Методы прогнозирования опасных гидрологических явлений в горных урбанизированных странах.
Кобзарь Г.В.
Поддержать развитие канала и связанных проектов можно любой суммой по ссылке: https://sobe.ru/na/beach_analytics
Цель работы: проанализировать текущую тенденцию частоты возникновения опасных гидрологических явлений в горных регионах Европы и Австралии, выявить причины возможных ошибок прогнозирования и дать рекомендации по оптимизации прогнозов. Разработать методику снижения социально-экономического ущерба вследствие возникновения опасных гидрологических явлений. Определить и проанализировать районы, наиболее подверженные опасным гидрологическим явлениям.
Задачи:
- Выявить различия и общие черты в процессах формирования наводнений в горных регионах Европы и Австралии.
- Определить наиболее уязвимые водосборные бассейны во время наводнений, проанализировать прогностические модели для этих районов и выявить географические особенности явлений.
- Изучить смоделированные гидрометеорологические данные и измеренные данные, провести сравнительный анализ полученных результатов.
- Сравнить и проанализировать будущие долгосрочные изменения гидрометеорологических параметров в соответствии с наиболее распространенными сценариями изменения климата.
- Определить и оценить взаимосвязь между прогнозированием наводнений и социально-экономическими последствиями.
- Проанализировать причины неточностей в прогнозировании наводнений в горных районах и дать рекомендации по корректировке методов прогнозирования.
- Предоставить рекомендации для сокращения масштабов ущерба от опасных гидрологических явлений и корректировки микроклимата отдельных территорий.
В связи с изменением климата количество и масштабы опасных природных явлений быстро растут (AusGeo News June 2008 Issue No. 90). Опасные гидрологические явления в горах приносят растущий ущерб урбанизированным странам. Очевидна необходимость более детального изучения природных процессов в горных районах. Актуальность этой работы определяется необходимостью разработки новых методов прогнозирования и предотвращения опасных гидрологических явлений.
Новинкой научной работы является сравнение совершенно разных горных районов в европейских Альпах и на склонах Большого Водораздельного хребта в Австралии. Изучались не только различия в физико-географических условиях и особенности прогнозирования наводнений, но и общие черты в процессах формирования внезапных наводнений, что доказывает возможность обмена опытом прогнозирования между изученными регионами в отдельных случаях. Кроме того, новым направлением в работе является попытка определить корреляцию между прогнозируемым объемом стока воды в реках и таким социально-экономическим фактором, как стоимость ущерба от наводнений, что необычно для такого рода научных работ и иллюстрирует возможность более детального анализа подобных связей между физико-географическими и социально-экономическими явлениями.
Материал и методы
Краткие характеристики областей исследования
Основные изученные водосборные бассейны в Альпах
1. Ааре является притоком Высокого Рейна и самой длинной рекой, которая формируется и заканчивается полностью внутри Швейцарии (рис. 1). река Ааре начинается с ледника Ааре Бернских Альп, в кантоне Берн и к западу от перевала Гримсель. «Финстераарглец» и «Лаутераарглецер» соединяются формируя «Унтераарглецер» (ледник Нижнего Аара), который является основным источником воды для Гримсельзе (озеро Гримсель). Оберглецер (ледник Верхнего Аара) питает Обераарзее, которое также впадает в Гримселзее.
Сразу после Иннерткирхена к нему присоединяется свой первый главный приток, Гамдервассер. Менее 1 километра (0,62 мили) ниже по течению, река прорезает известняковый хребет в Ааре Горге. Именно здесь Ааре оказывается больше, чем просто рекой, так как она ежегодно привлекает тысячи туристов к дамбам через ущелье. Немного ниже Майрингена, недалеко от Бриенца, река впадает в озеро Бриенц. Рядом с западной оконечностью озера к Ааре присоединяется первый важный приток Лютчин. Затем она проходит через болотистую равнину Бёдели между Интерлакеном и Унтерзееном, прежде чем впасть в озеро Тун.
2. Рона является одной из главных рек Европы и имеет расход воды в два раза больше чем у Луары (которая является самой длинной французской рекой), начинающейся на леднике Рона в швейцарских Альпах в восточной части швейцарского кантона Вале на высоте около 2 208 метров (7 244 фута). (Рис. 1). Далее река течет на юг и незадолго до достижения Брига она принимает воды реки Масса вытекающей из ледника Алеч. Рона течет через долину с одноименным названием и первоначально устремляется в западном направлении примерно в тридцати километрах от Лейка, а затем на юго-запад примерно в пятидесяти километрах от Мартиньи. До Брига, Рона - это поток, далее она становится великой горной рекой, которая бежит на юго-запад через долину ледников. Между Бригом и Мартиньи она собирает воды в основном из долин Пеннинских Альп, реки которых начинаются из больших ледников массивов Монте-Роза, Дом и Гранд Комбин.
3. Сава - река в Центральной и Юго-Восточной Европе, правом притоке Дуная (рис. 1). Река Сава формируется из Савской Долинки и верховья Сава Бохинька на северо-западе Словении. Сава Бохинька берет свое начало в Рибчеве-Лазе, в месте слияния Езерницы, небольшого водотока, вытекающего из озера Бохинь и реки Мостница. Некоторые источники определяют Жезернику как часть Сава-Бохиньки, указывая, что последняя течет прямо из озера, в то время как другая группа источников включает Савицу, образующуюся на южном фланге Триглава, как 78-метровый (256 футов) водопад Савица, вниз по течению от долины Триглавских озер, и течет в озеро, как часть Савы Бохиньки. Водный поток течет 41 километр (25 миль), включая длину Савицы – на восток до Радовлицы, где он впадает в Савскую Долинку. Ниже по течению, река упоминается как Сава уже во всех источниках.
