CC BY
73НАУЧНЫЕ СТАТЬИ
Гидрометеорология и экология №2 2012
УДК 551.501.1
Канд. техн. наук П.Ж. Кожахметов *
ОБ ОПТИМИЗАЦИИ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОЙ СЕТИ КАЗАХСТАНА
МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ, СЕТЬ, ТЕРРИТОРИЯ КАЗАХСТАНА, ОПТИМИЗАЦИЯ
Приведена краткая история создания принципов построения наблюдательных метеорологических сетей в мире. Дан сравнительный анализ сетей некоторых стран. Изложен алгоритм и сделаны расчёты для оптимальной и рациональной сети наблюдений в Казахстане с учётом орографии и хозяйственного освоения территории.
Известно, что во всём мире зависимость отраслей экономики от погоды растёт с каждым годом, в силу этого спрос на метеорологическую информацию будет повышаться [15]. Метеоинформация - основа науки метеорологии, прогнозирования погоды и бесценна для экономики страны. Как известно, наука начинается только там и тогда, где и когда есть методы и способы сбора информации. Первые приборы измерений метеовеличин были изобретены в 17 веке. С этого момента начался инструментальный период наблюдений, в основном в развитых в то время государствах: Италии, Франции, Англии и России (1732 г.), а метеорология формировалась как наука. Главы государств и государственные деятели, академики, профессора, ведущие учёные и энтузиасты-меценаты финансировали и разрабатывали приборы, программы наблюдений и принципы организации метеосетей [1, 10].
Метеорологические сети наблюдений за физическим состоянием атмосферы подразделяются по месту наблюдений на два вида: 1 - наземные сети и 2 - сети для исследования свободной атмосферы. По целям - на 6 видов: 1 - синоптико-аэрологические, 2 - климатические, 3 - агрометеорологические и фенологические, 4 - радиационные, 5 - сети для исследования загрязнения атмосферы и 6 - сети специального назначения. В этой статье рассматривается наземная сеть метеорологических станций (МС), которая в настоящее время выполняет функции первого вида целевых метеосетей и
* Казгидромет, г. Алматы
частично - остальных пяти, что существенно удешевляет получение информации.
В 2008 г. на Земле насчитывалось 11 тыс. МС, которые образуют Гло -бальную систему наблюдений (ГСН) Всемирной Метеорологической Организации (ВМО). ГСН представляет собой вложенные сетки наземных сетей наблюдения (НСН) [6, 7] трёх масштабов:
• глобальный (для всей Земли);
• региональный (для 6 регионов: Европа, Азия, Африка, Америка, Антарктида, Австралия с островами Океании);
• национальный (для государств, стран, островов или территорий).
Эти сети соответствуют масштабам основных синоптических процессов в атмосфере. Самые густые сети - национальные. Только выборочные МС входят в региональную сеть, и только выборочные МС из региональных сетей образуют глобальную сеть. Таким образом, МС глобальной сети относятся как к региональной, так и к национальной сети.
Метеосеть Национальной гидрометеорологической службы Казахстана (РГП «Казгидромет») достигла максимального развития в 1986 г., когда насчитывала 364 МС. С 1990 по 1998 год в результате глубокого кризиса и перехода на новые условия оплаты труда и хозяйствования число МС сократилось почти на треть - до 244. С 2008 г., благодаря поддержке Правительства РК, Казгидромет начал восстановление и модернизацию метеосети [5], так что к началу 2012 г. число МС увеличилось до 260 (Рис.).
Рис. Схема расположения метеорологических станций в Казахстане на 01.01.2012 г.
При этом 16 МС входят в глобальную сеть ВМО, 65 - в региональную; 33 - представляют собой длиннорядные реперные климатические станции, а 159 - входят в межгосударственную метеосеть СНГ.
Плотность наблюдательной сети в Казахстане составляет 1 МС на 10,4 тыс. км2, что далеко недостаточно для полноценного освещения нашей территории. По нормам ВМО 1 МС должна освещать не более 4,0 тыс. км2 [9], значит в Казахстане должно быть 683 МС, т.е. в 2,6 раза больше имеющихся (сравнить графы 2 и 4 табл. 1). При современном финансировании программы модернизации - задача нереальная, да и в ближайшем будущем тоже, из-за наличия больших неосвоенных территорий, гор и высокогорий. В других государствах, за исключением России, число МС также в 1,3.. .16,3 раза больше, чем в РК (графы 1 - 5, табл. 1).
