Требование к данным, используемым для гидрологических прогнозов

Общие положения. Требования к данным для гидрологического прогнозирования зависят от многих факторов:
-цель и вид прогноза;
- характеристики бассейна;
- прогностическая модель;
- желательная степень точности прогноза;
- экономические ограничения прогностической системы.

Требования к данным меняются в широких пределах в зависимости от цели прогноза. Эксплуатация водохранилища требует прогнозов притока воды за короткие интервалы времени и объема воды, который, вероятно, поступит в водохранилище в результате паводка, вызванного ливневыми осадками.

Прогнозы уровня воды на крупных равнинных реках могут быть без труда выполнены на основе данных измерений уровней воды на водомерных постах, расположенных выше по течению. В связи с этим в качестве исходных данных в таких случаях будут использоваться уровни воды на двух или более постах на главной реке или ее притоках. Однако на малых горных реках, кроме измерений уровня и расхода воды через относительно короткие интервалы, практически не обойтись без данных об осадках.

В последующих разделах широко рассматривается вопрос о том, какой вид прогностической модели должен использоваться. Требования, предъявляемые к исходным данным при калибровке модели и при ее использовании для прогнозирования, сильно меняются от модели к модели. Например, в случае простой корреляционной модели, которая применима для крупных рек, достаточными данными будут уровни воды на двух или более постах. Однако для использования комплексной модели бассейна потребуется ряд других исходных данных.

Несмотря на то, что точность прогнозов имеет первостепенное значение, из-за экономических ограничений, относительной важности и цели прогнозирования вполне допустима и меньшая степень точности. В таких ситуациях может быть выбрана модель с менее жесткими требованиями к данным. Тем не менее для прогнозов в критических точках, например вблизи густозаселенных территорий или других крайне уязвимых площадей, большая точность имеет первостепенное значение.

Помимо типа данных, используемых в прогностических целях, не менее важны сведения о периодичности данных, длине ряда наблюдений и качестве данных, что необходимо должным образом принять во внимание при планировании любой системы прогнозирования паводков. Особенно важно исключить систематические ошибки между данными, которые использовались при разработке прогностической процедуры или при выполнении калибровки, и данными, использованными для оперативного прогнозирования.

В общем и целом количество имеющихся данных, необходимых для выпуска прогнозов, и их качество повышаются. Количество автоматизированных постов и радиолокаторов увеличивается, а качество новых спутников и алгоритмов оценки осадков способствует получению более качественных входных данных для методов и систем гидрологического прогнозирования. Ключевой задачей в достижении надежности данных в гидрологических прогнозах является техническое обслуживание платформ сбора данных и коммуникационных систем.

Данные, необходимые для создания прогностической системы. Надежные гидрологические прогнозы нельзя выпустить без данных. Необходимые для гидрологического прогнозирования данные, как это рассматривается в предыдущих главах, в общих чертах можно разбить на следующие группы:

- физико-географические;
- гидрологические;
- гидрометеорологические.

Данные географических информационных систем (ГИС) требуются как для калибровки модели, так и для визуализации состояний модели и результатов моделирования. Данные включают различную информацию о подстилающей поверхности, такую как вид почвы, геологическое строение, растительность и высотные отметки цифровых моделей рельефа. Эффективность системы гидрологического прогнозирования будет зависеть от надежности и количества данных наблюдений и данных ГИС, применяемых для определения параметров.

Ключевыми для гидрологического прогнозирования являются гидрологические данные, отражающие уровни воды, например расходы воды, уровень подземных вод, качество воды и расход наносов, а также гидрометеорологические данные, характеризующие испарение, температуру, влажность, выпадение дождевых осадков и другие формы осадков, например снег и град.

Некоторые или все из перечисленных выше данных могут быть необходимы или для разработки модели, или для ее оперативного использования (в зависимости от модели). В последние десять лет базы данных и программное обеспечение для их обработки объединяются с гидрологическими моделями с целью создания гидрологических прогностических систем, использующих гидрологические и/или метеорологические данные и обрабатывающих данные для их использования в гидрологических моделях. Выходные данные таких моделей затем используются гидрологами для прогнозирования состояния речного стока, включая паводки и засухи.

Достаточная гидрометеорологическая сеть — важнейшее условие для прогнозирования паводков. В большинстве случаев оперативная деятельность наблюдательной сети является самым слабым звеном в рамках комплексной системы. В частности, для прогнозирования паводков и засух необходимо иметь, по крайней мере, адекватные данные водомерных постов об осадках и стоке.

Если одним из факторов является снеготаяние, измерения водного эквивалента выпавшего снега, протяженность снежного покрова и температура воздуха также важны. Поэтому при формировании системы гидрологических прогнозов важно задать следующие вопросы:

- Достаточны ли сети осадкомеров и водомерных постов для выборочных наблюдений за интенсивностью и пространственным распределением осадков и стока для данного речного бассейна?

-Насколько правильно функционируют водомерные посты и обеспечивают ли они точные данные об уровне и расходе воды?

Надежно ли осуществляется передача данных с наблюдательных постов в центр прогнозов?

- Как часто производятся наблюдения и сколько требуется времени для передачи результатов наблюдений в центр прогнозов?

- Доступны ли данные для пользователей, которым они необходимы для принятия решений?

- Архивируются ли данные для использования в будущем?

- Собираются ли данные в соответствии с общепризнанными стандартами; обслуживается и калибруется ли оборудование должным образом и осуществляется ли контроль над качеством данных?

