Введение 4
1 Физико-географическое описание бассейна реки Печоры 6
1.1 Рельеф и почва 6
1.2 Климат 8
1.3 Гидрографическая сеть 12
2 Материалы и методы исследований 18
2.1 Исходная информация и ее первичная обработка 18
2.2 Дискриминантный анализ 27
2.3 Метод разложения на естественные ортогональные функции (метод главных
компонент) 30
2.4 Оптимизация состава предикторов с использованием КПИ 35
2.5 Регрессионный анализ 37
2.6 Традиционные и современные методы оценки погрешности методик
долгосрочного прогнозирования 39
2.7 Краткий обзор методов прогноза дат замерзания и вскрытия рек Российской
Арктики 43
3 Дискретно-непрерывная модель прогноза сроков замерзания 51
3.1 Дискретная часть 52
3.2 Непрерывная составляющая модели 60
3.3 Дискретно-непрерывная модель 64
4 Дискретно-непрерывная модель прогноза сроков вскрытия 68
4.1 Дискретная часть 68
4.2 Непрерывная составляющая модели 75
4.3 Дискретно-непрерывная модель 78
5 Оценка погрешности методик долгосрочного прогнозирования 82
Заключение 89
Список использованной литературы 91
Приложение А. Гидрологические характеристики. р.Печора-с.Усть-Цильма ... 93
Приложение Б. Индексы атмосферной циркуляции Г.Я. Вангенгейма 95
Приложение В. Приземные аномалии давления и температуры воздуха Северного полушария 99
Приложение Г. Карты иззокоррелят приземных аномалий давления и температуры воздуха для двух классов замерзания реки Печоры 123
Приложение Д. Карты иззокоррелят приземных аномалий давления и температуры воздуха для двух классов вскрытия реки Печоры 127
Потребность в прогнозах ледовых явлений возникла давно. Обеспечение такими прогнозами требуется многим отраслям промышленности. Например, работа водного транспорта, гидротехническое и дорожное строительство, лесная промышленность, прокладка нефте- и газопроводов, функционирование ледяных переправ и др. требуют достоверного знания ледового режима рек в период проведения работ. В России прогнозы ледовых явлений начали систематически выпускаться только в 40-х годах. Как показывает практика, наименее надежными продолжают оставаться долгосрочные ледовые прогнозы.
Вскрытиеи замерзание рек - сложные и длительные процессы. Прогноз сроков образования и разрушения ледяного покрова является одной из наиболее часто запрашиваемых в Северном УГМС информаций. Ее потребителями являются как государственные, так и частные компании, обеспечивающие судоходство на реке Печоре.Анализ существующих методик прогноза ледового режима показал, что их эффективность еще недостаточно высока, и в большей мере это относится к срокам замерзания реки. Требуется поиск путей усовершенствования как существующих методов прогноза, так и создание новых.
Основной целью исследования являлась разработка методов гидрологических прогнозов по низовьям крупных рек Арктической зоны России на примере реки Печоры. Осуществлялась разработка дискретнонепрерывных моделей вскрытия и замерзания реки Печоры в створе села Усть- Цильмы. Подобная схема может рассматриваться как самостоятельный метод прогноза, так и участвовать в процедуре комплексирования нескольких методов с целью выработки оптимального прогноза.
Анализировалиськак гидрологические характеристики, главными из которых являются: максимальная толщина льда, максимальные снегозапасы,
даты наступления весеннего половодья, уровни на начало половодья, даты перехода температуры воздуха через 0°С, расходы воды; так и метеорологическаяинформация, характеризующая особенности атмосферной циркуляции, во многом определяющей даты ледовых
процессов.Рассматривались поля аномалий приземных давлений и температур воздуха на территории Северного полушария.
Разработка прогностических моделей осуществлялось с помощью ряда методов многомерного статистического анализа: регрессионный и
дискриминантный анализы,метод разложения полей гидрометеорологических характеристик на естественные ортогональные составляющие (метод главных компонент). Для формирования оптимального состава предикторов использовался показатель КПИ (коэффициент прогностической информативности).
Кроме того, в работе выполнена апробация современных методов оценок погрешности методик долгосрочного прогнозирования, рекомендованных к применению в различных случаях обеспеченности исходной гидрометеорологической информацией.
В результате произведенных исследований, получены две прогностические дискретно-непрерывные модели для прогноза дат замерзания и вскрытия реки Печоры у села Усть-Цильмы.
В качестве предикторов дискретной части модели прогноза дат замерзания использованы температура воздуха и индексы атмосферной циркуляции Г.Я.Вангенгейма. Основой непрерывной составляющей модели являютсяхарактеристики крупномасштабных атмосферных процессов. Оправдываемость прогноза класса явления составляет 74 %. Погрешность прогноза укладывается в допустимое значение 6 суток для позднего замерзания и 3 суток для раннего в 68 % случаев. При правильно предсказанном классе установления ледяного покрова реки оправдываемость прогноза составила бы 80%. Следовательно, процедура дискретизации в первую очередь нуждается в доработке и возможном добавлении ранее не принятых во внимание факторов, оказывающих влияние на процессы ледообразования на реке.
Класс модели прогноза вскрытия реки определяется датами начала весеннего половодья, максимальной толщина льда, весенним переходом температуры воздуха через 0°С и уровнями воды в реке на момент начала половодья. Уравнения регрессии непрерывной части модели включают информацию об аномалиях температуры и давления воздуха в Северном полушарии, а также индексы атмосферной циркуляции Г.Я.Вангенгейма. Оправдываемость прогноза класса явления составляет 80 %. Дата прогноза разрушения ледяного покрова реки спрогнозирована верно в 83 % случаев. Погрешность прогноза в эти годы не выходила за пределы допустимой погрешности методики, составляющей 6 суток.
Показана целесообразность применения дискретно-непрерывных моделей над обычными линейными регрессионными уравнениями, построенным по всему ряду наблюдений. Показатель эффективности S/б прогностических зависимостей в результате деления на классы улучшается с 0,79до 0,71 для замерзания и с 0,75 до 0,45 для вскрытия реки.
Дальнейшие развитие предлагаемых методов прогноза может идти по пути привлечения других интегральных характеристик циркуляции атмосферы и более совершенных приемов отбора наиболее информативных предикторов.
Выполнена апробация четырех современных методов оценок погрешности методик долгосрочного прогнозирования на примере прогностического линейного регрессионного уравнения дат замерзания реки Печоры у села Усть-Цильмы, разработанное для ряда с 1955 по 1987 гг. Предикторами служила сжатая с помощью метода главных компонент информация по аномалиям приземной температуры и давления воздуха Северного полушария. Искусственно смоделированные ситуации наличия и отсутствия исходной информации дали близкие результаты оценки погрешности проверяемой методики.
