет (в соавторстве с Гайдуковой Е.В., Лесничим Л. И., Девятовым В. С.).

2. Роль гидрологической прогнозной информации в организационно-технологическом подходе к построению хозяйственных систем / Межвузовская научно-практическая конференция студентов и аспирантов «Современные тенденции и перспективы развития водного транспорта России», Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций (в соавторстве с Девятовым В. С., Лесничим Л. И., Гайдуковой Е.В.).

В рецензируемых источниках по списку ВАК:

3. Методика мониторинга и прогнозирования развития процессов катастрофического формирования многолетнего речного стока // «Ученые записки Российского государственного гидрометеорологического университета», № 10, 2009, с. 5-12 (в соавторстве с Коваленко В. В., Гайдуковой Е. В., Чистяковым Д. В.).

4. Прогностические модели развития процессов катастрофического формирования многолетнего годового речного стока // Журнал «Метеорология и гидрология» № 10, 2010, с. 64-70 (в соавторстве с Коваленко В. В., Гайдуковой Е. В., Чистяковым Д. В.).

5. Диагностирование неустойчивости формирования и фрактальной размерности многолетних рядов летне-осенней межени Восточной Сибири методами частично инфинитной гидрологии // «Ученые записки Российского государственного гидрометеорологического университета», № 13, 2010, с. 30-39 (в соавторстве с Коваленко В. В., Гайдуковой Е. В., Громовой М. Н., Девятовым В. С.).

6. Оценка долгосрочных изменений статистических характеристик многолетнего годового стока Северо-Западной Африки при климатических изменениях // «Ученые записки Российского государственного гидрометеорологического университета», № 18, 2011. -С. 5-9.

Отпечатано с готового оригинал-макета

Лицензия ЛР № 0203090 от 30.12.96

Подписано в печать с оригинал-макета 21.10.2011 Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Уч.-изд. л. 1,0. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ №

РГГМУ, 195196, СПб, Малоохтинский пр. 98

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Хамлили Абделатиф

Сокращения

Введение

1 Изученность многолетнего стока Северо-Западной Африки и постановка задачи исследований

1.1 Многолетний режим годового стока, формирование базы данных

1.2 Формулировка цели и задач диссертационного исследования

2 Создание информационной базы для текущей оценки статистических характеристик годового стока, используемых в инженерной гидрологии, и оценка устойчивости решений классических моделей формирования вероятностного режима

2.1 Построение географических карт распределения вероятностных характеристик годового стока

2.2 Оценка устойчивости решений классической модели формирования многолетнего стока с мультипликативными шумами

2.3 Оценка устойчивости решений классической модели формирования многолетнего стока с аддитивными шумами

3 Оценка долгосрочных изменений вероятностных характеристик стока по климатическим сценариям и выявление регионов с возможными статистически значимыми их аномалиями

3.1 Глобальное изменение климата и климатические сценарии

3.2 Гидрологические последствия изменения климата, оцененные по модели с мультипликативными шумами

3.3 Гидрологические последствия изменения климата, оцененные по модели с аддитивными шумами

3.4 Оценка устойчивости спрогнозированных режимов

4 Применение методики прогноза к азональным рекам Алжира

4.1 Физико-географическое описание Алжира

4.2 Гидрологическая изученность малых рек Алжира 91 Заключение 98 Список использованных источников 100 Приложение А - Ряды наблюдений за годовым стоком СевероЗападной Африки 105 Приложение Б - Разностно-интегральные кривые 112 Приложение В - Листинг программы, интерполирующей значения осадков и температуры 130 Приложение Г - Прогнозные гидрологические характеристики, полученные по модели без аддитивных шумов 139 Приложение Д - Прогнозные гидрологические характеристики, полученные по модели с аддитивными шумами 145 Приложение Е - Прогнозные гидрологические характеристики, полученные по модели с мультипликативными шумами 151 Приложение Ж - Справка о внедрении

СОКРАЩЕНИЯ

ВМО - Всемирная метеорологическая организация; РИК - Разностно-интегральные кривые;

МГЭИК - Межправительственная группа экспертов по изменению климата;

МЦОА - Модели циркуляции атмосферы и океана; ПГ - парниковые газы

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Устойчивость моделей формирования многолетнего годового стока Северо-Западной Африки и долгосрочная оценка его статистических параметров при климатических изменениях"

В настоящее время практически все гидрометеорологи вынуждены согласится с инструментально фиксируемым фактом потепления климата (споры ведутся только о его причинах). В связи с этим возникает проблема, связанная с оценкой экономических и экологических последствий такого потепления. Эту проблему невозможно решить без знания долгосрочных оценок вероятностных характеристик многолетнего речного стока, в первую очередь- годового, являющегося индикатором обеспеченности водными ресурсами регионов интенсивного водопотребления. Методологии подобных оценок разработаны и успешно применяются для различных видов речного стока России. Однако попытка их применения для Африки успехом не увенчалась. Выяснилось, например, что решения системы уравнений для моментов, используемых в классе распределений К. Пирсона, неустойчивы (для России решения подобных моделей для годового стока неустойчивы в южных регионах). Позже выяснилось, что эта неустойчивость связана, в основном, с очень малыми коэффициентами стока. Была предпринята попытка расширения размерности моделей (фрактальная диагностика, сделанная для рядов годового стока доктором Куасси Би Гессан Арманом из Кот-Д'Ивуара в 2008 г.), но сами модели в силу ряда трудностей для Африки не получены до сих пор.

