<<
>>

ЦИКЛИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯРЕЧНОГО СТОКА, УРОВНЯ ОЗЕРИ ИХ ПРОГНОЗ

  Исследования циклических колебаний климата, стока рек и уровня озер, начатые Брикнером (1980) и А.И.Воейковым (1901) в конце XIX и начале ХХвв., в силу своей научной и практической значимости нашли дальнейшее продолжение в работах А. В. Шнитникова (1950, 1957, 1969), в которых было показано наличие циклических колебаний с различными внутривековыми, вековыми и тысячелетними периодами. О. А. Дроздов, А. С. Григорьева (1971), изучая многолетние колебания атмосферных осадков, также установили их цикличность.
А. М. Догановский (1982) рассмотрел в своей работе циклические колебания озерных уровней в последнем столетии. Исследования по циклическим колебаниям стока рек представлены также в работах (Андрианов, 1959; Кузина, 1970; Леонов, 1990).

Исследование периодических компонент в динамике гидрологических характеристик уровня Чудско-Псковского озера, притока в озер Песьво и Удомля, выполнено с помощью метода «многомерной гусеницы» (Голяндин и др., 1997). Многолетний прогноз оттока из оз. Песьво-Удомля на 15 лет, полученный с использованием этого метода, показал невысокую его точность. Изучение многолетних колебаний стока рек Волжского бассейна позволило Э. И. Саруханяну и Н. П. Смирнову (1971) методом спектрального анализа установить многокомпонентный циклический характер вариационной структуры многолетних изменений годового стока Волги. Спектральная структура многолетних колебаний стока рек Волжского бассейна складывается из циклических вариаций с периодами, равными в среднем около 6, 10,14 и 19 лет. Для сверхдолгосрочного прогноза годового стока Волги на 10 лет и более авторы использовали генетический метод (Максимов, Смирнов). В работе (Саруханян, Смирнов, 1971) представлен прогноз годового стока Волги на период 1965-1975 гг. Сравнение величин стока с наблюденными показали, что в некоторые годы имеются существенные расхождения. Например, в 1967 г. прогнозный сток равнялся 8544 м3/с, а наблюденный - 5780 м3/с; ошибка составила 2764 м3/с, т.е. почти половину наблюденного стока. В работе А. Н. Шевнина (1991), посвященной динамике многолетних колебаний речного стока, также отмечается наличие цикличности в рядах стока.

Рис. 7.1. Спектр колебаний температуры приземного слоя атмосферы по J. М. Mitchell.

Масштабы циклической временной изменчивости гидроклиматических характеристик крайне разнообразны. Митчелл (Mitchell, 1976), обобщив данные наблюдений за температурой приземного слоя атмосферы, построил график спектра колебаний температуры (рис. 7.1).

А. С. Монин (1969) несколько раньше, исследуя изменчивость характеристик климатической системы Земли, подразделил временную изменчивость циклических гидроклиматических колебаний на 10 классов: 1) мелкомасштабные колебания, с периодом от долей секунд до минут; 2) мезомасштабные, с периодами от минут до часов; 3) синоптические, с периодами от нескольких часов до суток и недель в океане; 4) глобальные, с периодами от недель до месяцев; 5) сезонные, к которым относятся колебания с годовым периодом и их гармоники (в том числе муссонные явления); 6) межгодичные, с периодами порядка нескольких лет, в том числе квазидвухлетние и квазитрехлетние; 7) внутривековые, с периодом порядка десятков лет, типичным примером которых является начавшееся в первой половине XX в.

потепление; 8) междувековые, с периодом порядка нескольких или десятков веков, например «малый ледниковый период» (XVII-XIX вв.); 9) долгопериодные, продолжительностью порядка десятков тысяч лет (ледниковые и межледниковые периоды плейстоцена), связанные с изменением параметров земной орбиты и наклона земной оси (в соответствии с астрономической теорией Миланковича - колебания с периодом 100, 41, 21 тыс. лет, связанные с соответствующими периодами колебаний параметров земной орбиты и наклоном оси Земли); 10) сверхдлинные изменения, связанные с продолжительностью галактического года в десятки и сотни миллионов лет и определяющие геологический лик Земли.

По проблеме циклических колебаний климата, стока рек и уровня озер имеется обширная литература, анализ которой подтверждает репрезентативность выбранных литературных источников по рассматриваемой теме. В вышеперечисленных работах с помощью визуально-графического, корреляционного, спектрального анализов и других методов выявлены квазиритмы с периодами в 10-15, 16-24, 25-45, 50-90, 120, 300, 600 и 1850-2000 лет. Большинство специалистов трактуют цикличность стока как свойство сложного детерминированного процесса, обусловленного влиянием периодических и циклических воздействий геофизических сил глобального и космического происхождения на ионосферу, атмосферу, гидросферу и литосферу Земли.

Однако существует предположение и об отсутствии периодичности в колебаниях стока. Согласно мнению Д. Я. Ратковича (1976), даже случайным некоррелированным последовательностям свойственны вполне определенные закономерности образований серий, т.е. в любом временном ряду можно усмотреть циклы повышенного или пониженного значения признака, подчас любой продолжительности. При этом во всех случаях спектр временного ряда не имеет значимых максимумов и обнаруженная последовательность циклов не отражает возможностей для календарного прогноза процесса. Даже для относительно длинных стоковых рядов (60-80 лет) недостоверны как отдельные ординаты автокорреляционной функции, так и очертание всей функции. Этот вывод заставляет отказаться от долгосрочных прогнозов стока типа, предлагаемых в работе Ю. М. Алехина (1968).

Определенные трудности имеют место и при попытках прогноза годового стока на основе представления его гармоническим рядом. Дополнительные трудности при использовании этого метода возникают в условиях нарушения стока под влиянием хозяйственной деятельности. Устранение же антропогенного и естественного трендов из рядов наблюдений за стоком не всегда может быть корректно, а назначение числа гармоник по физическим соображениям - недостаточно ясное мероприятие и вряд ли гарантирует соответствие их истинному числу.

Из краткого обзора различных методов анализа временных рядов стока и возможностей долгосрочного прогнозирования годового стока видно, что проблема оценки циклических колебаний стока и долгосрочного прогноза водности рек еще далека от разрешения. В этой ситуации, по-видимому, принцип самоорганизации позволяет более гибко подойти к решению проблемы долгосрочных прогнозов. Согласно Габору (Ивахненко, 1975), можно определить такие алгоритмы самоорганизации, в которых предусматривается «свобода выбора последующих решений». Свобода обеспечивается тем, что к каждому последующему выбору предлагается ряд решении предыдущего выбора, а не единственное решение. В нашем случае «свобода» выбора заключается в том, что для исходного временного ряда стока, осадков и других гидрометеорологических характеристик путем полного перебора изучаются циклические свойства хронологических последовательностей серий повышенной и пониженной водности при строго заданной длительности периода осреднения, например Т= 9, 10, 11, ..., п лет.

