МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ АККУМУЛЯЦИИ И ТАЯНИЯ СНЕЖНОГО ПОКРОВА НА РЕКАХ КАМЧАТСКОГО КРАЯ В СОВРЕМЕННЫХ УСЛОВИЯХ ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА
|
ВВЕДЕНИЕ 3
ГЛАВА 1. ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЯ 5
1.1. Геологическое строение 5
1.2. Рельеф 6
1.3. Почвы и растительность 8
1.4. Климат 9
1.5. Гидрография 12
ГЛАВА 2. МЕТОДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ АККУМУЛЯЦИИ И ТАЯНИЯ СНЕЖНОГО ПОКРОВА 15
ГЛАВА 3. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ 21
3.1. Подготовка исходных данных для моделирования 21
3.2. Сравнительный анализ данных дистанционного зондирования 25
3.3. Использование данных Northern Hemisphere Weekly Snow Cover в климатическом анализе 31
ГЛАВА 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ СТОКА В БАССЕЙНЕ РЕКИ КАМЧАТКИ 35
4.1. Описание Snowmelt Runoff Model (SRM) 35
4.2. Результаты моделирования для бассейна реки Камчатки 38
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 43
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 45
ПРИЛОЖЕНИЯ 46
ГЛАВА 1. ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЯ 5
1.1. Геологическое строение 5
1.2. Рельеф 6
1.3. Почвы и растительность 8
1.4. Климат 9
1.5. Гидрография 12
ГЛАВА 2. МЕТОДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ АККУМУЛЯЦИИ И ТАЯНИЯ СНЕЖНОГО ПОКРОВА 15
ГЛАВА 3. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ 21
3.1. Подготовка исходных данных для моделирования 21
3.2. Сравнительный анализ данных дистанционного зондирования 25
3.3. Использование данных Northern Hemisphere Weekly Snow Cover в климатическом анализе 31
ГЛАВА 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ СТОКА В БАССЕЙНЕ РЕКИ КАМЧАТКИ 35
4.1. Описание Snowmelt Runoff Model (SRM) 35
4.2. Результаты моделирования для бассейна реки Камчатки 38
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 43
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 45
ПРИЛОЖЕНИЯ 46
Аккумуляция и таяние снежного покрова являются одними из основных процессов формирования стока в северных регионах. Моделирование талого стока является важным в целях прогнозирования и предотвращения опасных гидрологических явлений, например, наводнений, а также для оценки водных ресурсов. Результаты моделирования во многом определяются выбранной методикой расчета снеготаяния и наличием необходимой гидрометеорологической информации.
В настоящее время в гидрологии используются два метода расчета снеготаяния. Более простой метод температурных коэффициентов основан на использовании температуры воздуха как главной переменной. Однако точность моделирования в данном случае зависит от температурных коэффициентов стаивания, варьирующих в пределах водосбора и в течение периода снеготаяния. Физически-обоснованный метод энергетического баланса более точно описывает многофакторный процесс таяния снежного покрова. В то же время метод требует большое количество исходной информации о различных источниках поступления тепла к снегу.
Модель Snowmelt Runoff (SRM) основана на методе температурных коэффициентов. Переменными в модели являются количество осадков, температура воздуха и площадь снежного покрова суточного разрешения. Для получения информации о степени заснеженности территории в работе использовались данные дистанционного зондирования. Отдельным направлением исследований в таком случае является сравнение продуктов спутниковой информации и выбор наиболее репрезентативной базы данных по распределению снежного покрова для исследуемого бассейна.
Данные дистанционного зондирования MODIS считаются наиболее перспективными для использования в целях гидрологического моделирования. Они находятся в свободном доступе и обладают достаточно высоким пространственным разрешением (максимальное разрешение - 500 метров). Данные содержат информацию о распределении заснеженной территории за разные интервалы времени: суточные, восьмидневные и месячные. Необходимо отметить, что основные трудности в процессе работы со снимками высокого временного разрешения вызывает облачность.
Целью выпускной квалификационной работы является интеграция данных дистанционного зондирования в моделирование снеготаяния в бассейне реки Камчатки с помощью Snowmelt Runoff Model (SRM). Актуальность темы исследования обусловлена нарастающим спросом на внедрение данных дистанционного зондирования в различные направления гидрометеорологии. При этом использование спутниковой информации при моделировании речного стока в литературных источниках освещено слабо.
