ПРИРОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ И ДИНАМИКА ГЕОСИСТЕМ ==
УДК 551.324.6 + 551.482.4
РАСЧЕТ И ПРОГНОЗ СОСТАВЛЯЮЩИХ СТОКА В БАССЕЙНАХ РЕК ЦЕНТРАЛЬНОЙ АЗИИ
© 2015 г. В.Г. Коновалов
Институт географии РАН, Москва, Россия; vladgeo-exp@yandex.ru Поступила в редакцию 15.07.2014 г.
Исследованы различные варианты уравнений для метода сверхдолгосрочных гидрологических прогнозов годового стока рек Центральной Азии: Амударья, Сырдарья, Тарим, Ганг, Инд, Меконг, Брахмапутра, Хуанхэ и Янцзы. В качестве входной информации в уравнениях испытаны годовые значения температуры воздуха, осадков и нормированная разность аномалий этих переменных по данным метеостанций и в узлах регулярной сетки с шагом 0.5° по широте и долготе. Выполнены моделирование, расчет и прогноз объемов ледникового стока и испарения в области абляции оледенения. Входными данными для модели служат: сумма осадков и средние значения температуры и влажности воздуха за летний период, генерализованные высотно-площадные и морфологические параметры оледенения. Расчеты по модели ледникового стока проведены для бассейнов рек Вахш, Пяндж, Зеравшан, Нарын, Брахмапутра.
Ключевые слова: Центральная Азия, годовой и ледниковый сток, расчет и прогноз, уравнения регрессии, модель ледникового стока.
Введение. Численное описание прошлых, нынешних и будущих изменений речного стока на региональном уровне является предметом интереса для научной гидрологии и многих пользователей в водном хозяйстве, управлении водными ресурсами и их прогнозами. Поскольку поверхностный сток является интегральной суммой входных воздействий, его климатические факторы должны быть выражены в виде полей, например, осадков, температуры воздуха и т.д. Однако вместо оценки полей, как правило, используется концепция репрезентативных или информативных пунктов с целью изучения и использования соотношений между стоком и его климатическими факторами. Этот пункт может быть метеорологической станцией или узлом регулярной сетки с известными характеристиками климата и заданными географическими координатами и высотой над уровнем моря. Априорно первый вариант является более надежным, поскольку он основан на прямых измерениях, однако второй дает возможность использовать выходные результаты модели общей циркуляции атмосферы для оценки и прогноза временных изменений стока. Изучение и проверка информационного потенциала обеих вариантов климатических факторов проведены для ряда крупнейших рек Центральной Азии. Гидрографические характеристики этих рек приведены в табл. 1.
Основные задачи исследования. 1. Оценить информационный потенциал прогнозируемых до 2100 г. и ранее климатических норм годовых осадков и температуры воздуха для расчета годового стока ряда крупнейших речных бассейнов Центральной Азии.
2. Моделирование, расчет и прогноз составляющих ледникового стока с поверхности области абляции в бассейнах рек Центральной Азии на основе концепции [3] однородных групп ледников и их параметров.
Исходные данные. В качестве климатических факторов стока (Run) рек Амударьи и Сырдарьи использованы сумма осадков Р за январь-декабрь и средняя за год температура воздуха T, представленные тремя вариантами данных. Первый -это измерения на 27 метеорологических станциях, расположенных в интервалах: по широте 37.60°-43.23° с. ш., долготе 62.18°-78.20° в. д. и высоте 193-4169 м над у. м. [1, 9, 16, 17, 25]. Второй вариант - значения P и T с шагом 0.5° по широте и долготе, извлеченные для региона из Глобального климатического архива [22]. Пространственные границы для этих данных по долготе 65.0°-78.0° в.д., широте 34.0°-42.0° с. ш. и высоте 2000-3000 м над у. м. Третий вариант, относящийся к данным метеорологических станций и сеточным значениям P и T, был так называемый
Таблица 1. Параметры речных бассейнов и годового стока за 1961-1990 гг.
