Динамика временных вариаций интенсивности опасных природных процессов и геоинформационные подходы к их прогнозированию

Несмотря на существенный научно-технический прогресс в области изучения опасных природных процессов и разработку превентивных мероприятий по снижению риска их возникновения, защищенность людей и техносферы в целом от природных опасностей не увеличивается. Количество жертв в мире от проявления разрушительных сил природы ежегодно возрастает на 4.3%, а количество пострадавших при природных катаклизмах — на 8.6% (Природные опасности., 2000). «Непредсказуемые» природно-климатические вариации способны существенно влиять на социально-экономическое развитие разных стран и препятствовать переходу человеческого сообщества к устойчивому развитию.

В качестве концептуальной основы исследований использована следующая идеология. Закономерности повторяемости опасных природных процессов носят периодический характер. Знание закономерностей и х проявления во времени позволит усилить методы среднесрочного прогноза.

Ключевым аспектом представленных исследований является привлечение совокупности мониторинговых наблюдений за природными процессами и историко-архивных данных, содержащих богатую и достоверную информацию о чрезвычайных ситуациях природного характера. Инструментальный мониторинг опасных природных процессов осуществляется в отдельных регионах в течение 100−150 лет, а чаще не превосходит по продолжительности наблюдений и нескольких десятков лет. При таких обстоятельствах и на фоне все нарастающего интереса общественности к прогнозу опасных природных процессов, особую научную ценность приобретают сбор и систематизация историко-хронологической информации о тех или иных природных явлениях и ее статистическая обработка. Создание хронологий развития опасных природных процессов позволит сопоставить периоды проявления экстремумов, как за отдельные годы, так и последние 500 лет. Учитывая масштабность времени подготовки и проявления определенных природных процессов, территории, на которых производится сбор необходимой информации для подобных исследований, не должны ограничиваться площадью одной или нескольких отдельно взятых стран.

Следует отметить, что в последние годы расширилось представление о синергетике природных явлений, когда одно стихийное бедствие порождает другое. Выявление взаимосвязей между различными процессами и в связи с вариациями солнечной активности позволит в определенной степени решить проблему предупреждения природных катастроф и минимизировать экологический и экономический ущерб от их воздействия. Поэтому задачи исследования взаимодействия процессных ситуаций в различных геосферах являются актуальными.

Цель настоящей работы заключается в исследовании закономерностей проявления опасных природных процессов во времени и в связи с вариациями солнечной активности для реализации возможных подходов к долгои среднесрочному прогнозу опасных природных ситуацийвыполнение сравнительного анализа проявления экстремальных природных ситуаций в мире, в том числе и на территории Сибири и Монголии.

Идея работы — выявление периодов активизации опасных природных процессов на основе историко-хронологической и мониторинговой информации для реализации среднесрочного прогноза чрезвычайных ситуаций природного характера.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Построение длительных исторических хронологий (500 летних) об опасных природных ситуациях, возникавших в мире, Сибири и Монголии (250 летних), в частности.

2. Создание на основе описательных неформализованных баз данных цифровых баз данных об опасных природных процессах.

3. Анализ статистических характеристик изменчивости природных процессов эндогенного и экзогенного характера во времени и в связи с вариациями солнечной активности.

4. Выполнение сравнительного анализа проявления некоторых экстремальных природных ситуаций в мире и на территории Сибири и Монголии.

5. Реализация ге оинформационного подхода к долгои среднесрочному прогнозу опасных природных ситуаций.

В качестве объектов исследования рассмотрены следующие опасные природные процессы, возникавшие на континентах в течение прошедших 500 лет (1501 — 2003 гг.) — сейсмичность, вулканизм, экзогенные гравитационные процессы, атмосферные явления.

Предметом исследования являлись периодичность проявления эндогенных и экзогенных процессов, взаимосвязь их проявления во времени и в связи с вариациями солнечной активности.

Территориальные рамки.

В работе под Сибирью понимается Азиатская часть России — территория от Урала на западе до Тихого океана на востоке, под миром — континенты земного шара.

Методы исследования.

1. Создание информационно-ресурсной историко-хронологической описательной базы данных, включающей в себя сведения о возникновении опасных природных ситуаций на разных континентах.

2. Создание цифровой базы данных на основе описательной базы данных.

3. Статистическая обработка цифровой информации с использованием методов кластерного, факторного, спектрального и корреляционно-регрессионного анализа, тренд-анализа и автокорреляции.

4. Компьютерное моделирование возникновения опасных природных процессов в будущем, основанное на реконструкции их развития в прошлом.

