Учет метеорологических факторов в стохастической модели формирования годового стока тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 11.00.07, кандидат технических наук Пивоварова, Инна Ивановна

• Пивоварова, Инна Ивановна
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Пивоварова, Инна Ивановна

ВВЕДЕНИЕ.

1. КЛИМАТ И ГИДРОЛОГИЯ СЕВЕРО-ЗАПАДА РОССИИ, КРАТКОЕ ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ РЕГИОНОВ.

1.1. Рельеф.

1.2. Режим осадков.

1.3. Температурный режим.

1.4. Почвенный покров.

1.5. Растительность.

1.6. Общие сведения о гидрографической сети.

1.7. Краткие сведения о регионе исследований на Украине.

2. МНОГОЛЕТНЯЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ КЛИМАТА И РЕЧНОГО СТОКА

2.1. Тенденции изменения климата, выявленные с помощью математического моделирования и инструментальных наблюдений.

2.2. Существующие исследования в области многолетних изменений речного стока и постановка задачи.

3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ФОРМИРОВАНИЯ РЕЧНОГО СТОКА

3.1. Динамическая модель формирования речного стока

3.2. Стохастическое обобщение динамической модели (уравнение Фоккера-Планка-Колмогорова (ФПК)).

3.3. Упрощенная модель для первых моментов распределения плотности вероятности

3.4. Стохастическая модель формирования речного стока.

4. УЧЕТ ВЛИЯНИЯ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ПАРАМЕТРЫ СТОХАСТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ФОРМИРОВАНИЯ ГОДОВОГО СТОКА.

4.1. Перекрестные прогнозы гидрологического режима.

4.1.1. Исходные данные для стохастической модели формирования стока.

4.1.2. Анализ однородности рядов стока.

4.1.3. Варианты поверочных прогнозов.

4.2. Перекрестные прогнозы при постоянном коэффициенте стока.

4.2.1. Применение критерия Колмогорова для анализа согласия прогнозных и фактических кривых обеспеченности.

4.2.2. Оправдываемость перекрестных прогнозов при постоянном коэффициенте стока.

4.3. Чувствительность среднего многолетнего коэффициента стока замкнутых водосборов к изменению климата.

4.4. Уточнение региональных прогнозов для территории Северо-Запада ЕТР.

4.4.1. Уравнения связи коэффициента стока с характеристиками климата.

4.4.2. Оправдываемость перекрестных прогнозов при переменном коэффициенте стока для территории Северо-Запада ЕТР.

4.5. О возможности учета дисперсии осадков в стохастической модели стока.

5. ОЦЕНКА ОЖИДАЕМЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ГОДОВОГО СТОКА НА ОСНОВЕ СТОХАСТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ, УЧИТЫВАЮЩЕЙ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Учет метеорологических факторов в стохастической модели формирования годового стока»

В настоящее время исследователями установлено, что за последние сто лет средняя температура приземного слоя воздуха повысилась приблизительно на 0.5° С. Этот вывод вперывые сформулированный советскими специалистами М. И. Будыко /1,2/, К. Я. Винниковым /3/ и др., получил подтверждение в работах ведущих американских климатологов, таких как Джонс и Хансон. Ученые пришли к заключению, что рост средней температуры воздуха - результат антропогенного увеличения содержания углекислого газа в атмосфере.

Так как потепление атмосферы происходит неравномерно по долготе и широте, то возникают дополнительные температурные градиенты, которые приводят к изменению характера циркуляции атмосферы, а следовательно, к изменению поля атмосферных осадков и остальных элементов гидрологического цикла.

В связи с ожидаемыми антропогенными изменениями климата встает задача оценки возможных гидрологических последствий. Наиболее перспективным путем ее решения является использование стохастической модели формирования годового стока, получаемой на основе модернизации известного в науке уравнения Фоккера-Планка-Колмогорова (ФПК). Однако до настоящего времени эта модель использовалась при ряде допущений, сужающих область ее применения.

Считалось, например, что параметры модели (в частности такая важная характеристика как коэффициент стока) в новых климатических условиях не претерпят существенных изменений. Следовательно допускалось, что свойства речных бассейнов и характер влияния на сток метеорологических факторов (температуры воздуха и осадков) в текущих и измененных климатических условиях будут неизменными. В науке подобные предположения о постоянстве параметров модели при изменении внешних воздействий связывают с гипотезой квазистацинарности.

