Прогнозы быстроразвивающихся бурных паводков на больших территориях

Возможность регулярно измерять осадки с высоким пространственно-временным разрешением и наличие баз данных высокого разрешения для поверхности земли и нижележащих слоев обеспечили выпуск национальными учреждениями оперативных прогнозов быстроразвивающихся бурных паводков для больших территорий.

Для выпуска прогнозов с высоким разрешением для больших территорий обычно применяют два основных подхода: а) прогнозы с использованием концепции возникновения паводка; b) прогнозы на основе гидрологических моделей с пространственнораспределенными параметрами. При любом подходе требуются наблюдения за осадками и прогнозы с высоким пространственно-временным разрешением.

Чтобы получить оценочные данные об осадках в требуемом для прогнозирования паводков масштабе, необходимы плотные дождемерные сети. Для прогнозирования в масштабе страны паводков с высоким разрешением на больших территориях данные наблюдений, полученные с автоматических осадкомеров, дополняются данными с региональных метеорологических радиолокаторов и/или спутниковых датчиков.

Различные датчики измеряют различные характеристики осадков, и затем вычисляется конечный продукт как наилучшая оценка, объединяющая все полученные данные. Во многих случаях бывает полезно также определять меру неопределенности данных об осадках, поскольку инструментальные погрешности меняются от датчика к датчику и от региона к региону.

Во многих исследованиях обсуждается вопрос об оперативной количественной оценке осадков, полученной объединением данных осадкомеров и метеорологических радиолокаторов. Это и ранние исследования Коллинжа и Кирби (Collinge and Kirby, 1987) в Соединенном Королевстве Великобритании и Северной Ирландии, и более поздние исследования Фултона и др. (Fulton and others, 1998), результаты которых были опубликованы в США, и исследования Сео и Брейденбаха (Seo and Breidenbach, 2002).

В таких случаях пространственная изменчивость поля осадков в масштабе быстроразвивающегося бурного паводка вызвана в основном радиолокационными данными, хотя использование автоматических осадкомеров позволяет корректировать поле или зависящее от масштаба искажение данных радиолокаторов с привлечением различных методик, например, как это описано у Клаки и Колье (Cluckie and Collier, 1991), Брага и Массамбани (Braga and Massambani, 1997) и Тачикавы и др. (Tachikawa and others, 2003).

Спутниковые данные об осадках часто калибруются с данными метеорологических радиолокаторов, полученным для схожих по гидроклиматическим показателям регионов и/или с данными сетей автоматических локальных или региональных водомерных постов. Объединение данных, полученных с полярноорбитальных и геостационарных спутников, также находится на стадии рассмотрения (см. Bellerby and others, 2001).

Оценивание быстроразвивающихся бурных паводков. Концепция оценивания быстроразвивающихся бурных паводков применительно к прогнозам паводков для больших территорий появилась в середине 1970-х годов в США (Mogil and others, 1978). Размер паводка оценивается через количество осадков за заданный промежуток времени, например от одного до шести часов, выпавших над небольшим бассейном, достаточное для возникновения незначительного паводка в замыкающем створе водосбора.

Оценка количества осадков часто обновляется и используется для определения вероятности паводка путем сравнения с количеством наблюденных или спрогнозированных осадков той же продолжительности и над тем же небольшим бассейном.

Для оценивания паводков в оперативной среде необходимо разработать следующее:
- оценки предельного объема стока за различные промежутки времени (в автономном режиме);
- модель для расчета почвенной влаги, позволяющую получить кривые связи предельных значений стока с оценками размера паводков для различных условий дефицита почвенной влаги (Sweeney, 1992).

Ранее при оценивании размера паводков использовались статистические связи предельного стока для подготовки требуемых оценок предельного стока по различным региональным и местным данным, например топографическим и климатическим данным.

Используя существующие базы цифровых пространственных данных о местности, таких как топографические особенности, данные о русловой сети, землепользовании, характере подстилающей поверхности, наряду с ГИС, Карпентер и др. (Carpenter and others, 1999) предложили решать проблему расчета предельного стока на физической основе и разработали методы для определения объективных оценок предельного стока в масштабе страны с высоким разрешением.

Для рассматриваемого небольшого бассейна основное отношение для предельного стока будет иметь следующий вид:

гдє Q_{паводок}, — это сток, который, вероятно, способен вызвать незначительный паводок в замыкающем створе; Qp — максимальный поверхностный сток с бассейна, вызванный эффективными осадками; R — предельный сток за данное время t_r.