Процедуры расчетов и моделирования выполнялись в стандартных программных пакетах: Microsoft Office Excel-2003, STATISTIC A for WINDOWS V6, AutoSignal V 1.6. Иллюстративный материал оформлен с помощью графических пакетов — CorelDraw 12 и Adobe Photoshop CS.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Объективная информация о ходе природных процессов во времени может быть получена введением поправок за рост численности населения, расширения географического знания во времени, развития инструментальной базы наблюдений.

2. Существует сходство периодов активизации опасных природных процессов, запаздывание которых друг относительно друга во времени обусловлено разными скоростями реакции геосфер на влияние внешнего надсистем-ного фактора.

3. Надсистемным фактором, контролирующим поведение системы геологических процессов, является солнечная активность, влияние которой осуществляется опосредованно через процессы, происходящие в атмосфере.

4. Периодичность проявления опасных природных процессов может быть основой для осуществления долгои среднесрочного прогноза.

Научная новизна.

Впервые для Сибири и Монголии созданы описательная историко-хронологическая и цифровая базы данных об опасных природных процессах, проявлявшихся в течение последних 250 лет. Разработаны аналогичные базы данных для разных континентов за последние 500 лет.

Впервые выполнено согласование историко-хронологической и мониторинговой баз данных о землетрясениях с учетом частоты их повторяемости и ощутимости, зависящей от энергии и глубины залегания очагадля ряда исторических вулканических извержений по косвенным признакам оценена энергия. Установлены основные периоды активизации энерговыделения за период времени 500 лет: сейсмический энергопоток — 5, 18−25, 50, 130−135, 200 летвулканический энергопоток — 6, 10, 30−36, 70, 250 лет. Регулярность совпадения максимумов энергопотоков этих двух процессов составляет 10, 20, 30, 40 лет. Сравнительный анализ проявления сейсмичности в мире и Монголо-Байкальском сейсмическом поясе в инструментальный период (1902;2002 гг.) позволил обнаружить единообразные ритмы: по величине энергопотока 7−8 летпо числу событий — 5−8, 20−26, 34, 50 лет.

Определены периоды активизации экзогенных гравитационных процессов (1775−2003 гг.) в мире — 46, 58 лет, в Сибири и Монголии — 13, 21−26, 38, 46, 58, 77, 115 лет. Происходит совпадение активизации турбулентности атмосферы и экзогенных гравитационных процессов через промежуток времени равный 40−45 годам.

Установлена эквивалентность периодов возрастания солнечной активности и активизации рассматриваемых эндогенных и экзогенных природных явлений. Выявлено присутствие единообразных циклов в динамике их проявления продолжительностью 22 года, 30−45, 50−70 лет.

Впервые предпринята попытка прогнозного моделирования опасных природных ситуаций на основе геоинформационного подхода к обработке исто-рико-хронологической информации.

Практическая значимость.

Количественные реконструкции развития опасных природных процессов в прошлом представляют интерес для специалистов в области экологического мониторинга, климатологии, геоэкологии и прикладных ГИС-технологиймогут быть использованы при районировании территорий для оценки природного, экологического, природно-техногенного рисковпри составлении карт сейсмического районирования и т. д. Полученные результаты полезны для отраслей сельского хозяйства и промышленности, где требуется учитывать частоту повторяемости экстремальных природных ситуаций. Основные выводы диссертации по прогнозу опасных природных процессов могут так же использоваться в сферах планирования и проектирования объектов на-# родного хозяйства.

Результаты исследования переданы в Главное управление МЧС России по Иркутской области (приложение 8) и МЧС Монголиивключены в лекционный курс по дисциплине «Геофизика чрезвычайных ситуаций» в Иркутском государственном техническом университетеопубликованы в виде четырех учебных пособий для студентов геологических и других естественнонаучных специальностей ВУЗов.

Апробация работы.

Основные научные и практические результаты диссертации представля-ф лись и обсуждались:

1. На научных конференциях: «Анализ, оценка и управление рисками на уровне региона: техногенные, природные и социальные аспекты», Институт систем энергетики им. Мелентьева СО РАН, Иркутск, 2001 г.- «Природно-техногенная безопасность Сибири», Красноярск, 2001 г.- «Человек-Среда-Вселенная», ИрГТУ, Иркутск, 2001 г.- «75-летие факультета геологии, геоинформатики и геоэкологии ИрГТУ», Иркутск, 2005 г.- «Природная и антропогенная динамика наземных экосистем», Сибирский институт физиологии и биохимии растений СО РАН, Иркутск, 2005 г.- на Российско-Монгольском совещании по астрономии и геофизике, Улан-Удэ, 2005 г. ф 2. На научных семинарах: в институте леса им. Сукачева СО РАН, Красноярск, 2005 гв институте астрономии и геофизики АН Монголии, Улан-Батор, 2005 г.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ.

Личный вклад автора.

