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 моделифактические, полученные прямым расчетом по данным наблюденийпеременные, 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 моделипостроены 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 12 700 — 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.

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 °C (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

.