Повышение устойчивости вероятностных распределений многолетнего годового стока при прогнозировании долгосрочных его изменений: на примере Европейской территории России тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.27, кандидат технических наук Соловьев, Филипп Леонидович

• Соловьев, Филипп Леонидович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Соловьев, Филипп Леонидович

Сокращения

Введение

1 Анализ возникновения онтологического тупика в стохастической гидрологии и постановка задач диссертации

1.1 Нормативные методы оценки обеспеченных расходов воды

1.2 Неустойчивость процесса формирования многолетнего речного стока

1.3 Преодоление неустойчивости методами частично инфинитной гидрологии

1.4 Цели и задачи исследования

2 Формирование рядов годового многолетнего испарения и построение карт его статистических характеристик

2.1 Метод А. Р. Константинова определения испарения по метеонаблюдениям

2.2 Генерирование рядов испарения для ЕТР

2.3 Карты распределения по ЕТР статистических характеристик

3 Устойчивость формирования годового многолетнего стока и испарения на ЕТР

3.1 Критерий устойчивости и его оценка для рядов стока и испарения

3.2 Карты распределения рд и на ЕТР и их сравнительная оценка

3.3 Визуальное подтверждение справедливости карт зон неустойчивости для [3^

4 Сравнительная оценка обеспеченных значений расходов воды, вычисленных и спрогнозированных по различным кривым обеспеченности и моделям в зонах устойчивого и неустойчивого формирования стока

4.1 Методика вычислений

4.2 Оценка обеспеченных значений расходов воды по фактическим данным

4.3 Прогноз (сценарная оценка) долгосрочных изменений годового стока бассейна р. Невы и Пермского края

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение устойчивости вероятностных распределений многолетнего годового стока при прогнозировании долгосрочных его изменений: на примере Европейской территории России»

Актуальность темы

На протяжении многих лет гидрологи уделяют серьезное внимание способам оценивания возможных тенденций изменения вероятностного режима многолетнего годового стока под воздействием климатических вариаций и хозяйственной деятельности. Характеристики годового стока и его многолетних колебаний широко используются в народном хозяйстве и являются важнейшими и наиболее устойчивыми, среди характеристик других видов многолетнего стока, индикаторами обеспеченности водными ресурсами регионов интенсивного водопотребления. В последние десятилетия, однако, получены результаты, указывающие на то, что статистические моменты вероятностных распределений годового стока (как и других его видов) могут быть неустойчивыми. При этом имеется в виду не неустойчивость их оценок из-за ограниченности рядов наблюдений, а физическая (генетическая) неустойчивость формирования вероятностного режима. Диссертация направлена на поиск путей получения моделей стока, позволяющих надежно прогнозировать статистически неустойчивые его изменения как из-за антропогенной деятельности на водосборах, так и за счет колебаний климата вне зависимости от того какими факторами (антропогенными или природными) они вызываются. Однако в любом случае сам климатический сценарий предполагается задаваемым как внешнее воздействие на водосборы. Имея устойчивый и надежный прогноз (сценарную оценку) вероятностных распределений годового стока, можно обеспечивать оптимальное стратегическое управление водоза-висимыми отраслями экономики, уменьшив степень неопределенности принимаемых решений и снизив возможные риски до значений, получаемых при обоснованно выбираемых климатических сценариях.

Методика исследований и исходный материал

Решение перечисленных задач проводилось численными методами на основе статистической обработки исходной гидрометеорологической информации как коммерческими программами (Excel и Statistica), так и авторскими программами в визуальной среде Borland С++ Builder.

Долгосрочные оценки вероятностных характеристик годового стока осуществлялись при помощи математического моделирования на основе конечномерной аппроксимации уравнения Фоккера-Планка-Колмогорова (ФПК). Для построения карт использовались программы Surfer, Maplnfo, Arc View.

Научная обоснованность и достоверность положений и выводов подтверждается статистическими оценками промежуточных результатов, а также использованием теории марковских случайных процессов, приводящих к уравнению Пирсона, описывающему стационарные процессы формирования стока.