Речной бассейн /гидропост/ Площадь, F х 103 км2 Сток км3/год Cv
среднее мин макс
Аксу (бассейн Тарима) 12.8 7.3 6.3 9.2 0.09
Амударья /Керки/ 187.6 63.6 47.6 112.2 0.20
Амударья+Сырдарья 301.9 97.4 76.5 172.0 0.19
Брахмапутра /Бахадурабад/ 554.5 628.0 494.7 866.1 0.15
Ганг /Фаракка/ 951.6 391.0 255.2 553.5 0.20
Инд /Бешам/ 162.4 75.0 57.5 99. 6 0.13
Меконг /1/ 810.0 475.0 346.6 608.0 0.14
Меконг /2/ 391.0 235.1 161.2 309.5 0.15
Меконг /3/ 373.0 224.7 158.5 282.6 0.15
Меконг /4/ 189.0 86.8 66.2 126.4 0.15
Сырдарья 114.3 33.8 26.0 59.8 0.19
Тарим (сумма 5 рек) 135.8 21.6 17.3 26.6 0.11
Тошкан (бассейн Тарима) 19.2 2.6 1.8 3.8 0.16
Хотан (бассейн Тарима) 34.6 4.6 2.7 7.1 0.20
Хуанхэ /Ханькоу/ 730.0 43.6 22.8 85.6 0.32
Хуанхэ /Санмен/ 688.4 39.1 20.7 68.2 0.30
Юрункаш (басс. Тарима) 14.6 2.5 1.5 4.0 0.21
Янцзы /Датонг/ 1705.4 854.6 645.1 1104.9 0.14
Янцзы /Ханькоу/ 1488.0 705.4 569.2 878.2 0.11
Янцзы /Ючан/ 1005.5 441.0 359.0 524.0 0.09
Янцзы /Пиншан/ 485.1 142.1 111.0 197.8 0.16
Яркенд (бассейн Тарима) 50.4 6.5 4.6 8.7 0.17
Cv - коэффициент вариации.
индекс (1Ь) баланса [5], определенный в каждом году, как разность безразмерных аномалий Т и Р: 1Ь = 1Р - 1Т, где 1Т = (Т1 - теапТ)/теапТ, а 1Р = (Рг - теапР)/теапР. Здесь Рг и Тг - осадки и температура воздуха в г-м году, теапТ и теапР -средние значения соответствующих многолетних рядов. Как показано ранее [4, 5], этот индекс обладает хорошей информативностью и используется для повышения качества гидрологических и гляциологических расчетов.
Основными источниками исходных данных по стоку были [10, 14-15, 18, 27]. Для описания изменчивости стока рек как функции осадков и температуры воздуха был выбран интервал времени равный базовому климатическому периоду 1961-1990 гг. Общая продолжительность рядов наблюдений стока и его климатических факторов в бассейнах рек Амударьи и Сырдарьи составила более 60 лет, что достаточно для получения параметров регрессии в обучающей выборке и их независимой проверки в контрольной выборке.
В качестве исходной информации для поиска зависимостей годового стока от годовых величин осадков и температуры воздуха в бассейнах рек Тарима, Хуанхэ, Янцзы, Инда, Ганга, Меконга,
Брахмапутры использованы данные наблюдений из [17, 19, 24] за общий интервал времени 19611990 гг. При этом 148 пунктов измерения осадков находились в интервалах 79.93о-121.92о в. д., 22.57о-50.48о с. ш. и высоте 500-4613 м над у. м., а 68 пунктов измерения температуры воздуха были расположены в интервалах 66.90о-119.95о в. д., 22.57о-47.73о с. ш. и высоте 215-4507 м над у. м. Расположение пунктов наблюдений за осадками и температурой воздуха иллюстрирует рисунок.
Методы исследований. Множественная линейная регрессия третьего порядка (т.е. для описания функции используются три аргумента) выбрана в качестве общей формы связи между стоком и его климатическими факторами. Специальная компьютерная программа использована для полного перебора возможных комбинаций аргументов в правой части эмпирического уравнения, поиска наивысшего коэффициента корреляции и расчета параметров регрессии. Окончательные результаты определения наиболее эффективных уравнений типа Run = f(T), Run = f(P) и Run = =fib) представлены в табл. 2 и 3.
