Метод прогноза максимальных уровней воды весеннего половодья реки Енисей у города Кызыл

Физико-статистической метод долгосрочного прогноза максимальных уровней воды

В основу физико-статистической модели долгосрочного прогноза максимальных уровней воды положены исследования Л.Г. Шуляковского [1], показавшего воз¬можность использования для этой цели регрессионных моделей, учитывающих факторы, наиболее полно характеризующие условия формирования максимальных уровней воды. Ниже представлены результаты реализации этого подхода на участке реки Енисей у города Кызыл.

Исследуемый бассейн представляет собой сложную систему горных хребтов и межгорных котловин, отличается большим контрастом ландшафтно-гидрологических характеристик. Климат отличается резко выраженной континентальностью, территория находится в "дождевой тени" от хребтов Алтая.

На реках изучаемой территории периодически наблюдаются наводнения, причиняющие значительные убытки отраслям экономики республики, в отдельных случаях они носят катастрофический характер. Максимальные уровни воды у Кызыла редко связаны с заторами льда (в 25% случаев). Заторного происхождения они бывают в годы с неустойчивым ходом температуры воздуха в момент вскрытия реки. Уровень именно этого типа был максимальным за все время инструментальных наблюдений в створе (836 см, в 1945 г.).

Чаще уровни сформированы снегодождевыми паводками и наступают в мае – начале июня при прохождении первой, либо очередной волны половодья.

В первом случае волны половодья формируются за счет интенсивной и дружной весны при устойчивом юго-западном переносе воздушных масс. На рост уровня влияет накопленные за зиму запасы воды в снеге, температура воздуха в мае.

Во втором случае максимальных отметок уровни воды достигают при формировании второй (или очередной) волны половодья, чаще имеют снегодождевой характер. В горных условиях ливни, связанные с прохождением атмосферных фронтов, обеспечивают интенсивное таяние и водоотдачу из снежного покрова. При таком развитии погоды талый сток, без существенных потерь на испарение и инфильтрацию, попадает в русловую сеть, формируя максимум в замыкающем створе. В некоторых случаях площадь снегового покрытия бассейна в этот момент может составлять 10%.

Формирование максимальных уровней весеннего половодья особенно в горных странах трудно описать определенным набором факторов. Сложность орографической сети, неравномерность распределения снежного покрова, разница температур воздуха на различных высотах и зонах, наложение дождевой составляющей – все это в совокупности приводит к неравномерному поступлению талых вод в речную сеть. Гидрографы рек многопиковые, тяжело расчленяющиеся по типам питания. В годы с повышенным летним дождевым стоком вообще трудно выявить максимальный уровень именно весеннего половодья.

Для разработки методики прогноза максимальных уровней сначала подбирались оптимальные уравнения для обобщенных показателей, характеризующих условия формирования максимальных уровней. Они представляют собой линейные комбинации соответствующих гидрометеорологических предикторов, измеряемых в пунктах наблюдений гидрометеорологической сети. К обобщенным показателям относятся:
1) характеристика толщины льда или ее изменения по длине участка реки,
2) показатель теплозапаса почвы,
3) показатели температуры воздуха в марте и апреле,
4) показатели влагообеспеченности (количества осадков) апреля или марта-апреля,
5) показатель снегонакопления,
6) характерные осенние и зимние уровни,
7) осенний сток.

