научная статья по теме ПРИМЕНЕНИЕ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ ДЛЯ ОПИСАНИЯ ФЛУКТУАЦИЙ ВЛАГОЗАПАСА ПОЧВЫ Геология

Текст научной статьи на тему «ПРИМЕНЕНИЕ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ ДЛЯ ОПИСАНИЯ ФЛУКТУАЦИЙ ВЛАГОЗАПАСА ПОЧВЫ»

ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, 2013, том 40, № 2, с. 140-150

ГИДРОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

УДК 551.482.215

ПРИМЕНЕНИЕ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ ДЛЯ ОПИСАНИЯ ФЛУКТУАЦИЙ ВЛАГОЗАПАСА ПОЧВЫ

© 2013 г. П. Ф. Демченко, Л. Д. Краснокутская

Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН 119017Москва, Пыжевский пер., д. 3 E-mail: pasha@ifaran.ru Поступила в редакцию 10.08.2011 г.

Рассмотрены вопросы применения методов современной теории броуновского движения к расчету флуктуаций влагозапаса почвы. Для нелинейной гидрологической модели формирования влагоза-паса на основе уравнения Ланжевена и обобщенных соотношений Ланжевена получены аналитические зависимости времени корреляции флуктуаций влагозапаса почвы и средней величины влагозапаса от параметров внешних стохастических и детерминированных воздействий. Исследовано изменение низкочастотной части спектра быстрых синоптических переменных (разности между осадками и испарением) вследствие взаимодействия с флуктуациями влагозапаса. Дано объяснение нового эффекта увеличения спектра в промежуточной области временных интервалов, расположенных между характерными временами — временем изменений синоптических флуктуаций и временем изменений флуктуаций влагозапаса почвы. На примере задачи определения нестационарного отклика средней величины влагозапаса почвы на флуктуации режима увлажнения показаны возможности нового аппарата статистической физики — флуктуационных теорем.

Ключевые слова: влагозапас почвы, уравнение Ланжевена, флуктуации, корреляционные функции, спектр

Б01: 10.7868/80321059613020028

Динамико-стохастические модели применяются для решения ряда гидрологических задач, таких как моделирование режима колебаний речного стока, уровня проточных и бессточных водоемов, влагозапаса почвы и т.д. [7, 9, 12, 14—16]. В основе таких моделей лежат стохастические дифференциальные (разностные) уравнения со случайными возмущениями (силами) и/или коэффициентами. Если эти возмущения на временах изменения рассматриваемых переменных можно считать некоррелированными по времени, то для них принимается приближение дельта-коррелированного случайного процесса — белого шума [13].

Коэффициенты стохастических дифференциальных (разностных) уравнений обычно определяются в результате соответствующей обработки эмпирических данных наблюдений за процессами, включенными в модели. При этом нет гарантии, что значения этих коэффициентов будут сохраняться при возможных изменениях климата. Действительно, целый ряд эмпирических методик, успешно применявшихся в практике гидрометеорологических прогнозов в 1960—1970-х гг., стал давать неверные результаты в 1980-х гг. пред-

положительно ввиду глобального потепления [10]. Это вынуждает уделить более пристальное внимание возможным процедурам вывода стохастических дифференциальных уравнений для описания компонент гидрологического цикла и, в частности, использовать современные методы неравновесной статистической механики.

С точки зрения статистической механики стохастические дифференциальные уравнения с дельта-коррелированными по времени случайными силами представляют собой уравнения Ланжевена [4] для случайной эволюции набора медленных переменных Y (здесь и далее полужирными буквами без курсива обозначаются векторы, матрицы или операторы), взаимодействующих с более быстрыми X. При этом характерные времена тх и тг для каждой из подсистем переменных — быстрых и медленных — существенно разнесены (тх < тг). Тогда применяется процедура огрубленного описания только медленных переменных, на характерных временах эволюции медленных переменных быстрые задаются только их

статистикой, заданной при фиксированных в каждый момент времени I значениях У(1).

Если совместная система, описывающая изменения медленных У(1) и быстрых переменных Ха(0, состоит из следующих уравнений:

1У(1)

йг

IX¿$) йг

= и1 (Х(г), У (г)), ¡ = 1,..., мг, (1а) = иа (X (г), У (г)), а = 1,..., кх, (1б)

то в сжатом описании для любой функции переменных системы выделяются медленная, адаптированная в среднем к текущему состоянию У(?) часть и отклонение от нее F(X(t), У(0) = (^|У(?)) + + ^ — У(0)) = У(0) + SF(X(0, У(0) (угловые скобки здесь и далее означают операцию статистического осреднения по ансамблю реализаций). При этом термин "адаптированная в среднем" подразумевает процедуру осреднения только по быстрым переменным с заданной плотностью вероятности решения (1б) при фиксированном У = У(0, У) = Г В (X, У)р5 (X, У) IX.

щх

Остаток SF(X(í), У(?)) считается быстрофлуктуи-рующим случайным процессом. Для инерционных природных процессов применять такую процедуру к правым частям уравнений (1а) впервые предложил К. Хассельманн [24], трактуя 8и(?) как дельта-коррелированную по времени случайную силу. Это позволяет рассматривать уравнения (1а) как уравнения Ланжевена, математический аппарат для которых хорошо развит [4]. По К. Хас-сельману, медленные переменные называются климатическими, более быстрые - погодными.

