Количественная оценка прогностического потенциала информационно-вычислительного комплекса "Телецкое озеро"

Информационно-вычислительный комплекс, разработанный авторами этой статьи, для численного воспроизведения переменных гидродинамики, термического и ледового режимов единой лимнологогидрологической системы: устьевой участок р. Чулышман – Телецкое озеро (включая Кыгинский и Камгинский заливы) с основными наиболее крупными боковыми притоками – исток р. Бии, имеет в своем составе четыре проблемно-ориентированных модуля: 1) модуль генерации модели сетки – WMS [1]; 2) базовый прогностический модуль ИВК – модель CE-QUAL-W2 [2]; 3) модуль пре- и постпроцессорной обработки входной и выходной информации – W2i и AGPM-2D [3]; 4) БД для обеспечения работы модулей 1 – 3. Структура, функциональные возможности и ограничения этого комплекса (далее ИВК «Телецкое озеро») подробно описаны в работах [4, 5].

Телецкое озеро, часто называемое «Малым Байкалом» [6, 7], – крупнейший водоем бассейна реки Обь. Длина озера 78,6 км, максимальные ширина – 5,2 км, глубина – 323 м. Основная часть притока в озеро (более 70 %) поступает через р. Чулышман в южную часть озерной котловины, а весь сток осуществляется через р. Бия в противоположной северо-западной части. В 1998 г. Телецкое озеро внесено ЮНЕСКО в реестр объектов Всемирного природного наследия. Половина акваторий Телец-кого озера и его восточное побережье входит в состав Алтайского государственного биосферного природного заповедника и является особо охраняемой природной территорией [6, 7]. Однако за последние годы наблюдается резкий рост антропогенной нагрузки как на экосистему озера, так и на его бассейн [7]. Прежде всего это связано с массовым отдыхом и туризмом, сопровождающимся ростом потока отдыхающих (от 150 до 250 тыс. человек в год [5]), строительством объектов туриндустрии и резким увеличением транспортных средств, в том числе маломерных судов. Научно обоснованная система оперативного контроля и управления антропогенной нагрузкой на акваторию и бассейн Те-лецкого озера отсутствует [7]. Таким образом, проблема разработки методики расчета допустимой антропогенной нагрузки на экосистему и бассейн Телецкого озера является весьма актуальной, и решать ее, по мнению авторов статьи, необходимо в рамках проекта создания системы поддержки принятия решения при интегрированном управлении экосистемой и бассейном озера (далее СППР «Те-лецкое озеро») [5, 8]. При этом имеется ввиду создание полноструктурной СППР, состоящей из набора следующих подсистем: измерительно-коммуникационная / мониторинговая, информационная, мо- делирующая, экспертно-аналитическая и интерфейсов пользователей. Подчеркнем, что разработка упомянутого выше ИВК исходно осуществлялась на основе идеи его перспективного использования при проектировании и реализации СППР «Телецкое озеро». При таком подходе особую значимость приобретает количественная оценка прогностического потенциала ИВК «Телецкое озеро» как фундаментальной компоненты вычислительной основы будущей СППР.

Цель данной статьи – дать количественную оценку прогностического потенциала ИВК «Телецкое озеро» на основе сравнения результатов моделирования пространственно-временной динамики термического режима озера и соответствующих данных наблюдений за период с 1 апреля по 1 августа 1968 г.