Набор предикторов, входящих в уравнения для обобщенных показателей, определяется из физических соображений и уточняется на основе корреляции с максимальными уровнями воды. К ним относятся:
- Запасы воды в снеге в пунктах наблюдений, характеризующие количество поступившей на водосбор талой воды.
- Температура воздуха в марте (декадная, месячная),– косвенно характеризует тип весны. Например, при низкой температуре марта более вероятна холодная погода в первой половине апреля и последующее интенсивное потепление в конце апреля – начале мая, усиливающее концентрацию весеннего половодья. Теплое начало марта, чаще сопровождается растянутым половодьем.
- Температура почвы характеризует теплофизические процессы впитывания и повторного замерзания талой воды с возможным образованием запирающих слоев на открытых участках. Вертикальный градиент температуры в почвенном слое косвенно характеризует запас влаги в почве (чем меньше градиент, тем больше влагозапас).
- Температура воздуха в апреле характеризует величину таяния и оставшегося в бассейне снегозапаса, переходящего на начало мая.
- Количество весенних осадков отражает дополнительное поступление воды и косвенно, – влажность воздуха и потери воды на испарение.
- Осенний сток характеризует запасы влаги и льдистость почвы к моменту начала снеготаяния, либо водность реки в период замерзания и пропускную способность русла.
- Максимальная толщина льда указывает на его объем и прочность и предопределяет заторный характер в период вскрытия.
- Уровень воды на дату появления ледовых образований или на дату установления ледостава, минимальный и максимальный уровни за зимний период, а также превышение максимального уровня над уровнем воды на момент установления ледостава, – отражают ледовые условия, наличие зажоров льда в зимний период и пропускную способность русла.

Линейные комбинации перечисленных предикторов и есть соответствующие обобщенные показатели. Весовые коэффициенты в этих комбинациях определяются на основе множественной корреляции отобранных предикторов с максимальным уровнем воды. Далее вычисляются значения всех обобщенных показателей за каждый год и путем множественной регрессии устанавливаются линейные зависимости между обобщенными показателями и максимальными уровнями воды. Это и есть искомые уравнения для прогнозов. Предложенный путь позволяет использовать преимущества физического подхода (на этапе «конструирования» обобщенных показателей) и объективного статистического анализа (на этапе получения прогностических уравнений).


Методика долгосрочного прогноза максимальных уровней воды реки Енисей у города Кызыл

Уравнение для прогноза максимальных уровней учитывает характер снегонакопления на высоких зонах бассейна, метеорологическую обстановку и уровневый режим выше исследуемого створа.

Средняя дата наступления максимального уровня реки Енисей у города Кызыл – 31 мая, ранняя – 29 апреля (1971), поздняя - 23 июня (1989). Учет развития весеннего процесса только в марте не дал требуемого результата точности прогноза. Вместе с тем учет синоптической ситуации в апреле-мае дает возможность предвычисления наиболее вероятного подъема уровня. Все составляющие уравнения известны к концу мая, однако вклад майских осадков в расчетную величину небольшой, отражается только при экстремальных величинах. Поэтому прогноз по предложенному уравнению составляется на конец апреля, причем, средняя заблаговременность прогноза составляет 1 месяц. При использовании месячного прогноза погоды по территории республики Тыва, предварительный расчет по уравнению может быть проведен в конце марта. Прогноз максимальных уровней воды весеннего половодья реки Енисей у города Кызыл рассчитываются по уравнению:



Описание предикторов и их линейных комбинаций представлено в таблице 1.


Испытания метода проводились в оперативном режиме в течение 2008-2010 гг. В качестве авторских испытаний на независимом материале проведен расчет максимального уровня воды в 2007 г.

Результаты оперативных испытаний метода прогноза максимальных уровней воды весеннего половодья у города Кызыл представлены в таблице 2.


Средняя оправдываемость метода прогноза максимальных уровней воды весеннего половодья у города Кызыл за четыре года испытаний составила 100%. Согласно действующим наставлениям по гидрологическим прогнозам, целесообразно использовать методику долгосрочного прогноза, оправдываемость проверочных прогнозов которой 70% и более.


Рекомендации к внедрению

Учитывая положительные результаты оперативных испытаний метода долгосрочного прогноза максимальных уровней воды весеннего половодья р. Енисей у г. Кызыл в период 2007-2010 гг. Технический совет Среднесибирского УГМС рекомендовал внедрить метод в оперативную практику гидрологических прогнозов Гидрометцентра ГУ "Красноярский ЦГМС-Р" в качестве основного расчетного метода.


Литература

Шуляковский Л.Г., Ерёмина В.А. К методике прогноза заторных уровней воды // Метеорология и гидрология. – 1952 г. –№1.–С.46-51.


Авторы

Д.А. Бураков, В.Ф. Космакова, И.Н. Гордеев


Контакты

Тел. (3912)23-89-50
E-mail: sugms@meteo.krasnoyarsk.ru


© Методический кабинет Гидрометцентра России