При последовательном сдвиге на 1 год и разных периодах осреднения Т выбирается строго циклическая траектория, т. е. имеется как бы множество решений, из которых необходимы только те, которые отвечают заданной цели, - выбору строго циклических траекторий.

Согласно нашим статистическим расчетам, случайности (неслучайности) циклических колебаний последовательных значений осредненного 15-летнего годового

стока для последовательности испытуемого ряда изображены на рис. 7.2, с помощью многомерных интегралов вероятности.

В результате процедуры квантования на равные отрезки исходный ряд хих2,хг,...,Х„ заменяется последовательностью для четного к=\,2,Ъ,...,т/2:

О)

(2)

(3)

Относительно последовательности, представленной на рис. 7.2, уместно задать вопрос: какова вероятность того, что она будет иметь именно такой вид, если исходная последовательность jc§, хг, .... xN,klt;N, представлена реализацией из генеральной совокупности случайной независимой величины? Согласно работе В. В. Романовского (1938), выборочные средние х, (i= 1,2,...) в случае, когда исходные случайные величины независимы и имеют нормальное распределение, независимы и также имеют нормальное распределение. Учитывая это, можно

вычислить вероятность              Отметим, что условие нор

мальности не является необходимым, достаточно лишь независимости исходных значений х, поскольку, например для четного к = 2т, имеем

здесь F(x) - общая функция распределения величин              - неза

висимые, равномерно распределенные на отрезке [0,1] случайные величины.

Выражения (4) и (5) справедливы, так как функция распределения есть монотонно возрастающая, а величины у |, уг,уъ, —,Ук распределены равномерно в интервале [0, 1], в соответствии с преобразованием Смирнова, поскольку

(6)

Таким образом, последовательность х(, х2,хз, можно заменить на последовательность у\, уг, уз,—,уи, полученную из генеральной совокупности равномерно распределенных чисел в интервале [0,1], и рассматривать вероятность того, что эта последовательность будет иметь вид

Следовательно, для четного к=2т, т= 1,2, 3, ...,к!2

Кроме того, например, для четного к = 2т будем иметь:

Таким образом, если в последовательности типа (1) знак соотношения всюду меняется на обратный, тоуё-кратный интеграл (9) не изменяет своего значения.

Формула (9), являющаяся формулой совместной вероятности независимых событий, распределенных равномерно на интервале [0,1], действительно верна, что проверяется для достаточно больших к прямым вычислением. В общем случае для любого к справедливость формулы (9) доказывается методом индукции.

Расчеты вероятностей по формуле (8) показали, что при длительности ряда наблюдений N, например 105 лет, Т= 15 лет и К =7, вероятность того, что последовательность имела такой вид и что она получена из независимой генеральной совокупности, равна 5.4%. Следовательно, вероятность Р = 100 - Р того, что она такой вид иметь не могла, равна 94.6%. Аналогично при четных к, например при //=180 лет, Т-15 лет и К-12, по формуле (7) получаем /*=0.5, а Р=99.5%. Значения вероятностей F для различных к приведены в табл. 7.1.

Для простоты анализа временных последовательностей (1), (2) и прогноза ожидаемых средних значений стока на интервалы Т и 2Т ряд (1) удобно выразить через последовательность их отношений:

Тогда

(10)

Расчеты показали, что вероятности Р' строго циклического чередования случайной некоррелированной величины в произвольных выборках во временном ряду при различном числе К достаточно высоки (табл. 7.1). При длительности ряда стока 180-195 лет вероятность Р' неслучайности цикличности колебаний стока равна 99.5 и 99.7 %.

Наличие цикличности с высокой степенью ее неслучайности и постоянным периодом осреднения позволяет это свойство временных последовательностей типа (10) использовать для долгосрочного прогноза стока при условии, что в будущем не произойдет резких перемен в природных системах и процессах.

Траектории с различными периодами осреднения (Т= 10, 11,12,...,и) и.строгой цикличностью выбираются путем полного перебора всех траекторий с помощью ЭВМ.

Прогностические значения среднего стока на предстоящий период Т, равный периоду его осреднения, вычисляются по формуле

где, Qnp - прогностический средний сток на период Т; - предшествующий прогностическому средний сток за период осреднения Т; апр - прогностическое значение, равное среднему из всех предшествующих значений а,-, определяющаяся отдельно для а gt; 1 и а lt; 1 в зависимости от ожидаемой фазы пониженной или повышенной водности. В случае составления прогноза на период 2Т в качестве предшествующего среднего стока берется прогностическое значение стока 0ь,р, определенное по формуле (11).

Предложенная методика прогноза годового стока (метод а) на период Т и 2 Г лет применима при условии, что хозяйственная деятельность в речном бассейне за весь период наблюдений отсутствует, несущественна или находится на неизменном уровне. Такое ее состояние предполагается и на период Т прогноза. Если в это время ожидается появление или рост безвозвратных потерь стока на хозяйственные нужды, то их значение вычитается из прогностического значения стока.

Надежность метода а проверялась по 41 реке. Распределение погрешностей прогноза среднего годового стока (ДQ) по методу а и норме стока показало явное преимущество последнего, что хорошо видно из данных табл. 7.2.

ТАБЛИЦА 7.1

Вероятность (Р') строго циклического чередования случайной некоррелированной величины в произвольных выборках во временном ряду при различном числе А1

К

Р\ %

Число лет в ряду при Т= 15

К

F,%

Число лет в ряду при Т= 15

4

79.2

60

9

97.8

135

5

86.7

75

10

98.6

150

6

91.7

90

11

99.1

165

7

94.6

105

12

99.5

180

8

96.8

120

13

99.7

195

Примечание.А - число непересекающихся последовательных 15-летий.

ТАБЛИЦА 7.2

Распределение погрешностей прогноза среднего годового стока AQ по методу а и норме стока, наблюденного за период 1967-1981 гг.

Интервал погрешности AQ%

Метод а

Норма стока

число случаев

общий, %

число случаев

общий, %

0-5

18

43.9

11

26.8

6-10

16

39.0

11

26.8

11-15

4

9.8

8

19.5

16-20

3

7.3

4

9.8

21-25

0

3

7.3

26-30

0

3

7.3

31-35

0

1

2.5

Всего

41

100

41

100

Прогноз наибольшего и наименьшего среднего годового стока в каждом 15- летии осуществляется с помощью табличного метода, основанного на свойствах соответствия наибольшего и наименьшего стока среднему. В табл. 7.3 в качестве примера приведен прогноз наибольшего (??маКс) и наименьшего (??мин) среднего годового расхода воды р.Волхов-VI ГЭС. При этом средний расход воды за 15 лет определяется с использованием коэффициента а, а наибольший и наименьший - коэффициентов 5макс и 5МИ„.

Как видно из табл. 7.4, ошибка прогноза среднего за 15 лет равна 0%, наибольшего расхода - 2 и наименьшего - 14%. Прогноз времени наступления (год) наибольшего и наименьшего расхода осуществляется по специальным методикам.

