Чувствительность критериев оптимальной плотности режимной гидрологической сети к климатическим изменениям: На примере минимального стока бассейна р. Оби тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.27, кандидат технических наук Гайдукова, Екатерина Владимировна

• Гайдукова, Екатерина Владимировна
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат 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 диссертации (часть автореферата) на тему «Чувствительность критериев оптимальной плотности режимной гидрологической сети к климатическим изменениям: На примере минимального стока бассейна р. Оби»

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 диссертации 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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Гайдукова, Екатерина Владимировна, 2004 год

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.