УДК 556.04
Концептуальные основы использования радиолокационной и гидрофизической информации в оперативной и инженерной гидрологии
В. А. Шутов*
Сформулированы концептуальные основы использования радиолокационной информации об осадках и результатов гидрофизических исследований почвогрунтов применительно к гидрологическим прогнозам и расчетам. Подробно изложены операции над матрицами полей осадков, получаемых с помощью радиолокатора. Разработана методика расчета индекса стокообра-зующих осадков, который служит в качестве основного входного параметра модели формирования стока для целей оперативной гидрологии. Предлагаются подходы к усовершенствованию методики вероятностного расчета максимального модуля дождевого стока. В частности, предложены несколько вариантов учета статистики полей осадков в нормативном методе предельной интенсивности, который предназначен для расчетов стока с малых водосборов.
Расчет стока с применением данных измерений осадков с помощью радиолокатора — проблема, весьма актуальная именно для России с ее недостаточно густой сетью гидрометрических постов, особенно на малых реках с площадями бассейнов -1000 км*. Задачи, которые требуют учета пространственного распределения осадков и других стокоформирующих факторов, особенно часто возникают при оценке влияния хозяйственной деятельности на формирование поверхностного и грунтового стока, а также при оценке экологического ущерба от распределенных источников загрязнения.
Формулируя перспективы гидрологии на 2000 г., ряд ведущих специалистов, в частности К. Бевен [16] и В. Евджевич [25], высказали мнение о том, что классическая инженерная гидрология постепенно станет "гидрологией окружающей среды". Основным предметом изучения будут водные ресурсы, модифицированные под влиянием изменений климата и целенаправленно регулируемые в процессе хозяйственной деятельности. Объектом внимания становится не столько сток, сосредоточенный в русле реки, сколько процесс его формирования на водосборе, в особенности с антропогенным воздействием. С другой стороны, одной из главных целей оперативной гидрологии становится не просто прогнозирование паводков, но и создание информационно-прогностических систем для поддержки принятия решений по предотвращению и ликвидации их опасных последствий [15].
* Валдайский филиал Государственного гидрологического института.
Обе эти важнейшие задачи гидрологии требуют пространственно распределенных данных об осадках. К сожалению, в России пока не существует постоянной сети пунктов радиолокационных наблюдений, перекрывающей хотя бы центральную часть ее европейской территории. В то же время в большинстве развитых стран радиолокационные средства измерений осадков используются для целей гидрологических расчетов и прогнозов [19, 22]. Существенного уточнения можно добиться, используя радиолокационную информацию о пространственном распределении осадков в комплексе с данными исследований почвенно-грунтовой толщи водосбора. Имея в виду очевидную важность проблемы, находящейся на стыке метеорологии и гидрологии, и располагая материалами многолетних радиолокационных измерений осадков, автор продолжает исследования, основные направления которых обозначены в работе [13]. Конечной целью исследований является создание информационно-моделирующей системы для изучения, расчета и прогноза паводков и предупреждения их последствий в бассейнах малых рек.
В настоящей работе рассматривается распределение осадков на территории площадью 100 х 80 к« (рис. 1), расположенной в западной половине области радиолокационного обзора, которая хорошо изучена в результате наземных экспериментальных наблюдений Валдайского филиала ГШ и включает в себя бассейн р. Полометь, где в свое время была развернута специальная плювиографическая сеть и в настоящее время действуют несколько гидрологических постов. Важно, что для данной территории можно практически считать разрешенной проблему калибровки данных радиолокационных измерений осадков.
Алгоритм анализа полей осадков
Радиолокационная информация после первичной обработки дается в виде цифрокарт слоя осадков за принятый интервал времени в ячейках регулярной сетки. В нашем рапоряжении сейчас имеются цифрокарты 6-часовых слоев в ячейках размером 10 х 10 км. С помощью более современных радиолокационных систем получают цифрокарты осадков на сетке 1 х 1 км. Принципы их анализа для гидрологических приложений, в частности для расчетов стока, одни и те же, поэтому все дальнейшие статистические проработки, выполненные на основе имеющихся данных по грубой сетке, будут методически полезными и для данных следующего поколения.
В комплекс программ первичной статистической обработки данных радиолокационных измерений осадков должны быть заложены некоторые операции над цифровыми картами, которые основаны на элементарной алгебре матриц и задании так называемых функций принадлежности [5]. Главными из них, без которых невозможно дальнейшее гидрологическое применение полученных данных, являются следующие.
1. Применение оператора "маски", выделяющего из всего множества совокупность ячеек, которые соответствуют исследуемому речному бассейну. Для этого последний должен быть аппроксимирован соответствующей сеточной областью (см. рис. 1а, б).
