Комплексные системы гидрологического прогнозирования. Неопределенность и вероятностные прогнозы

В настоящее время гидрологические прогностические системы являются доступными и обладают большой мощностью. Степень успеха использования этих систем в основном зависит от уровня подготовки гидрологов, которые с ними работают. Данные системы способны выдавать как прогнозы паводков, которые сформируются в течение нескольких часов, так и сезонные вероятностные прогнозы с заблаговременностью в несколько месяцев для более крупных речных водосборов.

Для создания эффективной программы гидрологического прогнозирования и предупреждений для подвергающегося риску населения необходимы совокупность метеорологических и гидрологических данных, средства прогнозирования и подготовленные прогнозисты.

Такая программа должна предоставлять отдельным общинам в пойме реки необходимое для принятия решений время. В случае прогнозов паводков заблаговременность может стать решающим фактором для уменьшения ущерба и спасения жизней.

Прогнозы должны быть достаточно точными, чтобы со стороны населения и пользователей была уверенность, что в случае предупреждения они успеют принять эффективные меры. Если прогнозы неточны, доверие к ним будет подорвано и не последует адекватного реагирования.

Опыт и уроки прошлого показали, что комплексная система гидрологического прогнозирования и реагирования (см. рисунок II.7.1) включает следующие элементы, которые должны быть связаны в одно целое для обеспечения уменьшения потерь от паводков:

- сбор и передача данных;
- гидрологическое прогнозирование и формирование прогностической продукции;
- доведение прогнозов до пользователей;
- принятие решений и их поддержка;
- действия, предпринимаемые пользователями.

Рисунок II.7.1. Интегрированная система прогнозирования паводков, предупреждения и реагирования при комплексном управлении водными ресурсами: критическая цепь событий и действий

Взаимодействие технологических компонентов интегрированной целостной системы гидрологического прогнозирования может быть представлено как цепь, состоящая из множества звеньев. Каждое звено должно быть полностью функциональным, чтобы приносить пользу сообществу пользователей и населению, которые подвергаются опасности.

Как и в случае звеньев цепи, если один элемент не будет работать должным образом, будет нарушена вся система. Другими словами, если подготовлен точный прогноз паводка, но он не доведен до сведения подвергающегося опасности населения, или не было возможности предпринять превентивные меры, то прогностическая система не служит заданной цели.

Неопределенность и вероятностные прогнозы. В общем случае основная цель гидрологического прогнозирования — обеспечить максимально возможную заблаговременность прогноза с достаточной точностью, чтобы пользователи могли принять соответствующие меры для уменьшения ущерба или оптимизировать решения в области водохозяйственной деятельности. Все прогнозы содержат неопределенность, и одним из наиболее успешных способов ее преодоления является использование ансамблей.

Неопределенность гидрологического прогноза берет начало в метеорологии. Учитывая, что все мезомасштабные модели атмосферы стремятся смоделировать весьма хаотическую атмосферу, метеорологические условия уже в течение нескольких лет рассматриваются как основной источник неопределенности. Более того, параметры гидрологической модели и механика модели также вносят свой вклад в соответствующую неопределенность или ошибку в прогнозаx.

Обычно главным лимитирующим фактором является адекватность данных. Если для составления прогнозов используются только данные гидрологических наблюдений, то заблаговременность может быть такой незначительной, что полезность прогнозов для потребителей будет низкой.

Благодаря стыковке гидрологических моделей с метеорологическими прогнозами, подготовленными метеорологами с использованием глобальных и региональных численных моделей прогнозов погоды и с учетом местных климатических условий, прогнозы стока могут распространяться в дальнейшем на срок от нескольких дней до недель. Хотя стыковка моделей может действительно увеличить заблаговременность прогноза для пользователей, она также увеличивает неопределенность прогнозов.

Климатическое или сезонное прогнозирование в настоящее время становится полезным инструментом в сфере управления водными ресурсами и для решения задач, связанных с уменьшением факторов риска наводнений.

Экстремальные наводнения связаны со значительными изменениями в атмосфере и особенностями циркуляции в океане; достаточно один раз определить эти особенности, чтобы спрогнозировать возможность меньшей или большей степени штормовой активности. Эта информация тогда может использоваться для совершенствования мер реагирования на чрезвычайные ситуации и увеличения степени готовности прогностических организаций.

Когда вероятность экстремального наводнения по прогнозу выше, чем обычно, могут быть приняты определенные меры в преддверии чрезвычайной ситуации, например создание защитных дамб из мешков с песком, организация запасов еды и питьевой воды, вывоз со складов дорогостоящих запасов зерна и товаров из подверженного опасности наводнения района.

В это время также необходимо обеспечить информирование населения об угрозе наводнения, обращая особое внимание на те действия, которые необходимо предпринять населению и другим лицам в связи с этим, и провести учения по действиям при чрезвычайной ситуации для проверки степени готовности к чрезвычайной ситуации. В некоторых случаях могут потребоваться экстренные меры, например возведение временных защитных барьеров.

Разработки по повышению мощности вычислительных ресурсов за последние годы позволили увеличить пространственное разрешение глобальных и региональных атмосферных моделей. Локальные негидростатические модели могут быть успешно приведены к масштабу примерно 1 км. Кроме того, процессы более мелкого масштаба, например конвекция и расширение орографии, моделировались более эффективно.

Вероятностное прогнозирование не следует путать с ошибкой прогноза. Последняя является внутренним атрибутом модели и представляет собой погрешность, обусловленную неадекватностью модели и ошибкой данных.

Возможно, наилучшим способом различить их является представление вероятностного прогнозирования как выражение диапазона выходных данных, возможных для тех условий, которые могут возникнуть до даты, на которую выпускается прогноз, в то время как ошибка прогноза является полностью нежелательной характерной особенностью недостатков, связанных с состоянием развития прогностической науки и имеющихся данных.

Основной механизм для того, чтобы напрямую включить неопределенность, состоит в том, чтобы нарушить начальные условия нелинейных уравнений в частных производных, описывающих атмосферу, с использованием подходов, описывающих мезомасштабные конвективные системы.

Однако большинство используемых ныне методов являются неоптимальными, и по-прежнему приходится полагаться на разумный выбор прогнозиста. Для отражения и описания неопределенности прогноза широко используется ансамблевый фильтр Калмана.

В последние годы Европейский центр среднесрочных прогнозов погоды (http://www.ecmwf.int) и другие международные учреждения исследовали использование ансамблей, отражающих поведение мезомасштабных конвективных систем.

В 2005 г. было начато выполнение крупномасштабного эксперимента по сравнению методов ансамблевого гидрологического прогнозирования. Хотя этот подход, несомненно, имеет большое будущее, он все еще требует проверки и большой работы по разработке методов передачи неопределенности через сложные моделирующие системы.