Первый шаг — обследование существующей сети. Необходимо подготовить перечень местоположений имеющихся станций наблюдений, параметров, датчиков, самописцев, телеметрической аппаратуры и других соответствующих данных и представить их в графической форме. В пределах низменных водосборов нужно внести в реестр водомерные посты на соседних водосборах, поскольку данные наблюдений с этих постов могут быть очень полезны.

Необходимо провести оценку притоков бассейнов со схожими гидрологическими и метеорологическими условиями. Основная задача — с наибольшей выгодой использовать существующие сети станций гидрометеорологических наблюдений, которые эксплуатируются различными государственными учреждениями и частным сектором и существенны для данного бассейна. В определенном отношении предпочтительнее, чтобы сеть наблюдений использовалась для решения различных задач, поскольку это может позволить расширить финансовую поддержку сети.

Достаточность сетей наблюдений может быть определена в зависимости от потребностей в сфере прогнозирования, и следует обратить внимание на необходимые изменения. Они могут предусматривать установку новых водомерных постов, дождемеров и других измерительных приборов в верховьях рек или дополнительного телеметрического оборудования.

В некоторых случаях местоположение постов наблюдений не позволяет осуществлять измерения стока воды или получать другие данные в экстремальных условиях. Могут потребоваться структурные изменения. Для поддержания и функционирования сети могут потребоваться межведомственные соглашения.

Существует множество источников таких данных — от наблюдений in situ, выполняемых вручную, до платформ автоматизированного сборa данных и систем дистанционного зондирования. Автоматизированные системы наблюдений состоят из метеорологических и гидрологических датчиков, радиопередающего устройства или компьютера — регистратора данных — и линии связи для передачи данных со спутника или приемного центра для получения и обработки данных для их дальнейшего использования.

Существует много типов автоматизированных систем гидрометеорологических данных, в которых применяются коммуникационные технологии на основе линий связи в пределах прямой видимости, спутниковой или метеорной связи. Высокоскоростная передача гидрометеорологической информации крайне важна для заинтересованных сторон и пользователей из водохозяйственного сектора, поскольку в этом случае информация может быть получена незамедлительно многими пользователями через спутниковую связь и/или Интернет.

Радиолокатор — это широко распространенное и мощное, но до сих пор дорогостоящее оборудование, используемое для оценки осадков на больших территориях. Использование геостационарных и полярноорбитальных спутников для получения больших объемов метеорологической и гидрологической информации быстро развивается.

Данные дистанционного зондирования в настоящее время могут использоваться для оценки осадков, площади снежного покрова, типа растительности, вида землепользования, эвапотранспирации и влажности почвы, а также для определения границ затопляемых территорий.

Информация об оборудовании, которое используется для сбора, обработки, хранения и распространения гидрологических и связанных с ними данных, содержится в томе I настоящего Руководства.

Данные, необходимые для оперативных целей. Основными параметрами, определяющими сток воды и гидрологические процессы, являются начальные условия и будущие факторы. Начальные условия — это условия, сложившиеся в момент выпуска прогноза, и которые могут быть вычислены или оценены на основе текущих или прошлых гидрометеорологических данных.

Будущие факторы — это факторы, влияющие на прогнозируемую переменную после выпуска прогноза. Можно утверждать, что самые серьезные проблемы при управлении ресурсами возникают в экстремальных условиях: во времени — в ходе паводков и засух; и в пространстве — в засушливых, полузасушливых и тропических зонах и в прибрежных районах.

Ключевой переменной, которую требуется определить, является временной шаг, необходимый для выпуска достаточно надежного прогноза для данной местности. Если временной шаг составляет, например, шесть часов, данные должны собираться каждые три часа или даже чаще.

Во многих случаях пополнение наблюдательной сети, обслуживаемой персоналом, некоторым количеством автоматизированных постов может обеспечить достаточную оперативную сеть. Использование все большего объема данных может стать необходимым условием для улучшения эффективности модели, что, скорее всего, увеличит затраты. Это является основным определяющим фактором при наблюдениях, сборе и анализе данных, используемых при разработке подходящей модели и для оперативного прогнозирования паводков.

Больший объем данных влечет за собой увеличение затрат и требует большего времени на сбор и анализ данных и привлечения большего числа сотрудников. Экономическая эффективность модели по отношению к ее относительной точности и итоговым последствиям требует проведения должного анализа при определении требований к данным.

Дистанционное зондирование играет важную роль при сборе новейшей информации и данных как во времени, так и в пространстве. Применение методов дистанционного зондирования имеет большое значение при пространственном оценивании, в частности осадков и почвенной влаги. Такие методы предоставляют больше возможностей при сезонном прогнозировании, способствуют развитию прогнозирования штормовых нагонов, засух и меженей, а также помогают совершенствовать менеджмент риска.

Быстрое распространение Интернета во всем мире не только предоставляет прекрасный механизм для распространения гидрологических данных и прогнозов среди различный сообществ пользователей, но и обеспечивает богатый источник данных, прогнозов и информации для национальных метеорологических и гидрологических служб. Интернет является источником ценной информации для гидрологических прогностических служб.

Эта информация может включать метеорологические и гидрологические модели, документацию по гидрологическому прогнозированию, данные географической информационной системы, продукцию глобального метеорологического прогнозирования в режиме реального времени и гидрологическую прогностическую информацию.

Огромное количество данных, программного обеспечения и документации имеется для использования, и эти источники ежедневно пополняются. Ссылки на некоторые страницы в сети Интернет или универсальные адреса ресурсов (URLs) приведены в конце главы для информации.