Более чем десятилетний опыт применения стохастической модели формирования годового стока для оценки гидрологических последствий изменения климата показал, что в 35% случаев эта гипотеза не оправдывается. Поэтому попытка «разморозить» параметры прогностической модели за счет учета метеорологических факторов представляется достаточно оправданной и актуальной.

Целью работы является разработка методики учета метеорологических факторов (нормы осадков и температуры) в стохастической модели формирования годового стока и апробация ее для заданных регионов СНГ.

Для достижения этой цели были решены следующие задачи:

- собраны и статистически обработаны данные об осадках, речном стоке и температуре воздуха на 281 гидрометеопостах Северо-Запада ЕТР и 76 - Украины за период 30 - 40 лет;

- построены различные варианты регрессионных зависимостей коэффициента стока от осадков и температуры воздуха для Северо-Запада ЕТР, которые были использованы 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 80 узлов) по фактическому гидрометеорологическому режиму;

- разработаны теоретические основы (подкрепленные экспериментальными данными по 161 пункту наблюдений за осадками) учета интенсивности климатических шумов, входящих в модель годового стока и порождаемых дисперсией осадков (причем предложенный способ годится даже в случае, если в климатическом сценарии отсутствует информация о предполагаемом характере изменения дисперсии);

- выполнены поверочные прогнозы вероятностных характеристик годового стока на независимом ретроспективном материале для Северо-Запада ЕТР и Украины (51 прогноз) 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 Северо-Запада ЕТР и Украины 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 неприятием гипотезы квазистационарности.

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

1. Разработана методика учета влияния нормы осадков и температуры на параметры стохастической модели формирования годового стока, достоверность которой обоснована поверочными прогнозами кривых обеспеченности для Северо-Запада ЕТР.

2. Предложен теоретически и экспериментально обоснованный способ учета в прогностической модели стока изменения климатического шума, связанного с дисперсией осадков, даже в случае отсутствия последней в климатическом сценарии.

3. Установлено, что на большую часть территории Украины распространяется действие гипотезы квазистацинарности: прогнозы годового стока оправдываются (по критерию Колмогорова) почти на 100% при постоянных параметрах стохастической модели формирования годового стока.

4. Получены прогнозные карты статистических характеристик годового стока рек Северо-Запада ЕТР и Украины при выполнении и невыполнении гипотезы квазистационарности на основе разработанной в диссертации методики.

Практическая значимость результатов заключается в повышении надежности вероятностных оценок гидрологических последствий антропогенного изменения климата за счет учета влияния нормы осадков и температуры на параметры модели, а также за счет учета возможных изменений климатического шума. Это делает более обоснованным исследование чувствительности 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 (грант 950-12.1-8), 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 - 1998 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 кафедре гидрологии суши Санкт-Петербургского государственного университета (1998 г.). По теме диссертации опубликовано 9 работ.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, содержащего 70 источников, пяти приложений. Работа изложена на 129 страницах текста, включая 13 рисунков и 13 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия», Пивоварова, Инна Ивановна

Основные результаты исследований сводятся к следующему:

1. Выявлены, проанализированы и статистически обработаны 243 ряда 40-летних наблюдений за гидрометеорологическим режимом. Это позволило разработать методику учета метеорологических факторов в стохастической модели формирования стока.

2. Получены статистически достоверные регрессионные зависимости коэффициента стока от нормы осадков и температуры для Северо-Запада ЕТР. Их использование позволило отказаться от гипотезы квазистационарности при прогнозировании вероятностных характеристик годового стока /64/.

3. Предложена методика учета влияния нормы осадков и температуры на параметры стохастической модели формирования годового стока. Ее достоверность обоснована 40 поверочными прогнозами кривых обеспеченности для Северо-Запада ЕТР и сравнением последних с фактическими кривыми обеспеченности на 1, 5 и 10 %-ном уровнях значимости по критерию Колмогорова /65/.

4. Предложен теоретически и экспериментально обоснованный способ учета в прогностической модели стока изменения климатического шума, связанного с дисперсией осадков, даже в случае отсутствия последней в климатическом сценарии (что обычно и бывает на практике) /66/.

