Диагностика гидрометеорологических рисков средствами геодезического мониторинга

Нестабильность климата в последние десятилетия часто приводит к непредсказуемым последствиям, точнее, рискам для жизнедеятельности человека. Гидрометеорологическими рисками становятся ситуации затопления в результате половодья или паводков вследствие обильного выпадения осадков; засухи вследствие длительного отсутствия осадков или экстремальных температур; экстремальные количества осадков.

В связи с этим роль геодезического мониторинга природных объектов и явлений трудно переоценить.

Огромное значение в геодезическом мониторинге играют спутниковые системы навигации (ССН) и лазерное сканирование, обеспеченное соответствующими программными средствами. Наблюдения с помощью космических летательных аппаратов (КЛА) позволяют составлять оперативный и точный прогноз состояний атмосферы, в частности приземного слоя, столь важного для жизнедеятельности человека. Однако для долговременных прогнозов и прогнозирования чрезвычайных ситуаций, оценки гидрометеорологических рисков необходимо проводить анализ многолетних рядов данных климатических показателей. На основе обработанных рядов данных средствами геоинформационных систем (ГИС) составляются электронные карты полей распределения атмосферного увлажнения, экстремальных температур, состояния природных объектов, которые отражают многолетние наблюдения на той или иной территории.

Объекты и методы исследований

Объектом исследований стали данные об атмосферном увлажнении на территории Сибири и Дальнего Востока, в частности Омского Прииртышья.

Методами исследований являются методы геодезического мониторинга объектов, такие как использование метеоданных, полученных с помощью ССН, электронное картографирование средствами геоинформационных технологий, метод математического моделирования, метод географической интерполяции.

Большая часть исследований авторов статьи по теме геодезического мониторинга гидрометеорологических рисков посвящена анализу распределения атмосферного увлажнения на территории Сибири и Дальнего Востока.

Исследовательская часть

Погодой называется состояние приземного слоя атмосферы, ей свойственны следующие метеорологические характеристики: атмосферное давление, температура, ветер - перемещение воздушных масс, атмосферные осадки, солнечная радиация. Однако для долговременных прогнозов рисков и чрезвычайных ситуаций необходимо проводить анализ климата в целом. Климат – это многолетнее устойчивое, повторяющееся из года в год состояние погоды, характерное для данной местности. Факторами, определяющими климат той или иной территории, являются геофизические факторы, географические и местные (факторы подстилающей поверхности).

Атмосферные процессы, определяющие изменения погоды, развиваются на больших пространствах. Распределение осадков зависит от распределения атмосферного давления, облачности и температуры. Существенное влияние на распределение осадков оказывают рельеф, близость морей и океанов, местные ландшафтные условия.

Изменчивость годовых и месячных сумм осадков весьма значительна, особенно в условиях континентального климата. Изменчивость месячных сумм больше, чем годовых.

Для территории Омской области это особенно актуально, так как территория находится на Западно-Сибирской низменности и открыта воздействию холодных воздушных масс с Северного Ледовитого океана, воздушных масс с Атлантики, которые бывают причиной циклонов, и южных ветров с Казахстана. Поэтому для территории области характерен резко континентальный климат с суровой и продолжительной зимой, коротким и жарким летом. Территория области обширна по площади, вытянута с севера на юг, находится в четырех природных зонах: подтаежной, лесной, лесостепной и степной. Атмосферные осадки не являются такими интенсивными и продолжительными, как на Дальнем Востоке или в Калининграде, однако необходимо заметить, что для территории Омского Прииртышья характерен мелкозападинный рельеф, который способен аккумулировать влагу. На территории большое количество рек, озер, болот, особенно в северной части области. Соответственно в годы избыточного увлажнения повышается риск заболачивания территории, подтопления отдельных территорий, вымывания плодородного слоя, а в годы недостаточного увлажнения – засухи, засоления почв.

При более чем бурном развитии информатизации, электронных комплексов, сетей, опутавших человечество, разнообразных способах исследования различных сфер человеческой деятельности методы точного определения количества и характера атмосферного увлажнения далеки от совершенства.