• 1.    Параметры базового численного эксперимента по оценке прогностических возможностей ИВК «Телецкое озеро»

• 2.    Анализ результатов прогнозов температуры воды в поверхностном, среднем по глубине и придонном слоях Телецкого озера

При планировании базового численного эксперимента (ЧЭ), результаты которого анализируются в следующем разделе данной статьи, ставилась конкретная задача – провести количественную оценку прогностических возможностей ИВК «Телецкое озеро» по воспроизведению динамики термического режима Телецкого озера при задании внешних метеорологических и гидрологических воздействий на основе использования фактических суточных данных гидрометеорологических наблюдений за период с 1 апреля по 1 августа 1968 г. По рекомендации В.В. Селегея 1968 г. был выбран в качестве базового года для проведения верификации ИВК «Телецкое озеро», поскольку именно этот год характеризуется наиболее полным набором доступных данных гидрометеорологических наблюдений Озерной станции Западно-Сибирского УГМС [6]. В основе указанной верификации лежит сравнение данных измерений температуры воды в озере ( T L ) на всех 11 пунктах наблюдений (рейдовые вертикали и вертикали гидрологических разрезов) Озерной станции [9] с результатами расчетов T L в базовым численном эксперименте.

Начальные поля T L и толщины ледового покрова в этом ЧЭ задавались с привлечением максимально полного набора данных наблюдений Озерной станции в конце марта – начале апреля 1968 г. Конкретно рассматривается случай исходно (1 апреля) стратифицированного водоема с T L в меридиональной части равной 0,8 ⁰C на поверхности озера и с вертикальным градиентом температуры γ L = 0,85 ⁰С / 100 м в слое от поверхности до глубины 190 м, ниже этой глубины – изотермия и в широтной части – от 0,1 до 0,6 ⁰C в подледном слое воды толщиной 10 м и с γ L = 0,6 ⁰С / 100 м ниже глубины 10 м до глубины 190 м, ниже этой глубины – изотермия. Начальная средняя толщина ледового покрова в широтной части Телецкого озера задавалась (согласно работе [6]) равной 0,5 м. Начальная температура воды участка р. Чулышман была задана равной 0,7 ⁰C. Значение начального уровня воды (η) в Телецком озере составляло 432,85 мБС. На участке р. Чулышман начальные условия для η рассчитывались с помощью линейной интерполяции значений уровня между гидрологическим постом Балыкча и озером. Переменные метеорологического форсинга в этом ЧЭ сформированы на основе 8-срочных данных наблюдений с метеостанций Беля и Яйлю для меридионального и широтного участков соответственно. Переменные гидрологического форсинга в ЧЭ задавались на основе проконтролированных данных суточных наблюдений на всех гидропостах Озерной станции за период с 1 апреля по 1 августа 1968 г. Все данные наблюдений, использованные в базовом ЧЭ, были подвергнуты экспертной оценке на достоверность с участием В.В. Селегея.

Задание других параметров ИВК «Телецкое озеро» в базовом ЧЭ подробно описано в работе [5].

Для количественной оценки прогностического потенциала ИВК «Телецкое озеро» воспользуемся величинами абсолютных ошибок прогноза в поверхностном (AES), среднем по глубине (AEM) и при-1N донном (AEB) слоях озера, а также значениями: ME =— ^rLн- TLM - среднеарифметической, NN=i

1 ^N                                                       1 ^N

MAE = —^| T _lh - T _LM\ - средней абсолютной, RMSE = —^( T _LH - T _LM ) 2 - среднеквадратической N N = 1                                               N NN = 1

ошибками прогнозов температуры воды, где T LM – прогностическое значение T L , T LН – данные наблюдений.

Ниже приведена таблица 1, которая содержит значения AE S , AE M и AE B , рассчитанные для каждого из 11 пунктов наблюдений (рис. 1) за период с 18 апреля по 20 июля 1968 г.

Таблица

Абсолютные ошибки прогноза температуры воды (0С) в поверхностном (AES), среднем по глубине (AEM) и придонном (AEB) слоях Телецкого озера за апрель – июль 1968 г. для каждого из 11 пунктов наблюдений

