Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Устойчивость вероятностных характеристик годового стока к антропогенным воздействиям

ВАК РФ 11.00.07, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата технических наук, Хаустов, Виталий Александрович, Санкт-Петербург



МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

(РГТМУ)

На правах рукописи

Хаустов Виталий Александрович

УДК 556.048

УСТОЙЧИВОСТЬ ВЕРОЯТНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГОДОВОГО СТОКА К АНТРОПОГЕННЫМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ

11.00.07 - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор В. В. Коваленко

Санкт-Петербург 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...........................................................................5

1. МНОГОЛЕТНЯЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ КЛИМАТА И РЕЧНОГО СТОКА ЕВРОПЕЙСКОЙ РОССИИ ........................................................11

1.1. Характеристики климата и режима речного стока ЕТР и стран СНГ.....11

1.1.1. Карелия...............................................................................11

1.1.2. Северо-Запад ЕТР...................................................................14

1.1.3. Донской район......................................................................15

1.1.4. Верхне-Волжский район.........................................................17

1.1.5. Средний Урал й Приуралье......................................................18

1.1.6. Нижнее Поволжье и Западный Казахстан....................................19

1.1.7. Среднее и Нижнее Поднепровье ................................................21

1.1.8. Латвия................................................................................22

1.2. Выявленные тенденции изменения климата.................................23

1.2.1. Факторы, определяющие климат................................................23

1.2.2. Причины изменения климата....................................................24

1.3. Существующие методы моделирования влияния колебаний климата

на сток и постановка задачи......................................................25

1.3.1. Умеренные изменения климата.................................................27

1.3.2. Моделирование влияния колебаний климата на сток.......................27

1.3.3. Постановка задачи .................................................................28

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ФОРМИРОВАНИЯ РЕЧНОГО СТОКА ............................................................................... 31

2.1. Динамические закономерности склонового стока и пространственно-временное осреднение модели..............................................31

2.2. Стохастическая модель формирования речного стока.....................34

2.3. Уравнение Фоккера-Планка-Колмогорова (ФПК)..........................37

2.4. Моделирование годового стока..................................................39

3. УЧЕТ ВЛИЯНИЯ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ И ФАКТОРОВ ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ НА ПАРАМЕТРЫ СТОХАСТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ФОРМИРОВАНИЯ СТОКА.................42

3.1. Исходные данные для перекрестных прогнозов параметров годового стока..................................................................................42

3.2. Чувствительность коэффициента стока к изменению климата и хозяйственной деятельности.....................................................50

3.3. Результаты перекрестных прогнозов стока...................................61

4. ОЦЕНКА ОЖИДАЕМЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ГОДОВОГО СТОКА НА ОСНОВЕ СТОХАСТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ, УЧИТЫВАЮЩЕЙ РАЗЛИЧНЫЕ ФАКТОРЫ ЕГО ФОРМИРОВАНИЯ.......................72

4.1. Варианты прогноза годового стока и исходные данные...................72

4.2. Результаты картирования ожидаемых изменений годового стока......74

4.3. Чувствительность прогнозных гидрологических карт к погрешностям исходной информации............................................................81

5. КРИТЕРИИ УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ АНТРОПОГЕННЫХ ИЗМЕНЕНИЯХ...............84

5.1. Уравнения для моментов.........................................................84

5.2. Критерии устойчивости гидрологических процессов ......................89

5.3. Картирование зон неустойчивости годового стока.........................92

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................................................96

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................................................98

ПРИЛОЖЕНИЯ....................................................................................... 105

1. Оценка рядов стока Карелии и Северо-Запада ЕТР на однородность................................................................. 105

2. Оценка рядов стока ЕТР на однородность.............................. 112

3. Оценка рядов стока Среднего и Нижнего Поднепровья на однородность..................................................................115

4. Оценка рядов стока Латвии на однородность...........................119

5. Статистические параметры рядов стока по отдельным периодам

для Северо-Запада ЕТР .......................................................121

6. Статистические параметры рядов стока по отдельным периодам

для ЕТР.......................................................................... 127