Научная новизна и практическая значимость

В ходе проведенного исследования были получены следующие основные результаты: а) сформирована локальная база данных, включающая первичную гидрометеорологическую информацию (годовой сток, приземная температура воздуха, влажность) по 313 пунктам наблюдения на ЕТР (83 речных водосбора), а также результаты ее статистической обработки, представленные рядами среднегодового испарения, нормой, коэффициентами вариации, асимметрии и автокорреляции для многолетних рядов стока и испарения по всем использованным сетевым наблюдениям; б) построены карты распределения по ЕТР нормы годового испарения и его коэффициентов вариации (последние впервые), и выявлены некоторые отличия первых от аналогичных карт, построенных, методами водного баланса, связанные с эффектом детектирования почво-грунтовой емкости бассейна; в) выполнена численная оценка критериев устойчивости формирования многолетнего годового стока и испарения (последнее впервые) на ЕТР; проведено их картирование и установлено, что устойчивость начальных моментов распределений плотности вероятности испарения понижается с юго-запада на северо-восток (в отличии от расхода, для которого устойчивость понижается с севера-востока на юго-запад). Тем самым выявлен компенсационный механизм, обеспечивающий устойчивость двумерных совместных вероятностных распределений стока и испарения; г) разработана методика использования двумерных вероятностных распределений стока и испарения для обеспечения устойчивости прогнозирования долгосрочных изменений малообеспеченных значений расходов, используемых в строительном проектировании; д) проведена апробация разработанной методики повышения устойчивости вероятностных распределений при оценке долгосрочных изменений многолетнего годового стока в бассейне р. Невы и в Пермском крае, получены прогнозные карты расчетных характеристик стока и выполнено их сравнение с подобными картами, полученными по уже известной методологии, основанной на стохастической модели с мультипликативными шумами.

Практическое применение результатов диссертации определяется возможностью надежно (устойчиво) оценивать гидрологические последствия изменения климата в тех регионах, где формирование многолетнего годового стока происходит неустойчиво по начальным моментам вероятностного распределения.

Работа выполнялась в рамках госбюджетной темы кафедры гидрофизики и гидропрогнозов РГГМУ «Частично инфинитный механизм в моделировании и прогнозировании гидрологических катастроф» № госрегистрации 01.2006 03264, а также темы «Создание диагностических и прогностических моделей развития процессов катастрофического формирования многолетнего речного стока», выполняемых по заданию Федерального агентства по образованию на проведение научных исследований (№ 2.1.1/3355).

Ее результаты внедрены в учебный процесс по специальности «Гидрология» - 07.32.00, а также использованы в Санкт-Петербургском филиале горного института Уральского отделения РАН для целей обеспечения гидроэкологической безопасности калийного производства Пермского края. Апробация работы

Основные положения диссертации докладывались на научных семинарах кафедры гидрофизики и гидропрогнозов, итоговых сессиях ученого Совета РГГМУ, в 2007, 2008, на конференциях «О-Мега форум» в рамках III международного полярного года РГГМУ (2008 г.), «Географическое образование и наука в России: история и современное состояние» СПбГУ, гидрометеорологическая секция (2008 г.), «Водный транспорт России: история и современность», ФГОУ ВПО СПГУВК (2009 г.).

По теме диссертации опубликовано 6 работ (три по списку ВАКа). Структура и объем работ

Диссертация состоит из введения; четырех глав; заключения; списка литературы, содержащего 43 источника; 7 приложений. Работа выполнена на 131 странице текста, включая 25 рисунков и 7 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия», Соловьев, Филипп Леонидович

Основные результаты диссертации опубликованы в работах [38, 39, 40, 41,42, 43].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Соловьев, Филипп Леонидович, 2009 год

1. Методические рекомендации по учету влияния хозяйственной деятельности на сток малых рек при гидрологических расчетах для водохозяйственного проектирования.-Л.: Гидрометеоиздат, 1966—168 с.

2. Методические указания по оценке влияния хозяйственной деятельности на сток средних и больших рек и восстановлению его характеристик—Л.: Гидрометеоиздат, 1986.-130с.

3. Определение основных расчетных гидрологических характеристик. СП 33-101-2003—М.: ФГУПЦПП, 2004.-70 с.

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

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

6. Петере, Э. Хаос и порядок на рынках капитала. Новый аналитический взгляд на циклы, цены и изменчивость рынка Текст.: [пер. с англ.] / Э. Петерс.-М.: Мир, 2000.-333 с.

7. Констанинов, А.Р. Методика расчета испарения с почвы, воды и снега по температуре и влажности воздуха, измеренным на сетевых метеорологических станциях Текст. / А.Р. Константинов //Труды ГГИ—1960.-Вып.81- С.55 59

8. Будыко, М.И. Испарение в естественных условиях Текст. / М.И. Будыко-Л.: Гидрометеоиздат, 1948.-136 с.

9. Константинов, А.Р. Испарение в природе Текст. / А.Р. Константинов — Л.: Гидрометеоиздат, 1968.-532 с.

10. Рекомендации по расчету испарения с поверхности суши—Л.: Гидрометеоиздат, 1976.-96 с.

11. Surfer 7.0 // Surface Mapping System 7.0 Electronic resource.: Golden Software Inc, 1997-2001 -URL: http://www.goldensoftware.com

12. Коваленко, В.В. Частично инфинитная гидрология Текст. / В.В. Коваленко .-СПб.: Изд. РГТМУ, 2007.-230 с.

