Моделирование снеготаяния для малоизученых бассейнов рек

• Автор: Гиоргиевский, Михаил Владимирович
• Шифр специальности: 25.00.27
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Яманаси
• Количество страниц: 167 с. : ил.

ИНФОРМАЦИЯ ДЛЯ РЕЦЕНЗЕНТОВ
Представленная диссертационная работа была выполнена автором за более чем трехлетний период 2004-2007 гг. во время стажировки в Университете Яманаси, Япония (англ. University of Yamanashi, Kofii, Japan;
Вся научно-исследовательская работа, выполненная во время стажировки, включая непосредственное написание диссертации, а также научных статей, необходимых для защиты диссертационной работы (для защиты диссертации требовалась публикация как минимум двух научных статьей, опубликованных в международных реферируемых журналах) выполнялась на английском языке, так как рабочим языком аспирантского курса университета Яманаси, вышеуказанной программы, являлся английский. Целью стажировки, сформулированной руководством Государственного гидрологического института перед отправлением автора в Японию, являлось изучение, с целью дальнейшего практического применения (после возращения на родину), современных технологий, методов, подходов, данных и Т.П. используемых зарубежными коллегами. Основное внимание было уделено использованию данных дистанционного зондирования и ГИС-технологий. Представленная ниже диссертационная работа была успешно защищена 23 марта 2007 года в Университете Яманаси с присвоением докторской степени (англ. Doctor of Philosophy, PhD). Автор хотел бы обратить внимание рецензентов на следующие моменты, которые возникли при переводе диссертации на русский язык:
1. Диссертация переводилась с английского на русский язык с небольшими сокращениями и дополнениями “как она есть”, т.е. сохранялась структура диссертации (последовательность глав и разделов) и ее объем. Т. к. хорошо известно, что при переводе с английского языка, который является более лаконичным по сравнению с русским, объем переведенного текста увеличивается, а также, что сама диссертация на английском языке была незначительно больше
общепринятых стандартов (120 страниц), поэтому размер переведенной диссертации увеличился до 160 страниц.
2. Из-за экономии времени диссертация частично отдавалась на перевод, в первую очередь это касается первой и второй главы, т.е. описательной части научной работы вроде обзоров и т.п.. Остальные главы (главы 3, 4 и 5, а также реферат и цели исследования и т.д.) диссертации, посвященные непосредственно научным исследованиям, переводились лично автором. Учитывая специфику специализированного текста диссертации, содержащего множество профессиональных терминов, посвященных дистанционному зондированию (типам спутников и сенсоров, методам зондирования, приборам и форматам получаемых данных), а также моделированию снеготаяния, в некоторых фрагментах переведенной диссертации (это, прежде всего, касается первых двух глав) “чувствуется”, что русский текс является переводом. Автор принял решение оставить данные фрагменты без изменений, в первую очередь из-за экономии времени, а во-вторых, так как изначально было принято решение переводить диссертацию в полном объеме (см. выше пункт 1).
3. Все названия рисунков и таблиц переведены на русский язык, но в некоторых случаях, когда, по мнению автора, это не носило принципиально важного значения, а общий смысл оставался понятен и без перевода, в нескольких таблицах и рисунках присутствуют термины, обозначения и названия на английском языке.
4. Главной целью стажировки являлось освоение современных технологий используемых за рубежом. Поэтому все научные исследования проводились на основе зарубежных источников, опубликованных за последние десятилетия, в основном, на английском языке. Это служит объяснением тому, что в диссертации мало ссылок на советские и российские научные труды.
Автор заранее выражает свою глубочайшую признательность рецензентам за проделанную ими профессиональную работу, посвященную критическому обзору приведенной ниже научно-исследовательской работы.
С уважением,
Михаил Георгиевский.
РЕФЕРАТ
Сотни миллионов людей на Земном шаре зависят от водных ресурсов, одним из важнейших источником которых является талая вода. Ее определение опирается на знание запасов воды в снежном покрове и расчете интенсивности снеготаяния. Для того чтобы правильно использовать водные ресурсы необходимо их заблаговременное и точное прогнозирование.