Для достижения цели исследования были поставлены следующие задачи:
• проанализировать существующие в свободном доступе данные дистанционного зондирования по распределению снежного покрова и выбрать наиболее подходящие для выполнения работы;
• разработать методику сравнения данных дистанционного зондирования площади снежного покрова;
• осуществить сравнительный анализ данных дистанционного зондирования по снегу и выбрать базу, наиболее подходящую в целях моделирования;
• создать базу данных распределения снежного покрова для бассейна реки Камчатки;
• разработать методику подготовки исходных данных для модели SRM;
• оценить заснеженность бассейна реки Камчатки на основе наблюденных и рассчитанных характеристик снежного покрова;
• интегрировать данные по снежному покрову в анализ климатических изменений в бассейне реки Камчатки;
• получить расчетный гидрограф с помощью модели SRM.
Объектом исследования является бассейн реки Камчатки, для которого характерна высокая степень заснеженности в течение года. Предметом исследования выступают процессы аккумуляции и таяния снежного покрова, являющиеся одними из основных процессов формирования стока реки Камчатки.
В настоящее время в гидрологии используются два метода расчета снеготаяния. Более простой метод температурных коэффициентов основан на использовании температуры воздуха как главной переменной. Однако точность моделирования в данном случае зависит от температурных коэффициентов стаивания, варьирующих в пределах водосбора и в течение периода снеготаяния. Физически-обоснованный метод энергетического баланса более точно описывает многофакторный процесс таяния снежного покрова. В то же время метод требует большое количество исходной информации о различных источниках поступления тепла к снегу.
Модель Snowmelt Runoff (SRM) основана на методе температурных коэффициентов. Переменными в модели являются количество осадков, температура воздуха и площадь снежного покрова суточного разрешения. Для получения информации о степени заснеженности территории в работе использовались данные дистанционного зондирования. Отдельным направлением исследований в таком случае является сравнение продуктов спутниковой информации и выбор наиболее репрезентативной базы данных по распределению снежного покрова для исследуемого бассейна.
Данные дистанционного зондирования MODIS считаются наиболее перспективными для использования в целях гидрологического моделирования. Они находятся в свободном доступе и обладают достаточно высоким пространственным разрешением (максимальное разрешение - 500 метров). Данные содержат информацию о распределении заснеженной территории за разные интервалы времени: суточные, восьмидневные и месячные. Необходимо отметить, что основные трудности в процессе работы со снимками высокого временного разрешения вызывает облачность.
Целью выпускной квалификационной работы является интеграция данных дистанционного зондирования в моделирование снеготаяния в бассейне реки Камчатки с помощью Snowmelt Runoff Model (SRM). Актуальность темы исследования обусловлена нарастающим спросом на внедрение данных дистанционного зондирования в различные направления гидрометеорологии. При этом использование спутниковой информации при моделировании речного стока в литературных источниках освещено слабо.
Для достижения цели исследования были поставлены следующие задачи:
• проанализировать существующие в свободном доступе данные дистанционного зондирования по распределению снежного покрова и выбрать наиболее подходящие для выполнения работы;
• разработать методику сравнения данных дистанционного зондирования площади снежного покрова;
• осуществить сравнительный анализ данных дистанционного зондирования по снегу и выбрать базу, наиболее подходящую в целях моделирования;
• создать базу данных распределения снежного покрова для бассейна реки Камчатки;
• разработать методику подготовки исходных данных для модели SRM;
• оценить заснеженность бассейна реки Камчатки на основе наблюденных и рассчитанных характеристик снежного покрова;
• интегрировать данные по снежному покрову в анализ климатических изменений в бассейне реки Камчатки;
• получить расчетный гидрограф с помощью модели SRM.
Объектом исследования является бассейн реки Камчатки, для которого характерна высокая степень заснеженности в течение года. Предметом исследования выступают процессы аккумуляции и таяния снежного покрова, являющиеся одними из основных процессов формирования стока реки Камчатки.
Выпускная квалификационная работа посвящена моделированию процессов аккумуляции и таяния снежного покрова в бассейне реки Камчатки с помощью Snowmelt Runoff Model (SRM). Исходной информацией по снежному покрову в работе служат данные дистанционного зондирования. В процессе исследования были проанализированы несколько наиболее востребованных источников спутниковой информации по распределению снежного покрова, находящихся в свободном доступе. На основе проведенного анализа, а также результатов моделирования был сделан вывод о наиболее подходящей в целях моделирования базе данных по снегу. Подчеркнута невозможность использования суточных данных MODIS в целях моделирования из-за значительного влияния облачности.
Модель SRM основана на простом методе температурных коэффициентов. Переменными в модели служат суточные данные температуры воздуха, осадков и площади снежного покрова. Отдельным важным этапом исследования является подготовка исходных данных для моделирования. В работе представлена собственная методика расчета запасов воды в снежном покрове при отсутствии данных маршрутных снегомерных съемок непосредственно в бассейне.