В качестве такой климатической переменной в данной статье рассматривается влагозапас почвы Ж — количество влаги в столбе деятельного слоя почвы единичного сечения. Влагозапас - важный гидрологический компонент, существенно влияющий на формирование речного стока подземных запасов воды на водосборе. Характерное время релаксации влагозапаса (тЕ в формуле (10)) составляет несколько месяцев [12, 31], что существенно превышает характерное время синоптических флуктуаций гидрометеорологических процессов, формирующих влагозапас, равное нескольким суткам. Это обстоятельство дает основание для применения процедуры адаптации в среднем.

При моделировании изменения влагозапаса учитывалось, что уравнение, описывающее эти изменения, содержит нелинейность, обусловленную наличием или отсутствием поверхностного стока — в зависимости от режима увлажнения.

Вариации влагозапаса могут существенно влиять на атмосферные переменные, такие как при-

земные температура и влажность [18—21]. Ввиду того что последние, в свою очередь, влияют на вариации влагозапаса, в системе могут проявляться коллективные эффекты, приводящие к изменению спектров атмосферных переменных.

УРАВНЕНИЯ ЛАНЖЕВЕНА ДЛЯ ВЛАГОЗАПАСА ПОЧВЫ: ВЫВОД МЕТОДОМ ПРОЕКЦИОННЫХ ОПЕРАТОРОВ

Один из современных методов получения уравнения Ланжевена для медленных переменных из исходной системы (1) базируется на методе проекционных операторов Х. Мори [27, 28]. В этом методе любая функция от решения задачи Коши для системы (1а)—(1б) записывается как функция от начальных значений переменных с помощью оператора эволюции М:

В(() = В (X (г ),у (г)) = егмВ(0),

М = иа

дХа

■и,

(2)

ду

В (2) после применения оператора ехр(?М) к F(X, У) следует положить (X, У) = (Х(0), У(0)), а операторную экспоненту рассчитывать путем формального разложения в ряд Тейлора.

В пространстве начальных состояний вводится проекционный оператор Мори Р:

РВ = Ц^У!^(X, У) 5(У - У (0)) (X| У) =

= (В | У (0), Р2 = Р.

(3)

Запись (3) в развернутом виде подчеркивает то, что операция (3) может быть определена для любого момента времени, так что

еМРГ (0) = е (В|У (0) = (В|У (г)).

(4)

При этом У(?) является точным решением исходной системы (1). К оператору Р вводится дополнительный проекционный оператор О = I — Р (I — единичный, тождественный оператор). О проецирут движение системы на дополнительное подпространство (РО = 0) отклонений от квазисредних значений переменных.

Далее применим к правой части (1а) Щ0) = = (ЩУ(0)) + §и(Х(0), У(0)) операторное тождество

Мори: ехр(?(А + В)) = ехр(?А) + техр[(г - т)](А + + В) Вехр(тА), положив А = ОМ, В = РМ. С уче-

том (4) окончательно получим так называемое обобщенное уравнение Ланжевена [27, 28]:

dY(t) dt

= (UjY (t )>

+

+ \dxe (-T)MPMe TQMSU (0) + etQMSU (0).

(5)

Разбиение правой части (1а), полученное тождественными преобразованиями, есть его перезапись в виде, удобном для применения аппроксимаций исходя из априорных знаний или предположений о поведении решений исходной системы (1а), (1б). Первое слагаемое — адаптированное к Y(t) квазистационарное (при фиксированном Y(t)) условное среднее значение скорости изменения медленных переменных.

Второе слагаемое в (5) — интеграл памяти — описывает вклад конечности времени запаздывания среднестатистической реакции быстрых переменных на изменения медленных, оно зависит от t и значений Y(т < 0, зависимость от X(0) в нем исчезает. Интеграл памяти имеет порядок тх/тг. При замене в интеграле памяти верхнего предела интегрирования на t = уравнение (5) переходит в уравнение Ланжевена, формально не содержащее запаздывание [28]:

^ = (U е | Y (t » + fY (t),

d-Wjr = -E (t ) + P (t ) - R (t ),

где E — испарение, P — осадки, R — поверхностный сток, t — время. Все величины, включая вла-гозапас (количество влаги, измеряемое высотой эквивалентного слоя воды), относятся к столбу деятельного слоя почвы единичного сечения.

Поскольку время изменений влагозапаса почвы т W существенно превышает время жизни индивидуальных погодных возмущений та, то используя (6а) и (6б) и пренебрегая обратной связью вла-гозапас—осадки, перепишем уравнение (7) в виде стохастического дифференциального уравнения:

= "<E\W(t)> + (P\W(t)) -

dt

(8)

- Я(?) + ДР(?) -ДЕ(?),

где AP(t) и АЕ(1) — отклонения текущих значений от квазисредних, задаваемых формулой (4).

В (8) отдельно выделены короткопериодные флуктуации притоков тепла к деятельному слою из-за синоптической изменчивости осадков и испарения: АЕ^) = АР(0 — АЕ(0. Для АЕ^) принимается приближение дельта-коррелированно-го случайного процесса с нулевым средним и корреляционной функцией

КР (?, ) = (Д^ (?) АЕЖ )) = 2Б№5 (? -1,). (9)

Для адаптированной в среднем к текущему состоянию Ж величины испарения примем пара-

(6а) метризацию М.И. Будыко [2]: {Е\Ш) = Е0 при

/у (t) = etQMSU(0), / (t)| Y(0) = 0,

(U e j Y (t) = (UjY (t) + J d x( M/y (t)|Y (t). (66)

0

Последнее слагаемое — случайная сила, среднее от которой при любой функции распределения вероятностей начальных значений вида р(0) = Py(Y(0))p^(X(0)|Y(0)) равно нулю (ps — стационарная плотность распределения быстрых переменных при фикси

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком