WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Министерство образования и наук

и РФ РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (РГГМУ)

На правах рукописи

УДК [556.16.048+556.16.06]”45” Соловьев Филипп Леонидович Повышение устойчивости вероятностных распределений многолетнего годового стока при прогнозировании долгосрочных его изменений (на примере Европейской территории России) Специальность 25.00.27 – гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Санкт-Петербург 2009

Работа выполнена в Российском государственном гидрометеорологическом университете

Научный консультант: Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Коваленко Виктор Васильевич Научный консультант: кандидат технических наук, Гайдукова Екатерина Владимировна

Официальные оппоненты: доктор географических наук, профессор Догановский Аркадий Михайлович кандидат технических наук, Грачев Николай Ричардович

Ведущая организация: Арктический и Антарктический научно-исследовательский институт (ААНИИ)

Защита диссертации состоится «24» декабря 2009 г. в 1530 часов на заседании специализированного совета Д212.197.02 Российского государственного гидрометеорологического университета по адресу: 195196, г. Санкт-Петербург, Малоохтинский проспект, 98

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного гидрометеорологического университета

Автореферат разослан «23» ноября 2009 г.

Заслуженный работник высшей школы РФ,

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат географических наук Воробьев В. Н.

2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На протяжении многих лет гидрологи уделяют серьезное внимание способам оценок 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 последнее десятилетие, 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 водозависимыми отраслями экономики, уменьшив степень неопределенности принимаемых решений и снизив возможные риски до значений, полученных при обоснованно выбираемых климатических сценариях.

Цели и задачи исследования. Цель данного исследования – разработка методики устойчивого оценивания обеспеченных расходов воды в зонах неустойчивого формирования многолетнего годового стока.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

– созданы базы данных по годовому стоку, приземной температуре воздуха и влажности по 313 гидрометеорологическим пунктам наблюдения на ЕТР;

– сгенерировано 160 рядов годового испарения, вычисленных по методике А. Р. Константинова, с оценкой их надежности (погрешностей);

– выполнена статистическая обработка рядов испарения и получены оценки основных расчетных характеристик (нормы, коэффициентов вариации, асимметрии и автокорреляции), необходимых для вероятностного изучения формирования испарения (по аналогии с рядами речного стока);

– с использованием ГИС-технологий получены карты распределения статистических оценок характеристик испарения по ЕТР;

– численно оценен критерий устойчивости начальных моментов вероятностных распределений многолетних рядов годового испарения, проведено его картирование по ЕТР и сравнение с распределением аналогичного критерия многолетнего годового стока;

– построены гистограммы двумерных распределений плотности вероятности расходов и испарений, оценены параметры аппроксимирующих их аналитических распределений и получены сравнительные оценки обеспеченных расходов по двумерным и одномерным (условным и безусловным) распределениям;

– выполнены долгосрочные прогнозы (сценарные оценки) изменения вероятностного режима годового стока в Северо-Западном регионе и Пермском крае по условным и безусловным распределениям с использованием стохастической модели формирования стока; построены прогнозные карты характеристик распределений и проведена их сравнительная оценка.

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 C++ 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, MapInfo, ArcView.

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:

1. 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.

2. 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.

3. 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 югозапад). Тем самым выявлен компенсационный механизм, обеспечивающий устойчивость двумерных совместных вероятностных распределений стока и испарения.

4. Разработана методика использования двумерных вероятностных распределений стока и испарения для обеспечения устойчивости прогнозирования долгосрочных изменений малообеспеченных значений расходов, используемых в строительном проектировании.

5. Проведена апробация разработанной методики повышения устойчивости вероятностных распределений при оценке долгосрочных изменений многолетнего годового стока в Северо-Западном регионе 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 существенными 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 НИР 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.