В уравнения множественной линейной регрессии 3-го порядка (включают три аргумента для
Рисунок. Избранные пункты метеонаблюдений в бассейнах рек Центральной и Высокой Азии.
Таблица 2. Параметры линейной регрессии 3-го порядка для расчета годового стока Амударьи (А) и Сыр-дарьи (С). По данным 27 мст за 1961-1990 гг.
Речной бассейн Аргументы
температура воздуха осадки индекс баланса, 1Ь = 1р - И
г 5Я Сг г 5Я Сг г 5Я Сг
А 0.82 0.06 0.58 0.88 0.04 0.47 0.91 0.03 0.42
А + С 0.77 0.08 0.64 0.86 0.08 0.51 0.88 0.04 0.48
С 0.70 0.10 0.71 0.89 0.04 0.46 0.89 0.04 0.45
Примечание: г - коэффициент корреляции стока с соответствующим аргументом; 8Л - ошибка расчета г; Сг - критерий качества эмпирического уравнения (равен отношению Бу/бу, где Бу - ошибка расчета зависимой переменной У, а бу - стандарт отклонения У); 1р и Л - нормированные аномалии годовой суммы осадков и средней годовой температуры воздуха.
описания функции) вошли данные наблюдений из следующего набора метеостанций: Алматы, Де-хавз, Джизак, Ош, Пскем, Ташкент, Тянь-Шань, устье р. Терс, устье р. Тос.
Независимая проверка уравнений для расчета годового стока Амударьи и Сырдарьи, полученных для интервала 1961-1990 гг., выполнена за 1932-1960 гг. и результаты ее приведены в табл. 4.
В данном случае получение и анализ эмпирических формул типа Яип = /(Т) и Яип = /(Р) были направлены на выяснение возможности использования ожидаемых годовых значений осадков и температуры воздуха в результате колебаний климата для оценки изменений стока. Что касается расчетов годового стока в бассейнах рек Тарима, Хуанхэ, Янцзы, Инда, Ганга, Меконга, Брахма-путры, то там наряду с оценками информативно-
Таблица 3. Параметры формул для расчета годового стока Амударьи (А) и Сырдарьи (С). Использованы базы данных: 1 - (CRU v.3.1), 2 - (GPCC), 3 - (APHRODITE), 4 - (UDEL) за 1961-1990 гг.
Аргументы
Речной бассейн температура воздуха осадки индекс баланса Ib = IP IT
R 5R Cr R 5R Cr R 5R Cr
A 0.80 (1) 0.82 (4) 0.07 0.60 0.82 (1) 0.82 (2) 0.06 0.58 0.82 (1) 0.06 0.58
A + С 0.84 (1) 0.76 (4) 0.06 0.54 0.86 (3) 0.85 (1) 0.86 (2) 0.05 0.53 0.87 (1) 0.05 0.50
С 0.80 (1) 0.83 (4) 0.07 0.60 0.88 (3) 0.84 (1) 0.84 (2) 0.86 (3) 0.06 0.54 0.85 (1) 0.05 0.52
Условные обозначения - в примечании к таблице 2. Номера в скобках соответствуют названиям баз данных в заголовке таблицы. CRU v3.1 - база данных отдела климатических исследований в Британском Центре атмосферных данных http://badc.nerc. ac.uk/browse/badc/cru, GPCC - глобальный центр данных по осадкам, Германия http://www.dwd.de/bvbw/, APHRODITE - база данных по осадкам Института природы и человека, Япония http://www.chikyu.ac.jp/precip/index.html, UDEL - база данных Делавэрского Университета, США http://climate.geog.udel.edu/.
Таблица 4. Контроль формул для расчета годового стока Амударьи (А) и Сырдарьи (С) в обучающей (19611990 гг.) и независимой выборках (1932-1960 гг.)
Речной бассейн Предикторы (в каждом случае ис
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.