CC BY
44
УДК [551.509.324 + 551.508.77] (420.23-25)«42» ББК 26.23
Г.Т. фрумин, М.Э. Иванов, Л.А. Куликова, А.В. Еремина
подходы к решению проблемы диагноза и прогноза атмосферных осадков в интересах городских служб водоотведения*
Рассмотрены основные недостатки современного способа учета атмосферных осадков в Санкт-Петербурге. Разработана методика автоматизированного учета, мониторинга и прогноза выпадающих атмосферных осадков на территории крупного промышленного города (на примере Санкт-Петербурга). Приведена блок-схема макета автоматизированной информационной системы мониторинга и прогноза атмосферных осадков. Для прогноза количества атмосферных осадков использована адаптированная мезомасш-табная метеорологическая модель WRF (Weather Research and Forecasting). В качестве источников первичной информации были использованы данные суточного количества атмосферных осадков на пилотном полигоне с 5 ноября по 15 декабря 2015 года. Эти данные были сопоставлены с прогнозируемыми. Методами математико-статистического анализа было установлено, что расхождение между фактическими и прогнозируемыми значениями суточного количества атмосферных осадков несущественно. Рассмотренная автоматизированная информационная система мониторинга и прогнозирования атмосферных осадков позволяет надежно учитывать и прогнозировать суточное количество атмосферных осадков и может быть использована в оперативной практике для обеспечения работы городских служб, обеспечивающих работу инфраструктуры города.
Ключевые слова:
автоматический осадкомер, метод регрессии, прогностическая модель, Санкт-Петербург, суточные атмосферные осадки.
Фрумин Г.Т., Иванов М.Э., Куликова Л.А., Еремина А.В. Подходы к решению проблемы диагноза и прогноза атмосферных осадков в интересах городских служб водоотведения // Общество. Среда. Развитие. - 2016, № 2. - С. 97-100.
© Фрумин Григорий Тевелевич - доктор химических наук, профессор, Российский государственный гидрометеорологический
университет, Санкт-Петербург; e-mail: gfrumin@mail.ru © Иванов Максим Эдуардович - кандидат технических наук, Российский государственный гидрометеорологический университет, Санкт-Петербург; e-mail: maxselym@gmail.com © Куликова Лидия Александровна - кандидат физико-математических наук, доцент, Российский государственный гидрометеорологический университет, Санкт-Петербург; e-mail: kulikova.45@mail.ru © Еремина Анастасия Викторовна - инженер, Российский государственный гидрометеорологический университет, Санкт-Петербург; e-mail: er-nastya@yandex.ru
Санкт-Петербург и его окрестности относятся к атлантико-континентальной области умеренного пояса. Климат города имеет черты и морского, и континентального, с умеренно мягкой зимой и умеренно теплым летом. Город по своему географическому местоположению попадает в зону избыточного увлажнения, выпадение осадков определяется главным образом интенсивностью циклонической деятельности [4, с. 6, 99; 7, с. 43-49; 12, с. 420-423].
Санитарно-экологическая обстановка крупных городов во многом определяется надежной и эффективной работой системы водоотведения (канализации), обеспечивающей отведение всех категорий сточных вод, их очистку, а также обработку и
использование осадков, образующихся в процессе очистки [3, с. 1]. Недостаточное внимание к своевременному отведению атмосферных осадков нередко приводит к затоплению территорий, перерывам в работе предприятий и транспорта, порче оборудования и материалов, размещенных на складах и в нижних этажах зданий, и другим чрезвычайным ситуациям. Ущерб, вызванный сильными ливнями, в некоторых случаях можно сравнивать с уроном, нанесенным крупными пожарами [1, с. 3; 13, с. 137-141].
Санкт-Петербург - самый северный мегаполис Российской Федерации - занимает площадь более 1,4 тыс. км2. На таком обширном пространстве распределение ко-
* Работа выполнена в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» (Соглашение № 14.574.21.0088 от 16.07.2014 г., по теме «Проведение прикладных научных исследований по разработке автоматизированной информационной системы мониторинга и прогноза баланса ливневых стоков для городских систем водоотведения», уникальный идентификатор Соглашения -RFMEFI57414X0088).
CD Ci
О
CL
cc ^
CD Ci
О
3
\o О
личества суточных атмосферных осадков имеет неравномерный характер. Существующий способ учета атмосферных осадков в городе имеет ряд следующих недостатков: большая погрешность измерений, отсутствие автоматизации процессов измерения количества выпавших атмосферных осадков, отсутствие системы передачи оперативной информации в городские службы, обеспечивающие работу инфраструктуры города.
Однако для функционирования служб жилищно-коммунального хозяйства,
МЧС, подразделений ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга», для комфортного жизнеобеспечения населения необходим метеорологический прогноз суточного количества атмосферных осадков, что и является главной целью данной работы.
