Фундаментальные основы и методология автоматической калибровки многопараметрических гидрологических моделей (30.11.2009)

Автор: Кузьмин Вадим Александрович

Кузьмин Вадим Александрович

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ И МЕТОДОЛОГИЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ КАЛИБРОВКИ МНОГОПАРАМЕТРИЧЕСКИХ ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ

Специальность 25.00.27 – гидрология суши, водные ресурсы и гидрохимия

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Санкт-Петербург – 2009

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении

высшего профессионального образования «Российский государственный гидрометеорологический университет» на кафедре гидрологии суши

Официальные оппоненты:

доктор географических наук, профессор, член-корреспондент РАН

Румянцев Владислав Александрович

доктор технических наук

Болгов Михаил Васильевич

доктор технических наук

Бузин Владимир Александрович

Ведущая организация:

Научно-исследовательский гидрометеорологический центр Российской Федерации (г. Москва)

Защита состоится 18 марта 2010 года в 15 часов 30 минут на

заседании диссертационного совета Д 212.197.02 при ГОУ ВПО «Российский государственный гидрометеорологический университет» по адресу: 195196, г. Санкт-Петербург, Малоохтинский проспект, 98

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Российский государственный гидрометеорологический университет»

Автореферат разослан «____» _____________ 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.197.02

кандидат географических наук, профессор

_________________ В.Н. Воробьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Точное и своевременное прогнозирование катастрофических наводнений является одной из наиболее актуальных задач, стоящих перед международным гидрологическим сообществом. В первую очередь, это вызвано стремительными темпами роста ущерба от паводков и половодий как в Российской Федерации, так и в других странах мира. Например, если в начале ХХ века среднегодовой ущерб от наводнений в США составил 100 млн. долларов, то в его второй половине он превышал 1 млрд. долларов, а в отдельные годы последнего десятилетия – 10 млрд. долларов; прямой экономический ущерб от наводнений в Китае за первые 8 месяцев 2009 года составил 71,1 миллиарда юаней (около 10,5 миллиарда долларов), пострадали 91,88 миллиона человек и 7,1 миллиона гектар сельхозугодий; тайфун "Кетсана", вызвавший масштабные наводнения во Вьетнаме и на Филиппинах в 2009 г., повлек смерть более 1000 человек, повредил или уничтожил 360 тыс. домов, школ и других учреждений, 73 тыс. га урожая; наводнение на Кубани вызвало гибель 10 человек и материальный ущерб на сумму около 2 млрд. руб.

В условиях изменения климата и возрастающей антропогенной нагрузки на речные водосборы статистические методы прогнозирования теряют свою эффективность, и единственным методом качественного прогнозирования паводков и половодий становится математическое моделирование, эффективность которого во многом зависит от калибровки (параметризации) используемых гидрологических моделей. Однако сравнительно простые модели с небольшим количеством параметров, калибровка которых больших трудностей не вызывает, обычно не в состоянии адекватно описать весь спектр природных процессов, определяющих формирование паводков и половодий. Более сложные модели с большим числом параметров являются достаточно гибкими для моделирования катастрофических паводков и половодий в различных условиях, но их эффективная калибровка связана со значительными техническими трудностями, обусловленными ограниченностью процессорных ресурсов. Кроме того, в результате выполнения диссертационной работы было установлено, что существующие методы оптимизации параметров сложных моделей не в состоянии учесть ряд свойств многомерной поверхности целевой функции, на которой отыскиваются оптимальные наборы параметров, и по этой причине не могут применяться при автоматической калибровке оперативных гидрологических моделей.

Особую теоретическую и практическую значимость проведенным исследованиям придает возможность их непосредственного использования для усовершенствования системы прогнозирования катастрофических паводков и половодий в рамках программы «Модернизация и техническое перевооружение учреждений и организаций Росгидромета», реализация которой начата в соотвествии с Соглашением о займе (№4769 RU) между Российской Федерацией и Международным Банком Реконструкции и Развития.

Цель работы. Разработка усовершенствованных методов автоматической калибровки многопараметрических гидрологических моделей, используемых для оперативного прогнозирования опасных гидрологических явлений при различном уровне обеспеченности исходными гидрометеорологическими данными, а также повышение точности прогнозирования дождевых паводков и половодий в условиях изменения климата и переменной антропогенной нагрузки на водосборы.

Задачи исследования.

Анализ поведения поверхности многомерной целевой функции при изменении внешних условий, включая изменение «входа» модели и длины временных рядов, используемых для калибровки гидрологической модели;

Выявление причин низкой эффективности существующих методов автоматической калибровки гидрологических моделей, связанных с особенностями эволюции поверхности целевой функции;

Разработка фундаментального подхода к идентификации оптимальных наборов параметров оперативных гидрологических моделей на основе результатов анализа причин и особенностей эволюции поверхности целевой функции;

Разработка практически применимых алгоритмов автоматической калибровки многопараметрических моделей при различном уровне обеспеченности исходными данными: а) отсутствии данных об осадках; б) при низкой пространственно-временной дискретности данных об осадках; в) при низкой пространственно-временной дискретности данных о стоке; г) при отсутствии или низкой пространственной дискретности данных о типах и водоудерживающих характеристиках доминирующих почвогрунтов;

Выявление причин низкой эффективности существующих критериев качества гидрологических прогнозов, применяемых в качестве оптимизируемых функционалов при калибровке многопараметрических гидрологических моделей, которые используются для прогнозирования опасных гидрологических явлений (на примере дождевых паводков);

Разработка универсальных типов целевой функции, которая может быть использована для автоматической калибровки гидрологических моделей при технической невозможности или экономической нецелесообразности построения матрицы потерь;

Создание автоматизированной системы прогнозирования паводков при различном уровне обеспеченности исходной гидрометеорологической информацией на основе разработанной методологии автоматической калибровки многопараметрических моделей;

Создание аппаратно-программного комплекса по поиску, передаче и архивированию гидрометеорологических данных, необходимых для прогнозирования опасных гидрологических явлений;


загрузка...