Однако в РГГМУ два года назад были найдены еще две возможности обеспечения устойчивости прогностических моделей:

- переход к условным распределениям (диссертация защищена Л.Ф. Соловьевым в 2009 г.) и

- переброс мультипликативных шумов (вызывающих неустойчивость) в аддитивное внешнее воздействие. Тем самым были созданы предпосылки для возможности устойчивого прогнозирования долгосрочных изменений годового стока Африки. Таким образом на текущий момент тема диссертации актуализирована не только очевидной «социальной потребностью», но и реальной возможностью эту потребность удовлетворить.

Решение задач диссертации основывается на методологии частично инфинитного моделирования, разработанной в РГГМУ. В основе применяемых методов прогнозирования и оценки устойчивости вероятностных распределений стока (начальных моментов) лежит модель линейного формирующего фильтра, прошедшая широкую апробацию на речных бассейнах России, Колумбии, Боливии, Камеруна, Китая, Никарагуа, Кот-Д'Ивуара.

Исходным материалом для проведения расчетов служат ряды гидрометеорологических элементов, опубликованные в изданиях Всемирной метеорологической организации, а также карты Мирового водного баланса.

Научная обоснованность и достоверность результатов работы основывается на использовании в качестве модели формирования годового стока широко апробированного в гидрологии за последние 20 лет уравнения Фоккера-Планка-Колмогорова (ФПК), приводящего в условиях стационарного случайного процесса к семейству кривых К. Пирсона, широко применяемых в инженерных расчетах. Также используются широко известные статистические оценки надежности промежуточных результатов и линейная теория устойчивости решения систем обыкновенных дифференциальных уравнений.

Заключение Диссертация по теме "Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия", Хамлили Абделатиф

Основные результаты диссертации опубликованы в работах [41, 42, 43, 44, 45,46].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Хамлили Абделатиф, Санкт-Петербург

1. Атлас мира Карты. / Под рек. Р. Хоузи.-Лондон-Нью-Йорк-Монреаль-М.: Ридерз Дайджест, 2002.-581 с.

2. Атлас Мирового водного баланса Карты. / Сост. Сотруд. ГГИ.-М.: Гидрометеоиздат, 1974 с.

3. Владимиров, A.M. Гидрологические расчеты Текст. / A.M. Владимиров.-Л.: Гидрометеоиздат, 1990 368 с.

4. Владимиров, A.M. Сборник задач и упражнений Текст. / A.M. Влади-миров.-СПб.: изд. РГГМУ, 2000.-С.70.

5. Власова, Т.В. Физическая география материков, часть вторая Текст. / Т.В. Власов.-М.: Просвещение, 1986.-272 с.

6. Громова, М.Н. Методика долгосрочных оценок характеристик группировок минимального стока в современных условиях и при изменении климата Текст.: Дис. . канд. техн. наук: 25.00.27: защищена 19.06.2008 / Громова Марина Николаевна.-СПб.: РГГМУ, 2008.-155 с.

7. Коваленко, В.В. Частично инфинитное моделирование и прогнозирование процессов развития Текст. / В.В. Коваленко-СПб.: изд. РГГМУ, 1998-113 с.

8. Коваленко, В.В. Частично инфинитное моделирование и прогнозирование процесса формирования речного стока Текст. /В.В. Коваленко-СПб.: изд. РГГМУ, 2004.-198 с.

9. Коваленко, В.В. Частично инфинитное моделирование: примеры, основания, парадоксы Текст. / В.В. Коваленко-СПб.: Политехника, 2005.-486 с.

10. Коваленко, В.В. Частично инфинитный механизм турбулизации природных и социальных процессов Текст. / В.В. Коваленко.-СПб.: изд. РГГМУ, 2006.-166 с.

11. Коваленко, В.В. Моделирование гидрологических процессов Текст.: учебник.-Изд. 2-е, испр. и доп. / В.В. Коваленко, Н.В. Викторова, Е.В. Гайду-кова.-СПб.: Изд. РГГМУ, 2006.-559 с.

12. Коваленко, В. В. Гидрологическое обеспечение надежности строительных проектов при изменении климата Текст. / В.В. Коваленко.-СПб.: изд. РГГМУ, 2009.-100 с.

