Вскрытие реки Енисей

С помощью Ежегодника так же были оформлены и добавлены в базу данных данные о толщине льда и высоте снега на льду на конец марта, конец апреля - для каждого поста индивидуально. Выбраны ранние даты вскрытия на постах за весь период от 1970 (1960) года по 2008, например, пост Назимово ранняя дата вскрытия - 14 апреля, значит данные о толщине льда и высоте снега на льду брали на конец марта- за 31 марта. Соответственно получилось так: от Назимово до Верещагино за 31 марта, от Селиванихи до Караула за 31 апреля.

Из ТМ1 - таблица метеорологическая, выбраны данные о температуре воздуха. ТМ1 - архивный документ, но данные с 1997 года имелись в электронном виде. Температура воздуха измеряется на метеостанциях. Температурный режим в районе метеостанций является репрезентативным для различных участков р. Енисей (прил. 1). Например, участок Енисейск - Назимово, температура воздуха для этого участка отражена в наблюдениях на метеостанции Енисейск, ранняя дата вскрытия в п.Енисейск- 16 марта, и поздняя дата вскрытия в Назимово 11 мая. Соответственно среднесуточную температуру для этого участка набираем за период 10 марта-17 мая. Аналогично и с остальными участками. В качестве предиктора мы выбирали из полученной базы среднюю температуру за период заблаговременности (не более 10 дней). То есть получилось два предиктора: среднесуточная температура воздуха за n количество дней до вскрытия вышележащего поста (включая дату вскрытия) и среднесуточная температура воздуха за m количество дней после вскрытия вышележащего поста. Метеорологическая информация с 15-ти опорных пунктов была сформирована в единую базу данных.

3.2 Проверка на однородность сроков вскрытия

Для более качественного прогноза любой характеристики необходимо пользоваться как можно большим количеством испытаний её в различных условиях формирования. Тем самым в прогнозе будут учтены различные варианты совместных событий, обуславливающих количественно и качественно прогнозируемую величину. Однако простое увеличение длины ряда, используемого при разработке методики, может и не привести к улучшению результатов. Известно, что природные процессы в природе своей цикличны, меняются с различными скоростями, и тем самым есть вероятность, что условия формирования исследуемой величины не одинаковы во всем её временном ряду. Поэтому при использовании временных рядов в разработке методики необходимо проводить анализ на однородность величины в течение всего используемого ряда.

Анализ на однородность сроков вскрытия реки Енисей проводился в статистическом пакете “STATISTICA 6.0” при помощи критерия Стьюдента. Из теории вероятности известно, что это параметрический критерий, требующий, чтобы ряд состоял из случайных величин, был однороден по дисперсии и распределен по нормальному закону распределения.

Анализ ряда на однородность по среднему был проведен при помощи критерия Стьюдента. Видно, что значение вычисленного уровня значимости критерия Стьюдента меньше критического, следовательно, ряд неоднороден по среднему. Проверка на однородность по дисперсии по критерию Фишера, наравне с двумя другими критериями - Левена и Брауна-Форсайта, показала, что рассчитанные уровни значимости выше критического (0.05), следовательно, гипотезу об однородности исследуемого ряда по дисперсии можно принять. Уровень значимости его эмпирического значения также выше критического, что говорит об однородности ряда по дисперсии, одного из главных условий применимости критерия Стьюдента.

После проверки на однородность сроков вскрытия воды р. Нижний Енисей разрабатывается методика краткосрочного прогноза вскрытия реки. В основу разработки прогностического уравнения сроков вскрытия воды на р. Нижний Енисей положен анализ условия формирования ледовых явлений, а также установления ледостава. Этот анализ позволяет обосновать исходные предикторы и статистический метод множественной линейной регрессии.

Для разработки методик прогноза сроков вскрытия используется метод множественной регрессии. Расчеты выполнялись с помощью пакетов Microsoft Excel и Statistiсa.

3.3 Особенности разработки методики (Statistica 6.0)

Для разработки методик прогноза сроков вскрытия используется метод множественной регрессии. Расчеты выполнялись с помощью пакетов Microsoft Excel и Statistiсa 6.0.

Однородность рядов гидрологических наблюдений является важным условием возможности построения кривой обеспеченности. Если ряд наблюдений распределен по нормальному закону, то для проверки ряда на однородность по среднему используется параметрический критерий Стьюдента, а на однородность по дисперсии - критерий Фишера.

Однородность ряда по среднему с помощью критерия Стьюдента можно проверить в модуле Вasic Statistics/Tables.

Однако, если данные "низкого качества", то есть состоят из выборок малого объема с переменными, про распределение которых мало что или вообще ничего неизвестно, то критерий Стьюдента применять нельзя. Непараметрические методы как раз и разработаны для тех ситуаций, достаточно часто возникающих на практике, когда исследователь ничего не знает о параметрах исследуемого ряда (отсюда и название методов - непараметрические).

3.4 Разработка уравнения и анализ полученных результатов

При составлении уравнений учитывается прогноз сроков вскрытия на разные даты, с определённой заблаговременностью.

Мы составили 14 точечных диаграмм, которые отражают связь сроков вскрытия нижележащего поста от дат вскрытия вышележащего поста.

На графиках отчетливо видно, что связь не функциональна, наблюдается значительный разброс относительно среднего значения.

В целях гидрологических прогнозов связь должна быть более тесной. Возьмём участок г. Енисейск - с. Назимово. Ось X- дата вскрытия реки Енисей на посту Енисейск, Y- на посту Назимово.