На защиту выносятся следующие положения:

– методика и результаты сравнительной оценки устойчивости формирования вероятностных распределений многолетнего годового стока и испарения, приводящие к выводу о наличии компенсационного механизма, обеспечивающего устойчивость двумерных распределений;

– методика устойчивого долгосрочного прогнозирования (сценарных оценок) малообеспеченных характеристик годового стока на основе стохастических моделей с уменьшенными параметрическими шумами за счет использования двумерных и условных распределений;

– закартированные результаты оценок вероятностных характеристик многолетнего годового испарения, степени статистической устойчивости формирования стока и испарения на ЕТР и долгосрочные оценки возможного вероятностного режима годового стока Пермского края.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на научных семинарах кафедры гидрофизики и гидропрогнозов, итоговых сессиях ученого Совета РГГМУ (2007 г., 2008 г.), 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 (3 по списку ВАКа).

Структура и объем работы. 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении излагается актуальность темы, а также основные цели и задачи диссертации.

В первой главе обосновывается мотивации проводимых исследований. Традиционные методы гидрологических расчетов базируются либо на непосредственных многолетних рядах наблюдений, либо на эмпирических зависимостях, полученных по данным наблюдений. Такой подход достаточно обоснован, пока многолетний гидрометеорологический режим можно рассматривать как статистически стационарный, т. е. пока одна многолетняя реализация случайного процесса формирования стока может рассматриваться как репрезентативный представитель случайного процесса в целом. В гидропрогнозах процессы рассматриваются как эволюционные (иначе нет прогностической задачи), а значит практически любая методика оценки изменений водного режима (в том числе и долгосрочных) опирается не на фактические ряды, а на генетическую (в том числе стохастическую) модель формирования стока. Решение же моделей может быть и неустойчивым. Именно это обстоятельство было обнаружено в отношении статистических начальных моментов многолетнего стока для регионов России, расположенных, в основном, южнее 55° северной широты (где значения коэффициентов стока незначительны). Причем эта неустойчивость именно физического характера, она не имеет непосредственного отношения к неустойчивости статистических оценок моментов в связи с недостаточной продолжительностью наблюдений.

Неустойчивость была обнаружена на моделях формирования стока, приводящих к семейству кривых Пирсона, а именно при анализе системы дифференциальных уравнений для начальных моментов mn (n = 1, 4 ):

~ dm1 dt = -(c - 0,5G~ )m1 - 0,5G~N + N;

c c ~ ~ dm2 dt = -2(c - G~ )m2 + 2Nm1 - 3G~N m1 + GN ;

c c (1) ~ ~ dm3 dt = -3(c -1,5G~ )m3 + 3Nm2 - 7,5G~N m2 + 3GN m1;

c c ~ ~ ~ dm4 dt = -4(c - 2Gc )m4 + 4Nm3 -14G~N m3 + 6GN m2, c ~ ~ где с =1/(k) = c + c ; N = X / = N + N ( c и N – математические ~ ~ ~ ожидания; c и N – белые шумы с интенсивностями G~, GN и взаc имной интенсивностью Gc ~ ); k – коэффициент стока; – время релак~N сации бассейна.

Из системы (1) видно, что при с < 0,5nG~ производная c dmn / dt > 0, т. е. mn.Это и есть формальный признак неустойчивости. Если обозначить = G~ / c, то неустойчивость для момента nc го порядка mn возникает при > 2 / n (m3: > 2/3, m2: > 1, m1: 2).

Чем старше момент, тем меньшая относительная интенсивность шума G~ требуется для его неустойчивости. Неустойчивость – индикатор c того, что бассейны, в которых она имеет место, формируют сток по более сложной схеме, чем это следует из уравнения Пирсона. Например, распределения плотности вероятности двумодальны или имеют «толстый хвост». В последнем случае модель перестает контролировать (статистически предсказывать) появление значительных расходов воды (выбросов). Формально это означает, что при G~ c мультипc ликативная составляющая в системе (1) стремится к нулю и при пропр гнозах для определения прогнозных моментов mn производится операция деления на 0 (а «на нуль делить нельзя»).

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»