В табл. 7.5 ошибка прогноза среднего годового стока для р. Днепр за период 1967-1981 гт. равна 8%, наибольшего - 10 наименьшего годового стока - 5%. Для периода 1982-1996 гг. ошибка среднего годового стока равна 7 %, наибольшего - 15, наименьшего - 3 %. Аналогичные ошибки по относительной величине (в %) характерны для остальных 40 рек, учтенных при проверке надежности прогноза годового стока. Небольшие ошибки свидетельствуют о надежности и приемлемости предложенного метода а для прогноза стока рек и уровня озер. В табл. 7.6 представлен прогноз среднегодового уровня оз. Селигер, полученный с использованием метода а.

Как видно из таблицы, ошибки среднего уровня для оз. Селигер за 15 лет составляют 8-10 см, наибольшего - 8-22 и наименьшего - 0-4 см, при многолетней амплитуде колебаний уровня 124 см. Ошибки прогноза среднего уровня для Ладожского озера (табл. 7.7) составляют за 1982-1996 гг. 7 см, наибольшего - 11, наименьшего тоже 11см при многолетней амплитуде колебаний среднего годового уровня 248 см. Аналогичные ошибки получены и при прогнозах уровня озер Онежского, Ильмень, Псковско-Чудского, Лача и др.

ТАБЛИЦА 7.3

Прогноз среднего годового стока за 15 лет, наибольшего и наименьшего годового стока в прогнозном 15-летнем интервале времени р. Волхов-VI ГЭС

Годы

а,

а

??макс

Амакс

Qum

Амин

1877-1891

492

603

1.22

356

0.72

1892-1906

636

0.77

867

1.36

447

0.70

1907-1921

563

1.13

786

1.36

327

0.57

1922-1936

670

0.84

927

1.38

508

0.76

1937-1951

479

1.40

621

1.30

310

0.65

1952-1966

591

0.81

946

1.60

299

0.51

1967-1981

469

1.26

656

1.40

261

0.56

Прогноз

1967-1981

469

1.26

642

1.37

305

0.65

Ошибка, %

0

2

14

Примечание. Коэффициент а = Q/Q,+,, 5макс = QuaJQcp; 8МИ11 = ?W??cp

Средние годовые расходы воды некоторых рек мира

за последовательные 15-тилетия и их прогноз

Название реки

Годы

Реки России

Нева

Вуокса

СсвДвииа

Волга

Q

а

Q

а

Q

а

Q

а

1847-1861

550

1862-1876

2630

622

0.88

1877-1891

2490

1.06

605

1.03

3160

1892-1906

2830

0.88

652

0.93

3700

0.85

8320

1907-1921

2320

/>1.22

544

1.20

3310

1.12

7920

1.05

1922-1936

2780

0.83

675

0.81

3730

0.89

8400

0.94

1937-1951

2110

1.32

500

1.35

2940

1.27

7420

1.13

1952-1966

2560

0.82

571

0.88

3370

0.87

7650

0.97

1967-1981

2320

1.10

555

1.03

2970

1.13

7280

1.05

1982-1996

2600

0.89

3370

0.88

8360

0.87

Прогноз

1997-2011

2200

1.18

549

1.15

2880

1.17

7740

1.08

Реки Европы, США

Дунай

Лаба

Вснсрн

Ниагара

Миссури

Q

а

Q

а

Q

а

Q

а

Q

а

1832-1846

576

0.99

1847-1861

5470

302

526

1.10

1862-1876

4960

1.01

249

1.21

574

0.92

6217

1877-1891

5460

0.91

312

0.80

527

1.09

6225

0.99

1892-1906

5370

1.02

308

1.01

534

0.99

5597

1.11

2460

1907-1921

5670

0.95

315

0.98

531

1.01

5739

0.98

2530

0.97

1922-1936

5370

1.06

294

1.07

552

0.96

5149

1.11

2110

1.20

1937-1951

5510

0.97

334

0.88

/>474

1.16

5590

0.92

2350

0.90

1952-1966

5520

1.00

300

1.11

548

0.86

5533

1.01

1740

1.35

1967-1981

5790

0.95

328

0.91

485

1.13

6268

0.88

2060

0.84

Прогноз

1982-1996

5680

1.02

298

1.10

516

0.94

5803

1.08

1609

1.28

Годы

Название реки

Реки Африки, Южной Америки, Австралии, Индии

Конго

Парана

Муррей

Годовари

Q

а

Q

а

Q

а

Q

а

1907-1921

37500

15700

23.9

3150

1922-1936

40000

0.94

17100

0.92

37.4

0.64

3160

0.99

1937-1951

39600

1.01

15000

1.14

26.8

1.40

3083

1.02

1952-1966

43100

0.92

16400

0.91

44.7

0.60

3507

0.88

1967-1981

42300

1.02

16100

1.02

3127

1.12

Прогноз

1982-1996

45000

0.94

17500

0.92

3330

0.94

Примечание: Для рек Европы, США, Африки, Южной Америки, Австралии, Индии ряды годового стока имеются только до 1984 г., поэтому поверочные прогнозы за 1982-1996 гг. не выполнялись.

ТАБЛИЦА 7.5

Прогноз среднего годового стока за 15 лет, наибольшего и наименьшего годового стока в прогнозном 15-летнем интервале времени, р. Днепр-Смоленск

Годы

Q

а

Смаке

Дмакс

Смин

Амин

1877-1891

85.7

110

1.28

60

0.70

1892-1906

102

0.84

143

/>1.40

68

0.67

1907-1921

98.4

1.04

181

1.84

47

0.48

1922-1936

104

0.95

148

1.42

66

0.63

1937-1951

92.6

1.12

138

1.49

68

0.73

1952-1966

101

0.92

168

1.66

52

0.51

1967-1981

86.5

1.17

129

1.49

61

0.70

1982-1996

103

0.84

126

1.22

59

0.57

Прогноз

1967-1981

93.5

1.08

142

1.52

58

0.62

Ошибка, %

8

10

5

Прогноз

1982-1996

96.1

0.90

145

1.51

61

0.63

Ошибка, %

7

15

3

Небольшие ошибки среднегодовых уровней при таком большом упреждении позволяют считать разработанный метод а сверхдолгосрочного прогноза среднего на 15 лет надежным и точным. В качестве примера в табл. 7.8 приведены погодич- ные значения уровня оз. Ладожского для 1881-2006 гг. и средний уровень на каждую многоводную и маловодную 15-летки, а также прогноз средних величин уровня озера на период 1997-2011 гг. и погодичные прогнозные уровни.

Определенный интерес представляет прогноз среднемесячных уровней с годовой заблаговременностью. Такие прогнозы для оз. Ладожского автор составлял и передавал Северо-Западному управлению гидрометслужбы России ежегодно 5-10 января с 1993 г. Результаты прогнозов за период 1993-2005 гг. приведены в табл. 7.9. Прогноз осуществлялся методом сепарации рядов уровня, уточнялся в феврале- марте при условии, если отклонение фактического уровня от прогнозного составляло 20 см и более.