Рисунок 1. Диаграмма - Назимово от Енисейска

На графике видно, что расхождение точек велико. При одном сроке вскрытия Енисейска 29 марта в 1981 году Енисей в районе Назимово вскрылся через 15 дней, а в 1983 году разница составила 31 день. Анализируя данные с 1970 года, видно, что разница может быть от 9 до 36 суток. Такая же ситуация и с остальными участками, ведь на вскрытие реки влияет множество различных факторов. Составим линейные уравнения по нашим диаграммам, посмотрим, как зависит срок вскрытия нижележащего поста от вышележащего на каждом участке. Дату вскрытия каждого поста возьмём от 1 марта.

Таблица 4. Линейные уравнения зависимости даты вскрытия нижележащего поста от вышележащего поста

Для того, чтобы снизить разброс точек относительно линейной зависимости, в разработку уравнений прогноза сроков вскрытия добавлены дополнительные метеорологические и гидрологические факторы из созданной электронной базы данных.

В таблице 6 представлены полученные на данном этапе разработки уравнения прогнозов сроков вскрытия.

Таблица 5. Уравнение регрессии для каждого участка поста

Предикторы:

Д - дата вскрытия р.Н.Енисей на конкретном участке поста.

Т5после - среднесуточная температура воздуха за 5 дней после вскрытия п.Енисейск.

Т6до - среднесуточная температура воздуха за 6 дней до вскрытия п.Енисейск, включая дату вскрытия п.Енисейск.

Т2после - среднесуточная температура воздуха за 2 дня после вскрытия нижележащего поста.

Т3до - среднесуточная температура воздуха за 3 дня до вскрытия нижележащего поста, включая дату вскрытия этого поста.

ТЛ - толщина льда.

ВС - высота снега на льду.

С - скорость вскрытия вышележащего участка.

Сравнивая таблицу 5 с таблицей 6, отчетливо видно, что R- коэффициент корреляции значительно увеличился при добавлении других факторов в уравнения. В среднем он составляет 0,94. Максимальное значение, которое он может принимать +1. Значительный разброс точек на графиках сузился и приблизился к среднему значению.

Данные о толщине льда, датах вскрытия вышележащего поста, среднесуточных температурах являются главными значимыми факторами в уравнениях. Остальные же факторы - высота снега на льду и скорость вскрытия вышележащего участка лишь определяют условия, в которых будет происходить вскрытие реки Н.Енисей.

Заключение

В настоящем исследовании разработана и проведена частичная методика краткосрочного прогнозирования сроков вскрытия р. Нижний Енисей.

Для нахождения прогнозного уравнения для каждого участка использовался метод множественной линейной корреляции, который позволяет определять относительное влияние на сроки вскрытия каждого гидрометеорологического фактора и измерять полный эффект с помощью различных показателей. Можно также оценить значимость связи между зависимой и каждой независимой переменной и получить "лучшее" расчётное уравнение.

Изначально было выбрано 6 основных гидрометеорологических факторов. Но в результате расчетов, и исходя из условия, что t-статистика (характеристика ошибки нахождения коэффициентов регрессии) должна быть больше ± 2,0, было получено 14 прогнозных регрессионных уравнений для каждого участка, которые, в общем, включают в себя четыре предиктора. К предикторам уравнений относятся - среднесуточные температуры воздуха до и после вскрытия нижележащего поста, толщина льда, дата вскрытия вышележащего поста. Коэффициент множественной корреляции R полученных уравнений равен в среднем 0,94.

Проанализировав наши регрессионные уравнения, видно, что для пяти из них наши факторы явились не значимыми, то есть не влияют на дату вскрытия нижележащего пункта. Для таких постов как: Подкаменная Тунгуска, Верещагино, Селиваниха, Курейка, Дудинка. Разработка прогноза будет продолжена, и будут включены другие гидрометеорологические факторы, которые могут значительно повлиять на вскрытие.

Список используемой литературы

1. Соломенцев Н.А., Львов А.М., Симиренко С.Л., Чекмарев В.А. Гидрология Суши: Учебное пособие для вузов и для работников Гидрометслужбы.- 2-е издание переработанное и дополненное.- Л.: Гидрометеоиздат., 1961.-432с.

2. Быков В.Д., Васильев А.В. Гидрометрия: Учебник для студентов вузов, обучающихся по спец. «Гидрология суши».- изд.4-е, переработанное и дополненное.-Л.: Гидрометиздат., 1977.-448с.

3. Лелявский С. Введение в Речную Гидравлику: Учеб.пособие, перевод с англ. Федорова Н.Н., под ред. Егиазарова И.В.-Л.:Гидрометиздат., 1961.-233с.

4. Космаков И.В. Термический и ледовый режим в верхних и нижних бьефах высоконапорных гидроэлектростанций на Енисее. - Красноярск: изд-во «КЛАРЕТИАНУМ», 2001.-144с.

5. Природные ресурсы Сибири: современное состояние и проблемы природопользования. -Новосибирск: Наука, 2010.-223с.

Приложение 1

Список метеорологических станций, тяготеющих к выделенным участкам р. Енисей:

Приложение 2

Точечные диаграммы - зависимости сроков вскрытия нижележащего поста от вышележащего поста.

Назимово от Енисейска Ярцево от Назимово

Ворогово от Ярцево Осиный порог от Ворогово

Подк. Тунгуска от Осин. Порога Бахта от Подкаменной Тунгуски

Верхнеимбатск от Бахты Верещагино от Вехнеимбатска

Селиваниха от Верещагино Курейка от Селиванихи

Игарка от Курейки Потапово от Игарки

Дудинка от Потапово Караул от Дудинки

Размещено на Allbest.ru