Основные изученные водосборные бассейны в Австралии.
Река Брисбен (первоначальное название Майвар) является самой длинной рекой в Юго-Восточном Квинсленде, Австралия, и течет через город Брисбен, прежде чем впасть в залив Моретон (рис. 2). Его главными притоками являются реки Стэнли и Бремер и Локьер-Крик. Река Брисбен является судоходной для пароходов ниже Брисбена (около 15 миль [25 км]) и для небольших судов ниже Ипсвич (50 миль [80 км]).
Река протекает 344 км (214 миль) от горы Стэнли, запружена плотиной Вивенхоу, образуя озеро Вивенхое, основное водоснабжение Брисбена. Исторически сложилось, что произошло несколько катастрофических наводнений в Брисбене, особенно в 1893 и 1974 годах. Сильные дожди в начале 2011 года вызвали наводнение реки и затопление нескольких прибрежных поселений, в том числе крупных частей Брисбена.
Модель «HYPE»
Для изучения прогностических моделей в альпийском регионе использовались ресурсные возможности онлайн-системы многоцелевой программы HYPE. В настоящее время использование программы включает в себя гидрологические прогнозы в Европе (WET, информационная служба в режиме реального времени), предоставление данных о прогнозе в океанографические модели, прогноз грунтовых вод для садоводческих компаний и многое другое. Модель также используется для многих исследовательских проектов, в том числе в качестве основного источника открытых данных для исследовательских экспериментов и производства в проекте SWITCH-ON, для европейских климатических сценариев в проектах IMPACT2C и ECLISE для сезонного прогнозирования в проекте EUPORIAS и во многих других проектах. В настоящее время в Европейской системе информирования о наводнениях (EFAS) используется отдельная пан-европейская модель EFAS-HYPE.
Используя информацию из базы данных «HYPE» и с помощью расчетов на веб-сайте этой организации, были проанализированы изменения гидрометеорологических параметров в изучаемых речных бассейнах.
Сравнение гидрометеорологических прогнозов для исследуемых бассейнов
Согласно прогнозу на ближайшие 60 лет количество осадков, общий сток с поверхности и расход воды в реках на территориях изучаемых бассейнов увеличится на 5 - 50%.
Кроме того, при анализе базы данных наблюдалась некоторая зависимость объемов расхода воды от величины общего стока с поверхности, средней глубиной снега, а также от измеренной эвапотранспирации.
Сравнивая графики изменений скоростей сброса воды за отдельные годы, можно сделать вывод о наличии двух основных пиков: в начале и в конце теплого сезона, а также о нескольких мелких всплесках увеличения расхода воды в реках. Первый пик обычно связан с началом таяния снега на больших высотах в горах и наблюдается в начале июня. Второй пик обычно наблюдается в августе-сентябре и связан с пиком активности таяния ледников одновременно с выпадением атмосферных осадков в жидкой фазе. Анализируя данные графиков и численные данные (рис.3), было найдено почти полное совпадение календарных дат с одинаковыми тенденциями изменений расхода воды в реках расположенных в горной местности Швейцарии. В то время как речной бассейн, расположенный в Словении, очень слабо коррелирует с территориями в Швейцарии.
Совпадение многих показателей в первых трех бассейнах объясняется близким географическим расположением объектов друг к другу. Несмотря на различие в экспозиции склонов и разнообразие топографии районов, главными факторами являются примерно одинаковое количество осадков и почти идентичные суточные колебания температуры на одинаковых высотах. Эта особенность могла бы упростить методологию прогнозирования паводков в вышеуказанных районах. Разрабатывая прогноз для одного из изученных бассейнов рек, его же можно успешно применить к соседним территориям, но применяя небольшие корректирующие поправки в расчетах.
Все дополнительные расчеты проводились с использованием картографического метода, статистического метода, спутникового метода (анализ спутниковых изображений), исторического метода, метода экспертной оценки, методов прогнозирования, метода анализа и синтеза.
Результаты
Анализ различий физико-географических характеристик процессов формирования наводнений в Альпах и горных территориях Австралии
Основные различия между альпийской горной системой и Большим Водораздельным хребтом в Австралии находятся в климате и высоте над уровнем моря. В Альпах основными трудностями при вычислении вероятности наводнений являются отсутствие метеорологических данных на больших высотах, проблемы точной оценки орографических осадков и сложное сочетание взаимодействия твердой и жидкой фаз воды. В Австралии, где горная система ниже и снежный покров не играет такой значимой роли, основной проблемой является значительная неточность прогнозов погоды в тропическом муссонном климате по сравнению с прогнозами в умеренном климате (Ebert at al., 2011). В связи с повышенной нестабильностью атмосферы в тропических широтах в период муссонов точность прогнозов погоды резко падает. Наиболее неопределенными являются прогнозы количества осадков и их пространственного распределения. Эта особенность в сочетании с тем, что все реки на восточном побережье очень короткие и в основном горные, объясняет сложность прогнозирования наводнений. Лимитирующим фактором является также высокая скорость развития гидрологических явлений. От момента выпадения осадков до наводнения может пройти всего несколько часов. Чаще всего в период муссонов наводнения случаются на восточном побережье в Квинсленда, что наносит большой ущерб экономике из-за высокой плотности населения в этих районах. Следует отметить, что самая высокая часть Большого Водораздельного хребта, Снежные горы, расположена на юге континента в более прохладном климате и подвержена воздействию снежного покрова в зимние месяцы. Однако из-за удаленности от влияния муссонов территория имеет более равномерное распределение осадков и менее подвержена наводнениям, хотя иногда в снежные периоды, здесь наблюдаются снежные лавины, исключительно редкое для Австралии явление.