Дата	18.4	27.4	11.5	21.5	5.6	11.6	20.6	29.6	9.7	20.7
Пункт набл.	Кыгинский залив, вертикаль 28, сегмент 203
AE S	0.29	0.32	0.42	0.77	0.10	2.80	0.30	1.20	0.00	0.73
AE M	0.10	0.20	0.40	0.50	0.20	0.00	0.10	0.00	0.00	0.00
AE B	0.00	0.00	0.16	0.19	0.26	0.08	0.08	0.08	0.01	0.08
Пункт набл.	мыс Кырсай, вертикаль 19, сегмент 103
AE S	0.05	0.39	0.32	0.27	0.62	3.96	3.30	3.30	0.87	1.70
AE M	0.04	0.20	0.20	0.10	0.88	0.55	0.08	0.02	0.06	0.02
AE B	0.09	0.11	0.26	0.53	0.07	0.09	0.08	0.14	0.18	0.14
Пункт набл.	р. Челюш, вертикаль 27, сегмент 120
AE S	0.05	0.49	0.47	0.32	0.40	0.54	2.43	2.81	1.57	1.60
AEM	0.11	0.08	0.00	0.00	0.08	0.03	0.09	0.17	0.12	0.01
AE B	0.05	0.03	0.18	0.19	0.31	0.17	0.10	0.20	0.46	0.22
Пункт набл.	р. Кокши, вертикаль 13, сегмент 130
AE S	0.06	0.14	0.08	0.11	0.16	0.22	0.05	0.06	0.12	0.02
AE M	0.10	0.37	0.01	0.31	0.38	0.22	0.24	0.30	0.27	0.34
AE B	0.19	0.37	0.39	0.34	0.35	0.33	0.32	0.27	0.09	3.80
Пункт набл.	р. Б. Корбу, вертикаль 26, сегмент 145
AE S	0.00	0.07	0.28	0.32	0.08	0.08	0.15	0.00	0.09	0.40
AE M	0.10	0.04	0.05	0.03	0.08	0.15	0.22	0.23	0.27	0.14
AE B	0.06	0.11	0.09	0.00	0.33	0.31	0.23	0.38	0.32	0.17
Пункт набл.	Камгинский залив, вертикаль 25, сегмент 335
AE S	–	–	0.02	0.05	–	3.19	0.20	0.90	0.01	0.00
AE M	–	–	0.20	0.28	–	0.08	0..02	0.03	0.02	0.20
AE B	–	–	0.57	0.37	–	0.08	0.08	0.08	0.08	0.46
Пункт набл.	п. Яйлю, вертикаль 6, сегмент 224
AE S	0.08	0.09	0.25	0.42	0.13	0.34	0.33	0.34	0.11	0.13
AE M	0.05	0.17	0.18	0.10	0.05	0.09	0.03	0.12	0.19	0.19
AE B	0.00	0.14	0.07	0.14	0.08	0.10	0.08	0.30	0.34	0.12
Пункт набл.	мыс Ажи, вертикаль 24, сегмент 237
AE S	–	–	0.22	0.30	0.15	0.30	0.09	0.16	0.23	1.20
AE M	–	–	0.05	0.12	0.05	0.00	0.06	0.13	0.05	0.09
AE B	–	–	0.37	0.09	0.01	0.03	0.15	0.26	0.23	0.19
Пункт набл.	мыс Караташ, вертикаль 23, сегмент 272
AE S	–	–	0.08	0.11	0.30	0.11	0.39	0.47	1.64	0.13
AE M	–	–	0.14	0.09	0.38	0.01	0.11	0.14	0.45	0.80
AE B	–	–	0.08	0.01	0.40	0.01	0.00	0.16	0.17	0.78

Пункт набл.	с. Артыбаш, вертикаль 22, сегмент 318
AE S	—	—		0.90		0.10		0.47		0.14		0.08		1.10		2.47	0.40
AE M	—	—		0.38		0.10		0.36		0.09		0.32		0.60		0.1	0.08
AE B	–	–		0.6		0.1		0.47		0.08		0.15		0.20		1.42	0.01
Пункт набл.	г/п Артыбаш, вертикаль 2, сегмент 324
Дата	10.4	20.4	30.4		10.5		20.5		30.5		10.6		20.6		30.6	10.7	20.7
AE S	0.30	0.20	0.20		0.10		0.30		0.10		0.10		0.20		0.30	0.20	0.30

