Повышение устойчивости вероятностных распределений многолетнего годового стока при прогнозировании долгосрочных его изменений

Актуальность темы

.

На протяжении многих лет гидрологи уделяют серьезное внимание способам оценивания 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 последние десятилетия, 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 водоза-висимыми отраслями экономики, уменьшив степень неопределенности принимаемых решений и снизив возможные риски до значений, получаемых при обоснованно выбираемых климатических сценариях.

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 С++ 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, Maplnfo, Arc View.

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: а) 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 наблюдениямб) 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 бассейнав) выполнена численная оценка критериев устойчивости формирования многолетнего годового стока и испарения (последнее впервые) на ЕТРпроведено 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 юго-запад). Тем самым выявлен компенсационный механизм, обеспечивающий устойчивость двумерных совместных вероятностных распределений стока и испаренияг) разработана методика использования двумерных вероятностных распределений стока и испарения для обеспечения устойчивости прогнозирования долгосрочных изменений малообеспеченных значений расходов, используемых в строительном проектированиид) проведена апробация разработанной методики повышения устойчивости вероятностных распределений при оценке долгосрочных изменений многолетнего годового стока в бассейне р. Невы 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 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 госбюджетной темы кафедры гидрофизики и гидропрогнозов РГГМУ «Частично инфинитный механизм в моделировании и прогнозировании гидрологических катастроф» № госрегистрации 01.2006 3 264, 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. Апробация работы.

Основные положения диссертации докладывались на научных семинарах кафедры гидрофизики и гидропрогнозов, итоговых сессиях ученого Совета РГГМУ, в 2007, 2008, 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 (три по списку ВАКа). Структура и объем работ.

Диссертация состоит из введениячетырех главзаключениясписка литературы, содержащего 43 источника- 7 приложений. Работа выполнена на 131 странице текста, включая 25 рисунков и 7 таблиц.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах [38, 39, 40, 41,42, 43].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.