Оценка возможности ансамблевого прогнозирования весеннего половодья с помощью информационно-моделирующего комплекса ECOlogical Model for Applied Geophysicsдипломная работа (Магистр)
Аннотация:Долгосрочные прогнозы весеннего стока нередко имеют погрешности в результатах, связанные с изменением гидрометеорологической ситуации в бассейне за период заблаговременности. Это отражается на качестве прогноза. Повышенная необходимость в эффективных методиках долгосрочного прогноза весеннего половодья для некоторых районов Европейской территории России обусловлена обширной заселённостью этого региона, расположением населенных пунктов и экономических центров на берегах водотоков.
Актуальность работы. Населенные пункты, расположенные по берегам исследуемых рек и построенные в свое время без учета гидрологического режима водотоков, часто подвергаются наводнениям.
В первую очередь угроза возникает в результате формирования стоковых наводнений. Однако нередко это происходит и в результате образования заторов льда (в том числе на р. Северная Двина и её притоках) в период весеннего половодья и, как следствие, значительного увеличения и интенсивного роста уровня воды. Анализ зимней и предвесенней ледовых ситуаций может дополнить оценку опасности наводнения в районе г. Великий Устюг. Тем не менее, основное значение имеет прогноз характера половодья (максимальный расход, объем, вид гидрографа и др.), необходимый для снижения негативного воздействия экстремальной водности на экономику, население.
Объект исследования. Весенний сток р. Северная Двина и образующих её рек Сухона и Юг.
Предмет исследования. Ансамблевые методы долгосрочного прогноза характеристик весеннего половодья.
Научная новизна. Применение ансамблевых методов для прогноза характеристик половодья исследуемых рек реализовано впервые. Использование этих методов допускает составление прогноза в детерминистической и вероятностной формах. Применение физико-математической модели (ИМК ECOMAG) позволяет учитывать состояние водосбора, обусловленное процессами за период от конца половодья предшествующего года до даты выпуска прогноза, а подстановка в модель различных входных метеоданных за период заблаговременности (фактические сценарии погоды за предыдущие годы) даёт возможность анализировать разные варианты прохождения половодья. Ансамблевый подход даёт возможность получать прогнозы, основанные на анализе широкой вариативности синоптических процессов в рамках сформировавшихся условий осенне-зимнего увлажнения водосбора.
В настоящее время для прогноза весеннего половодья на реках Северная Двина, Сухона, Юг, Вычегда используется методика долгосрочного прогноза максимального уровня половодья, разработанная Гидрометцентром СССР (Стряпчий и др., 1984). Она была создана на основе данных наблюдений за 1955-1975 гг. В современных условиях изменения климата зависимости, используемые в данной методике, имеют большие погрешности.
Цель настоящей работы – оценка с помощью физико-математической модели формирования речного стока (ИМК ECOMAG) возможностей ансамблевого долгосрочного прогноза характеристик весеннего половодья на р. Северная Двина в районе г. Великий Устюг.
Для достижения поставленной цели потребовалось выполнение следующих задач:
1. Адаптация модели стока р. Северная Двина (с замыкающим створом с. Усть-Пинега) для расчетов в створе г. Великий Устюг.
1.1. Дополнение соответствующей базы гидрологических и метеорологических данных, необходимых для реализации модели р. Северная Двина – с. Усть-Пинега;
1.2. Калибровка модели формирования стока р. Северная Двина – г. Великий Устюг на ряде данных в 1969-1984 гг. по гидрологическим постам р. Сухона – д. Каликино, р. Юг – с. Гаврино, р. Северная Двина – д. Абрамково;
1.3. Верификация модели формирования стока р. Северная Двина – г. Великий Устюг на ряде данных в 1985-2015 гг.