5. Установлено, что критерий Колмогорова, основанный на учете максимального отклонения между прогнозной и фактической кривыми обеспеченности, нечувствителен (в рамках модели ФПК) к вариациям климатического шума и требуется применении интегральных критериев типа критерия сол гласия Пирсона % 1611.

6„ Проведенные поверочные прогнозы вероятностных характеристик годового стока на территории Украины показали почти 100%-ую оправдывае-мость при постоянных параметрах стохастической модели. Это указывает на то, что могут существовать регионы, для которых оказывается вполне приемлемой гипотеза квазистационарности /68/.

7. Выполнена параметризация стохастической модели формирования годового стока на Северо-Западе ЕТР и Украине с плотностью 1 узел на 2° по долготе и широте (всего 80 узлов) по фактическому гидрометеорологическому режиму /69/.

8. Построены прогнозные карты вероятностных характеристик годового стока рек Северо-Запада ЕТР (с учетом изменчивости параметров за счет метеорологических факторов) и для Украины (при принятии гипотезы квазистационарности) для климатического сценария, связанного с увеличением температуры на 2°С (2 десятилетие XXI в.). Эти карты позволяют оценивать чувствительность производственных функций отраслей национальных хозяйств России и Украины к возможным изменениям климата при различных вариантах использования стохастической модели формирования годового стока /70/.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Пивоварова, Инна Ивановна, 1998 год

1. Будыко М. И. Климат в прошлом и будущем. Л.: Гидрометеоиздат, 1980.-351 с.

2. Будыко М. И. Современные изменения климата. -Л.: Гидрометеоиздат, 1977. -47 с.

3. Винников К. Я. Чувствительность климата.-Л.: Гидрометеоиздат,1986.-224 с.

4. Ресурсы поверхностных вод СССР. Том 2. Карелия и Северо-Запад, Часть 1,2. -Л.: Гидрометеоиздат, 1972.-540 с.

5. Ресурсы поверхностных вод СССР. Том 6, вып. 2. -Л.: Гидрометеоиздат, 1972.-430 с.

6. Алибегова Ж. Д. Пространственно-временная структура полей жидких осадков. Л. Гидрометеоиздат, 1985.-230 с.

7. Швер Ц. А. Закономерности распределения осадков на континентах. -Л.: Гидрометеоиздат, 1984.-285 с.

8. Антропогенные изменения климата / Под ред. М. И. Будыко, Ю. А. Израэля. Л.: Гидрометиздат, 1987.-407 с.

9. Глобальный климат / Под ред. Дж. Т. Хотона. Л.: Гидрометеоиздат,1987.-502 с.

10. Кароль И. Л. Введение в динамику климата Земли. Л.: Гидрометеоиздат, 1988.-216 с.

11. Лосев К. С. Климат: вчера , сегодня . и завтра? Л.: Гидрометеоиздат, 1985.-175 с.

12. Монин А. С. Введение в теорию климата- Л.: Гидрометеоиздат, 1982.-246 с.

13. Валлен К. X. и др. Углекислый газ в атмосфере / Под ред. В. Ба-ха.-М.: Мир, 1987. -75с.

14. Будыко М. И. Проблема углекислого газа. -Л.: Гидрометеоиздат, 1979. -59 с.

15. Кондратьев К. Глобальный климат и проблема сокращения парниковых газов // Евразия: Экологический мониторинг. -1995. -№2. -С.11-14.

16. Modelling the climate response to astronomical and C02 forcastings / Berger A., Lontre M. -F. // C.r.Acad. sci. Ser.2 Fasc.a. -1996. -323, №1. -P.l-16.

17. Bull. Assoc. Geogr. Fr / Probl. Environ. Planet.: Simp. Environment et global change: Unerecherche pludisciplinaire, multiechelles et multimedia, Paris, 14 oct., 1995. -1996. -73, №4. -P.345-357.

18. Problems de l'environment planetaire // Bull. Assoc. Geogr.fr. -1996. -73, №4. -P.275-372.

19. Operational walidation and intercomparison of different types of hydro-logical models / Refsgaard J. C., Knudsen J. // Water resour. Res. -1996. -32, №7.-P.218-220.

