Введение к работе
Актуальность темы. В связи с ожидаемыми антропогенными измене-[ями климата встает задача оценки возможных гидрологических последст-й. Наиболее перспективным путем ее решения является использование охастической модели формирования годового стока, получаемой на основе >дернизации известного в науке уравнения Фоккера-Планка-Колмогорова >ПК). Однако до настоящего времени эта модель использовалась при ряде іпущеннй, сужающих область ее применения.
Считалось, например, что параметры модели (в частности такая важная рактеристика как коэффициент стока) в новых климатических условиях не іетерпят существенных изменений. Следовательно допускалось, что свой-ва речных бассеГшов и характер влияния на сток метеорологических фак-ров (температуры воздуха и осадков) в текущих и измененных климатиче-их условиях будут неизменными. В науке подобные предположения о по-оянстве параметров модели при изменении внешних воздействий связыва-г с гипотезой квазистацинарности.
Более чем десятилетний опыт применения стохастической модели >рмирования годового стока для оценки гидрологических последствий изменил климата показал, что в 35% случаев эта гипотеза не оправдывается. )этому попытка «разморозить» параметры прогностической модели за счет ета метеорологичесюгх факторов представляется достаточно оправданной іктуальной.
Цели и задачи исследования. Целью работы является разработка мето-ки учета метеорологических фактороз (нормы осадков и температуры) в эхастической модели формирования годового стока и апробация ее для за-[шых регионов СНГ.
Для достижения этой цели были решены следующие задачи:
собраны и статистически обработаны данные об осадках, речном стою температуре воздуха на 281 гидрометеопостах Северо-Запада ЕТР и 76 - Украй, за период 30 - 40 лег,
построены различные варианты регрессионных зависимостей коз фициента стока от осадков и температуры воздуха для Северо-Запада Е1 которые были использованы в поверочных прогнозах (на независимом ма-риале) на основе модели ФПК в качестве зависимостей, «размораживающи параметры модели;
выполнена параметризация стохастической модели формирования і дового стока на рассматриваемых территориях с плотностью 1 узел на 2 долготе и широте (всего 80 узлов) по фактическому гидрометеорологичесі му режиму;
- разработаны теоретические основы (подкрепленные эксперимента)
ными данными по 161 пункту наблюдений за осадками) учета интенсивное
климатических шумов, входящих в модель годового стока и порождаем
дисперсией осадков (прігчем предложенный способ годится даже в случ
если в климатическом сценарии отсутствует информация о предполагаем
характере изменения дисперсии);
. - выполнены поверочные прогнозы вероятностных характеристик і дового стока на независимом ретроспективном материале для Северо-Запг ЕТР и Украины (51 прогноз) для различной степени «замороженности» і эффициентов прогнозной модели (постоянные, полученные при параметр зации модели; фактические, полученные прямым расчетом по данш наблюдений; переменные, значения которых получаются из уравнен регрессии);
- для 1, 5 и 10%-го уровней значимости с использованием критерия і гласил Колмогорова выполнено сравнение фактических и прогнозных к] вьгх обеспеченностей (полученных в качестве решения стохастической мо, ли годового стока), что позволило сделать выводы о целесообразности р мораживания параметров модели для рассматриваемых регионов СНГ;
- для одного из «официальных» сценариев изменения климата (повніше температуры воздуха Северного полушария на 2 С) по разработанной годике выполнены прогнозы вероятностных характеристик годового стока >рма, коэффициенты вариации и асимметрии) на второе десятилетие XXI в. я Северо-Запада ЕТР и Украины при постоянных и переменных параметре модели; построены прогнозные карты изолиний этих характеристик и их омалий (отклонений от текущих значений), что позволяет оценивать чув-штельность производственных функций отраслей национального хозяйст-России, использующих характеристики годового стока, к его вариациям, язанных с принятием или непринятием гипотезы квазистацнонарности.
Методика исследований и исходный материал. Реализация поставлен-гх задач проводилась путем статистической обработки собранных много-тних данных по осадкам, температуре и речному стоку, а также с помощью тематического моделирования. Кроме этого, использовались гидрологиче-ие карты расчетных гидрологических характеристик годового стока (при-жение к СНиПу 2.01.14-83).
Реализация моделей для различных вариантов задания параметров и атистическая оценка надежности ретроспективных прогнозов проводилась персональном компьютере IBM-Pentium.
Научная обоснованность и достоверность положений и выводов под-ерждается статистическими оценками надежности всех промежуточных зультатоз, включая выявление неоднородных рядов, оценку надежности раметров уравнений регрессии, сравнение прогнозных и фактических кри-гх обеспеченности по критерию Колмогорова на различных уровнях значи-)сти. Кроме этого, уверенность в надежности результатов придает исполь-вание очень авторитетного для многих отраслей знаний модели ФПК, опи-гаающей марковские случайные процессы, к которым принадлежит и слу-йный процесс формирования годового стока рек.
Научная новизна и практическая значимость. В ходе проведенного в ссертации исследования были получены следующие основные результаты:
-
Разработана методика учета влияния нормы осадков и температу] на параметры стохастической модели формирования годового стока, дост верность которой обоснована поверочными прогнозами кривых обеспечс ности для Северо-Запада ЕТР.
-
Предложен теоретически и экспериментально обоснованный спос учета в прогностической модели стока изменения климатического шума, сі занного с дисперсией осадков, даже в случае отсутствия последней в кли\ тическом сценарии.
-
Установлено, что на большую часть территории Украины распр страняется действие гипотезы квазистацинарности: прогнозы годового сто оправдываются (по критерию Колмогорова) почти на 100% при постоянні параметрах стохастической модели формирования годового стока.
-
Получены прогнозные карты статистических характеристик годовс стока рек Северо-Запада ЕТР и Украины при выполнении и невыполнен гипотезы квазистационарности на основе разработанной в диссертации мет дики.
Практическая значимость результатов заключается в повышении і дежности вероятностных оценок гидрологических последствий антропоге ного изменения климата за счет учета влияния нормы осадков и температу] на параметры модели, а также за счет учета возможных изменений климат ческого шума. Это делает более обоснованным исследование чувствителы сти производственных функций отраслей национального хозяйства к колс( ниям климата для обеспечения их устойчивости к последним.
Работа выполнялась в рамках межвузовской научной программы «Ті ромет 2000», частично финансировалась Госкомитетом РФ по высшему об] зованию (грант 95-0-12.1-8), ее результаты внедрены в учебный процс (специальность 012700 - гидрология).
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывал! на научных семинарах кафедры гидрофизики и гидропрогнозов и итогов сессиях ученого совета РГТМУ в 1994 - 1998 гг.; на Международном симі
ме «Методы охраны атмосферы и водной среды. Регулирование и долго-чное планирование природоохранных мероприятий» (СПб, 1994 г.); на ждународном симпозиуме «Расчеты речного стока при проектировании» 16, 1995 г.), на Первой Международной конференции студентов и аспи-ггов «Современные аспекты гидроаэродинамики - 98» (СПб, 1998 г.), на >едре гидрологии суши Санкт-Петербургского государственного универ-гета(1998г.).
По теме диссертации опубликовано 9 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти їв, заключения, списка литературы, содержащего 70 источников, пяти при-жений. Работа изложена на 129 страницах текста, включая 13 рисунков и таблиц.