Методика прогнозирования среднедекадных расходов воды на северных реках Колумбии с использованием динамических и стохастических моделей
Данное исследование является вкладом в Программу образования и подготовки кадров в области метеорологии, оперативной гидрологии и океанологии для развивающихся стран. Автору удалось в диссертации достигнуть одну из самых главных целей Международной Гидрологической Программы ЮНЕСКО по Латинской Америке и Карибскому региону, а именно, разработать современную технологию прогнозирования водоносности… Читать ещё >
Содержание
- 1. Описание бассейна рек северной части Колумбии и постановка задача
- 1. 1. Физико-географическая характеристика
- 1. 1. 1. Рельеф.,
- 1. 1. 2. Почвы
- 1. 1. 3. Растительность
- 1. 1. 4. Климат
- 1. 1. 5. Гидрографическая сеть
- 1. 1. 6. Гидрологическая изученность
- 1. 1. 7. Развитие гидрологии
- 1. 2. Постановка задачи
- 1. 1. Физико-географическая характеристика
- 2. Прогноз декадного стока на основе регрессионных уравнений
- 2. 1. Исходные данные
- 2. 2. Регрессионные уравнения. Их значимость
- 2. 3. Региональные уравнения регрессии
- 2. 4. Оценка оправдываемосги прогнозов
- 2. 5. Оправдываемость поверочных прогнозов
- 3. Динамические модели формирования речного стока
- 3. 1. Модели формирования стока первого и второго порядка
- 3. 2. Параметризация моделей формирования стока
- 3. 3. Прогнозы стока
- 3. 4. Оценка эффективности методик прогнозирования
- 4. Стохастические модель формирования стока
- 4. 1. Исходные данные
- 4. 2. Уравнение Фоккера-Планка-Колмогорова
- 4. 3. Поверочные прогнозы распределения плотности вероятности декадных расходов воды
Методика прогнозирования среднедекадных расходов воды на северных реках Колумбии с использованием динамических и стохастических моделей (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
Более конкретно актуальность темы, цели и задачи исследования, методы и исходный материал, научная новизна и практическая значимость состоят в следующем. В настоящее время перед Колумбийским гидрометцентром стоит задача оснащения страны нормативными документами в области гидрометрического оценивания речного стока и его прогнозирования. Тема диссертации соответствует этой задаче и направлена в конечном итоге на то, чтобы создать необходимый научно-технический задел для разработки в будущем практического руководства по гидрологическим прогнозам по м> *врия""?я"> /С -4 Р И Б С К О с.
MsAitvCyMfiKt (КоОТб) я, гальсног.
Рисунок 1 — Схема расположения рассматриваемых водосборов аналогии с наставлениями, которые существуют в России.
Гидрологические прогнозы декадного стока, выпускаемые в настоящее время отделом оперативной гидрологии Гидрометслужбы, представляют собой информационные сообщения о степени отклонения от многолетней нормы. При этом предполагается, что прогнозируемое событие является не обязательным, а только наиболее вероятным.
Подобная формулировка прогноза мало информативна: во-первых, не прогнозируется динамика исследуемого процессаво-вторых, не указывается количественная вероятность, с которой следует ожидать предсказываемое событие. Несмотря на указанные недостатки методики прогнозирования, различные министерства и ведомства ощутили их пользу в экономике страны и в развитии национального хозяйства.
У потребителей гидрологической информации ощущается потребность в количественном описании динамики декадного стока, что объясняется современным экономическим развитием различных отраслей национального хозяйства Республики Колумбии. В связи с тем, что различные пользователи гидрологической информации осознали экономическую эффективность гидрологических прогнозов, настоящее исследование по данной тематике представляется достаточно оправданным и актуальным.
Целью работы является разработка методики прогнозирования декадного стока рек севера Республики Колумбии (на примере рек Кататумбо и Сину), дающей количественные сведения о динамике предсказанного события в вероятностной форме.