Судя по таблице 1, прогнозы температуры воды в поверхностном слое озера высокого качества (MAE_S< 0,5 ⁰С) были получены за весь период моделирования для следующих пунктов: г/п Артыбаш (MAE S = 0,23 ⁰С), мыс Караташ (0,40 ⁰С), мыс Ажи (0,33 ⁰С), п. Яйлю (0,22 ⁰С), р. Б. Корбу (0,15 ⁰С). Показатель успешности прогнозов T LS – SF (SF S = 100 %, если AE S < 3 ⁰С, и SF S = 0 %, если AE S ≥ 3 ⁰С) для всех этих пунктов равен 100 %. В трех пунктах, а именно: с. Артыбаш, р. Челюш и рейдовая вертикаль 28 Кыгинского залива, при значениях показателя SF S = 100 % фиксируются отдельные даты с несколько большими ошибками прогноза T LS .

Определенную трудность в феноменологической интерпретации причины вызывает случай большой ошибки AE_S = 3,19 ⁰С на 11 июня 1968 г. для рейдовой вертикали Камгинского залива при высоком качестве прогноза T LS в предшествующий (с 11.05 по 21.05.68) и последующий (с 19.06 по 20.07.68) периоды.

Значительная ошибка в прогнозе T LS (прогноз – 12,8 ⁰С, измеренная величина – 9,0 ⁰С) в период летнего нагревания (20.07.68) при прямой (устойчивой) стратификации эпилимниона получена для пункта р. Кокши. Одна из вероятных причин возникновения такой ошибки, следуя работам [6, 10], – неучет сугубо локальной, характерной для этого пункта мезомасштабной циркуляции в приводном слое атмосферы, приводящей к местному усилению скорости ветра, которое не фиксируется в данных наблюдений на м/с Беля (расстояние между пунктом р. Кокши и м/с Беля составляет 22 км).

Значительные ошибки прогноза T_LS за вторую и третью декады июня 1968 г., как видно из таблицы 1, зафиксированы 11, 20 и 29 июня в пункте «мыс Кырсай». Указанные ошибки прогнозов в данном пункте обусловлены, по нашему мнению, поздним прохождением прогностического фронта речного термического бара (РТБ). Причин таких ошибок может быть, по меньшей мере, две. Первая из них, возможно, связана с тем, что в районе м. Кырсай ширина Телецкого озера оказывается максимальной (около 5,2 км), и исходное требование, при котором были получены уравнения модели CE-QUAL-W2 (см. уравнения (1) – (6) в [4]), – существенное превышение характерного горизонтального масштаба по длине водоема над соответствующим поперечным масштабом – может оказаться нарушенным именно для южной оконечности меридиональной части озера. Другими словами, участок озера от устья р. Чулышмана до гидрологического разреза «мыс Кырсай», включая Кыгинский залив, является скорее морфометрически трехмерным, нежели двумерным, как это предполагается в поперечно– осредненной модели CE-QUAL-W2 [2].

Вторая возможная причина заключается в пренебрежении силой Кориолиса в модели CE-QUAL-W2, которая, как это показано в работе [11], приводит к эффекту ускоренного продвижения фронта РТБ за счет формирования под ее действием струеобразного «прижимного» течения вдоль правого берега (в нашем случае – вдоль восточного берега) меридионально ориентированного водоема. Радикальным вариантом устранения указанных недостатков модели CE-QUAL-W2 может быть переход к какому–либо варианту трехмерной модели, например GEMSS [12]. Альтернативный вариант – модификация расчетной сетки с целью устранения ошибок прогноза скорости перемещения фронта РТБ на участке южной оконечности озера, примыкающей к устью реки Чулышман.