20. Polar snow cover change and global warming / Ye H., Mather J. // Int. J. Climatol.-1997.-17, №2.-C. 155-162.

21. Марчук Г. И. Моделирование изменений климата и проблема долгосрочного прогноза погоды // Метеорология и гидрология, 1979, №7, С.26-36.

22. Афанасьев А. Н. Колебания гидрометеорологического режима на территории СССР. М.: Наука, 1967.-232 с.

23. Шикломанов И. А. Влияние хозяйственной деятельности на речной сток. Л.: Гидрометеоиздат, 1989.-334 с.

24. Шикломанов И. А. Антропогенные изменения водности рек. -Л.: Гидрометеоиздат, 1979. -301 с.

25. Global warming: what's going on? // Can. Chem.News. -1995. -47, №7. -P.15-16

26. Андреянов В. Г. Циклические колебания годового стока и их учет при гидрологических расчетах // Труды ГТИ. 1959. - Вып. 122. - С. 3-49.

27. Шелутко В. А. Статистические модели и методы исследования многолетних колебаний стока. Л.: Гидрометеоиздат, 1984.-160 с.

28. Пространственно-временные колебания стока рек СССР / Под ред. A.B. Рождественского. Л.: Гидрометеоиздат, 1988.-376 с.

29. Кузин П. С. Циклические колебания стока рек северного полушария. -JL: Гидрометеоиздат, 1970. -179 с.

30. Калинин Г. П. Проблемы глобальной гидрологии. JL: Гидрометеоиздат, 1968.- 377 с.

31. Румянцев В. А., Бовыкин Н. В. Пространственно-временные закономерности колебания стока рек Евразии. Л.: Наука, 1985.-148 с.

32. Рождественский А. В. Анализ многолетних колебаний годового стока и методов их математического описания // Сборник работ по гидрологии.- JL: Гидрометеоиздат, 1970. -№10 С.22-72.

33. Шнитников А. В. Внутривековая изменчивость компонентов общей увлажненности. —Л.: Гидрометеоиздат, 1977. -47 с.

34. Доброумов Б. М. Циклические колебания подземного стока в реки ETC // Труды ГГИ. 1972.- Вып. 188. - С. 23-70.

35. Коваленко В. В., Дивногорская Е. П., Лаховская В. Я., Прошутинская Т. О. К оценке гидрологических последствий изменения климата // Моделирование и прогнозы гидрологических процессов: 1992.-Вып. 113.-C.3-10.

36. Коваленко В. В. Моделирование гидрологических процессов.-СПб.: Гидрометиздат, 1993.-256 с.

37. Клибашев К. П., Горошков И. Ф. Гидрологические расчеты. Л.: Гидрометеоиздат, 1970.-460 с.

38. Марчук Г. И. и др. Гидродинамическая модель общей циркуляции атмосферы Ч. I и II / Г. И. Марчук, В. П. Дымников, В. Н. Лыкосов и др. Новосибирск: Изд. ВЦ СО АН СССР, 1977, № 66, 67.

39. Малинин В. И. Физико-статистический метод долгосрочного прогноза годового стока Волги // Условия формирования и методы прогноза стока Волги / Изд. ГТИ.-СПб, 1995. -С.52-64.

40. Коваленко В. В. Стохастические модели формирования речного стока с сосредоточенными параметрами // Расчеты и прогнозы гидрологических характеристик: Междуведомственный сборник научных трудов.- Л.: Изд. ЛГМИ, 1989.-Вып. 103.-С.61-73.

41. Карасев И. Ф., Коваленко В. В. Стохастические методы речной гидравлики и гидрометрии. СПб.: Гидрометеоиздат, 1992. -208с.

42. Свешников А. А. Прикладные методы теории случайных функций. -М.: Наука, 1968.-464с.

43. Рождественский А. В., Чеботарев А. И. Статистические методы в гидрологии. Л.: Гидрометеоиздат, 1972. -424 с.

44. Владимиров А. М. Гидрологические расчеты: Учебник.-Л.: Гидрометеоиздат, 1990.-364 с.

45. Тихонов В. И. Статистическая радиотехника. М.: Радио и связь, 1982. -624 с.