Оператор "маски" формализуется следующим образом:
а)
б)
0,0 0,4 1,6 7,4 4.1 1,8 3.«
0,0 0.1 г,« 11,1 7,9 1.6 5,2
0.1 0,5 2,1 «.5 5,е 0.0 1,0
0,5 1.0 1,9 2,6 2,0 0.» 0,7
1,6 3,3 0.7 0,4 9* 1.7 2,0
0,0 ел м 0.3 0.1 0,2 2*
0.» »,* 0,1 0.0 0,1 0.1 0,7
0.0 0,0 ол 0,0 0.1 02 ОД
0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,8
0.0 0.0 0,0 0,0 0,1 0,4 0.»
0,12 (МИ
0,12 1,05
Я
о.»
мл&т;
0,5»
в)
к 1 'J Iii]
Га —
"( , „_J С
t J 1
г
Г /
0,8 1,0
Рис, 1, Пример обработки данных радиолокационных измерений
осадков,
я) цкфрокарта слоя осадков (.«.и); 6) цнфрокарта нормированных аномалий слоя осадков; в) рельеф поля нормированных (безразмерных) аномалий слоя осадков г = (К - Я„)/о(Я„ = 1,3; о = 2,2; 2сг = 4,3); г) кривая обеспеченности слоев осадков (ось ординат) в отдельных ячейках осреднения. На цнфрокартах выделены ячейки (маска), соответствующие бассейну р. Полометь.
Xij - С, если Xij е {М}, иначе Ху = 0. (1)
Здесь символом □ обозначена ячейка сетки с координатами i, j, которая принадлежит множеству {М}, заданному как маска (для наглядности восприятия ячейки маски закрашиваются определенным цветом при выдаче на печать).
2. Суммирование и осреднение матриц за определенные заданные дискретные интервалы времени. Например, производится суммирование матриц отдельных 3-часовых полей осадков за сутки, суммирование матриц суточных величин за месяц или за период исследуемого дождевого паводка.
3. Операция объединения матриц или выбор максимального из слоев осадков в каждой из ячеек объединяемых матриц А и В:
А и В = max{/?e, Rb}. (2)
Эта операция крайне важна, так как именно максимальные слои осадков формируют (при прочих равных условиях) максимумы стока, расчет кото-
59
рых и является главным предметом инженерной гидрологии. Одна из задач будущих исследований состоит в том, чтобы, используя ряды многолетних наблюдений, построить объединенные матрицы осадков, которые могут служить основой расчета экстремально высокого паводка, так называемый "максимум — максиморум".
4. Нормирование (деление) матриц на определенное, наперед заданное значение, например, на расчетный (нормативный) максимум осадков заданной обеспеченности, либо нормирование на величину (функцию принадлежности), являющуюся характеристикой данного поля осадков. Последний случай наиболее интересен с точки зрения оценки пространственной редукции слоя осадков, показателем которой служит соотношение среднего и максимального слоев по выбранному бассейну или территории
т.
5. Операция квантования полей осадков, состоящая в вычитании из значений слоя осадков определенной заданной величины [24]. Квантование позволяет выявить области с осадками выше определенного порога, который может быть задан не только произвольно, а быть увязанным с фильтрационными свойствами почв и условиями их предшествующего увлажнения. Он связан также со слоем стокообразующих осадков, определяемым по материалам экспериментальных исследований или расчетов (см. ниже).
В настоящее время автором разрабатывается методика и технология анализа полей осадков для гидрологических расчетов и климатологических приложений. Она предназначена для использования в информационно-прогностической системе. В качестве первого этапа осуществлен технологический задел в виде подпрограмм (макросов) для анализа аномалий осадков на исследуемой территории. Поля аномалий автоматически картируются (как показано на рис. 1е). Таким образом визуально отображаются характерные особенности пространственного распределения осадков. Поля осадков за отдельные сутки благодаря нормировке на среднеквадра-тическое отклонение становятся сравнимыми между собой. Анализируемые за некоторый период времени, например за период дождевого паводка, они дают наглядную картину развития и перемещения очагов осадков (в том числе и на территории изучаемого речного бассейна), их трансформации и распада. Таким образом оценивается локальное влияние на осадки рельефа, водоемов и урбанизированных территорий. Одновременно автоматически строится пространственная кривая обеспеченности слоев осадков (см. рис. 1г), которая может тут же быть аппроксимирована либо распределением Пирсона III типа, либо широко используемым распределением Гумбеля. Детерминистское представление поля осадков в виде циф-рокарт служит входом в модель для оперативного гидрологического прогнозирования, а статистическая функция распределения осадков используется при вероятностных расчетах стока.
Оперативное прогнозирование
Для прогнозирования паводка с использованием радиолокационной информации используются в основном простые концептуальные модели стока, например, широко известная ТОРМОБЕЬ [17]. При этом общая струк-60
тура моделей не меняется и остается универсальной при использовании как наземных данных об осадках, интерполируемых тем или ин
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.