В крупных густонаселенных пунктах измерения атмосферных осадков проводятся регулярно и точно. В настоящее время предлагаются динамические карты погоды, которые обновляются каждые три часа, а карты гроз – каждый час [1]. Имеются программы для расчета и картирования метеорологических характеристик. Например, программа Digital Atmosphere (ДигАтм) позволяет строить профессиональные карты погоды . Такие карты представляют огромную ценность для специалиста.

Однако для серьезного анализа и возможного прогноза необходимо иметь не только карты в онлайн-режиме, но и обобщенные результаты многолетних наблюдений. Данные дистанционного зондирования, к сожалению, не всегда доступны для широкого круга пользователей в различных отраслях. По-прежнему существует проблема отсутствия измерительных приборов на станциях наблюдательных сетей. Так, на многих территориях на площади свыше 2 тыс. км ² нет ни одного осадкомерного прибора. Северная половина Западной Сибири относится к наименее изученным в гидрометеорологическом отношении областям Сибири. Например, в Ямало-Ненецком автономном округе на площади около 1 млн км ² расположены лишь 36 метеорологических станций. На полуострове Ямал, где имеется около 8000 водотоков, ни один из которых не изучен в гидрометрическом отношении, все десять метеостанций располагаются на побережьях. Таким образом, на севере территории одна метеостанция приходится на 28 000 км ² , то есть на территорию размером 100х280 км [1].

Для диагностики гидрометеорологических рисков и прогнозирования чрезвычайных ситуаций в первую очередь необходимо проанализировать максимальные и минимальные значения атмосферного увлажнения (рис. 1, 2) [2].

Рис. 1. Минимальные годовые суммы атмосферных осадков за все годы наблюдений, мм/год [2]

Трудность работы с подобной базой заключается в отдельных случаях в недостатке данных, пропусках в рядах данных, отсутствии метеостанций, погрешностях в измерениях осадков, необходимости вводить поправочные коэффициенты. Методы дистанционного зондирования Земли свободны от данных недостатков и позволяют с высокой точностью определять значение. Однако данные, полученные с КЛА, имеют пока еще непродолжительные ряды и в связи с этим не могут рассматриваться как долгосрочные прогнозы. Поэтому приходится использовать исторически сложившиеся методы наблюдений за погодой и накопленные наукой прежние результаты.

Рис. 2. Максимальные годовые суммы атмосферных осадков за период наблюдений, мм/год [2]

Обработка огромных массивов информации о состоянии атмосферы осуществляется численными методами с применением ЭВМ. Так, метод математического моделирования в настоящее время является основным инструментом изучения атмосферных процессов, в частности атмосферного увлажнения. Этот метод и был реализован в программе Weather App, составленной С.И. Хрущевым [3].

Для анализа гидрометеорологических характеристик были обработаны многолетние ряды баз данных атмосферных осадков сайта метеоцентра [4]. Затем по результатам обработки рядов с помощью геоинформационной программы Golden Software Surfer были построены карты изолиний и поверхностей атмосферного увлажнения.

Программные средства для исследования и картографирования гидрометеорологических характеристик

Программистом С.И. Хрущевым в 2010–2013 гг. (Омский государственный педагогический университет) разработан пакет программ Weather «Анализ метеорологических данных», позволяющих произвести проверку баз данных (БД) картографическим методом и выполнить исправление случайных ошибок. Впервые появилась возможность рассчитывать не только месячные и декадные, но и суточные значения метеорологических элементов для отдельной выбранной метеостанции и для всех станций базы. На рис. 3 отображен интерфейс программы Weather.

Рис. 3. Интерфейс программы Weather

Средним за месяц
Файл	Расчеты	Базы данных Доп. функции О программе
id	I По городу       ►		I Месячные значения ►	Средним за месяц
20674	По всем городам ►		Годовые значения   ►	Число случаев (суток) подряд

Хатанга

Һ/Н IГНҺМ/Һ

Рис. 4. Выбор объекта (характеристики) для расчетов

Рис. 5. Выбор метеостанции

Рис. 6. Выбор параметров расчета

Программа позволяет рассчитать суточные значения за какие-либо конкретные сутки. Для этого необходимо задать специальные параметры (рис. 8, 9). Модуль WeatherApp «Построение гидрометеорологических отчетов» позволяет рассчитывать и анализировать значения метеорологических элементов для метеостанций Сибири и Дальнего Востока, всех 223 метеостанций России и сопредельных стран, имеющихся в базе [4; 5] (подекадно, помесячно, по годам; максимальные, минимальные, средние значения).