Материалы и методы исследования
В соответствии с требованиями Росгидромета и ВМО [8, с. 7; 9, с. 164], измерение количества выпавших атмосферных осадков рекомендуется производить автоматическим осадкомером, отвечающим установленным требованиям к диапазону и погрешности измерения. Таким осад-комером является автоматический осад-комер OTT Pluvio2, имеющий свидетельство Росстандарта на утверждение типа средств измерений и хорошо зарекомендовавший себя в международной практике. Осадкомер OTTPluvio2 выпускается германской фирмой «OTT Hydromet GmbH», авторизованным дилером которой является российская компания «КНТП», в свою очередь, являющаяся индустриальным партнером РГГМУ.
В осадкомере OTT Pluvio2 измерения атмосферных осадков производятся по принципу взвешивания. Измеряется как количество, так и интенсивность жидких, твердых и смешанных осадков. В отличие от осадкомеров других производителей, OTT Pluvio2 измеряет вес осадков в «емкости». Большинство из существующих осадкомеров других производителей работают по другому принципу: накапливают воду или снег и при достижении некоторого веса опрокидывают чашку, то есть считают количество опрокидываний. Pluvio2 измеряет вес емкости вне зависимости от количества воды в ней, что является основным его преимуществом. Кроме того, он учитывает такие пограничные факторы, как температура и скорость вет-
Таблица 1
Данные о погрешностях измерения осадков автоматическим осадкомером OTT Pluvio2
Измеряемая величина Ед. изм. Диапазон измерений Раз-решение Абсолютная погрешность относительная погрешность, %
Количество осадков за интервал опроса мм 0,20 -500,00 0,01 + 0,1 + 5
Заполнение резервуара осадков мм 0,20 -1700,00 0,01 + 0,1 + 5
ра, которые могут повлиять на результаты измерений.
Пределы случайной погрешности измерения осадков автоматическим осадкоме-ром OTT Pluvio2 представлены в табл. 1.
Погрешности измерений соответствуют требованиям, указанным для вновь внедряемых средств измерений [8, с. 7].
Осадкомер был установлен на пилотном полигоне на острове Белый (рис. 1). Монтаж осадкомера и настройку даталог-гера OTT NetDL 1000, необходимого для сбора и передачи информации об осадках на сервер, производило общество с ограниченной ответственностью «КНТП».
В качестве источников первичной информации были использованы данные суточного количества атмосферных осадков на пилотном полигоне с 5 ноября по 15 декабря 2015 года.
Рис. 1. Общий вид автоматического осадкомера ОТТ Pluvio2.
Прогнозирование гидрометеорологических переменных основано на принци-
пе использования разнородных данных, поступающих из различных источников, что подразумевает возможность использования этих данных для формирования единого массива на «входе» прогностической модели. В качестве подобной модели было выбрана адаптированная мезомас-штабная метеорологическая модель WRF (Weather Research and Forecasting) (рис. 2). WRF - это численная модель предсказания погоды, которая подходит как для прогнозирования гидрометеорологических переменных, так и для научных исследований в области гидрометеорологии. Разрабатывается модель сообществом научных организаций США, в том числе Национальным центром атмосферы и океана (NCEP), Национальным центром атмосферных исследований. Данная модель в России широко применяется как дополнительный метод прогноза погоды (в Гидрометцентре России, РГГМУ и ДВНИГМИ), при исследовании атмосферных процессов [11, с. 5-15] и в качестве инструмента в работах по усвоению радиолокационных данных [2, с. 5-19].
Численная мезомасштабная модель WRF представляет собой систему программных модулей: модуль подготовки начальных и граничных данных (WRF Preprocessing System), модуль ассимиляции гидрометеорологических данных (WRF Data Assimilation), решающее ядро (Advanced Research WRF), модуль постпро-цессинга (WRF Postprocessing System).
NetDL1000
Рис. 2. Блок-схема макета автоматизированной информационной системы мониторинга и прогноза баланса ливневых стоков для городских систем водоотведения.
Исходными данными для прогнозирования являются:
1. Данные от внешней глобальной метеорологической модели GFS (Global Forecast System) или NCEP (National Centers for Environmental Prediction) в формате GRIB2;
2. Данные о гидрометеорологических параметрах от станций сети Росгидромета, находящихся непосредственно в области моделирования в формате GRIB;
3. Данные радиальной скорости и радиолокационной отражаемости от допле-ровского метеорологического радиолокатора в формате LITTLE_R.
Результатом работы прогностической модели является прогноз гидрометеорологических параметров на следующие сутки. У подстилающей поверхности прогнозируются: приземное давление; скорость ветра; направление ветра; температура; относительная влажность; интенсивность и количество атмосферных осадков. При прогнозе количества атмосферных осадков рассчитывалась их накопленная сумма от времени начала расчета до времени конца расчета. Шаг сетки по пространству составил 10 км, значения гидрометеорологических параметров записывались с интервалом в 1 час.
По завершении работы прогностического блока происходит переформатирование результатов прогноза и запись их в базу данных.
Результаты и их обсуждение
Для оценки качества прогноза суточного количества атмосферных осадков в Санкт-Петербурге была выявлена зависимость между прогнозируемыми огноз) и фактическими ^факт) суточными количествами атмосферных осадков на пилотном полигоне (рис. 3).