При сравнении гидрологических карт для реки Сава в Альпах и реке Брисбен на восточном побережье Австралии в самый типичный для них год, существуют четкие различия в распределении стока воды в течение года. Если для альпийских рек преобладающим типом питания является ледниковое, то для тропической Австралии определенно дождевое, в период муссона с декабря по март есть ярко выраженный пик расхода воды Q max. Например, на реке Сава на графике отображены многочисленные пики расхода воды в теплый период; эти пики появляются с началом таяния снега, усиливаются при максимальном таянии ледников и повторяются в периоды осенних дождей. И на реке Брисбен пиковые расходы воды попадают на периоды сильных ливней в период муссонов, но также иногда происходят зимой в случае фронтальных осадков. Кроме того, из года в год наблюдается очень высокий разброс показателей по реке Брисбен, а расход воды во влажные годы в несколько десятков раз выше, чем в сухие. В отличие от восточного побережья Австралии, альпийские реки более стабильны, а разница в стоке во влажные и сухие годы колеблется незначительно, обычно не более чем на 10%.
Несмотря на широко распространенную тенденцию к увеличению контрастности климата и в связи с этим увеличением рисков внезапных наводнений, в настоящий момент сценарии гидрометеорологических изменений в альпийском регионе были рассчитаны с большей точностью. Вот почему автор решил в дальнейшем сконцентрироваться именно на исследованиях в альпийском регионе и проанализировать смоделированные гидрологические данные, сравнив их с измеренными данными.
Сравнение моделированных и измеренных данных
На основе данных, полученных с помощью Европейского центра глобальных стоковых данных, были проанализированы ежедневные данные за период с 1981 по 2010 год для рек Ааре, Рона и Савы. Для каждой из рек были построены долгосрочные гидрографы и линии тренда. Несмотря на неоспоримые климатические изменения за предыдущие тридцать лет, используя полученные данные, оказалось невозможным определить существенную тенденцию изменений. Данную ситуацию можно объяснить как недостаточной точностью измеренных данных, так и естественными причинами. Например, в некоторых частях речных бассейнов ускоренное таяние ледников может компенсировать уменьшение осадков, а в других частях увеличение испарения из-за потепления климата может компенсировать увеличение осадков, что в общем позволяет поддерживать расход воды стабильным несмотря на значительные изменения в гидрометеорологических условиях.
Основываясь на сравнении ежедневных данных о расходе воды за период с 1981 по 2010 год, максимальные и минимальные дневные значения для трех изучаемых речных бассейнов были определены в программе Excel. Наибольшие различия в сбросах воды характерны для реки Сава, где при среднем водоеме 42 м3 / с в периоды наводнений значения увеличивались до 636 м3 / с, а в сухие периоды падали до 5 м3 / с. Следует отметить, что для этой реки была обнаружена значительная корреляция между расчётными и измеренными данными. Различия в периоды больших расходов воды отмечены в верховьях реки Ааре 204 и 2 м3 / с, что при низкой корреляции между имитируемыми данными и измеренными (0,2) может создать угрозу непредсказуемого наводнения. Несмотря на относительно низкий максимальный расход воды (18 м3 / с) и хорошую корреляцию смоделированных и измеренных данных (0,8) в бассейне Рона, неоднократно отмечались наводнения, вызвавшие значительный материальный ущерб.
В результате сравнения и анализа смоделированных и измеренных данных расхода воды для трех водосборных площадей были выявлены значительные неточности в модельных данных. Несмотря на значительную корреляцию между двумя сериями данных, было отмечено, что значения близки к реальным только в дни с низким расходом воды. В дни с максимальным ежедневным сбросом воды часто наблюдается недооценка пиковых значений более чем в 10 раз. Анализируя графики сброса воды, становится очевидным, что эта модель прогнозирования возможна только для использования в верховьях реки Сава. Однако, без корректировки расчетов пиковых значений, точный расчет вероятности наводнений пока невозможен. Что касается двух других бассейнов, то возможность использования имитированных данных очень сомнительна, поскольку она почти никогда не отражает фактический расход воды, значительно завышает (река Ааре) или сильно недооценивает реальные значения (река Роны). В расчетах также наблюдается заметный сдвиг во времени, симулированные пиковые значения часто либо задерживаются, либо наоборот, даются преждевременно, что хорошо прослеживается на всех графиках. В дополнение к несовершенству модели расчета данных причиной несоответствия данных может быть также разница в расположении точек расчета для имитируемых данных и точек получения измеренных данных (см. Рисунок 1). В результате можно сказать, что модель прогнозирования стока рек хорошо работает только для отдельных водосборных площадей и для определенных периодов времени. Чтобы серьезно использовать эту модель для прогнозирования паводков, необходимо улучшить расчетные системы, особенно для пиковых сбросов воды.