46. Государственный водный кадастр. Основные гидрологические характеристики. Том 6, Вып. 2.-Л.: Гидрометеоиздат, 1981.-499 с.

47. Государственный водный кадастр. Основные гидрологические характеристики. Том 2.-Л.: Гидрометеоиздат, 1978.-530 с.

48. Государственный водный кадастр. Основные гидрологические характеристики, Том 2.-Л.: Гидрометеоиздат, 1966.-671 с.

49. Ефремова Н. Н. Месячные количества атмосферных осадков, средние для районов Европейской территории СССР и Северного Казахста-на.-Л.: Гидрометеоиздат, 1976. 112 с.

50. Леднева К. В., Мещерская А. В. Многолетние ряды месячных сумм осадков, осредненных по площади, для основных сельскохозяйственных районов. Л.: Гидрометеоихдат, 1977. -157с.

51. Мещерская А. В., Лугина К. М., Леднева К. В. Анализ статистических характеристик данных рядов осадков, осредненных по площади // Труды ГГО.- Вып. 400. -1978.-С.7-27.

52. Мещерская А. В., Болдарева Н. А. Многолетние ряды месячных сумм средних областных осадков за холодный период для основной сельскохозяйственной зоны СССР. Л.: Гидрометеоиздат, 1988. -286 с.

53. Справочник по климату СССР. Вып. 3. Атмосферные осадки.-Обнинск: Изд. ГУГМС, 1974.-120 с.

54. Крюков В. Ф. Статистические критерии проверки гипотезы однородности двух выборок // Труды ГГИ, 1973, вып. 196, С. 97-123.

55. Митропольский А. К. Техника статистических вычислений. М.: Наука, 1971.

56. Рождественский А. В. Оценка точности кривых распределения гидрологических характеристик. -Л.: Гидрометеоиздат, 1977. -269 с.

57. Владимиров А. М., Дружинин В. С. Сборник задач и упражнений по гидрологическим расчетам: Учеб. Пособие.-СПб.: Гидрометеоиздат, 1992.-208 с.

58. Величко И. И. Исследование влияния метеорологических факторов на параметры модели формирования речного стока; Рос. гос. Гидром ин-т-СПб, 1997.-12 е.: Библиогр.: 4 назв.- Деп. в ВИНИТИ 02.07.98 № 2068-В98.

59. Сперанская Н. А. Статистический анализ реакции годового стока рек на колебания климата. Автореферат дис. канд. физ-мат. наук. -Л.: ГГИ, 1986.-18с.

60. Рождественский А. В. К вопросу статистической оценки дисперсий эмпирических автокорреляционных функций // Труды ГГИ 1969- Вып. 174.-с.51-58.

61. Определение расчетных гидрологических характеристик. СНиП 2.01.14-83. -М.: Стройиздат, 1985. -36 с.

62. Пособие по определению расчетных гидрологических характеристик. -Л.: Гидрометеоиздат, 1984. -448 с.

63. Коваленко В. В., Хаустов В. А., Величко И. И. Исследование влияния метеорологических факторов на параметры модели формирования речного стока для СЗ России // Тезисы докладов на итоговой сессии ученого совета РГГМИ.- СПб: Изд. РГГМИ, 1995. С.17.

64. Величко И. И. К вопросу о влиянии метеорологических факторов на параметры модели формирования речного стока для западных регионов России // Материалы итоговой сессии ученого совета РГГМИ СПб: Изд. РГГМИ, 1998.-С. 62.

65. Величко И. И. Влияние метеорологических факторов на параметры модели формирования речного стока для северо-запада России // Тезисы докладов итоговой сессии ученого совета РГГМИ.-СПб: Изд. РГГМИ, 1996 — С.19.

66. Величко И. И. Разработка методики прогнозирования статистических характеристик годового стока с учетом изменчивости внешних воздействий на речные водосборы // Тезисы докладов итоговой сессии ученого совета. СПб: Изд. РГГМИ, 1997.- С. 76 77.

67. Величко И. И. Моделирование и прогноз стока в условиях антропогенного воздействия // Тезисы докладов на Международном симпозиуме «Расчеты речного стока при проектировании». СПб: Изд. ЮНЕСКО, 1995-С117.