При составлении прогноза за 2004 г. не учтена мощная солнечная вспышка 2003 г. Корректировка прогноза с марта. По данным табл. 7.9 была проведена оценка точности прогнозов уровня (табл. 7.10) и составлен график колебаний среднемесячного уровня Ладожского озера в нормальных и аномальных гидроклиматических условиях. Как и следовало ожидать, в аномальные годы наблюдались наибольшие ошибки прогноза.

ТАБЛИЦА 7.6

Прогноз среднего годового уровня (Н) оз. Селигер за 15 лет, его максимума и минимума в

15-летнем интервале времени

Годы

Я

а

Яшм

$тах

Ящ|П

6min

1847-1861

56

84

1.50

36

0.44

1862-1876

84

0.67

122

1.45

58

0.58

1877-1891

71

1.18

108

1.53

50

0.33

1892-1906

91

0.78

122

1.34

89

0.66

1907-1921

77

1.18

122

1.58

19

0.12

1922-1936

95

0.81

117

1.23

64

0.52

1937-1951

63

1.51

96

1.52

18

0.12

1952-1966

/>79

0.80

142

1.80

23

0.13

1967-1981

69

1.14

115

1.67

31

0.18

1982-1996

101

0.68

135

1.34

40

0.30

Прогноз

1967-1981

61

1 1.29

93

1.53

27

0.23

Ошибка, см

8

22

4

Прогноз

1982-1996

91

0.76

143

1.57

40

0.23

Ошибка, см

10

8

0

В аномальный 1998 г. (см. табл. 7.9) наибольший средний месячный уровень приходился на декабрь, наименьший - на январь. Обратное распределение уровня наблюдалось в 1996 г. При этом в обоих случаях ошибки прогноза в январе составляли -1 и -5 см, а в декабре -69 и -51 см.

Ряд наблюдений на посту Сясьские Рядки имеет продолжительность 125 лет (1881-2005 гг.). Типичный гидрограф внутригодового колебания уровня имеет вид плавной колоколообразной кривой с максимумом уровня в половодный период в мае-июне. Однако из 125 случаев в 11 гидрограф - это слегка ломаная прямая с минимумом в январе и максимумом в ноябре-декабре, что составляет 9 % общего числа лет. Один случай, наблюдавшийся в 1996 г., имеет «обратный ход», т.е. наибольший уровень наблюдался в январе, а наименьший - в ноябре-декабре.

По данным 125-летнего ряда наблюдений, можно констатировать, что в 12 случаях, или 10% общего числа лет наблюдений, фиксировался аномальный внутригодовой ход уровня. За последние 14 лет (1993-2006 гг.) три года (1996, 1998, 2003), или 21 % случаев, имели аномальное внутригодовое распределение. Это указывает на резкую перестройку гидроклиматических условий рассматриваемого региона и всего бассейна Ладожского озера.

В годы с аномальным внутригодовым распределением уровня приходятся наибольшие погрешности прогноза. Корректировка его может выполняться двумя путями. Первый путь, формальный, заключается в постоянной поправке к прогнозному уровню, начиная с апреля-мая и все последующие месяцы, - на величину погрешности прогноза этих месяцев. Второй путь корректировки связан с выяснением физических причин, влияющих на положение уровня озера, - наступление длительной засушливости (несколько месяцев), выпадение обильных осадков и т.п. В настоящее время работа, связанная с методикой уточнения внутримесячного

ТАБЛИЦА 7.7

Прогноз среднего годового уровня (Н) оз. Ладожского за 15 лет, его максимума и минимума 15-летнем интервале времени

Годы

Н

а

Нтл\

Smax

Htxan

$min

1877-1891

491

590

1.20

441

0.90

1892-1906

524

0.94

582

1.11

457

0.87

1907-1921

470

1.11

521

1.11

413

0.88

1922-1936

510

0.92

611

1.20

461

0.90

1937-1951

429

1.19

481

1.12

481

0.86

1952-1966

476

0.90

556

1.17

409

0.86

1967-1981

444

1.07

481

1.08

375

0.84

Прогноз

1982-1996

483

0.92

551

1.14

420

0.87

Наблюденный

490

-

540

431

/>-

Ошибка, см

7

11

11

ТАБЛИЦА 7.8

Среднегодовые уровни воды оз. Ладожское-Сясьские Рядки и коэффициенты а за период 1881-2005 гг.

Номер года по порядку от начального года каждого 15-лстнсго периода и средний уровень, см

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

15

1877-1891 515 474 441 485 459 457 Щ 496 514 459

440

470
1892-1906 |454 491 515 505 484 463 456 567 578 519 496 576 564 576

557

520 0.90
1907-1921 475 447 466 469 481 502 490 455 433 443 484 516 482 441 407 466 01.12
1922-1936 465 509 609 527 504 487 513 562 511 507 502 488 464 484

512

510 0.91
1937-1951 435 418 394 361 380 386 462 468 461 493 443 409 434 447

445

429 1.19
1952-1966 428 504 492 537 502 507 562 501 410 427 513 524 434 ш

468

482 0.89
1967-1981 482 481 467 443 446 403 378 404 472 442 442 463 449 428

471

445 1.08
1982-1996 540 499 509 466 469 493 509 507 483 487 510 465 481 506 431 490 0.91
1997-2011 416 460 481 442 462 424 377 470 520 430

(434) 1.13
Средний

476
Число экстремумов 3 0 1 1 0 0 3 0 1 1 0 1 1 1

2

Всего 18

Период

Средний за 15 лет

Коэффи

циент

а

Пр имечание. Жирным шрифтом отмечены экстремально высокие среднегодовые уровни воды в каждом 15-летии, цифрами в прямоугольнике - экстремально низкие уровни воды в каждом 15-летии. Прогнозное значение коэффициента а на 1997-2011 гг. вычислено и трех предыдущих для всех маловодных 15-летий.

ТАБЛИЦА 7.9

Прогноз среднемесячных уровней озЛадожское-Сясьские Рядки. Нй - наблюденный уровень, Нпр - прогнозный, АН, см - ошибки прогноза за период 1993-2006 гг.

Месяц

I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

IX

X

XI

XII

Год

1993 г.

я„

450

455

458

470

/>490

490

480

475

465

455

448

445

465

янр

450

454

454

464

489

495

489

479

464

455

441

440

464

АЯ, см

0

-1

-6

-1

5

9

4

-1

0

-7

-5

-1

1994 г.

Янаб

453

456

456

475

500

514

514

498

486

485

475

465

481

я1ф

452

456

456

466

491

497

491

481

466

456

448

448

467

ДQ, см

-1

0

0

-9

-9

-17

-23

-17

-20

-29

-27

-17

-14

1995 г.