Таблица 1
Плотность и индекс плотности метеосетей в странах Европы, Азии и СНГ
Площадь, тыс. км2 Общее Плотность Индекс плотности
Государство число МС сети, число МС на 100 тыс. км2 сети (р), тыс. км2 на 1 МС
1 2 3 4 5
Европа
Германия 357,022 179 50 2,0
Финляндия 338,145 550 163 0,6
Азия
Китай 9 596,960 2456 26 3,9
Корея 98,480 83 84 1,2
Турция 780,580 420 54 1,9
СНГ
Азербайджан 86,600 57 66 1,5
Таджикистан 143,100 53 37 2,7
Кыргызстан 198,500 32 16 6
Узбекистан 417,400 53 13 8
Россия 17 075,200 1686 10 10
Казахстан 2 717,300 260 10 10
Как сказано выше, метеосеть считается оптимальной, если индекс плотности р = 4 тыс. км2, что соответствует расстоянию между МС (Ь) равному 63 км [6, 9]. При условии однородности рельефа и изотропности метеополей радиус корреляции Я = 36 км. Как видно по данным табл. 1 в Казахстане, России, Узбекистане и Кыргызстане метеосети далеки от оптимальных.
В отдалённых, малообжитых и труднодоступных районах, где всё-таки живут люди и занимаются хозяйством, устанавливаются станции, имеющие название - труднодоступные (ТДС). Именно они в первую очередь были закрыты в 90-х годах 20 в. Труднодоступные районы обусловливают неравномерное распределение МС по территории. Так, в Северо-Казахстанской, Павлодарской и Акмолинской областях 1 МС приходится на 6,6.. .7,8 тыс. км2, а в степной Карагандинской и пустынной Кызылординской - на 16,5.20,5 тыс. км2 (графа 4, табл. 2). ТДС обеспечивают получение ценной информации, которая обходится значительно дороже из-за осложнённого доступа и больших затрат на обслуживание. Эта информация заполняет «пустые окна» на кольцевых синоптических картах и чрезвычайно необходима для составления прогнозов погоды и освоения новых территорий.
Учитывая сказанное, при модернизации метеосети становится актуальным не только восстановление брошенных МС и строительство новых, но и рациональное их размещение с точки зрения минимизации финансирования. В силу этого рациональная сеть всегда меньше оптимальной и состоит из минимально необходимого числа МС.
Основные принципы построения сетей наблюдений разрабатывались многочисленными научными исследованиями во всём мире на протяжении почти 300 лет, и приняты ВМО для практического использования в 189 странах-членах. Главные из них заключаются в непрерывности, единстве и сопоставимости методов сбора, обработки, хранения и распространения информации. Поэтому с 1966 г. режимные наблюдения проводятся в 8 синхронных сроков: 00, 03, 06, 09, 12,15, 18 и 21 ч Всемирного скоординированного времени (ВСВ), чтобы по возможности более точно отразить суточный ход основных метеовеличин в любых климатических условиях умеренных широт [2, 3].