Длительный ряд наблюдений площади снежного покрова данных дистанционного зондирования Northern Hemisphere Weekly Snow Cover (NSIDC-0046) позволил проанализировать изменения заснеженности совместно с изменениями температуры воздуха. В климатическом анализе использовались данные наблюдений трех метеостанций в бассейне и климатического архива Climate Research Unit (CRU TS v. 4.01).
В результате выполнения выпускной квалификационной работы были получены следующие выводы:
1. Создана база данных распределения снежного покрова для бассейна реки Камчатки на основе трех источников спутниковой информации: восьмидневные данные MODIS 500 м и 5 км пространственного разрешения, 25 км данные Northern Hemisphere Weekly Snow Cover.
2. Проведен сравнительный анализ данных дистанционного зондирования. Анализ показал, что восьмидневные данные MODIS более высокого пространственного разрешения предпочтительнее использовать в целях моделирования.
3. Осуществлена подготовка исходных данных для моделирования по разработанной методике, рассчитаны запасы воды в снежном покрове за моделируемый период.
4. Произведен анализ климатических изменений в бассейне реки Камчатки совместно с оценкой заснеженности изучаемой территории.
5. Получены расчетные гидрографы на основе трех источников ДДЗ.
Камчатка отличается высоким процентом заснеженности в течение года, формирующим пик половодья в весенне-летний период. Среднее значение запасов воды в снежном покрове за зимний период в долине реки Камчатки составляет 212 мм. Максимальные значения запасов воды в снеге наблюдаются в марте.
Начало накопления снежного покрова в долине реки наблюдается в октябре. Установившийся снежный покров продолжается с ноября до начала апреля. Процесс снеготаяния для всей территории бассейна заканчивается в конце мая - начале июня.
Наибольшие аномалии температуры воздуха в бассейне реки Камчатки отмечаются в переходные сезоны. При этом весной площадь снежного покрова после 1986 года увеличилась на 2 %, а осенью - уменьшилась на 5 %.
Дальнейшее усовершенствование моделирования процессов аккумуляции и таяния снежного покрова заключается в адаптации Snowmelt Runoff Model к подземному притоку воды, который составляет значительную долю питания в бассейне реки Камчатки.
Модель SRM основана на простом методе температурных коэффициентов. Переменными в модели служат суточные данные температуры воздуха, осадков и площади снежного покрова. Отдельным важным этапом исследования является подготовка исходных данных для моделирования. В работе представлена собственная методика расчета запасов воды в снежном покрове при отсутствии данных маршрутных снегомерных съемок непосредственно в бассейне.
Длительный ряд наблюдений площади снежного покрова данных дистанционного зондирования Northern Hemisphere Weekly Snow Cover (NSIDC-0046) позволил проанализировать изменения заснеженности совместно с изменениями температуры воздуха. В климатическом анализе использовались данные наблюдений трех метеостанций в бассейне и климатического архива Climate Research Unit (CRU TS v. 4.01).
В результате выполнения выпускной квалификационной работы были получены следующие выводы:
1. Создана база данных распределения снежного покрова для бассейна реки Камчатки на основе трех источников спутниковой информации: восьмидневные данные MODIS 500 м и 5 км пространственного разрешения, 25 км данные Northern Hemisphere Weekly Snow Cover.
2. Проведен сравнительный анализ данных дистанционного зондирования. Анализ показал, что восьмидневные данные MODIS более высокого пространственного разрешения предпочтительнее использовать в целях моделирования.
3. Осуществлена подготовка исходных данных для моделирования по разработанной методике, рассчитаны запасы воды в снежном покрове за моделируемый период.
4. Произведен анализ климатических изменений в бассейне реки Камчатки совместно с оценкой заснеженности изучаемой территории.
5. Получены расчетные гидрографы на основе трех источников ДДЗ.
Камчатка отличается высоким процентом заснеженности в течение года, формирующим пик половодья в весенне-летний период. Среднее значение запасов воды в снежном покрове за зимний период в долине реки Камчатки составляет 212 мм. Максимальные значения запасов воды в снеге наблюдаются в марте.
Начало накопления снежного покрова в долине реки наблюдается в октябре. Установившийся снежный покров продолжается с ноября до начала апреля. Процесс снеготаяния для всей территории бассейна заканчивается в конце мая - начале июня.
Наибольшие аномалии температуры воздуха в бассейне реки Камчатки отмечаются в переходные сезоны. При этом весной площадь снежного покрова после 1986 года увеличилась на 2 %, а осенью - уменьшилась на 5 %.
Дальнейшее усовершенствование моделирования процессов аккумуляции и таяния снежного покрова заключается в адаптации Snowmelt Runoff Model к подземному притоку воды, который составляет значительную долю питания в бассейне реки Камчатки.