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

14. Коваленко, В.В. Моделирование гидрологических процессов. Изд. 2-е, испр. и доп. Учебник. Текст. / В.В. Коваленко, Н.В. Викторова, Е.В. Гайдукова.-СПб.: Изд. РГГМУ, 2006.-559 с.

15. Коваленко, В.В. Гидрологическое обеспечение надежности строительных проектов при неустановившемся климате Текст. / В.В. Коваленко-СПб.: Изд. РГГМУ, 2009.-101 с.

16. Коваленко, В.В. Прогнозирование изменений фрактальной размерности многолетнего речного стока Текст. / В.В. Коваленко, Е.В. Гайдукова, А.Б.Г. Куасси // Естественные и технические науки.—2007.— № 6.-С.139 147

17. Куасси, Б.Г.А. Фрактальная диагностика годового стока Западной Африки Текст.: дис. . канд. тех. наук: 25.00.27.- защищена 19.06.08 / Куасси Би Гессан Арман.-СПб., 2008.-142 с.

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

19. Туричин, A.M. Электрические измерения неэлектрических величин Текст. / A.M. Туричин и др.-Л.: Энергия, 1975.-576 с.

20. Владимиров, A.M. Сборник задач и упражнений Текст. /A.M. Владимиров и др.-СПб.: Изд. РГГМУ, 2000.-70 с.

21. Коваленко, В.В. Частично инфинитная гидрология Текст. /B.В. Коваленко.-СПб.: Изд. РГГМУ, 2007.-230 с.

22. Пространственно-временные колебания стока рек СССР Текст. / Под ред. А. В. Рождественского-Л.: Гидрометеоиздат, 1988.-376 с.

23. Новицкий, П.В. Оценка погрешностей результатов измерений Текст. / П.В. Новицкий, И.А. Зограф.—JL: Энергоатомиздат, 1991 -303 с.

24. Дружинин, B.C. Методы статистической обработки гидрометеорологической информации. Учебное пособие Текст. / B.C. Дружинин, A.B. Сикан.-СПб.: Изд. РГГМУ, 2001.-170 с.

25. Митропольский, А.К. Техника статистических вычислений Текст. /A.К. Митропольский.-М.: Наука, 1971.-376 с.

26. Клибашев, К.П. Гидрологические расчеты. Учебное пособие Текст. / К.П. Клибашев, И.Ф. Горошков-JL: Гидрометеоиздат, 1970.-460 с.

27. Коваленко, В.В. Нелинейные аспекты частично инфинитного моделирования в эволюционной гидрометеоэкологии Текст. / В.В. Коваленко— СПб.: Изд. РГГМУ, 2002.-158 с.

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

29. Метеорологический ежемесячник: справочник Текст.: №13. Вып 17, 18, 20, 21.-Омск: Гидрометеоиздат, 1980.

30. Методы статистической обработки гидрометеорологической информации. Учебник. Текст.: Специальность «Гидрология» направления подготовки «Гидрометеорология».-СПб.: Изд. РГГМУ. 2007.-279 с.

31. Ресурсы поверхностных вод Текст.: Монография. Т. 11. Казахстан.-Алма-Ата: Гидрометеоиздат, 1980.-320 с.

32. The IPCC Assessment Reports // Electronic resource.: IPCC, 2009 URL: http://www.ipcc.ch

33. Отчет Всемирной Метеорологической Организации о состоянии и изменении климата Земли // Приложения ежемесячного Бюллетеня ВМО Электронный ресурс.: Всерос. науч.-исслед. ин-т гидромет. инфор.-Обнинск: ВНИИГМИ-МЦД, 2004-Режим доступа: http://www.meteo.ru

34. Мелешко, В.П. Изменения Климата в России в XXI веке Текст. / В .П. Мелешко, В.М. Катцов и др.-М.: Наука, 2006.-С.174 213

35. Израэль, Ю.А. Исследования влияния изменения климата Текст. / Ю.А. Израэль // Метеорология и гидрология.-1991.-№ 4.-С.29 38

36. Шикломанов, И.А. Влияние изменения климата на гидрологию и водное хозяйство Текст. / И.А. Шикломанов, Г. Линз // Метеорология и гидрология -1991 —№ 4.-С.51 66

37. Лесничий, Л.И. Прогнозы речного стока и их использование при оценке экологического состояния водных объектов Текст. Л.И. Лесничий, Ф.Л. Соловьев и др. // Водный транспорт России: история и современность — СПб.: ФГОУ ВПО СПГУВК, 2009.-С.196 200