В самом начале зарождения метеорологических наблюдений они проводились для обеспечения безопасного мореплавания и земледелия. С развитием экономики, разные ведомства - департамент земледелия, автодорожный, железнодорожный, авиационный транспорт и другие организовывали собственные МС. В настоящее время на средства заказчиков или самими заказчики создаются специализированные сети наблюдений - для обслуживания нефтегазодобывающих и строительных компаний, магистральных трубопроводов, международного трансграничного автокоридора «Западная Европа
Таблица 2
Расчёт минимально необходимого числа метеостанций для Казахстана
л . Доля ландшафта
Область Площад тыс. км факт. р факт. , ТЫС. км2 норм $ я2 К> К хоз
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Акмолинская 146 22 6,6 37 0 0 1 1 37 0,8 30
Костанайская 196 19 10,3 49 0 0 1 1 49 0,7 34
Северо-Казахстанская 98 14 7,0 25 0 0 1 1 25 0,9 22
Карагандинская 428 26 16,5 107 0 0 1 1 107 0,4 43
Павлодарская 125 16 7,8 31 0 0 1 1 31 0,7 22
В о сточно -Казахстанская 283 30 9,4 71 0,5 0 0,5 1,25 89 0,6 51
Западно-Казахстанская 151 15 10,1 38 0 0 1 1 38 0,7 26
Актюбинская 301 21 14,3 75 0 0 1 1 75 0,5 37
Алматинская 224 33 6,8 56 0,4 0 0,6 1,2 67 0,7 49
Жамбылская 144 19 7,6 36 ОД 0 0,9 1,05 38 0,7 26
Южно-Казахстанская 117 14 8,4 29 ОД 0 0,9 1,05 30 0,8 24
Кзылординская 226 11 20,5 57 0 0 1 1 57 0,5 29
Мангыстауская 166 11 15,1 42 0 0,2 0,8 1,2 50 о,з 15
Атырауская 119 9 13,2 30 0 ОД 0,9 1Д 33 0,4 13
Сумма или среднее по РК 2724 260 10,4 683 726 421
Примечание: МС_ фактическое число МС; р - индекс фактической плотности метеосети, тыс. км2; п"°рм -
норма числа МС при индексе плотности ртло = 4,0 тыс. км2 дляу'-й области; К , - поправочный коэффициент учёта рельефа; К - поправочный коэффициент учёта хозяйственного освоения территории; N. - минимально необходимое число МС.
- Западный Китай», проходящего через Казахстан, для мониторинга опасных загрязнений воздуха в Усть-Каменогорске и других местах.
На протяжении всего времени развития метеосетей разрабатывались научные принципы их организации.
Это касается требования максимально возможного равномерного распределения МС по территории для учёта пространственно-временной изменчивости метеовеличин и явлений погоды. Это так же необходимо для определения анизотропии метеополей, возможности интерполяции метеовеличин с необходимой точностью в любой точке территории, учёт орографической неоднородности подстилающей поверхности, хозяйственной освоенности территории и др.
В настоящее время для сетей различной плотности равнинной местности метеовеличины разделяются на 3 группы [4, 9, 14]:
1 - атмосферное давление воздуха, продолжительность солнечного сияния и температура почвы на глубинах - плотность сети наименьшая с допустимым расстоянием между пунктами наблюдений Ь = 150.200 км;
2 - температура и влажность воздуха, ветер и количество облачности
- плотность сети средняя, или оптимальная с Ь = 50...60 км;
3 - осадки, характеристики снежного покрова и атмосферные явления
- самая густая сеть с Ь < 30 км при интерполяции только средних месячных значений. По экономическим соображениям такую плотность сети иметь сложно.
Ниже приводится алгоритм расчёта минимально необходимого числа МС для Казахстана по методике Росгидромета [8]. Результаты расчётов приведены в табл. 2.
Нормативное число МС для каждой --й области рассчитывалось по формуле: >
норм
Ъ — , (1)
Р\¥ЫО
где пнот - нормативное число МС для--й области, - площадь--й области, тыс. км2; рто = 4 тыс. км2 - индекс плотности оптимальной метеосети с Ь = 50.60 км по норме ВМО. Результаты расчётов приведены в графе 5 табл. 2.
Поправочный коэффициент на неоднородность рельефа рассчитывался для каждой]-й области по формуле:
К,, = £ • > , (2)
где >7 - доли ландшафтов: 7 = 1 для гор, i = 2 - для побережий и 7 = 3 - для равнин, определённые по гипсометрической карте Казахстана (графы 6.8
табл. 2); а7 - принятые эмпирические коэффициенты неоднородности соответствующих ландшафтов: а1 = 1,5 для , а2 = 2,0 для >2 и а3 = 1,0 для >3 . Значения К- приведены в графе 9 табл. 2.
Минимальное число необходимых станций с учётом рельефа для --й области рассчитывалось по формуле:
^- (к- ):
= пнГ • К-. (3)
В целом учёт рельефа увеличил число минимально необходимых МС с 683 до 726 (графа 10, табл. 2).
В конечном счёте, необходимость метеоинформации оценивалась с учётом её востребованности за счёт хозяйственного освоения территории. Поэтому в окончательные расчёты минимально необходимого числа МС вводился коэффициент хозяйственного освоения территории (К~. , графа 11, табл. 2) для -- й области. Для его определения использовались значения плотности населения области, площади распределения сельхозугодий и число населённых пунктов по данным Агентства по статистике РК. Итоговая формула расчёта имела вид:
= (к} )•к-. (4)
Результаты расчётов (графа 12, табл. 2) показали, как сильно уменьшается число МС с учётом этого коэффициента. В сумме общее число минимально необходимых МС для Казахстана составило 421. Таким образом, для создания в стране рациональной метеосети необходимо увеличить имеющееся число МС на 161.