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Суточное количество атмосферных осадков (прогноз), мм
Рис. 3. Соотношение между прогнозируемыми и фактическими суточными количествами атмосферных осадков на пилотном полигоне в период с 5 ноября по 15 декабря 2015 года
о
Линия регрессии, приведенная на рис. 3, описывается следующим уравнением:
О = 0,0436 + 0,8961-0
"^факт 7 7 "^прогноз
N = 41; г = 0,97; г2 = 0,95; о = 0,84;
FP = 867,5; FT = 122,6
Здесь N - количество наблюдений; г - коэффициент корреляции (теснота связи между переменными); г2 - коэффициент детерминации (объяснимая доля разброса); Оу(х) - стандартная ошибка; FP - расчетное значение критерия Фишера; FT - табличное значение критерия Фишера для уровня значимости 95%.
Приведенные статистические характеристики показывают, что приведенное уравнение адекватно ^Р > FT) и, более того, может быть использовано для ориентировочного прогнозирования суточного количества атмосферных осадков, так как FP > 4FT [5, с. 165]. Согласно шкале Чеддока, приведенное значение коэффициента корреляции г = 0,97 свидетельствует о высокой тесноте связи между прогнозируемыми и фактически-
ми суточными количествами атмосферных осадков [6, с. 252].
Другой вариант оценки качества прогноза базировался на проверке гипотезы о равенстве двух центров распределений [10, с. 239-240]. Для этого были рассчитаны средние значения фактического и прогнозируемого количества атмосферных осадков и их дисперсии (о2). В результате расчетов были определены следующие значения: средняя величина О = 2,56; о2 = 3,58;
факт
средняя величина О = 2,81; о2 = 3.91.
прогноз
Обработка этих данных показала, что расхождение между средними следует рассматривать как несущественное. Следовательно, расхождение между фактическими и прогнозируемыми значениями суточных количеств атмосферных осадков несущественно.
Вывод
Рассмотренная автоматизированная информационная система мониторинга и прогнозирования атмосферных осадков позволяет достаточно надежно прогнозировать количество атмосферных осадков на сутки вперед.
о
3 ю О
Список литературы:
[1] Алексеев М.И., Курганов А.М. Организация отведения поверхностного (дождевого и талого) стока с урбанизированных территорий / Уч. пос. - М.: Изд-во АСВ; СПбГАСУ. - 2000. - 352 с.
[2] Вельтищев Н.Ф., Жупанов В.Д. Эксперименты по усвоению радиолокационной отражаемости в модели WRF ARW // Метеорология и гидрология. - 2012, № 3. - С. 5-19.
[3] Кармазинов Ф.В. Повышение эксплуатационной надежности, управляемости и эффективности системы водоотведения крупного города / Дисс. в форме науч. докл. ... д. техн. н. - СПб.: Санкт-Петербургский архитектурно-строительный университет, 2000. - 43 с.
[4] Климат Санкт-Петербурга и его изменения / Под ред. В.П. Мелешко, А.В. Мещерской, Е.И. Хлебниковой. - Санкт-Петербург: государственное учреждение «Главная геофизическая обсерватория», 2010. - 256 с.
[5] Ландау М.А. Молекулярные механизмы действия физиологически активных соединений. - М.: Наука, 1981. - 262 с.
[6] Макарова Н.В., Трофимец В.Я. Статистика в Excel / Уч. пос. - М.: Финансы и статистика, 2002. -368 c.
[7] Малинин В.Н., Гурьянов Д.А. Роль атмосферной циркуляции в изменчивости температуры в зимний период в Санкт-Петербурге // Известия Российского государственного педагогического университета им. А.И. Герцена. - 2014, № 168. - С. 43-49.
[8] РД. 52.18.761-2012. Средства измерений гидрометеорологического назначения сетевые. Общие технические требования.
[9] Руководство по метеорологическим приборам и методам наблюдений. 7-е изд. - 2008 (ВМО № 8).
[10] Смирнов Н.В., Дунин-Барковский И.В. Краткий курс математической статистики для технических приложений. - М.: Физматгиз, 1959. - 436 с.
[11] Смирнова М.М., Рубинштейн К.Г., Юшков В.П. Оценка воспроизведения региональной моделью характеристик пограничного слоя атмосферы // Метеорология и гидрология. - 2011, № 12. - С. 5-16.
[12] Фрумин Г.Т., Давыденко Е.В. Межгодовая динамика атмосферных осадков в Санкт-Петербурге // Анализ, прогноз и управление природными рисками в современном мире: материалы 9-й Международной научно-практической конференции «ГЕОРИСК-2015». Том 1 / Отв. ред. В.И. Осипов. - М.: РУДН, 2015. - С. 420-423.
[13] Фрумин Г.Т., Дикинис А.В., Крашановская Ю.В. Содержание металлов в почво-грунтах Санкт-Петербурга // Экологическая химия. - 2015, № 24(3). - С. 137-141.