7. Статистические параметры рядов стока по отдельным периодам

для Среднего и Нижнего Поднепровья...................................129

8. Статистические параметры рядов стока по отдельным периодам

для Латвии......................................................................132

9. Оправдываемость поверочных прогнозов по критерию Колмогорова для Карелии и Северо-Запада ЕТР......................135

10. Оправдываемость поверочных прогнозов по критерию Колмогорова для ЕТР........................................................139

11. Оправдываемость поверочных прогнозов по критерию Колмогорова для Среднего и Нижнего Поднепровья................. 141

12. Оправдываемость поверочных прогнозов по критерию Колмогорова для Латвии ....................................................143

13. Программа для оценки рядов стока на однородность и расчета статистических характеристик.............................................145

14. Программа численного решения уравнения ФПК.....................149

15. Программа для анализа согласия кривых обеспеченности..........151

16. Справка о внедрении результатов исследования......................155

ВВЕДЕНИЕ

Глобальный климат медленно менялся на протяжении тысячелетий, веков и десятилетий, будет меняться и впредь. Используя условия благоприятного климата, человечество также страдает от его изменений и колебаний, от наступления таких экстремальных явлений, как засухи и наводнения. Даже обычные климатические вариации имеют большое значение для деятельности человека.

Климат и далее будет колебаться и изменяться в силу естественных причин. Медленное похолодание, отмечавшееся в ряде областей северного полушария в последние несколько десятков лет, ничем не отличается от других случаев естественного похолодания, имевших место в прошлом /1, 2, 3/.

В ходе научных исследований выясняются многие важные особенности изменения климата в прошлом /4/ и создается основа для его прогнозирования в будущем. Причины колебаний климата становятся все более понятными, но многие из них познаны не до конца, не ясна их сравнительная значимость.

Тем не менее, можно с достаточной уверенностью утверждать, что сжигание ископаемого топлива, сведение лесов и изменения в землепользовании привели к возрастанию концентрации двуокиси углерода примерно на 15 % за последнее столетие при среднегодовом увеличении в настоящее время порядка 0.4 %. Вероятно, эта тенденция сохранится и в будущем. Двуокись углерода является чрезвычайно важным фактором, определяющим температуру атмосферы Земли, и не исключено, что в результате увеличения её содержания в атмосфере происходит постепенное потепление ее нижних слоев, особенно в высоких широтах. Изменения, вероятно, происходят в распределении температуры, осадков и других метеорологических параметров, но нарисовать детальную их картину пока не представляется возможным /5, 6/.

В связи с ожидаемыми антропогенными изменениями климата встает задача оценки возможных гидрологических последствий. Одним из вариантов ее решения является использование стохастической модели формирования годового стока в виде уравнения Фоккера-Планка-Колмогорова (ФПК) при оп-

ределенной его модернизации. До последнего времени эта модель использовалась при ряде допущений, сужающих область ее применения /7, 8/.

Допускалось, что свойства речных бассейнов и характер влияния на сток метеорологических факторов (температуры воздуха и осадков) в текущих и измененных климатических условиях не будут изменяться. В науке подобные предположения о постоянстве параметров модели при изменении внешних воздействий связывают с гипотезой квазистацинарности. Делались попытки «разморозить» параметры модели в новых климатических условиях /9/. Однако подобные исследования проводились только для Северо-Запада ЕТР /10/.

Более чем десятилетний опыт применения стохастической модели формирования годового стока для оценки гидрологических последствий изменения климата показал, что примерно в 35 % случаев гипотеза квазистационарности не оправдывается. Поэтому попытка «разморозить» параметры прогностической модели за счет учета не только метеорологических факторов, но и факторов подстилающей поверхности на ЕТР и европейских странах СНГ (рис. В.1) представляется достаточно оправданной и актуальной.