Анализируя долгосрочные показатели стока воды в реке Сава, не было выявлено существенной тенденции, но построение интегральной кривой позволило увидеть некоторые особенности распределения расхода воды по годам. До середины 1990-х годов преобладали показатели, превышающие средние значения, затем стали преобладать годы с более низким потреблением воды. Можно предположить, что большой цикл колебаний содержания воды составляет около 30 лет или немногим больше, но для подтверждения этой гипотезы требуются данные для большего периода, чем уже имеющиеся. На фоне больших колебаний можно проследить меньшие и менее значимые циклы продолжительностью около 10 лет, которые мы можем наблюдать на графике отклонений расхода воды от средних многолетних значений (Рис. 8). Как видно на графике, в последние годы, интегральная кривая резко возрастает, что означает увеличение средних показателей расхода воды. В связи с этим можно предположить, что тенденция увеличения речного стока реки сохранится и в последующие годы. Соответственно, риск наводнений также увеличится.
Корреляция между прогнозированием наводнений и социально-экономическими последствиями
В ходе дальнейших исследований была предпринята попытка сравнить смоделированные данные среднесуточного расхода воды в реках в месяц и в пиковые дни наиболее сильных наводнений за последние десятилетия со стоимостью материального ущерба от данных наводнений. К сожалению, такие данные доступны только для территории Швейцарии, поэтому были проанализированы только три речных бассейна, расположенных в этой стране. Возможно, сравнение гидрологических и социально-экономических показателей не является полностью научно обоснованным, но этот подход является многообещающим с точки зрения расширения возможностей паневропейской системы прогнозирования и предотвращения наводнений. Таким образом, следующая часть научной работы носит новаторский характер и не претендует на высокую точность расчетов.
С помощью данных Швейцарского федерального института лесных, снежных и ландшафтных исследований WSL были указаны даты и географическое положение наиболее разрушительных гидрологических явлений за последние десятилетия. Поскольку масштабы наводнений, селей и оползней показаны только в графической версии на карте и оцениваются с приблизительной стоимостью ущерба, было решено перевести эти данные в средний цифровой эквивалент (таблица 1), чтобы в дальнейшем выявить корреляцию с моделированными данными величин расхода воды рек, основываясь на данных системы «HYPE». Были выбраны периоды времени с наибольшим количеством разрушений в трех изученных речных бассейнах, расположенных в швейцарских Альпах.
24 и 25 августа 1987 года, разрушительные наводнения в Граубюндене и Тичино, особенно в Альпийском регионе. Эрозия вдоль реки Рейс вызвала разрывы дамб и подрезание дорог. Большие площади в нижней равнине Рейсса оставались затопленными. Селевые потоки вызвали большой ущерб, например в деревне Мюнстер в кантоне Вале. В кантоне Тичино была затронута транспортная инфраструктура (Zeller et al., 1988).
Длительное выпадение ливневых осадков над кантонами Вале и Тичино вызвало наводнения 24 сентября 1993 года. В Бриге затор забил мост через реку Салтина, после чего части города с большим количеством зданий были покрыты осадочным материалом высотой в несколько метров. Два человека погибли в Бриге во время данного наводнения (Röthlisberger 1994).
Однако в изучаемых ареалах негативных последствий практически не наблюдалось, за исключением верховьев реки Рона, где произошли небольшие перебои в транспортом сообщении и подаче электричества в результате наводнений и оползней.
Значительные осадки в мае 1999 года в сочетании с таянием снега вызвали два последовательных наводнения (11-15 и 20-22 мая), которые особенно затронули районы вдоль озер и крупных рек в Швейцарском плато, например, Берн и Тун (оба кантона Берна). Наводнение произошло почти во всех крупных озерах Швейцарии, расположенных к северу от Альп, и реки, вытекающие из озер, были соответственно более полноводными (General Hegg et al., 2000).
В это время разрушительные наводнения затронули бассейн в верховьях реки Мелхаа, в то время как два других бассейна на юге практически не пострадали.
В особенности южная сторона Альп пострадала от продолжительных осадков 13-15 октября 2000 года. Крайне высокий уровень воды в Лаго-Маджоре в кантоне Тичино нанес значительный ущерб, особенно в городе Локарно. Эрозия, оползни и селевые потоки вызвали очень большой ущерб во всем кантоне Вале. Во время этого события погибли 16 человек, из них 13 - в деревне Гондо в кантоне Вале (Hegg et al., 2001).
Только бассейн реки Рона пострадал из трех изучаемых территорий, несмотря на то, что рассматриваемые бассейны непосредственно примыкают друг к другу и отличаются только общим направлением долины и экспозицией склонов.
Крупное наводнение 21-22 августа 2005 года стало самым дорогостоящим событием с начала систематического сбора данных в 1972 году. Повреждения были зафиксированы вдоль крупных рек на швейцарском плато, в предгорьях Альп и в центральной Швейцарии. Сильные ливни, ставшие причиной шести смертельных случаев, привели к крупномасштабным наводнениям, селевым потокам, оползням (Hilker et al., 2007). Большое количество осадков привело к превышению пропускной способности озер Юра и реки Ааре 8 и 9 августа 2007 года. Переполненные реки сильно повредили деревни в кантонах Ааргау, Золотурн, Базель-Ландшафт, Берн и Вод (Hilker и др., 2008). Однако в исследуемых районах наводнения были не столь серьезными, а долина реки Роны вообще не пострадала.