2. Создание методики долгосрочного ансамблевого прогноза характеристик весеннего половодья р. Северная Двина в районе г. Великий Устюг на основе модели формирования стока и задания ансамбля метеорологических условий за период заблаговременности;
2.1. Определение среднего гидрографа половодья с минимальными погрешностями за счет различия ансамблевых сценариев по времени прохождения половодья;
2.2. Прогноз характеристик половодья в вероятностной и детерминистической формах;
2.3. Оценка качества методики ансамблевого прогноза.
3. Апробация методов уточнения ансамблевого прогноза
3.1. Уточнение на основе сокращения ансамблевых сценариев;
3.2. Уточнение путем ансамблевого перерасчёта в ходе развития половодья.
Основные защищаемые положения
1. Физико-математическая модель формирования стока адаптирована для створа р. Сухона – д. Каликино;
Использование физико-математической модели формирования стока ECOMAG для р. Сухона – д. Каликино показало хорошие возможности для воспроизведения гидрографа стока, что подтверждается соответствующими статистическими критериями.
2. На основе модели формирования стока р. Сухона – д. Каликино налажена схема для расчёта долгосрочного ансамблевого прогноза;
3. Выполнена оценка эффективности прогностической методики по основным характеристикам половодья;
4. Разработана методика уточнения долгосрочного ансамблевого прогноза.
5. Определены методы корректировки прогноза
Источники и методы. Изучение гидрологических особенностей стока рек Северная Двина, Сухона, Юг проведено по данным постов д. Абрамково, д. Каликино и пгт. Подосиновец соответственно за 1966-2014 гг. (см. раздел 1.2).
Для разработки методики прогноза использованы данные среднесуточного расхода воды пяти гидрологических постов на реках Сухона, Юг, Северная Двина за 1966-2016 гг. (см. раздел 3.5) и данные более тридцати метеостанций в районе бассейна р. Северная Двина за 1966-2017 гг. В качестве метеорологической информации использованы среднесуточная температура воздуха, суточное количество осадков, суточный дефицит влажности воздуха.
Анализ многолетней динамики расхода воды в районе Великого Устюга (р. Сухона – д. Каликино) проведен на основе данных среднесуточного расхода воды за 1946-2016 гг (см. раздел 4.3).
Исследование предвесенней ситуации на водосборе в приложении к уточнению прогноза основано на материалах метеостанции г. Великий Утюг за 1960-2016 гг. (см. раздел 4.3).
Изучение особенностей стока проведено с помощью статистических методов (разностно-интегральные кривые, оценка рядов на стационарность и др.). Результативность калибровки модели формирования стока оценена с помощью критериев Нэша-Сатклифа (на основе среднемноголетнего расхода и на основе среднемноголетнего гидрографа), критерия S/б.
Материал для разработки методики (ансамбли гидрографов) получен путем моделирования с использованием ИМК ECOMAG.
Анализ ансамблей проведен на базе вероятностных и статистических методов (построение кривой распределения вероятности, расчёт оценок и др.). В качестве основных статистик выбраны MSE (Mean Square Error), RPS (Ranked Probability Score), RPSS (Ranked Probability Skill Score).
Данная работа включает в себя четыре тематические части, разделенные на главы. Первая глава посвящена анализу изученности проблемы. В ней рассмотрены современные тенденции и проблемы в области долгосрочного прогноза весеннего половодья, использования ансамблевого метода. Вторая глава посвящена описанию исследуемого региона, его физико-географическим условиям, гидрологической и метеорологической изученности, современному состоянию исследуемых рек, анализу условий формирования весеннего стока. В третьей главе рассмотрены общие закономерности весеннего стока рек, основы его прогноза. Здесь описана структура используемой модели (ИМК ECOMAG), приведены результаты её калибровки для створа р. Сухона – д. Каликино. Четвертая глава посвящена методике составления ансамблевого прогноза, оценке её эффективности и корректировке прогноза. В ней приведены основные результаты данной работы и методические рекомендации к составлению прогноза в створе р. Сухона – д. Каликино.