Яцаб

474

483

494

514

545

553

545

532

507

487

471

461

506

я11р

468

472

472

482

509

514

508

497

482

470

463

460

483

АЯ, см

-6

-22

-32

-36

-39

-37

-35

-25

-17

-8

-1

-23

1996 г.

Яцаб

461

458

454

453

458

454

446

430

410

387

376

386

431

Я1ф

460

465

465

474

500

505

500

489

474

465

455

455

476

АЯ, см

-1

7

11

21

42

51

54

59

64

78

79

69

45

1997 г.

Яцаб

390

390

400

410

435

441

439

431

418

418

408

412

416

/>япр

388

393

398

421

437

445

444

437

427

422

409

405

419

АЯ,см

-2

3

-2

11

2

4

5

6

9

4

1

-7

3

1998 г.

Яцаб

417

421

428

447

466

471

477

483

485

476

480

486

460

Я„р

412

416

418

434

455

463

461

454

446

439

434

435

439

АЯ, см

-5

-5

-10

-13

-11

-8

-16

-29

-39

-37

-46

-51

-21

1999 г.

Яцаб

491

493

493

514

528

523

510

488

463

436

419

410

481

Япр

486

489

492

505

529

539

533

520

506

492

487

482

505

АЯ, см

-5

-4

-1

-9

1

16

23

32

43

56

68

72

24

2000 г.

ЯИаб

418

419

422

437

459

455

453

455

452

444

444

450

442

Я1|р

413

416

418

434

455

463

461

454

446

439

434

435

439

АЯ, см

-5

-3

-4

-3

-4

8

8

-1

-6

-5

-10

-15

-3

colspan="14">

2001 г.

Месяц

I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

IX

X

XI

XII

Год

Л» аб

451

456

462

481

498

495

488

474

452

436

429

419

462

л1ф

449

448

446

470

484

490

484

472

460

440

432

430

459

АЯ, см

-2

-8

-16

-11

-14

-5

-4

-2

8

4

3

11

-3

2002 г.

Т^иаб

424

430

439

449

464

456

450

434

410

391

375

363

424

#пр

422

426

427

443

465

472

470

465

457

449

446

448

449

АЯ, см

-2

-4

-12

-6

1

16

20

31

47

58

71

85

25

2003 г.

7/цаб

333

342

356

368

386

383

381

382

391

397

399

411

377

я„Р

339

342

346

360

370

377

381

393

390

385

390

394

372

АЯ, см

6

0

10

8

-16

-6

0

11

-1

-12

-9

-17

-5

2004 г.

Т^иаб

411

431

445

475

484

488

491

490

485

481

481

483

470

?

¦о

400

404

409

430

447

456

456

447

438

430

422

417

430

АЯ, см

-11

-27

-36

-45

-37

-32

-35

-43

-47

-51

/>-59

-66

-40

АН2, см

-11

-27

0

-9

-1

-4

-1

-7

-11

-15

-23

-30

-12

2005 г.

Пи аб

497

516

522

535

553

564

559

543

522

497

472

456

520

Лир

487

492

497

516

543

551

542

526

507

488

472

468

507

А Я, см

-10

-24

-25

-19

-10

-13

-17

-17

-15

-9

0

12

-13

2006 г.

Лцаб

450

446

439

455

456

458

444

416

404

388

389

409

430

Лир

450

455

458

470

490

490

480

475

465

455

448

445

465

АЯ, см

0

9

19

15

34

32

36

59

61

67

59

36

35

2007 г.

flia6

421

432

446

461

470

470

460

450

445

436

423

(447)

flip

419

421

425

440

470

460

455

450

445

440

440

445

442

AQ, см

-2

-11

-21

-21

0

-10

-5

0

0

4

17

-5

ТАБЛИЦА 7.10

Среднегодовые наблюденные и прогнозные уровни Ладожского озера п. Сясьские Рядки 1993-2005 гг. с годовой заблаговременностью и ошибка прогноза

Год

Наблюденный уровень

Прогнозный уровень

Ошибка, см

-1993

465

464

-1

1994

481

467

-14

1995

506

483

-23

1996

431

476

45

1997

416

419

3

/>1998

460

439

-21

1990

481

505

24

2000

442

439

-3

2001

462

459

-3

2002

424

449

25

2003

377

372

-5

2004

470

464

-6

2005

520

507

-13

2006

, 430

465

35

2007

447

442

-5

Средний

451

453

-10/24

распределения уровня озера по данным орбиты Луны, солнечной активности, конфигурации планет солнечной системы, извержения вулканов, прохождения метеоритных потоков, проводится. Добавим к этому, что в гл. 2-5 приведены примеры учета циклических глобально-космических процессов на колебание водности рек и уровня озер с большой заблаговременностью.

Все аномальные случаи колебания уровня Ладожского озера обусловлены аномальным распределением осадков, температуры внутри года и особыми глобальнокосмическими условиями. В самый маловодный 1940 г. гидрограф сильно выпо- ложен и приближается к прямой линии. Несмотря на возможные ошибки прогноза уровня, особенно в аномальные годы, в целом долгосрочный прогноз уровня Ладожского озера имеет хорошую оправдываемость при точности прогноза среднего месячного уровня -10+-24 см (табл. 7.10). Обращает на себя внимание, что в аномальный 1996 г. средняя ошибка прогноза среднего годового уровня достигала наибольшего значения (45 см) из всех выданных за 14 лет прогнозов. Амплитуда среднемесячных уровней составляет для рассматриваемого поста 316 см (наибольший в июне 1924 г. - 664 см, наименьший в феврале 1942 г. - 348 см), средний многолетний уровень - 447 см.

Ошибка прогноза возрастает по мере увеличения упреждения, в январе она наименьшая и не превышает 2-5 см, в октябре-декабре - наибольшая, а в ноябре аномального 1996 г. была максимальной и равнялась 79 см. Уменьшение погрешностей

Рис. 5. Колебания среднемесячного уровня Ладожского озера в нормальных (1924, 1951 гг.) и аномальных гидроклиматических условиях 1928,1942,1996 гг.

/ - 1924, 2 - 1951,3 - 1940,4 - 1928,5 - 1996,6- 1942.

прогноза во втором полугодии осуществляется путем корректировки прогноза по текущим значениям уровня на май-июнь, тогда ошибка прогноза за второе полугодие сокращается вдвое.

Существует возможность улучшить качество прогнозов уровня озер аномальных лет. Этому способствует выявление глобально-космических причин сдвига максимальных месячных уровней с весны на осень и зиму, длительных засух или дождливых периодов. Последние могут успешно корректироваться по прогнозам

ТАБЛИЦА 7.11

Великие противостояния Марса с 1830 по 2035 г.

Дата Год

Расстояние от Земли до Марса, а.е.