Для достижения этой цели были решены следующие задачи:
— выбор наиболее актуальных для национального хозяйства речных водосборов с целью адаптации динамических и стохастических моделей, разработанных в России, к условиям Колумбии. В эту же задачу входит сбор и статистическая обработка необходимой гидрометеорологической информации;
— разработка наиболее оптимальных регрессионных методов прогнозирования для выбранных водосборов;
— разработка наиболее оптимальных динамических методов прогнозирования;
— адаптация стохастических моделей к выбранному региону Колумбии и их применение для вероятностного прогноза;
— обоснование применимости и использование для условий Колумбии методик оценки эффективности прогнозирования, принятых в РФ.
Решение поставленных задач проводилось путем статистической обработки декадных данных по осадкам и речному стоку на 17 метеорологических и 10 гидрологических станциях севера Колумбии за 24 года наблюдений, а также с помощью математического моделирования. Кроме этого, использовались гидрологические отчеты гидрометеорологического центра Республики Колумбия «ГОЕАМ».
Реализация моделей для различных вариантов задания параметров и статистическая оценка надежности ретроспективных прогнозов проводилась на персональном компьютере Pentium ИТ в среде Turbo Pascal, Delphi и Excel.
Научная обоснованность и достоверность положений и выводов подтверждается статистическими оценками надежности всех промежуточных результатов, включая: оценку надежности параметров уравнений регрессии, оправдываемость ретроспективных прогнозов по традиционной методике S/стд, S/o и проценту оправдавшихся прогнозов. Кроме того, уверенность в надежности результатов придает использование достаточно авторитетной для многих отраслей знаний модели Фоккера-Планка-Колмогорова (ФПК), описывающей марковские случайные процессы, к которым принадлежит и случайный процесс формирования декадного стока рек.
В ходе диссертационного исследования были получены следующие основные результаты:
1. Разработана эффективная методика прогнозирования декадного стока северной рек Колумбии на основе линейных уравнений регрессии.
2. Доказана применимость дифференциальных уравнений 1 и 2 порядка для эффективных прогнозов декадного стока рек Кататумбо и Сину в диапазоне средних и максимальных расходов воды.
3. Адаптирована к условиям Колумбии стохастическая модель формирования декадного стока, результат применения которой для прогноза согласуется с результатами, полученными по динамическим моделям в области малой обеспеченности расходов воды.
4. Обоснована возможность применения для условий Колумбии методики оценки эффективности прогнозов речного стока, принятой в Российской Федерации.
Основные положения диссертации докладывалась на научных семинарах кафедры гидрофизики и гидрологических прогнозов, итоговых сессиях ученого совета РГГМУ в 1999, 2001 и 2003 гг. и на двух Всероссийских конференциях.
По теме диссертации опубликовано 6 работ.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, содержащего 70 источников, 11 приложений. Работа изложена на 135 страницах текста, включая 15 рисунков и 20 таблиц.
Заключение
.
Данное исследование является вкладом в Программу образования и подготовки кадров в области метеорологии, оперативной гидрологии и океанологии для развивающихся стран. Автору удалось в диссертации достигнуть одну из самых главных целей Международной Гидрологической Программы ЮНЕСКО по Латинской Америке и Карибскому региону, а именно, разработать современную технологию прогнозирования водоносности рек.
Полученные автором результаты являются актуальными для Гидрометцентра Колумбии, и позволят заметно улучшить обеспечение прогнозной гидрологической информацией пользователей как государственного, так и частного секторов. Настоящее исследование находится в русле научной деятельности кафедры гидрофизики и гидрологических прогнозов РГГМУ.
Главные результаты настоящей диссертации состоят в следующем: а) Разработана эффективная методика прогнозирования декадного стока рек северной Колумбии на основе линейных уравнений регрессии. б) Доказана применимость дифференциальных уравнений 1 и 2 порядка для эффективных прогнозов декадного стока в диапазоне средних и максимальных расходов воды. в) Адаптирована к условиям Колумбии стохастическая модель формирования декадного стока, результат применения которой согласуется с результатами, полученными по динамическим моделям в области малой и средней обеспеченности расходов воды. г) Обоснована возможность применения для условий Колумбии методики оценки эффективности прогнозов речного стока, принятой в Российской Федерации.