Целью работы является: 1) разработка методики учета метеорологических факторов (нормы осадков) и факторов подстилающей поверхности (зале-сенности и распаханности) в стохастической модели формирования годового стока; 2) апробация ее для заданных регионов СНГ; 3) прогноз гидрологической ситуации в виде карт параметров годового стока на 2020 г.; 4) оценка чувствительности гидрологического режима к антропогенным воздействиям на основе критериев устойчивости вероятностных моментов распределения стока.

Для достижения этой цели были решены следующие задачи:

- собраны и статистически обработаны данные об осадках и речном стоке на 344 метеорологических и 347 гидрологических станциях за период 30 - 40 лет;

- построены различные варианты регрессионных зависимостей коэффициента стока от осадков, залесенности и распаханности, которые были ис-

Схема регионов, по которым проводились исследования

1. Карелия и Северо-Запад ЕТР;

2. Донской район;

3. Верхне-Волжский район;

4. Средний Урал и Приуралье;

5. Нижнее Поволжье и Западный Казахстан;

6. Среднее и Нижнее Поднепровье;

7. Латвия.

Рис. В.1

пользованы в поверочных прогнозах (на независимом материале) на основе модели ФПК в качестве зависимостей, «размораживающих» параметры модели;

- выполнена параметризация стохастической модели формирования годового стока на рассматриваемых территориях с плотностью 1 узел на 2° по долготе и широте (всего 156 узлов) по фактическому гидрометеорологическому режиму;

- выполнены перекрестные прогнозы вероятностных характеристик годового стока на независимом ретроспективном материале для всех рассматриваемых территорий (190 станций) для различной степени «замороженности» коэффициентов прогнозной модели (постоянные, полученные при параметризации модели; фактические, полученные прямым расчетом по данным наблюдений; переменные, значения которых получаются из уравнений регрессии);

- для 1, 5 и 10%-го уровней значимости с использованием критерия согласия Колмогорова выполнено сравнение фактических и прогнозных кривых обеспеченностей (полученных в качестве решения стохастической модели годового стока), что позволило сделать выводы о целесообразности размораживания параметров модели для рассматриваемых регионов СНГ;

- для одного из «официальных» сценариев изменения климата (повышение температуры воздуха Северного полушария на 2°С) по разработанной методике выполнены прогнозы вероятностных характеристик годового стока (норма, коэффициенты вариации и асимметрии) на второе десятилетие XXI в. для ЕТР и европейских стран СНГ при постоянных и переменных параметрах модели; построены прогнозные карты изолиний этих характеристик и их аномалий (отклонений от текущих значений), что позволяет оценивать чувствительность производственных функций отраслей национального хозяйства России, использующих характеристики годового стока, к его вариациям, связанных с принятием или непринятием гипотезы квазистационарности;

- получены критерии устойчивости решений дифференциальных уравнений для начальных моментов, на основе которых закартированы зоны существующих и ожидаемых аномалий (неустойчивостей) нормы, коэффициентов вариации и асимметрии годового стока территории СНГ.

В ходе проведенного в диссертации исследования были получены следующие основные результаты:

1. Разработана методика учета влияния антропогенных факторов на параметры стохастической модели формирования годового стока, достоверность которой обоснована поверочными прогнозами кривых обеспеченности для ЕТ бывшего СССР.

2. Получены прогнозные карты статистических характеристик годового стока ЕТ Союза с учетом и без учета влияния антропогенных воздействий на свойства подстилающей поверхности на основе разработанной в диссертации методики.

3. Установлена невозможность, при существующей базе гидрометеорологических данных в предложенных предметных областях, ограниченных используемой моделью формирования речного стока, получения универсальных территориальных зависимостей, позволяющих статистически надежно количественно учитывать влияние на годовой сток одновременно климатических факторов и факторов подстилающей поверхности.

4. Разработана методика оценки устойчивости вероятностных характеристик годового стока к антропогенным воздействиям, на основе которой выполнено картирование территории СССР по степени устойчивости в условиях текущего и измененного климата.