Крупные наводнения, которые вызывают значительный ущерб, могут не затронуть, не только части горной системы, которые удалены друг от друга, но даже соседние речные бассейны. В таких случаях пространственные ошибки в прогнозе осадков, на расстоянии даже в 20 километров могут иметь решающее значение.
В процессе сравнения величин материального ущерба, вызванного наводнениями, селями, оползнями и прогнозированным расходом воды в реках изучаемых бассейнов, были получены неоднозначные результаты.
Например, в бассейне реки Ааре существует высокая связь между ущербом и прогнозом расхода речной воды в дни наводнения, и почти не связана со средним прогнозом на весь месяц. Эта ситуация вполне очевидна, поскольку отдельные дни пикового расхода воды не означают постоянного переувлажнения в течение всего месяца.
Однако в бассейне реки Роны ситуация совершенно противоположная, и существует четкая связь со среднесуточными значениями за месяц, и нет абсолютно никакой корреляции с прогнозом в дни наводнений. Для этого может быть несколько причин: недостаточная калибровка модели прогнозирования для данного бассейна, успешные защитные меры, которые предотвратили большой ущерб или слишком сильное усреднение показателей. Вероятно, расчет прогноза дан для бассейна в целом (сброс воды вдоль основной реки на гидрологической станции у основания бассейна), а наводнения и сели происходят попеременно, в разных частях и на разных склонах гор хребтов, незначительно влияющих на общие показатели для всего бассейна. Именно поэтому среднемесячные данные являются более показательными, чем данные для конкретных дат.
В верховьях реки Мелхаа прямая зависимость среднего уровня снова наблюдается с симулированными данными в дни наводнений, а в среднем за месяц корреляции не обнаружено.
Несмотря на некоторую степень неопределенности, следует отметить, что модель в основном работает правильно, в сроки, указанные Швейцарским федеральным научно-исследовательским институтом в качестве дней разрушительных наводнений, модель всегда без исключения показывала значительное превышение расхода воды в реке над средними значениями.
Сравнение прогнозируемых сценариев
В результате сравнения прогнозируемых сценариев основных гидрометеорологических параметров были сделаны следующие выводы:
- Чем быстрее будет повышаться глобальная температура в результате увеличения содержания углекислого газа в атмосфере, тем быстрее будут возрастать угрозы опасных гидрометеорологических явлений, особенно в наиболее влажных частях горной местности.
- Согласно сценариям, предсказывающим стабилизацию углекислого газа и температуры в течение ближайшего столетия, возможно постепенное возвращение к исходным показателям некоторых гидрометеорологических параметров (например, среднего стока воды в реках).
- Прогнозируется увеличение контраста гидрометеорологических явлений как в их пространственном расположении, так и во временном масштабе (возрастание интенсивности).
- Наиболее вероятные сценарии (усредненные прогнозы) являются в целом неблагоприятными для социально-экономического развития стран и природных экосистем, что требует обязательных затрат на разработку и совершенствование методов прогнозирования и защиту от неблагоприятных гидрологических явлений в горных районах.
Обсуждение
Рекомендации по сокращению ущерба от наводнений
Для повышения точности прогнозов также потребуется разработать новые методы и компьютерные модели с использованием искусственного интеллекта и постоянного высокоточного спутникового мониторинга в различных диапазонах.
Однако несмотря на точное прогнозирование паводков, в ближайшем будущем невозможно будет полностью избежать ущерба, просто предупредив об опасных явлениях.
Необходимо построить значительное количество новых гидротехнических сооружений - плотин, дамб, паводковых водохранилищ и т.д. Также возможно искусственное увеличение пропускной способности рек путем расширения, углубления, выпрямления русла потоков в ключевых точках.
В некоторых случаях можно уменьшить количество и интенсивность локальных осадков, скорректировав ландшафт, рельеф и временно изменив физические параметров нижних слоев атмосферы.
В последнее время стало популярным направление крупномасштабной ландшафтной инженерии. Так как в Советском Союзе создавались огромные водохранилища и планировалось изменять направление рек, сейчас же разрабатываются проекты по созданию искусственных гор и других крупных элементов ландшафта (в Германии и Арабских Эмиратах). Подобные проекты могут быть успешно применены для защиты от наводнений, хотя и для ограниченного размера территорий.
Естественно, такие манипуляции должны проводиться только с учетом отсутствия вредных последствий для экосистемы и под контролем природоохранных организаций. Поскольку катастрофические наводнения могут нанести серьезный ущерб не только людям, но и естественному биоразнообразию, а также разрушить природные ландшафты, то иногда преднамеренное изменение ландшафтов приводящее к меньшему ущербу для природы, чем потенциально опасные гидрологические явления, может быть оправдано.
Итак, чтобы изменить пространственное распределение количества осадков, необходимо понять основные механизмы формирования кучево-дождевых облаков. На территории со сложным ландшафтом и разнообразной подстилающей поверхностью дождевые облака будут развиваться больше всего над восходящими потоками воздуха и при наличии большого количества ядер конденсации в атмосфере. Обычно степень развития облака определяет дальнейшую интенсивность осадков. Восходящие воздушные потоки могут возникать над механическими препятствиями (холм, горы, склон, высокие здания) и над территорией, имеющей более высокую температуру, чем окружающая или соседняя территория. В солнечную погоду более теплые и провоцирующие формирование восходящих потоков воздуха - это скалы, темная подстилающая поверхность, в отдельных случаях растительный покров, а также городские поселения.