Не все сформированные выше результаты развиты в полном объеме и доведены до состояния полной готовности к практическому применению. Прежде всего, это относиться к третьему пункту. Хотя модель ФПК действительно показала возможность давать правдоподобные результаты, но сама использованная методология, основанная на результатах к.т.н. Е. В. Шевниной, требует дальнейшего совершенствования [69, 70]. В первую очередь это относится к параметризации модели.
Список литературы
- Линслей Р. К., Колер М. А., Паулюс Д. Л. Прикладная гидрология. -Л.: Гидрометеоиздат, 1962.-759 с.
- Руководство по гидрологии Женева: Изд. ВМО, 1994 — № 168.-564 с.
- Бедрицкий А.И. Влияние погоды и климата на устойчивость и развитие экономики// Бюллетень ВМО.-Женева, Изд. ВМО, 1999.- Т 48, № 2.
- Астапов Ю.М., Медведев Ю. С. Статистическая теория систем автоматического регулирования и управления.-М.: Наука, 1982.-304 с.
- Вуглинский B.C. Исследование метода водного баланса в гидрологических исследованиях.-Л.: Гидрометеоиздат, 1985.-300 с.
- Владимиров A.M. Гидрологические расчеты,— Л.: Гидрометеоиздат, 1990.-365 с.
- Шелутко В.А. Техника статических вычислений в гидрологии. -Л.: Изд. ЛПТУ, 1977.-174 с.
- Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. -М.: Высшая школа, 1999.-479 с.
- Великанов М. А. Стохастическая структура гидропрогноза и учет его ошибок // Метеорология и гидрология.-l 960.~№ 4.-С. 17−24.
- Коваленко В. В. Частично инфинитное моделирование и прогнозирование процессов развития. СПб.: Изд. РГТМУ, 1998. -112 с.
- Димаксян А. М. Гидрологические приборы. -Л.: Гидрометеоиздат, 1973.-248 с.
- Хандожко Л. А. Оптимальные погодно-хозяйственные решения СПб.:Иизд. РГГМУ, 1999.-160 с.
- Карлос Г. Л. Наращивание имеющихся организационных возможно стей для подготовки метеорологических кадров// Бюллетень ВМО — Женева: Изд. ВМОЮ, 1999-Том 48 № 2.
- Martinez Castillo L. Е. Datos geograficos de Colombia. -Bogota: Ed.1.stitute Geografico Agustin Codazzi.
- Proyecto Colombo-Holandes. Control de tmundaciones en el Bajo Magdalena-Bogota. Ed. HEVLAT, 1978.- 700 p.
- Belisario L. Verificacion у control de la calidad de la informacion hidrologica. Subdireccion de Hidrologia IDEAM, Bogota, 1995.
- Геткер М.И. О некоторых закономерностях зонального распределения осадков и размещения сети осадкомеров для гидрологических целей. Тр. САНИИРИ, 1966.-120 с.
- Денисов Ю. М. Схема расчета гидрографа стока горных рек. -Л.: Гидрометеоиздат, 1965.-103 с.
- Кучмент Л.С., Гельфан А. Н. Динамико-стохастические модели формирования речного стока.-М.: Наука, 1993.-103 с.
- Картвелишвили Н.А. Стохастическая гидрология.-Л.: Гидрометео издат, 1975.-163 с.
- Колмогоров А.Н. Об аналитических методах в теории вероятностей //УМН.-1938.-Вып. 5.
- Коваленко В. В. Стохастические модели формирования речного стока с сосредоточенными параметрами // Расчеты и прогнозы гидрологических характеристик: Междуведомственный сборник научных трудов,-Л.: Изд. ЛГМИ, 1989.-Вып. 103. -С.61−73.
- Коваленко В.В. Моделирование гидрологических процессов. -СПб.: Гидрометеоиздат, 1993. -256 с.
- Коваленко В.В., и др. К оценке гидрологических последствий изменения климата //Моделирование и прогнозы гидрологических процессов. СПб., 1992,-Вып. 113.-C.3−10.