Уровень, см

19 сентября 1830

0.388

-

18 августа 1845

0.373

-

17 июля 1860

0.393

-

5 сентября 1877

0.377

-

4 августа 1892

0.378

454

24 сентября 1909

0.392

466

23 августа 1924

0.373

609

23 июля 1939

0.390

394

10 сентября 1956

0.379

502

10 августа 1971

0.376

446

22 сентября 1988

0.394

509

28 августа 2003

0.373

377

27 июля 2018

0.386

Средний уровень 470/450

метеорных потоков (см. гл. 4). Мощные вспышки на Солнце в 2003 г. вызвали резкий рост стока и смещение наибольшего месячного уровня Ладоги с июня-июля на декабрь 2003 г. (см. табл. 7.9). Влияние Эль-Ниньо на сток рек и уровень озер в европейской части России находится в определенной связи с 15-летними циклами водности. В маловодные 15-летия влияние ослабевает или не ощущается в связи с блокировкой циклонов, идущих с Атлантики. В многоводные 15-летия влияние Эль-Ниньо четко проявляется. Маловодность и низкие уровни озер европейской части России определяются влиянием Луны. Н. А. Комков (1968) подробно изучил влияние Солнца и Луны на осадки и температуру. Он показал, что засухи возникают при определенных конфигурациях Луны, на засушливость года оказывает влияние противостояние Марса. В годы Великих противостояний Марса также чаще всего наблюдается пониженный сток рек и уровней озер. Как видно из табл. 7.11, только 1924 г. выпадает из общего числа лет, имеющих пониженный уровень (476 см). Повышенная водность рек и уровня озер в 1924 г. связана с прохождением обильного метеоритного роя.

В сводной табл. 7.12 представлены результаты проверочного среднего прогноза за 15 лет годового стока на период 1982-1996 гг. для некоторых рек России, выданных Министерству чрезвычайных ситуаций. Как видно из таблицы, ошибки прогноза среднегодового стока (Q) не превышают 11%, Qmт и Qmin - 16%. Поскольку для экстремальных ситуаций важны данные по весеннему половодью, то наряду с прогнозом среднего за 15 лет годового стока (наибольшего и наименьшего)

ТАБЛИЦА 7.12

Результаты поверочного прогноза среднего годового стока наибольшего и наименьшего за период 1982-1996 гг.

Река-пункт

QIQwxb

Ошибка, %

Стах/Стах

Ошибка,%

QmiJQmin

Ошибка, %

Северна-У сть-Пинега

3410/3370

1

4540/4090

11

2350/2550

8

Нева-Новосаратовка

2760/2600

6

3530/3090

14

2070/2120

2

Волхов-Г остинополье

578/628

9

798/927

16

370/352

5

Тихвинка-Г орелуха

24.9/24.9

0

34.6/30.3

14

15.2/17.6

16

Неман-Смалининкай

504/536

6

685/669

2

378/419

11

Дон-Казанская

336/

507/482

5

175/183

5

Ока-Муром

991/964

3

1340/1270

6

684/671

2

Кама-Пермь

1680/1820

8

2200/2330

6

1210/1280

6

Волга-Старица

150/

-

214/

-

93/

-

Волга-Волгоград

7570/8360

10

10100/10700

6

5370/5610

4

Хопер-Поворино

66.4/

-

118/

-

26/6

-

Унжа-Макарьев

209/

330/328

1

132/

Иртыш-Т обол ьск

1910/2120

11

2830/3000

6

1220/1230

1

Обь-Салехард

12100/12600

4

Примечание. Перед чертой - прогнозные величины, после черты - наблюденные.

методом а прогнозируются циклические колебания сезонного стока. В частности, в табл. 7.13 приведен прогноз среднего слоя весеннего половодья за 15 лет, а также наибольшие и наименьшие значения в пределах прогнозного 15-летия.

Как видно из этой таблицы, точность прогноза слоя весеннего половодья р. Северной Двины достаточно высокая и пригодна для практического использования. Аналогичные результаты по прогнозу слоя весеннего половодья получены и по другим рекам России.

Массовая проверка сверхдолгосрочных прогнозов среднего за 15 лет годового стока (наибольшего и наименьшего), сезонного максимального паводочного стока рек России и соответствующих уровней озер показала их высокую эффективность и точность.

Статистическая проверка на однородность и стационарность многолетних рядов стока рек, в том числе притока в оз. Удомля с 1877 по 1997 г. по статистическим критериям Диксона, Смирнова-Граббса, Фишера и Стьюдента, выявила однородность и стационарность этих рядов. Вместе с тем сепарация ряда притока в оз. Удомля на маловодные и многоводные 15-летия показала существенную неоднородность этих выборок и четкую цикличность. Наименьшие значения среднего притока fVmin в многоводных 15-летиях систематически превышают в 1.2-2 раза их значения в маловодные 15-летия (табл. 14).

Здесь необходимо обратить внимание на статистическую терминологию о свойствах временных рядов. Термин однородный ряд можно трактовать как однородный по генезису происхождения, а можно по формальному признаку, т.е. такой ряд, члены которого отклоняются от среднего значения, не превышающие 36.

Однако, как показал опыт, несмотря на статистическую однородность ряда, это не означает, что во временном гидрологическом ряду стока не может быть двух генетически неоднородных выборок, средние значения которых различаются и это

ТАБЛИЦА 7.13

Прогноз среднего за 15 лет слоя весеннего половодья (наибольшего и наименьшего), р.

Северная Двина-Усть-Пинега

Период

/г, мм

/>а

htatx

Ушах

hmin

Уняв

1877-1891

177

244

1.38

115

0.65

1892-1906

184

0.96

280

1.53

133

0.72

1907-1921

173

1.06

238

1.31

141

0.77

1922-1936

193

0.94

237

1.23

149

0.77

1937-1951

170

1.13

200

1.18

102

0.60

1952-1966

179

0.95

248

1.39

104

0.58

1967-1981

177

1.08

233

1.32

98

0.55

Прогноз

1967-1981

163

1.10

218

1.34

111

0.68

Ошибка, %

8

7

13

различие достаточно значимо. Действительно, в силу различных внешних и внутренних условий обводненность больших территорий в разные временные отрезки различна. При этом имеется четкое чередование 15-летних средних величин стока повышенной и пониженной водности (см. табл. 14).

Такое различие и средних величин стока за 15 лет, и отдельных экстремальных величин годового стока в многоводные и маловодные 15-летия достаточно устойчиво и значимо. Из табл. 14 видно, что средние за 15 лет величины притока в оз. Удомля в многоводные 15-летия по сравнению с маловодными различаются в 1.42 раза, а годовые минимальные - в 2 раза (сравнивается годовой наименьший сток в многоводном 15-летии за 1922-1936 гг. - 81 млнм3 - с годовым стоком за многоводное 15-летие 1907-1921 гг. - 40млнм3). Такое различие объемов притока весьма существенно при водоснабжении АЭС.

