Локальные системы прогнозирования быстроразвивающихся бурных паводков и предупреждений о них

Существует большое разнообразие подходов к прогнозированию быстроразвивающихся бурных паводков и выпуску предупреждений о них для конкретно расположенных постов — от методик самостоятельного прогнозирования паводков, в основе которых лежит использование локальных сетей автоматических самописцев, до более сложных, которые включают краткосрочное прогнозирование местных осадков и стока.

Эти методики разработаны для раннего предупреждения местного населения, коммунально-бытовых компаний и других региональных или местных организаций, с тем чтобы они могли действовать незамедлительно при получении предупреждения. Ниже рассматриваются несколько репрезентативных подходов применительно к конкретному месту.

Самостоятельные программы прогнозирования. Самостоятельные системы предупреждения о наступлении быстроразвивающихся бурных паводков используются местным населением для того, чтобы свести к минимуму задержки при сборе данных и распространении прогнозов. Местный координатор противопаводочного оповещения обучен составлению предупреждений о надвигающемся паводке на основе заранее оговоренных процедур или с помощью моделей, разработанных квалифицированными службами прогнозов.

Эти методики могут применяться, когда данные, полученные в реальном времени, и/или прогнозы дождевых осадков указывают на потенциальную возможность затопления. Уравнения множественной регрессии представляют собой простой для практического использования метод прогнозирования быстроразвивающихся бурных паводков, краткое описание которого приводится в простой справочной таблице признаков наступления паводков. Этот метод пригоден для применения в широком диапазоне таких различных условий формирования паводков, как дождевые осадки, влажность почвы и температура воздуха.

Возрастающие возможности использования микропроцессоров способствовали усилению тенденции автоматизации большей части процесса сбора и обработки данных, необходимых для подготовки предупреждений о быстроразвивающихся бурных паводках.

Автоматические датчики по измерению осадков и уровней воды могут напрямую через канал связи быть связаны с компьютером, который будет управлять системой сбора данных, рассчитывать вероятность наступления паводка или составлять прогноз паводка и даже подавать сигнал опасности. Наиболее критическим элементом в самостоятельной системе является активное участие общественности в ее планировании и функционировании.

Системы оповещения. Система оповещения о быстроразвивающихся бурных паводках является автоматизированной версией самостоятельной системы предупреждений. Датчик уровня устанавливается по течению реки выше участка, для которого составляется прогноз, и соединяется при помощи наземной связи или радиосвязи с пунктом приема в населенном месте, например с пожарной станцией или полицейским участком, осуществляющими круглосуточное дежурство.

Такие пункты приема оснащены звуковыми и световыми сигнальными устройствами, имеющими релейные контакты для приведения в действие внешнего сигналa тревоги. Сигнал тревоги включается, когда датчик уровня воды в реке фиксирует заданную критическую высоту.

Комплексные гидрометеорологические системы. Это более сложные и самые современные системы, и они обычно используются коммунальными и другими региональными и местными организациями, которые самостоятельно оценивают гидрометеорологическую обстановку. В большинстве случаев эти системы позволяют получить наиболее надежные прогнозы наступления паводков для отдельных территорий. Как правило, для реализации этих систем привлекаются комплексные гидрометеорологические модели — концептуальные или физико-математические (см. Georgakakos, 2002).

Компонентами этих моделей являются региональный интерполятор оперативной прогностической цифровой информации о погоде в необходимом для обработки данных масштабе 100 км² или менее; модель, описывающая влажность почвы, и модель распространения воды по руслу.

Для того, чтобы оценить неопределенности в прогнозах погоды, поступающих в режиме реального времени, и в конфигурациях данных, получаемых с помощью датчиков, при оценках состояния или ассимиляции данных обеспечивается обратная связь между наблюдениями, выполняемыми в реальном времени, и состояниями модели. В этих системах используются различные формы обобщенного фильтра Калмана и нелинейных фильтров.

Примером комплексных гидрометеорологическиx систем является система прогнозирования быстроразвивающихся бурных паводков в бассейне Панамского канала; более подробную информацию можно найти у Георгакакоса и Сперфслэйджа (Georgakakos and Sperfslage, 2004). Бассейн площадью 3 300 км² был разбит на 11 частных водосборов по топографическому признаку в зависимости от наличия водомерных постов, расположения водохранилищ и местных гидрометеорологических факторов (см. рисунок II.7.7).

Рисунок II.7.7. Водосбор Панамского канала с горизонталями (1-километровая цифровая модель ландшафта) и водосборами притоков (Georgakakos and Sperfslage (2004))

Краткосрочные прогнозы, охватывающие периоды от одного до шести часов, необходимы для смягчения ущерба оборудованию канала и его работе. Метеоролог и гидролог управляют системой и интерпретируют прогнозы осадков и стока.

В рассматриваемом регионе установлен метеорологический радиолокатор с длиной волны 10 см и более 35 автоматических осадкомеров типа ALERT. Расчетная сетка оперативной метеорологической прогностической модели ETA Национальной службы погоды США покрывает регион с разрешением 80 км и позволяет выпускать прогнозы состояния атмосферы над большой территорией дважды в день с 6-часовым интервалом и максимальной заблаговременностью в несколько дней.

Для прогнозирования дождей используется информация модели ETA для 80-километровой сетки, данные радиозонда из верхних слоев атмосферы и приземные метеорологические данные. Модель, используемая для прогнозирования осадков, формирует прогнозы для бассейнов, которые сравниваются с данными радиолокаторов для определения ошибки прогнозов.

Результаты прогнозирования дождевых осадков вводятся в модель для определения содержания влаги в почве каждого бассейна, формирующего сток, и в модель русловой трансформации. Отдельный алгоритм состояния используется для обновления состояний модели содержания почвенной влаги с использованием данных о расходах воды, получаемых в режиме реального времени.

Важным аспектом локальных гидрометеорологических систем является проверка прогноза для крупномасштабных быстроразвивающихся бурных паводков. Это дает полезную информацию для прогнозистов, с помощью которой они могут правильно интерпретировать прогнозы и выдавать их в виде сводок и предупреждений.

Рисунок II.7.8. Предупредительный знак о быстроразвивающемся бурном паводке

При этом могут использоваться обычные характеристики метода наименьших квадратов, такие как разность средних значений, остаточная вариация, среднеквадратическая погрешность и коэффициент эффективности, наряду с другими рабочими показателями, полученными в сотрудничестве с пользователями прогнозов, в т. ч. ошибки в прогнозе объема воды за данный промежуток времени, максимального значения стока и времени его наступления. На рисунке II.7.8 приведен пример предупреждения о быстроразвивающемся бурном паводке.