Моделирование и прогнозирование катастрофических наводнений в Петербурге (стр. 2 из 2)

Впервые предупреждения об угрозе наводнения в Петербурге (без указания ожидаемой высоты подъема) стали составляться Главной Физической Обсерваторией в 1897 году. С тех пор и по настоящее время предупреждения о наводнениях регулярно составляются в старом «Доме погоды», расположенном на 23 линии Васильевского острова.

Катастрофическое наводнение 1924 года явилось причиной появления целого ряда исследований - В.Ю. Визе, С.А. Советова, В.М. Макеева, В.А. Берга и других. Во всех этих работах фигурирует волновая гипотеза с той лишь разницей, что одни авторы большее значение придавали ветру на Финском заливе (Визе), а другие (Берг) - основное значение придавали волне, а ветер считали второстепенным фактором.

В 1937 году В.И.Дубов в Горном Институте проводил лабораторные исследования на модели Финского залива, которые привели к обоснованию значения сейш в процессах формирования невских наводнений.

Однако все эти работы практического применения для прогноза наводнений не получили.

В 1936 году была выполнена фундаментальная работа старшего синоптика Ленинградского Бюро погоды К.П. Турыгина «Невские наводнения» (рукопись). В ней автор критически подытожил ранее выполненные исследования по проблеме невских наводнений, составил типизацию наводненческих циклонов и создал Атлас невских наводнений. В течение почти 20 лет Атлас К.П. Турыгина являлся основным пособием синоптиков при составлении штормовых предупреждений о наводнениях. Прогноз в то время составлялся по методу аналогов.

С 1937 года предупреждения о подъемах воды в Неве стали составляться с указанием ожидаемой высоты подъема уровня.

В 40 - 50-х годах важнейшие работы по исследованию природы невских наводнений были выполнены Н.И. Бельским, возглавившим в 1952 году группу по изучению и предупреждению наводнений Ленинградского Бюро погоды. В этих работах подробно рассмотрены следующие вопросы:

· взаимодействие метеорологических и гидрологических факторов и их роль в процессе наводнения,

· типы колебаний уровня воды в Балтийском море и Финском заливе,

· возникновение, перемещение и трансформация длинной волны (впервые показана связь длинной волны с атмосферными фронтами и значение эффекта «резонанса» при совпадении скоростей перемещения длинной волны и фронта), влияние метеорологических условий на Финском заливе на степень нарастания высоты длинной волны, причины и интенсивность повторных подъемов.

В 1954 году Н.И. Бельским впервые в истории службы предупреждений о невских наводнениях создан эмпирический метод расчета высоты подъема уровня воды в устье реки Невы, получивший высокое практическое применение и по настоящее время являющийся основным методом в оперативной работе прогнозиста. В дальнейшем работы по совершенствованию метода прогноза невских наводнений продолжались под руководством А.И. Фрейдзона, Н.Г. Куприяновой. За прогнозы наводнений 14 октября 1954 года (222 см), 15 октября 1955 года (293 см), 14 декабря 1964 года (214 см), 18 октября 1967 года (244 см), 20 декабря 1973 года (240 см), 17 ноября 1974 года (242 см), 29 сентября 1975 года (281 см) специалисты Ленинградского Бюро погоды были награждены Грамотами и памятными подарками Главного Управления Гидрометеослужбы.

К сожалению, метод Н.И. Бельского позволяет спрогнозировать максимальную высоту подъема уровня воды с заблаговременностью 5-8 часов. Для принятия мер по снижению размера ущерба в условиях гигантского мегаполиса запас времени слишком мал.

Поэтому Северо-Западное Управление Гидрометеослужбы (СЗУГМС) еще в 1951 году обратилось в Главное Управление Гидрометслужбы с просьбой о помощи в создании метода прогноза невских наводнений с заблаговременностью 12 часов и более. Эта задача была возложена на ряд научно-исследовательских институтов. В 1954 году при Ленинградском отделении Государственного Океанографического Института (ЛОГОИН) был создан отдел Ленинградских наводнений. Позднее к проблеме были привлечены Государственный Гидрологический Институт (ГГИ), Главная геофизическая обсерватория (ГГО) и Гидрометеоцентр СССР. Работа институтов завершилась в 1965 году созданием так называемого гидродинамического метода ЛОГОИНа.

Результаты испытания метода в 1965-66 годах, 1969, 1975-76, 1977, 1978-79 годах показали непригодность метода для оперативного использования. Отмечалось неудовлетворительное качество прогнозов, малая заблаговременность прогноза максимума и большая трудоемкость метода. На заседании центральной методической комиссии Главного Управления Гидрометеослужбы 2 июля 1969 года институтам было рекомендовано продолжить работы по совершенствованию метода.

Совершенствование метода закончилось автоматизацией ввода начальных данных для расчета на ЭВМ, т.е. получением результатов расчета колебаний уровня в виде графика с СМ-1600 (без участия синоптика). На заседании Техсовета СЗУГМС в 1990 году было принято решение о возможности использования метода ЛОГОИНа в оперативной работе в качестве вспомогательного. Результаты расчетов поступали из инженерно – вычислительного центра СЗУГМС в отдел прогнозов до 1997 года. В связи с низкой оправдываемостью прогнозов метод прогноза наводнений, созданный ЛОГОИНом, в настоящее время в оперативной работе не используется.

Разработка методов, дающих возможность рассчитывать подъемы уровня воды в устье реки Невы с большей заблаговременностью, остается одной из важнейших задач.