13. Методические рекомендации по оценке обеспеченных расходов проектируемых гидротехнических сооружений при неустановившемся климате Текст. / Под ред. В.В. Коваленко. СПб.: изд. РГГМУ, 2010.-50 с.

14. Куасси, Б.Г.А. Фрактальная диагностика годового стока Западной Африки Текст.: Дис. . канд. техн. наук: 25.00.27: защищена 19.06.2008 / Куасси Би Гессан Арман.-СПб.: РГГМУ, 2008.-142 с.

15. Мандельброт, Б. Фрактальная геометрия природа Текст. / Б. Ман-дельброт.-Ижевск: РХД, 2001.-253 с.

16. Расходы воды избранных рек мира Текст. / Под ред. ЮНЕСКО.-СПб., Париж: Гидрометеоиздат, 1993.-600 с.-( Изд. в 1993 для ЮНЕСКО).

17. Сикан, А. В. Статистические методы обработки гидрологической информации Текст. / СПб.: изд. РГГМУ, 2007.-279 с.

18. Чеботарев, А.И. Общая гидрология Текст. / А.И. Чеботарев.-Л: Гидрометеоиздат, 1975.-544 с.

19. Шредер, М. Фракталы, хаос, степенные законы Текст. / М. Шредер.-М.-Ижевск: РХД, 2005-528 с.

20. Энциклопедический справочник. T.l, А-К. Текст. / Гл. ред. А.А. Гро-мыко.-М.: Советская энциклопедия, 1986.-672 с.

21. Benoit, H., Cécile, P., Andre, M. Hydrologie: Tome 2,Une Science pour l'ingénieur Text. / H. Benoit, P. Cécile, M. Andre // Presses Polytechniques et universitaires Romandes,2009-618c.

22. François, A., Jean, R., Lauzon, N. Hydologie ¡Cheminements de l'eau Text. / A. François, R. Jean, N. Lauzon.-2007.-317 c.

23. Julien, F. Maîtrise de l'eau et développement durable en Afrique de l'ouest: de la néces-sité d'une coopération régionale autour des systèmes hydrologiques transfrontaliers Text. / F. Julien.-ACCEUIL/VertigO, VOLUME 7, Numéro 2, Art., 2006.

24. Оценочный доклад об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации / Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды Электронный ресурс. / Росгидромет, М., 2008. Режим доступа: http://climate2008.igce.ru

25. Сибирский государственный технологический университет Электронный ресурс.: СГТУ, 2010. Режим доступа: http://forest-culture.narod.ru

26. Milloy, S. Life support for Kyoto plus2015 impossible dream Электронный ресурс. / JunkSciences Anatomy, USA, 2011. Режим доступа: http ://j unkscience. com

27. Fiddman, T. Climate Policy-Intgrated Assessment Models Электронный ресурс. / Models used in the IPCC Special Repport on Emissions Scenarios (SRES), 2003. Режим доступа: http://sres.ciesin.org

28. Environmental Knowledge for Change / Climate change global processes and effects Электронный ресурс. / UNEP,GRID arendal, 2009. Режим доступа: http://www.grida.no

29. Intergovernmental panel on climate change / IPCC Workshop on Sea Level Rise and Ice Sheet Instabilities Электронный ресурс. / Data Distribution centre. Режим доступа: http://www.ipcc-data.org

30. Modellen and Daten:World Data Centre for Climate (WDCC) Электронный ресурс. / Model and Data, Germany Режим доступа: http:// www.mad.zmaw.de

31. Beniston, M. Changements climatiques et impat / Presses Polytechniques et Universitaires Romandes Электронный ресурс. /Sciences et Ingenerie pour 1 envirenement, Suisse-2009 Режим доступа: http://www.ppur.org

32. UNESCO / Water / The right to water and water rights in changing world/ Электронный ресурс. UNESCO, Netherlands, 2010. Режим доступа: http://www.unesco.org/water/wwap/punnurie/2005

33. Microsoft Encarta premium 2006 Электронный ресурс. / Microsoft. Microsoft Corporation, 1993-2005. Режим доступа: http:// www.encarta.com.

34. Mustapha, T. Ressources en eau aquisition de bases de données à references spatiale et temporelle en Algerie du nord-thèse de doctorat detat Text. / T. Mustapha- Université de Nice-Sophia Antipolis, 2001.-300 c.

35. Meylan, P. Hydrologie Text. / P. Meylan, A. Favre, A. Musy-Fréquentielle.Presses Polytechniques et Universitaires Romandes, 2008.-184 c.

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

37. Special Report on Emissions Scenarios Электронный ресурс.: IPCC, 2010. Режим доступа: http://sres.ciesin.org

38. Коваленко, В.В. Прогностические модели развития процессов катастрофического формирования многолетнего годового речного стока Текст. / В.В. Коваленко, Е.В. Гайдукова, Д.В. Чистяков, А. Хамлили // Метеорология и гидрология, № 10, 2010.-С. 64-70.