- Хаустов В. А. Моделирование антропогенного влияния на многолет нюю изменчивость речного стока Северо-Запада России // Тезисы докладов итоговой сессии ученого совета.-СПб: Изд. РТТМИ, 1996-С.20.
- Ривера Э.Г., Ривера М. Э. Методика прогнозирования месячного стока рек Колумбии (на примере реки Кататумбо) // Тезисы докла дов итоговой сессии ученого совета РГТМУ, 25−26 янв.-СПб.: Изд РГГМУ, 2000.-С. 66−67.
- Ривера Э.Г., Ривера М. Э. Математическое моделирование месячного стока рек Колумбии (на примере р. Кататумбо) // Информационные материалы итоговой сессии Ученого совета-СПб.: Изд. РГГМУ, 2001. 101 с.
- Ривера М.Э. Стохастическая методика прогнозирования декадного стока рек Колумбии (на примере рек Кататумбо и Сину) // Материалы итоговой сессии ученого совета. 27−28 янв., 2003. Часть 1.Секция Метеорологии и гидрологии-СПб.: изд-во РГГМУ, 2003. -102 с.
- Виноградов Ю.Б. Вопросы гидрологии дождевых паводков на малых водосборах Средней Азии и Южного Казахстана. Л.: Гидроме-теоиздат, 1967. —262 с.
- Машуков П.М. Основные методы гидрологических прогнозов, при меняемые в Средней Азии // Метеорология и гидрология в Узбекистане, АН УзбССР, 1955.-С. 12−20
- Методика и практика гидропрогнозов по рекам Средней Азии // Метеорология и гидрология.-1936.-№ 2.-С. 50−68.
- Мировой водный баланс и водные ресурсы Земли. — Л.: Гидроме-теоиздат, 1974. -638 с.
- Salazar A. Metodica para la estimation de la cota maxima de inundation sin informacion hidrometrica. Informe Tecnico de la Subdireccion de Hidrologia, Bogota. Ed. HIMAT, 1995. 14 p.
- Рахманов В. В. Долгосрочный прогноз объема половодья р. Оки //
- Труды Гидрометцентра. 1976. — Вып. 175. — С. 3−39.
- Гигинейшвили В. М. К методике определения водоносности горных рек//Метеорология и гидрология. -1936. -№ 1.-С. 69−75.
- Важнов А. Н. Прогноз стока половодья горной реки с использованием вероятностной зависимости // Проблемы речного стока. М.: Изд. МГУ, 1968.-С. 107−112.
- Георгиевский Ю. М., Шаночкин С. В. Прогнозы стока горных рек-JI.: Изд. ЛПТИ, 1987.-40 с.
- Нежиховский Р. А. О вероятностной форме гидрологического прогноза//Метеорология и гидрология. -1959. -Вып.94. -С. 67−72.
- Харшан Ш. А. Долгосрочные прогнозы стока половодья горных рек Сибири. -М.: Гидрометеоиздат, 1958. 120 с.
- Молоснов И. И. Опыт прогноза водоносности рек по материалам снегомерных съемок // Метеорология и гидрология. 1938. — № 5. С. 10−14.
- Сапожников В. И., Климова В. В. Прогноз пентодного стока р. Арагви у с. Жинвании в весенне-летний период // Труды ЦИП. -1961.-Вып. 113,-С. 60−70.
- Дрейпер Н., Смит Г. Прикладной регрессионной анализ. -М.: Статистика, 1973.-392 с.
- Мостеллер Ф., Тьюки Дж. Анализ данных и регрессии. М.: Финансы и Статистика, 1982. — 239 с.
- Уилкс С. Математическая статистика. -М.: Наука, 1967. 632 с.
- Рожденственский А. В., Чеботарев А. И. Статистические методы в гидрологии. JI.: Гидрометеоиздат, 1974. — 424 с.
- Романовский В. И. Математическая статистика. -Ташкент: Изд. АН УзбССР, 1961.-638 с.
- Андерсон Г. Введение в многомерный статистический анализ. М.: Физматгиз, 1963. — 500 с.
- Эзекиел М., Фокс К. А. Методы анализа корреляций и регрессий.50