В заключении хотелось бы сказать, что постоянное решение проблемы рационализации сети - одна из важнейших задач руководства и специалистов Казгидромета. В условиях рыночной экономики технические средства: их количество, номенклатура, характеристики точности - относятся к экономическим категориям. Проблема принятия решения о составе, структуре и конфигурации любой наблюдательной сети сводится к нахождению «компромисса» между информационными и экономическими факторами оптимизационной задачи. Учитывая важность восстановления и модернизации наблюдательных сетей, учёные Главной Геофизической Обсерватории им. А.И. Воейкова (Россия, Санкт-Петербург) на основе обобщения информационных моделей разработали информационно-экономическую региональную модель, которая
позволяет принимать более сбалансированные и обоснованные управленческие решения [7, 9, 11, 12, 13].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бедрицкий А.И., Борисенков Е.П., Пасецкий В.П. Гидрометеорологическая служба России. // История и современность. - СПб.: Гидрометеоиз-дат, 2002. - 127 с.
2. Беспалов Д.П. Особенности системы метеорологических наблюдений, основанной на синхронных сроках // Тр. ГГО. - 1969. - Вып. 224. - С. 3-6.
3. Беспалов Д.П., Светлова Т.П. О точности представления суточного хода метеорологических элементов по срочным данным. // Тр. ГГО, 1971. -Вып. 260. - С. 124-128.
4. Гандин Л.С., Каган Р.Л. Статистическая интерпретация метеорологических данных. - Л.: Гидрометеоиздат, 1976. - 360 с.
5. Комплекс мер по модернизации Национальной гидрометеорологической службы Республики Казахстан на период до 2015 года. - Астана, 2008. - 54 с.
6. Кондратюк В.И. Модернизация метеорологической сети Росгидромета. // Тр. ГГО. - 2011. - Вып. 564. - С. 19-39.
7. Кондратюк В.И. Информационно-экономическая модель наземной сети и управленческие решения. // Тезисы докладов Научной конференции по результатам исследований в области гидрометеорологии и мониторинга загрязнения природной среды. Секция 5. - М.: 1996. - С. 3-4.
8. Методика расчёта минимально необходимого количества пунктов метеорологических наблюдений. - СПб: 2008. - 15 с.
9. Руководство по глобальной системе наблюдений. - ВМО № 488. - 2010.
10. Нездюров Д.Ф. Очерки развития метеорологических наблюдений в России. - Л.: Гидрометеоиздат, 1969. - 224 с.
11. Покровский О.М. Анализ эффективности методов оптимизации наземных наблюдательных сетей. // Тр. ГГО. - 1989. - Вып. 528. - С. 82-89.
12. Покровский О.М. О применении меры Шеннона для количественной оценки информативности гидрометеорологических наблюдений. // Тр. ГГО. - 1989. - Вып. 528. - С. 19-32.
13. Покровский О.М. Современные методы оптимизации систем мониторинга окружающей среды. // Исследование земли из космоса. - 1995. - Вып. 2. - С. 106-120.
14. РД .52.04.567-96. Положение о наземной сети Росгидромета. - СПб.: Ги-дрометеоиздат, 1996. - 20 с.
15. Хандожко Л. А. Экономическая метеорология. - СПб, Гидрометеоиздат, 2005. - 492 с.
Поступила 06.06.2012
Техн. гылымд. канд. П.Ж. Кожахметов ЦАЗАЦСТАННЬЩ МЕТЕОРОЛОГИЯЛЬЩ ТОРАБЫН ЖАЦГЫРТУ ТУРАЛЫ
ДYние ЖYзiндегi метеорологиялъщ бащылау торабыныныц орнатылу щагидаттарыныц щысщаша тарихы келтiрiлдi. Кейбiр ел-дермен салыстырмалы талдау жасалынды. Жер бедерт жэне жердi шаруауащылыщпен игерудi ескере отырып Цазащстанда щолайлы жэне утымды бащылау торабын жасау жолыныц алгоритмдерi мен есептеулерi келтiрiлдi.