В пасмурную погоду и ночью теплые потоки появляются над водоемами, лесами и городами. Вот почему практически в каждом мегаполисе мира отмечается увеличение интенсивности осадков и их количество в теплое время года - постоянные тепловые восходящие потоки в сочетании с орографическим подъемом, когда воздух преодолевает высотную городскую постройку и растущим содержанием аэрозолей над городом при сжигании топлива (ядра конденсации) провоцируют усиленную конвекцию. Если нам нужно добиться противоположного эффекта, то в случае городов акцент должен быть сделан на светлых поверхностях зданий и дорог для уменьшения нагрева из-за солнечной радиации, максимального увеличения количества зеленых насаждений и водных объектов, отказа от внутренних двигателей внутреннего сгорания и промышленных объектов в городе. Такие меры могут снизить риск интенсивных осадков и, следовательно, наводнения в городах.
В случае с природными объектами все немного сложнее, но работает тот же механизм развития облаков. Первоначально, необходимо выбрать область, где ливневые осадки нежелательны, но они часто выпадают. Предположим, что это узкая горная долина, которая является важной транспортной артерией. Попробуем выяснить, что здесь вызывает интенсивное осаждение влаги. Возможно, сказывается влияние соседних элементов рельефа - темная поверхность холма с наветренной стороны ото изучаемой территории, над которой интенсивно формируются облака, а затем они перемещаются атмосферным переносом, или облака активно формируются над ближайшим городом, а затем, остывая, выпадают осадками над долиной. Если причина интенсификации осадков определена, мы можем попытаться устранить её или нейтрализовать.
Положительная неровность рельефа может быть сглажена или увеличено альбедо подстилающей поверхности. Чтобы уменьшить нагрев поверхности, например, можно высадить древесную растительность, если до этого поверхность была обнажена или если вышеуказанное невозможно, осветлить поверхность любыми другими доступными способами. Увеличивая альбедо на значительной территории, мы уменьшаем вероятность локальных интенсивных осадков в дневное время, но если сильные дожди происходят в ночное время, должна быть найдена другая причина. Если такой причиной является лес или водохранилище, то, скорее всего, мы ничего не сможем изменить, так как маловероятно, что мы будем вырубать лес или осушать озеро ... Однако мы можем попытаться создать перехват осадков, создавая дополнительный физический барьер между причиной конвекции и изучаемой долиной, например, некую стену или искусственную гору. Вместо такого препятствия можно просто стимулировать постоянные нисходящие воздушные потоки, которые будут осаждать облака, прежде чем они дойдут до гипотетической долины.
Нисходящие потоки создаёт холодная поверхность - пруд, водохранилище на холодной горной реке или быстро охлажденная поверхность скалистой пустоши, иногда даже просто негативная форма рельефа. Но если каменистая поверхность ночью будет холодной и сможет спровоцировать нисходящие воздушные потоки, то в дневное время из-за солнечной радиации она будет действовать прямо противоположно, и это может повлечь за собой увеличение дневного интенсивного осадкоосаждения в районе исследования.
Если нет никаких внешних причин увеличения осадков в долине, то это, вероятно, причиной является осаждение осадков во время орографического подъема воздушных масс. В этом случае мы действуем также, как и в случае внешних причин и проверяем наличие каких-либо источников ядер конденсации, которые можно устранить (пожары, промышленные трубы).
Чтобы уменьшить дожди в дневное время, мы увеличиваем альбедо склонов, особенно наветренного, путем изменения цвета подстилающей поверхности. Мы уменьшаем нагрев долины, создавая цепочку водохранилищ, если это возможно. Как видим, это довольно сложный и ситуационный процесс, в зависимости от конкретного места, окружающих территорий, сезона года и времени суток. Из-за комплекса ландшафтных корректирующих мер, предпринятых как внутри территории, так и в окрестностях, можно добиться значительного снижения интенсивности осадков и, как следствие, рисков наводнений, но этот метод может защитить только некоторые из наиболее важных областей и не будет менять погоду во всем регионе, поскольку она создана только для перераспределения осадков на местности.
Интересно, что сокращение атмосферных осадков является самым сложным из-за изменения параметров ландшафта и мезорельефа, гораздо легче спровоцировать осадки или изменить температуру воздуха, силу ветра, влажность. Эти возможности будут полезны в борьбе уже с другим опасным гидрологическим явлением - засухой, в засушливых регионах планеты и могут стать объектами новых исследований. Кроме того, возможность такой корректировки микроклимата отдельных территорий может сыграть ключевую роль в организации новых рекреационных зон с более благоприятным микроклиматом для отдыха, чем в окрестностях.
Сравнение прогнозов в разных сценариях
Продолжая развивать идею усиления контраста, были проанализированы изменения общего стока рек в исследуемых бассейнах. В изученных моделях изменения речного стока контраст еще ярче. Мы видим увеличение речного стока в высокогорье швейцарских Альп с 5-10% в 2030-х годах до 50% в 2080-е годы в соответствии со сценарием 4.5. При использовании максимального сценария (8.5) мы наблюдаем более резкое увеличение речного стока с 10 до более 50% за тот же период. В то же время речной сток в высокогорье Юлийских Альп (Словения) незначительно увеличивается по сценарию 4.5 и практически не меняется по сценарию 8.5. Эту ситуацию можно объяснить регулярным увеличением испарения в результате повышения средней температуры и возможным истощением снежных и ледниковых запасов в верховьях рек. Если проанализировать не только выбранные области, но и карту в целом, мы увидим, что в соответствии со сценарием 4.5 стабилизируется не только объем выбросов двуокиси углерода и глобальной температуры, но и объем среднегодового стока рек в Альпах и их значения начнут приближаться к современным показателям.