Исходя из анализа таблицы 1, прогнозы T_L на средних горизонтах измерений для всех 11 пунктов наблюдений за апрель – июль 1968 г. можно оценить как вполне успешные, поскольку максимальные значения AE M не превышают 1 ⁰С.

Прогнозы придонной температуры озера, как видно из таблицы 1, для всех 11 пунктов наблюдений за апрель – июль 1968 г. можно оценить также как вполне успешные. Определенную трудность в феноменологической интерпретации причины вызывает единственный случай значительной ошибки

AE B = 1,42 ⁰С в период летнего нагревания (9.07.68) для пункта с. Артыбаш при высоком качестве прогноза T LB в этом пункте в предшествующие (с 11.05 по 30.06.68) и последующий (20.07) сроки наблюдений.

Информация о средних за период с 18 апреля по 20 июля 1968 г. значениях MAE S и MAE B в каждом пункте измерения, а также о средних величинах показателей успешности прогноза T L – SF S и SF B (SF B = 100 %, если AE B < 1 ⁰С; SF B , соответственно, равен 0 %, если AE B ≥ 1 ⁰С) по всем 11 пунктам наблюдений представлена на рис. 1.

Рис. 1. Информация о средних значениях абсолютных ошибок прогноза Т L (верхняя строка – MAE S / MAE B , ⁰С) и средних значениях показателя успешности прогноза (нижняя строка – SF S / SF B , %) по

11 пунктам наблюдений Озерной станции ЗС УГМС с апреля по июль 1968 г.

Итоговые значения средних ошибок прогнозов T LS для всех пунктов наблюдений за апрель – июль 1968 г. (всего оценено 103 прогноза) составили: ME S = 0,10 ⁰С, MAE S = 0,59 ⁰С и RMSE S = 0,89 ⁰С при средней величине SF S = 95 %.

Итоговые средние ошибки прогнозов T L на средних горизонтах измерений для всех пунктов наблюдений за апрель – июль 1968 г. (оценен 91 прогноз) составили: ME = 0,03 ⁰С, MAE = 0,15 ⁰С, RMSE = 0,20 ⁰С при средней величине SF М (которая рассчитывалась так же, как SF B ) равной 100 %.

Итоговые значения средних ошибок прогнозов T LB для всех пунктов наблюдений за апрель – июль 1968 г. (всего оценен 91 прогноз) составили: ME B = - 0,05 ⁰С, MAE B = 0,20 ⁰С и RMSE B = 0,27 ⁰С при средней величине SF B = 99 %.

Заключение

• 1.    Проведенный детальный интерпретационно-сопоставительный анализ результатов прогностических расчетов базового ЧЭ с данными наблюдений на всех 11 пунктах Озерной станции ЗС УГМС за период с 1 апреля по 1 августа 1968 г. показал, что ИВК «Телецкое озеро» обладает значительным прогностическим потенциалом и качественно и количественно верно воспроизводит особенности реальной динамики термического режима поверхностного, среднего по глубине и придонного слоев водоема при учете фактической суточной изменчивости параметров метеорологического и гидрологического форсингов. В статье представлены результаты детального анализа возможных причин отдельных случаев значительных ошибок прогноза температуры воды в поверхностном слое и предложены конкретные способы и методы их устранения.

• 2.    Поскольку ИВК «Телецкое озеро» реально обладает высокими прогностическими возможностями, то он может быть использован как один из базовых компонентов вычислительной основы при разработке проекта системы поддержки принятия решения при интегрированном управлении экосистемой и бассейном Телецкого озера.

Авторы выражают признательность чл.-корр. РАН В.Н. Лыкосову, д-ру геогр. наук В.А. Земцову, д-ру физ.-мат. наук В.Н. Крупчатникову и канд. биол. наук В.В. Кириллову за поддержку данной работы, ценные советы и рекомендации. Особой благодарности заслуживает известный исследователь Телецкого озера В.В. Селегей, который оказал нам большую помощь в получении данных наблюдений и интерпретации результатов расчетов.