В настоящее время для осуществления данной задачи чаще всего используются два подхода, а точнее говоря типа моделей. Первый основан на расчете снеготаяния по одному аргументу -температуре воздуха (метод температурных коэффициентов). Этот метод является простым и, как считаю многие исследователи, приближенным. В основу его положено допущение о линейной зависимости средних суточных составляющих теплового баланса снежного покрова от температуры воздуха. Моделирование снеготаяния по первому методу зависит от температурных коэффициентов стаивания, определение которых зачастую бывает произвольным или значения их берутся из опубликованных материалов. Второй подход к расчету интенсивности таяния снега (образованию талой воды) основан на применении метода теплового (энергетического) баланса. Учитывается приток тепла к снежному покрову от солнечной радиации, от жидких осадков, за счет турбулентного теплообмена с атмосферой, от земли. Использование этого метода опирается на сведения о температуре и влажности воздуха, скорости ветра, облачности и солнечной радиации, а также свойствах снежного покрова. Следует отметить, что во многих регионах Земли ни один из вышеперечисленных подходов не может быть применим из-за недостатка необходимых исходных данных. Это препятствует эффективному экономическому развитию многих регионов и обеспечению безопасности жизнедеятельности населения. Для того чтобы решить данную проблему, необходимо применение и развитие, по крайней мере, двух методологий. Во-первых, современной технологии расширенных наблюдений, а именно технологии применения данных спутникого зондирования земной поверхности, и, во-вторых, нового теоретического подхода к моделированию снеготаяния. Данный подход должен основываться на упрощении, при сохранении необходимой точности, традиционных схем моделирования, а также на развитии методов определения основных параметров моделирования путем использования спутниковой информации. Обобщая вышесказанное, основные цели данной диссертации можно сформулировать как следующие:
1. Разработка метода определения температурных коэффициентов стаивания во времени и пространстве путем использования спутниковой информации. Достижение данной задачи можно условно разбить на два этапа:
(1) Выбор наиболее приемлемой спутниковой информации из всего многообразия существующих баз данных путем сравнительного анализа. Дополнительно на данном этапе будет приведен пример возможности использования спутниковых данных в климатических исследованиях.
(2) Создание пространственно-распределенной модели снеготаяния основанной на методе температурных коэффициентов и применение данной модели совместно с
1.5.5.2 МОДЕЛИРОВАНИЕ СНЕГОТАЯНИЯ
Несколько моделей для прогноза и моделирования талого стока были разработаны или же модифицированы на основе существующих моделей с целью использования данных дистанционного зондирования снежного покрова.
Департамент водных ресурсов штата Калифорния (California Department of Water Resources) взял за основу существующую гидрологическую модель бассейна реки Кингс, выделил из нее оригинальный блок расчета снеготаяния и заменил его моделью, основанной на использовании спутниковых данных по определению площади снежного покрова. Модель основана на допущении, что снеготаяние не начинается до тех пор, пока снежный покров не достигнет максимального насыщения влагой. При таком подходе бассейн сперва разбивается на специальные высотные зоны называемые также как “высота насыщения” ('elevation of prime'). Основная эмпирическая зависимость для расчета снеготаяния на заданной высоте насыщения в каком-нибудь речном бассейне представлена ниже:
Ер = Ъ А • К- (1.009)с + 0.017 • К ■ (7Т - 100/К) (1.5)
где Ер - высота насыщения (100 ft (30.5 м)) т.е. максимальная высота, при которой может начинаться снеготаяние, D - количество дней после 1 февраля, ТІ -затухающая годовая температура, взятая как градусо-дни на высоте 7000 ft (2135 м) после 1 февраля используя коэффициент затухания равный 0.96 и К -переменная, которая влияет на высоту насыщения и которая связана с влагозапасами в снеге.
Достаточно сложная субальпийская модель была разработана Федеральным лесным управлением США, для того чтобы моделировать суточный сток (Leaf and Brink, 1973). Данная модель рассчитывает зимнюю аккумуляцию снега, коротковолновый и длинноволновый радиоционый баланс, состояние снежного покрова и снеготаяние. При применении модели бассейн исследуемой реки разбивается до 25 участков относительно одинаковых по уклонам, растительному покрову и т.п. На протяжении сезона снеготаяния, модель получает постоянно обновляемые данные по телеметрии снега в реальном времени и размерам площади снежного покрова, получаемых со спутников.
В Тихоокеанском Северо-Западном районе Соединенных Штатов, спутниковые данные по снежному покрову используются операционно в модели формирования