Анализ изменений водного эквивалента снега в будущем в двух сценариях показывает первичное увеличение показателей, а затем быстрое снижение. Разница между сценариями заключается только в темпах изменения показателей. Только для относительно более сухих Юлийских Альп прогнозируется изначальное и постоянное снижение водного эквивалента снега в соответствии с обоими сценариями от 1 до 5% в 2030-х годах до 10-25% в 2080-х годах. Водный эквивалент снега в исследуемых бассейнах на территории Швейцарии в 2030-х годах увеличится относительно современных на 5-10% с учетом обоих сценариев. Однако, согласно мягкому сценарию (4.5), водный эквивалент снега будет оставаться выше нынешнего и в 2050-х годах, и только в 2080-х годах он уменьшится на 10-25% от текущего. В то же время максимальный сценарий описывает сокращение на 10-25% как в 2050-х годах, так и в 2080-х годах. Вышеописанные изменения легко объясняются с учетом одновременного повышения температуры и количества осадков. Скопление снега вначале будет возрастать, но по мере повышения температуры снежная линия будет постепенно сдвигаться выше по склонам, пока она не превратиться в сезонную снеговую линию, одновременно будет происходить интенсивное таяние горных ледников.
Сравнивая прогностические диаграммы общего стока с поверхности, наблюдается четкая корреляция как с количеством осадков, так и с объемом речного стока. Для трех речных бассейнов, изученных в швейцарских Альпах, прогноз на все периоды для обоих сценариев показывает увеличение на 10-25% от первоначальных значений. Также в четвертом бассейне в Словении прогнозируется увеличение на 1-5% во все периоды и по всем сценариям. Исключением являются 2080-е годы по сценарию 8.5, где Швейцарские Альпы показывают увеличение стока до 50%, а в Юлийских Альпах показатели соответствуют текущим.
Оптимизация управления водными ресурсами
Существует явная тенденция к увеличению масштабов наводнений во время явления Ла-Нинья, более влажного чем Эль-Ниньо – Южной Осцилляции, ENSO. Если явления Ла-Нинья или их последствия в виде интенсивных осадков в Квинсленде стали более частыми или интенсивными из-за глобального потепления, мы можем ожидать более частых наводнений и в будущем. В настоящее время прогнозируется, что варианты ENSO могут отличаться от явлений в недавнем прошлом. Однако в настоящее время мы не можем уверенно прогнозировать, какими будут эти изменения.
Для оптимизации управления водными ресурсами для целей прогнозирования паводков и использования гидроэнергетики крайне важно иметь точные оценки метеорологических воздействий в пространстве и времени, особенно в альпийском ландшафте. Однако в сложной топографии характерные пространственные масштабы гидрологических воздействий обычно плохо учитываются даже при относительно плотной сети измерений (Frei and Schär, 1998; Griffiths and McSaveny, 1983; Katzfey, 1995; Wratt et al., 2000, 1996). Более того, топография влияет на осадки и снегопады с помощью, так называемых орографических и теневых эффектов. Из-за орографических эффектов и погодных условий проводятся постоянные исследования относительно того, увеличивается ли осадкоосаждение с увеличением высоты. Например, тенденции накопления осадков могут демонстрировать значительный разброс с высотой в зависимости от воздействия на регион ветровых и синоптических ситуаций.
Кроме того, в зависимости от преобладающего направления ветра могут создаваться тени дождя, когда осадки осаждаются на гребне или рядом с ним, а на более низких высотах осадков выпадает мало (Sinclair et al., 1997). В частном случае европейских Альп анализ многолетних данных о жидких осадках показал, что максимальные уровни осадков наблюдаются как на верхней южной, так и на северной сторонах хребтов (Frei and Schär, 1998). Регрессионный анализ скорректированных годовых осадков на высокогорьях в Швейцарских Альпах также показал, что в верховьях долины реки Роны (например. В кантоне Вале) от 90 до 100% осадков выпадает на больших высотах где скорость конденсации максимальна.
Кроме того, климатологическое исследование (Attinger and Fallot, 2003) показало, что с 1975 года более половины метеорологических явлений, которые способствовали выпадению более 100 мм осадков в течение трех дней возникли на южных верхних частях горных хребтов; эти явления вызвали обильные осадки на наветренных и подветренных склонах гор. Во время атмосферных фронтов двигающихся с юга на север осадки в местных долинах подчиняются строгой закономерности: на подветренных сторонах, осадки направляются в более низкие части рельефа из-за экранирующих склонов соседних высоких горных вершина (например,гора Маттерхорн с высотой 4500 м) (Petrascheck and Hegg, 2002). Несмотря на многолетние данные о региональных моделях накопления осадков в швейцарских Альпах, все еще несовершенна выборка осадков с небольшим количеством датчиков, расположенных на больших высотах. В данной ситуации невозможно точно учитывать краткосрочные явления, масштабы наводнений и орографические эффекты (крутые склоны и относительно небольшие глубины подземных вод, типичные для альпийских районов, генерируют короткое время отклика) (Petrascheck, 1996).