Учет ожидаемых минимальных годовых значений стока важен при назначении регламентных работ по ремонту Калининской АЭС, которые намечаются заранее и продолжаются несколько месяцев. Уровни оз. Селигер также заметно отличаются в зависимости от их принадлежности к маловодному или многоводному 15-летию (табл. 7.6). То же относится и к стоку рек, в том числе р. Волхов, как и к тысячам других рек не только России, но и мира (табл. 7.4).

Характерно, что 15-летняя цикличность отмечается и в колебаниях атмосферных осадков, температуре воздуха - не только в средних широтах, но и более южных. В табл. 7.15 приведены данные по циклическим колебаниям суммы годовых атмосферных осадков, средней температуры воздуха в Бейруте и Ерусалиме. Как и следовало ожидать, колебания осадков и температуры воздуха в субтропической зоне по 15-летним периодам находятся в противофазе, как и для умеренных широт. Наличие 15-летних циклических колебаний гидроклиматических характеристик для различных климатических зон различных континентов свидетельствует о единой причине их происхождения.

Согласно Б. И. Сазонову (1977), процессы, происходящие на Земле, могут иметь периоды, близкие к периодам обращения планет, в том случае если на эти процессы оказывают влияние космические лучи. Изменения, происходящие во внешней короне Солнца, могут быть перенесены к Земле лишь заряженными частицами высокой энергии. Известно, что такие частицы оказывают определенное влияние на циркуляцию тропосферы. По современным представлениям, в направлении на апекс солнечный ветер распространяется на расстояние, равное всего лишь ба.е., т.е. не достигает орбиты Сатурна. В направлении антиапекса солнечный ветер, или, что то же самое, корона Солнца, вытягивается на 10-20 а.е., т.е. уходит далеко за орбиту Сатурна. Период, когда Сатурн находится в районе апекса, будет периодом повышенной концентрации мягких космических лучей у орбиты Земли. Примерно 15 лет (период обращения Сатурна вокруг Солнца равен 29.46 года) эта планета будет находиться в асимметричной короне Солнца, изменяя ее структуру в антиапексе. Последующие 15 лет корона Солнца будет иметь другую структуру, поскольку Сатурн будет находиться вне ее. Это приводит к определенным эффектам в космических лучах, и, стало быть, можно ожидать определенных вариаций с периодом в 29-30 лет, т.е. с полупериодом в 15 лет.

Рис. 7.3. Схема атмосферной циркуляции в периоды «холодной» и «теплой» Земли.

Если допустить, что вхождение Сатурна в солнечную корону способствовало прохождению межпланетных космических полей галактическими протонами высокой энергии, то можно допустить и то, что всякое такое вхождение в прошлом способствовало созданию ситуаций, напоминающих глубокие минимумы солнечной активности, которым соответствуют благоприятные условия для формирования засух.

Зная, что Сатурн находился в антиапексе в 1975 г. и что период обращения Сатурна вокруг Солнца равен примерно 29.5 года, легко составить каталог лет с повышенной вероятностью засух. Каталог имеет следующую последовательность: 2005, 1975,1946, 1916,1887,1857 гг. ит.д.

Земной отклик на внешнее космическое воздействие воспринимается всеми геосферами Земли, при этом отклик атмосферы проявляется через изменение общей циркуляции атмосферы (ОЦА). Известно, что колебания климата в масштабе от нескольких лет до нескольких десятилетий идут синхронно с изменением ОЦА. Эпохи интенсивной меридиональной циркуляции совпадают с глубоким проникновением арктического воздуха в умеренные широты, с развитием фронтальной деятельности, с выпадением обильных осадков. Схематично это представлено на рис. 7.3.

На рис. 7.3, а показана ситуация, когда циклоническая деятельность развивается в умеренных и субтропических широтах, где увеличивающаяся облачность препятствует притоку солнечной радиации, выпадают дожди, увеличивается речной сток. Над полярными районами располагаются антициклоны, приводящие к выхолаживанию арктических воздушных масс. Холодные воздушные массы из полярного бассейна проникают далеко на юг. Эта схема циркуляции атмосферы названа схемой по типу «холодная» Земля (Сазонов, 1977). На рис. 7.3,6 мы видим ситуацию, когда циклоны развиваются в полярных бассейнах, а антициклоны - в умеренных широтах. При этом наблюдается постоянный приток воздуха из низких широт в высокие. Низкие широты хорошо прогреваются, а высокие теряют мало тепла из-за большой облачности. Эта схема названа схемой циркуляции атмосферы по типу «теплая» Земля.

Периодическое чередование «холодной» (влажной) и «теплой» (сухой) Земли в колебаниях стока рек выражается в чередовании повышенной и пониженной водности в 15-летних периодах (табл. 7.8-7.10). Совместный анализ колебаний годового стока, уровня озер, температуры воздуха и осадков показал, что циклическая смена

схем циркуляции атмосферы в эпохи «холодной» и «теплой» Земли в определенной степени соответствует циклическим колебаниям гидроклиматических характеристик, т.е. наблюдается четкая закономерность в их смене (табл. 7.14,7.15 и рис. 7.3).

Данные наших расчетов по колебаниям средних значений за 15 лет согласуются с выводами О. А. Дроздова (1971) о том, что формирование холодных воздушных масс над полярным бассейном и похолодание Земли способствуют обострению фронтов и выпадению обильных осадков в умеренных широтах, в то время как при потеплении полярного бассейна усиливается засуха. Надо отметить, что картина циклических колебаний характерна не только для районов умеренных широт, но и для тропической зоны (Африка, Австралия, Южная Америка).

Противофазное колебание температуры воздуха, атмосферных осадков и речного стока весьма важно также при анализе, диагнозе и прогнозе стока. Такое колебание средних за 15 лет значений стока, уровня озер в разных регионах земного шара связано с существованием относительно устойчивого водного баланса Земли на интервале в несколько сотен или тысяч лет.

Как видно из рассмотрения рис. 7.4, колебания средних величин стока и осадков происходит синхронно, а температуры воздуха по отношению к стоку и осадкам -в противофазе, что физически понятно: чем выше температура воздуха, тем выше испарение и меньше сток.

ТАБЛИЦА 7.14

Наибольшие, наименьшие и среднее значения годового стока за последовательные 15-летия

Период

^тах

® max

^min

® min

бср

а

Р.Муррей-Мива (Австралия)

1907-1921

46.5

6.60

23.9

1922-1936

89.5

0.52

8.35

0.79

37.4

0.64

1937-1951

93.4

0.96

9.46

0.88

31.5

1.19

1952-1966

134

0.70

3.65

2.59

44.7

0.70

Р. Конго-Киншас (Африка)

1907-1921

37500

32900

37500

1922-1936

43400

0.94

36600

0.90

40000

0.94

1937-1951

43000

1.01

34600

1.06

39600

1.01

1952-1966

55000

0.78

34600

1.00

43100

0.92

1967-1981

51500

1.07

36600

0.94

42300

1.02

Р. Сикама-Селинар (Юж. Америка)

1907-1921

94.5

7.7

32.9

1922-1936

78.7

1.20

15.5

0.50

34.2

0.96

1937-1951

42.7

1.84

8.4

1.85

26.5

1.29

1952-1966

42.2

1.01

11.7

0.72

23.9

1.11

alt="" />

Рис. 7.4. Хронологический ход значений коэффициента а при 7"=15 лет для годового стока (7), суммы годовых осадков (2), и средней годовой температуры воздуха (5) в бассейнах рек.