Практическая значимость результатов заключается в повышении надежности вероятностных оценок гидрологических последствий антропогенного изменения климата за счет учета влияния климатических факторов и факторов хозяйственной деятельности на водосборах на параметры модели формирования стока. Это делает более обоснованным исследование чувствитель-

ности производственных функций отраслей национального хозяйства к колебаниям климата для обеспечения их устойчивости к последним.

Работа выполнялась в рамках межвузовской научной программы «Гидромет 2000», частично финансировалась Госкомитетом РФ по высшему образованию (гранты 95-0-12.1-8 и М97-2.5К-585) и стипендией РАН, ее результаты внедрены в учебный процесс (специальность 012700 - гидрология).

Основные положения диссертации докладывались на научных семинарах кафедры гидрофизики и гидропрогнозов и итоговых сессиях ученого совета РГГМУ в 1994 - 1999 гг.; на Международном симпозиуме «Методы охраны атмосферы и водной среды. Регулирование и долгосрочное планирование природоохранных мероприятий» (СПб, 1994 г.); на Международном симпозиуме «Расчеты речного стока при проектировании» (СПб, 1995 г.); на Первой Международной конференции студентов и аспирантов «Современные аспекты гидроаэродинамики - 98» (СПб, 1998 г.); на научно-практической конференции аспирантов и молодых ученых РАН и высшей школы «Социально-экономическое развитие и экологическая безопасность регионов России (на примере Северо-Запада)» (СПб, 1998); на Международной конференции «Stochastic models of hydrological processes and their applications to problems of environmental preservation» (Москва, 1998 г.); на кафедре гидрологии суши Санкт-Петербургского государственного университета (1999 г.).

По теме диссертации опубликовано 12 работ.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, содержащего 75 источников, 16 приложений. Работа изложена на 155 страницах текста, включая 15 рисунков и 20 таблиц.

1. МНОГОЛЕТНЯЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ КЛИМАТА И РЕЧНОГО СТОКА

ЕВРОПЕЙСКОЙ РОССИИ

1.1. Характеристики климата и режима речного стока ЕТР и стран СНГ

Для решения поставленной задачи в данной главе рассмотрены основные характеристики климата и режима речного стока исследуемых регионов, представленных на рис. В.1 (норма, коэффициенты вариации Су и асимметрии С5). Приводится их современное пространственное распределение. Исследованы факторы, влияющие на режим стока рассматриваемой территории; сформулированы решаемые задачи.

1.1.1. Карелия

Осадки

Территория Карелии и Северо-Запада относится к зоне избыточного увлажнения. Это объясняется сравнительно небольшим приходом тепла и хоро-

\> о

шо развитой здесь циклоническои деятельностью, которая активно проявляется во все сезоны года. На распределение осадков большое влияние оказывают орографические особенности местности и подстилающая поверхность, ведущие к нарушению плавного характера изменения осадков /11/.

В среднем в год на большей части рассматриваемых районов выпадает 550-750 мм осадков. Годовое количество их в Карелии возрастает в направлении с севера на юг, а на территории Северо-Запада — в направлении с юго-запада на северо-восток.

Уменьшение количества осадков отмечается также на обширной территории, расположенной к югу от Псковского озера и у оз. Ильмень. Здесь, за исключением Судомской и Бежаницкой возвышенностей, за год выпадает менее 700 мм осадков; особенно мало их, менее 650 мм, в нижнем течении р. Великой.

Максимум годовых осадков отмечается в южной части Карелии (700750 мм), а на территории Северо-Запада - на наветренных склонах Валдайской возвышенности (800-900 мм). В некоторых районах Валдайской

возвышенности (800-900 мм). В некоторых районах Валдайской возвышенности годовые суммы осадков превышают 900 мм: например, на Шереховецких высотах (Каменка - 909 мм), в районе горы Рыжухи (Заборовье - 922 мм), а также на оз. Селигер (Полново - 901 мм).

Норма и изменчивость годового стока

Осадки, максимальные запасы воды в снеге и температура