Редкая сеть метеорологических станций на больших высотах требует надлежащего количественного определения местных соотношений высоты выпадения осадков с использованием расширенного учета топографии (Frei and Schär, 1998). Более того, неспособность правильно воспроизводить ареальные ливни приводит к частым отказам от последующих моделей гидрологического ответа, которые чувствительны к входным объемам в масштабе водосбора (Nicótina et al., 2008). Для более мелких масштабов суббассейнов вариабельность осадков также оказывает важное влияние на объемы пиковых потоков (Mandapaka et al., 2009). Ограниченное число температурных станций в регионе не позволяет установить различие между снегом и жидкими осадками во время наводнений. Точные температурные поля особенно важны в горных регионах, потому что высокие температуры, вызывающее процессы таяния снега или стекания дождя по снегу, могут ускорить формирование дополнительного стока с поверхности (Benestad and Haugen, 2007; Jasper et al., 2002; Sui and Koehler, 2001).
Выводы
Современные методы моделирования работают, но еще недостаточно точно для прогнозирования внезапных наводнений. Несмотря на определенную взаимосвязь между моделируемыми и измеренными данными, недооценка пиковых значений слишком велика, и поэтому необходимы значительные корректировки. Более сложная орография Альпийского региона, чем в Австралии, несмотря на высокую точность прогнозов погоды в течение года, усложняет прогноз распределения осадков по склонам в зависимости от ситуации. Наибольшие риски затопления в долинах, обращенных на запад или имеющих высокий восточный склон, где подобная орография способствуют увеличению конденсации. Однако за холодный период на восточных и на теневых северных склонах часто накапливается огромное количество снега, которое может начать таять с потеплением и спровоцировать значительное повышение уровня воды в реках даже при небольшом количестве жидких осадков, которые стимулируют снеготаяние. В то же время южные и западные склоны более теплые и содержат меньше запасов снега, поглощающая способность почвы выше, и для начала наводнения требуется намного большее количество осадков, чем для северных и восточных склонов, где почва часто замерзает, и влага перемещается по поверхности не впитываясь. Все эти особенности должны учитываться при расчете пиков наводнений для рек, которые берут воду из нескольких верхних притоков и, следовательно, имеют смешанный тип питания.
Однозначно, как для Австралии, так и для Европы, основной задачей является расширение сети автоматических гидрометеорологических станций, что позволит более быстро и точно информировать о рисках наводнений. Улучшение компьютерных моделей также повысит точность гидрологических прогнозов в обоих регионах. Однако, если совершенствование технологий для Альп позволяет уточнить и увеличить заблаговременность прогнозов на несколько дней, то для тропической части Большого Водораздельного хребта, из-за особенностей циркуляции атмосферы, увеличение заблаговременности прогнозов не изменится более чем на несколько часов, что по-прежнему имеет решающее значение.
Для более точных прогнозов наводнений в первую очередь необходимо скорректировать и усовершенствовать уже существующие методы. Точность моделирования погоды значительно улучшилась за последнее десятилетие. Это развитие будет продолжаться по мере того, как будут разрабатываться более точные компьютерные модели, и использоваться более точные данные в режиме реального времени (Bellerby, T., at al., 2001).
Поддержать развитие канала и связанных проектов можно любой суммой по ссылке: https://sobe.ru/na/beach_analytics
Список литературы:
1. Anderson, E. A., 1973: National Weather Service River Forecast System: Snow Accumulation and Ablation Model, Programs and Test Data. NOAA NWSHYDRO Technical Memorandum 17.
2. Barrett, C.B., 1999: Successful Development and Engineering of Global Integrated Water Management Systems, American Society of Civil Engineers, International Activities Committee, Roundtable Discussion paper, Washington, DC, 1999. ———, 2003: WMO-NOAA Hydrologic Forecasting Course, 14 October–7 November 2003, Kansas City, Kansas.
3. Bellerby, T., M. Todd, D. Kniveton and C. Kidd, 2001: Rainfall estimation from a combination of TRMM precipitation radar and GOES multispectral satellite imagery through the use of an artificial neural network. Journal of Applied Meteorology, 39(12):2115–2128.
4. Gray, D.M. and D.H. Male (Eds.), 1981: Handbook of Snow: Principles, Processes, Management and Use. Toronto, Pergamon Press.
5. Drosdowsky, W & Chambers, LE 2001,'Near-global sea surface temperature anomalies as predictors of Australian seasonal rainfall', Journal of Climate,vol. 14, no. 7, pp. 1677-1687.
6. Dutta, SC, Ritchie, JW, Freebairn, DM & Abawi, GY 2006, 'Rainfall and streamflow response to El Niño Southern Oscillation: a case study in a semiarid catchment, Australia', Hydrological Sciences Journal / Journal des Sciences Hydrologiques, vol. 51, no. 6, pp.1006-1020.
7. Ebert, E, Roux, B, Seed A, McGregor, J, Hyunhun, G & Pagano, T August 2011, Assessing the accuracy of quantitative precipitation forecasts, to be presented at the Water Information Research and Development Alliance (WIRADA) Science Symposium, Melbourne.
8. Mandapaka P. V., Lewandowski P., Eichinger W. E., and Krajewski W. F. IIHR-Hydroscience & Engineering, The University of Iowa, Iowa City, Iowa, USA, 2009, Multiscaling analysis of high resolution space-time lidar-rainfall
Поддержать развитие канала и связанных проектов можно любой суммой по ссылке: https://sobe.ru/na/beach_analytics