Расход паводка Q _{паводок} может быть оценен как сток за данный период повторяемости, например два или четыре года, или с помощью гидравлического уравнения для равномерного установившегося потока при полном заполнении русла в замыкающем створе. Для определения зависимости Q_p от R и t_r может быть применен искусственный или геоморфологический единичный гидрограф. Рассмотрение стока в целиком заполненном русле и естественного единичного гидрографа не требует калибровки и дает консервативные оценки предельного стока в плане ущербa от паводка.

Характеристики поперечного сечения русла в замыкающем створе необходимы для оценивания стока в условиях полного заполнения русла и расчета максимума стока естественного единичного гидрографа. Эти оценки обычно получают из региональных регрессионных связей таких характеристик, как ширина русла при полном заполнении и глубина, а также полученных с помощью ГИС характеристик бассейна — площади, длины реки и среднего уклона, выступающих в качестве предикторов. Эти региональные регрессионные связи строятся на основе данных, полученных из обследований естественных водотоков данного района, и используются для расчета характеристик поперечного сечения русла всех малых водосборов региона.

Разрешение цифровых данных топографической высоты ограничивает наименьший размер бассейнов, для которых может быть выполнен расчет предельных значений стока. Например, если разрешение топографической базы данных составляет 90 м, то характеристики бассейна, например его площадь, расположение, длину и уклон водотока, можно определить с относительными погрешностями от ±10 до ±25 процентов для бассейнов площадью более 5 км².

Для таких бассейнов c максимальной площадью до 50 км² ошибки в оценках предельного стока, подготовленных на основе анализа ГИС данных топографической высоты, могут достигать ±30 процентов оценочных значений на местах при условии полного обеспечения гидрометеорологическими данными.

Предельный сток выражается через слой эффективных осадков данной продолжительности, способный вызвать в замыкающем створе маленького бассейна незначительный паводок. Как только получены значения предельного стока для отдельного региона или для всей страны в сочетании с оценками дефицита почвенной влаги, поступающими в режиме реального времени, они могут использоваться для определения пороговых значений стока. Эта методика изложена ниже (см. Georgakakos, 2004).

Обычно национальные службы прогнозов в оперативном режиме запускают гидрологическую модель для бассейнов площадью около 1 000 км² для расчета характеристик стока и выпуска прогнозов в каждый установленный срок подготовки прогноза. После завершения этих прогонов прогнозов текущие оценки индексов почвенной влаги, действительные на время подготовки прогноза, сохраняются.

Для содействия расчету быстроразвивающегося бурного паводка при этих исходных условиях гидрологическая модель запускается в автономном режиме по сценарию «что, если» с возрастающими объемами осадков за заданный промежуток времени. В этом сценарии «что, если» используются те же первоначальные оценки почвенной влаги, которые были выданы моделью при обычном оперативном прогоне.

Строится график связи смоделированных значений поверхностного стока и необходимых осадков за заданный промежуток времени. Этот график может быть интерпретирован как связь между предельным стоком (эффективные осадки или объем поверхностного стока) и оценкой риска возникновения быстроразвивающегося бурного паводка (фактический объем осадков). Он используется наряду с оценочным значением порогового стока для данного бассейна с целью определения искомого объема паводка, при этом в отношении обоих действует тот же заданный период времени.

Оценки количества самых последних осадков за время, равное продолжительности периода, за который оценивается размер быстроразвивающегося бурного паводка, могут использоваться для установления неизбежности наступления такого паводка в определенном бассейн. На вероятность паводка указывает превышение наблюденных осадков над оценкой риска возникновения паводка.

После этого могут быть построены региональные и национальные карты с выделением бассейнов с высокой вероятностью возникновения паводков. Могут быть подготовлены аналогичные карты, показывающие подверженные риску наступления паводков бассейны, которые построены на основе скорее прогнозируемых, а не наблюдаемых объемов осадков в бассейне за заданные промежутки времени.

Национальная метеорологическая служба США использует оценки риска возникновения паводков в оперативном режиме на национальном уровне для прогнозов паводков на больших территориях.

На региональном уровне эта методика применяется в странах Центральной Америки. Национальные программы для сбора данных, необходимых для определения оценок риска возникновения паводков с целью проверки прогнозов, являются важным дополнением к программам оперативного прогнозирования.