Автором проанализирован значительный объем историко-хронологической информации об опасных природных процессах проявлявшихся не только на территории Сибири и Монголии, но и всего мира, по которому выявлены основные периоды активизации опасных природных ситуаций во времени и в связи с вариациями солнечной активности. Составлены прогнозные модели развития опасных природных процессов в будущем на срок от 10 до 20% длины временных рядов.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, изложена на 146 страницах машинописного текста, содержит 91 рисунок, 10 таблиц, 8 приложений, сопровождается библиографическим списком из 126 наименований.

Основные результаты и выводы:

1. Построены длительные исторические хронологии об опасных природных ситуациях, возникавших в мире (500 летние), впервые для территории Сибири и Монголии (250 лет).

2. При статистическом анализе историко-хронологических данных необходимо вводить соответствующие поправки, поскольку поток информации об опасных природных явлениях из прошлого к настоящему существенно зависит от демографического закона, социально-экономической зрелости общества и научно-технического прогресса.

3. Выполнено согласование историко-хронологической и мониторинговой баз данных о землетрясениях с учетом частоты их повторяемости и ощутимости. Анализ вариаций сейсмичности определил главные периоды активизации процесса в мире (500 лет): по числу событий — 19−25, 40, 125, 170 летпо величине сейсмического энергопотока — 5, 18−25, 50, 130−135, 200 лет. В доинструментальной и инструментальных частях выборки присутствует единообразные периоды активизации по числу событий — 5−6, 18−25, 40−50 летпо величине энергопотока — 5−7 лет. Сравнительный анализ проявления сейсмичности в мире и Монголо-Байкальском регионе в инструментальный период времени (1902;2002 гг.) обнаружил единообразные ритмы активизации по числу событий — 5−8, 20−26, 34, 50 летпо величине энергопотока 7−8 лет.

4. Установлены основные периоды активизации вулканизма: энергопоток — 6, 10, 30−36, 70, 250 летчисло событий — 7, 12, 20, 60, 100, 170 и 250 лет. Регулярность совпадения максимумов энергопотоков сейсмичности и вулканизма составляет 10, 20, 30, 40 лет.

5. Периоды активизации ЭГП имеют продолжительность: в мире — 46, 58 лет (500 лет), Сибири и Монголии — 13, 21−26, 38, 46, 58, 77, 115 лет (250 лет). Длительность флуктуаций атмосферных явлений составляет: 10−15, 22−30, 40 лет. Установлено совпадение активности атмосферы и ЭГП через промежуток времени равный 40−45 годам.

6. Наблюдается эквивалентность периодов активизации солнечной активности и эндогенных, экзогенных процессов: 22 года, 30−45 лет, 50−70 лет.

7. Совместные периоды активизации сейсмичности и эпохи активного Солнца происходят через промежуток времени 125, 180 летвулканизм — 180 200 лет. ЭГП запаздывают или опережают максимумы солнечной активности с периодом 20−30 лет. Увеличение турбулентности атмосферы и гелиофизи-ческих факторов происходит через промежуток времени равный 18−22 годам (солнечный цикл Хэйла).

8. Историко-хронологическую информацию следует использовать для прогнозного моделирования опасных природных процессов, используя метод суммирования главных гармоник.

9. Нарастание совокупности опасных природных процессов следует ожидать к 2010;2015 гг.- сейсмических энергопотерь в 2006 и 2016;2020 гг., сейсмических событий в 2007;2015 гг., вулканических извержений в 20 062 007 гг. Активизации ЭШ процессовне следует ожидать в2005;2010 гг., тогда как турбулентность атмосферы может возрасти в 201|0 г.

10. Дальнейшие исследования необходимо направить на пополнение описательных баз данных об опасных природных процессах, что позволит совершенствовать достоверность среднесрочного прогноза.

11. Основные полученные результаты исследований представляют практическую ценность и используются для анализа чрезвычайных ситуаций природного характера в Главном управлении МЧС России по Иркутской области.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основное внимание в работе было уделено исследованию динамики временных вариаций интенсивности опасных природных процессов и разработке геоинформационных подходов к их прогнозированию. Впервые для Сибири и Монголии созданы описательная историко-хронологическая и цифровая базы данных об опасных природных процессах, проявлявшихся в течение последних 250 лет. Разработаны аналогичные базы данных для разных континентов за последние 500 лет. На основании историко-хронологических и мониторинговых данных проанализированы статистические характеристики изменчивости процессов эндогенного (землетрясения и вулканизм) и экзогенного характера (гравитационные процессы, атмосферные явления). Выполнен сравнительный анализ проявления сейсмичности в мире и на территории Сибири и Монголии. Исследованы закономерности влияния солнечной активности на систему геологических процессов. Реконструкция развития опасных природных ситуаций в прошлом позволила выполнить компьютерное моделирование процессов в будущем.