Рис. 7 . Суммы осадков за месяц по годам, с 1916 по 2006 г. для ст. «Омск»

Рис. 8. Расчет суточных метеоданных

Выборка : Параметр "Сумма осадков" : Дата "01.09.1982-01.01.1982" : I

Файл Расчеты Базы данных Доп. функции О программе id__| Станция__| Долгота | Широта | Сумм... | Дэта

20674	Остров Диксон	586.135742...	598.772460...	11
20891	Хатанга	678.086975...	566.942993...	1
21946	Чокурдах	880.851257...	622.349609...	0
21982	Остров Врангеля	966.908386...	742.593444...	0
22113	Мурманск	372.761718...	677.756042...	8
22217	Кандалакша	348.005584...	665.967590...	5
22520	Кемь-Порт	333.858181...	637.674743...	0
22550	Архангельск	350.363281...	603.487854...	5
22583	Койнас	383.371459...	577.552734...	6
22602	Реболы	304.387664...	647.105773...	3
22641	Онега	333.859191...	611.739868...	6
22802	Сортавала	280.810455...	630.601684...	2
22820	Петрозаводск	292.599151...	608.203247...	2
22837	Вытегра	296.135589...	594.056823...	4
22887	Котлас	343.290191...	545.723510...	0

Рис. 9. Результаты расчетов по суткам (пример на 01.09.1982 г.)

Следующий шаг – выбор параметров расчетов: за декаду, месяц, год; максимальные, минимальные, средние. Возможно подсчитать число случаев за год. Выбираются либо станции Сибири, либо все станции базы. Затем результаты можно экспортировать в программу Excel для последующего статистического анализа и в программу Golden Software Surfer для последующего редактирования и построения поля изолиний [1].

На рис. 10 в качества примера приведена карта суточной нормы осадков на 28.07.2003 г. для территории Сибири и Дальнего Востока. На рис. 11 приведены максимальные значения за 2-ю декаду июля.

I                                                         I                                                         г

Рис. 10. Суточные суммы осадков на 28.07.2003 г. (пример)

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________I_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________I___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

1                                                 I                                                 I                                                 I

Рис. 11. Максимальные за многолетний период значения за 2-ю декаду июля

С помощью карт изолиний осадков можно определять значения атмосферного увлажнения в пунктах, где не ведутся наблюдения. Преимущество электронного картографирования с помощью геоинформационных систем заключается в том, что при составлении карты поля изолиний за счет территориальных обобщений вероятность грубых ошибок практически исключается, так как в ходе построения полей производится автомати- ческое сглаживание.

Выводы

Геоинформационные технологии позволяют соединить возможности и достижения современной науки и прошлой, годами накапливающей свои данные. Применение геоинфор-мационных систем технологий как технологий геодезического мониторинга позволяет построить поля распределений атмосферного увлажнения, состояния природных ресурсов и проследить методом географической интерполяции по изолиниям состояние того или иного объекта даже в труднодоступных районах, где отсутствуют станции измерительно-наблюдательных сетей и определение метеохарактеристик затруднено. Метод географической интерполяции показывает свою высокую эффективность для равнинных территорий, к каким относится и Омская область.

Необходимо отметить и дороговизну спутниковых снимков, поэтому для объективного и реального отображения полей распределения гидрометеорологических характеристик целесообразно использовать различные методы.

Таким образом, полученные с помощью различных современных средств геодезического мониторинга карты позволяют уточнить экстремальные значения климатических показателей и существенно уменьшить гидрометеорологические риски, проследить возникновение и развитие чрезвычайных ситуаций, уточнить отдельные СНиПы по строительству [6], проектированию дорог, зданий, сооружений, объектов инфраструктуры и т.п. [7].