Из вышесказанного можно сделать следующие выводы:

· в Санкт-Петербурге до сих пор отсутствует надежная система прогнозирования времени и интенсивности наводнений;

· несмотря на планы завершения строительства защитных сооружений, необходимо продолжать исследования по моделированию наводнений.

3

Математическое моделирование наводнений

На сегодняшний день наука достаточно далеко продвинулась в разработке технологий прогнозирования. Специалистам хорошо известны методы нейросетевого прогнозирования, нечёткой логики и т.п. Из разделов математики в теоретической базе анализа объекта прогнозирования наиболее существенное место занимают теория вероятностей и математическая статистика, теория численных методов анализа и оптимизации, современная теория факторного анализа, дифференциальные уравнения. Последние применяются для описания относительно регулярных процессов, случайной составляющей которых можно пренебречь по той или иной причине. В основном же современные прогнозные модели объектов строятся в рамках статистических моделей, моделях экстраполяции и интерполяции регулярных составляющих, оценки влияния случайных составляющих процесса.

Для исследования наводнений методами математической статистики были использованы данные по наводнениям с 1703 по 2008г., приведенные в Приложении 1.

На рис. 3.1 отображена сезонная составляющая особо опасных наводнений.

Таким образом, с февраля по июль включительно наводнения почти исключены. Наибольшее количество приходится на октябрь (32%) и наименьшее на август (3%). Этот аспект необходимо учитывать при составлении прогноза.

Рис. 3.1. Сезонная составляющая особо опасных наводнений в СПБ

В отдельные годы наводнения не наблюдаются. Наибольшее число (10) наводнений в течение года было в 1983. Последняя активизация наводнений отмечена в начале 1990-х гг., последний в XX в. большой подъем воды в Неве был в 1999. На рис. 3.2 отображен график (диаграмма рассеяния), демонстрирующий регулярность крупных наводнений в Санкт-Петербурге за историю наблюдений.

Рис. 3.2. График количества наводнений в СПБ по годам.

Для выявления закона, наиболее подходящего в качестве описания высоты подъема воды во время наводнений, были проанализированы особо опасные и катастрофические наводнения с 1703 по 2008 гг., то есть те, уровень воды которых превышал 210 см.

Для автоматизации и упрощения обработки большого объема данных, все вычисления проводятся в среде Mathcad. Исходными данными для будущей модели наводнений является третья колонка таблицы 3.1 – уровень подъема воды. Обозначим ее как вектор X, представляющий собой выборочные данные (выборку) длиной n=83.

Список исследуемых наводнений отражен в таблице 3.1:

День и Месяц	Год	Уровень подъема воды (см)
31 августа	1703	211
20 сентября	1706	262
16 сентября	1710	211
21 декабря	1710	211
16 ноября	1715	211
16 ноября	1721	265
21 ноября	1721	211
13 октября	1723	272
19 ноября	1723	211
12 ноября	1724	211
16 ноября	1725	216
12 ноября	1726	270
23 октября	1729	237
21 сентября	1736	261
19 января	1738	211
28 августа	1744	234
21сентября	1744	211
2 ноября	1752	280
6 ноября	1752	234
22 декабря	1752	234
10 октября	1756	242
19 октября	1763	219
1 декабря	1764	244
21сентября	1777	321
7 октября	1788	211
10 октября	1788	237
18сентября	1802	224
4 февраля	1822	254
19 ноября	1824	421
1 сентября	1831	264
22 ноября	1833	219
23 ноября	1833	215
29 июня	1840	211
2 октября	1853	221
20 октября	1863	227
31 мая	1865	224
31 января	1866	229
1 ноября	1873	242
26 января	1874	219
10 ноября	1874	252
8 декабря	1874	237
5 сентября	1879	221
29 августа	1890	255
14 ноября	1895	237
16 ноября	1897	242
8 декабря	1898	240
25 ноября	1903	269
11сентября	1905	211
27 января	1914	213
30 ноября	1917	244
24 августа	1918	224
24 ноября	1922	228
23сентября	1924	380
3 января	1925	225
15 октября	1929	258
8 января	1932	239
8 октября	1935	239
9 сентября	1937	236
14сентября	1938	233
3 октября	1948	212
22 октября	1948	216
14 октября	1954	222
15 октября	1955	293
14 декабря	1964	214
18 октября	1967	244
20 октября	1973	240
17 ноября	1974	242
6 января	1975	216
29 сентября	1975	281
7 сентября	1977	231
25 ноября	1982	216
17 декабря	1982	215
1 января	1984	231
26 октября	1985	216
6 декабря	1986	260
2 октября	1994	219
12 октября	1994	228
19 октября	1998	220
30 ноября	1999	262
15 ноября	2001	216
9 января	2005	239
28 октября	2006	224
10 января	2007	220

Таблица 3.1. Список исследуемых наводнений .

Для определения закона распределения уровней подъема воды, а также в целях предварительного анализа свойств распределения выборочных данных (вектора X) в математической статистике используются гистограммы – диаграммы распределения частот попадания выборочных данных в заранее выбранные интервалы. Таким образом, промежуток между наименьшим (211 см) и наибольшим (421 см) уровнями подъема воды разбивается на b интервалов равной длины h, для каждого из которых определяется число n_i элементов выборки X, попавших в данный интервал, i=1,2,…b. Числа носят название частот попадания, а n_i/n – относительных частот попадания элементов в интервалы. Определяя для каждого интервала величины приведенных относительных частот δ_i=n_i/(nh) и размещая полученные значения на серединах f0_i интервалов, строится зависимость δ_i от f0_i (рис. 3.3).