а- р. Северная Двина-Усть-Пинега, б-р. Западная Двина-Даугавпилс, в - р.Волга-Ярославль.

Сверхдолгосрочный прогноз среднего годового стока рек и уровня озер может быть выполнен с использованием свойств циклических колебаний прогнозируемых характеристик, солнечно-земных связей, в том числе электромагнитных инверсий, с учетом конфигураций планет Солнечной системы, астрономических и астрофизических характеристик планеты Земля. Прогноз отдельных годовых значений стока может быть увязан с мощным извержением вулканов, прохождением комет, метеоритных потоков, момента импульса планет Солнечной системы и т.д.

Использование методов линейного, ступенчатого и других видов трендов служит реальной базой прогнозирования при условии знания физических причин изменения стока за прогнозный период. Разнообразие методов прогноза связано с

ТАБЛИЦА 7.15

Колебания средних годовых осадков и температуры воздуха за 15-тилетия различной увлажненности в субтропической зоне

Период

Осадки./?, мм (Бейрут)

си

Осадки,/?, мм (Ерусалим)

а2

Температура воздуха, °С (Ерусалим)

1892-1906

922

921

16.9

1907-1921

924

0.99

864

1.06

16.8

1.01

1922-1936

801

1.15

640

1.35

17.6

0.95

1937-1951

963

0.83

836

0.77

17.2

1.02

1952-1966

819

1.18

701

1.19

17.6

0.98

1967-1981

900

0.91

900

0.78

15.7

1.12

Примечание. Коэффициент а - отношение предыдущей средней 15-летней величины осадков, температуры воздуха к последующей (ои = Р\!рг, а2 = рг!ръ, «з= h/U и т.д.).

разнообразием гидроклиматических, астрономических и геофизических ситуаций. Именно большое разнообразие внешних (космических) и внутренних (земных) ситуаций определило выбор способа комплексного прогноза с использованием матричного подхода, т.е. наглядного изображения общей ситуации внешних и внутренних природных сил, а также граничных условий на гидроклиматической и аст- рогелиогеофизической матрице Afgt;lt;15, которая будет рассмотрена ниже.

Из глобальных крупномасштабных гидроклиматических процессов явление Эль-Ниньо и система течений Гольфстрим оказывают значительное циклическое влияние на климат и колебания водности рек континентов всего мира. В табл. 7.16 показаны среднегодовые расходы воды рек Западной Европы в годы появления мощного Эль-Ниньо. Как видно из таблицы, на реках Европы в это время наблюдался повышенный сток. В 2002 г. прохождение Эль-Ниньо сопровождалось небывалыми наводнениями на реках Центральной и Северной Европы, которых не было несколько веков.

Отметим, что эксперты Национального управления США по океанологии и атмосфере в начале 2002 г. прогнозировали наступление мощного Эль-Ниньо к концу этого года. В этот год на российских реках и озерах наблюдался спад, что было обусловлено засухой, связанной с расположением гребня высокого давления вдоль долготной зоны в 20-30° и стабилизацией мощного антициклона. Циклоны с Атлантики не имели прохода на восток. Систематическое появление этого гребня является причиной противофазного колебания стока рек Европы и России, что видно, например, из сопоставления колебаний стока и коэффициента а на реках Дунай, Лаба, Нева и Волга (см. табл. 7.9).

Течение Гольфстрим также оказывает свое влияние на температурный режим и обводненность Западной Европы, о чем известно давно. Вместе с тем в 2005 г. британский полярный эксперт, профессор Кембриджского университета Питер Уод- хэмс заявил, что в последние 20 лет наблюдаются значительные изменения в водах Гренландского моря. Исторически сложилось, что потоки ледяной воды в Гренландском море, известные как «кратеры», опускаются от поверхности океана на 9 тыс. футов ниже к морскому дну и взаимодействуют с теплым потоком Гольфстрима, текущим с юга. Но, по словам Уодхэмса, число этих «кратеров» за последнее

ТАБЛИЦА 7.16

Годовой сток некоторых рек Европы в годы прохождения сильных Эль-Ниньо

Река-пункт

б» м3/с

бер И б«Ь М3/с

1926

1941

1958

1977

Луара-Монтжан

1190

1260

1090

1423

1240

821

1.51

Одер-Г одовицы

866

895

673

841

818

528

1.55

Лаба-Декин

538

697

407

371

503

305

1.65

Дунай-Оршова

7220

/>7900

5630

6060

6700

5410

1.24

Примечание. 0ср- средний сток за 4 года появления Эль-Ниньо, Qo~ норма.

время сократилось в 6 раз. Это, по мнению ученого, вызывает ослабление Гольфстрима и как следствие - понижение температуры воздуха в Северной Европе в будущем. То, что происходит в Гренландском море, - всего лишь часть океанского движения, известного как «глобальный ленточный конвейер».

Данные Уодхэмса имеют определенный прогностический интерес. Но чтобы их использовать, необходимо иметь какой-то обобщенный показатель прогрессивного «замерзания» Гольфстрима во времени, а в целом - динамику «глобального ленточного конвейера».

Замедление океанических течений в Северной Атлантике может вызвать резкие климатические изменения в Великобритании, как сообщается на сайте газеты «Daily Telegraph» со ссылкой на опубликованный в журнале «Science» отчет об исследованиях профессора Питера Райнса из университета штата Вашингтон в Сиэтле. Ученые отмечают, что измерения уровня поверхности океана, произведенные со спутника, показали, что за последнее десятилетие произошло замедление скорости приповерхностных течений в районах Атлантики, прилегающих к Полярному кругу. Профессор Райне отмечает, что пока не удалось установить, вызвано ли это явление глобальным потеплением, или же является частью среднесрочного климатического цикла.

Отклик на прохождение Эль-Ниньо на реках евразийского континента достаточно разнообразен. Для рек западной Европы и европейской части России (Рейн, Лаба, Волга, Нева, Белая и др.) в годы мощных Эль-Ниньо наблюдается наибольший годовой сток почти в каждом 15-тилетии (см. табл.7.4). С удалением на восток и юго-восток отклик на Эль-Ниньо становится редким и смазанным. Для р. Амур вообще в годы Эль-Ниньо не отмечалось ни одного наибольшего годового стока, а наоборот, имели место два случая наименьшего стока (1925 и 1986 гг.), а в среднем сток был ниже нормы.

Для Волги наибольший годовой сток наблюдался в маловодные 15-тилетия вне Эль-Ниньо: 1888 г. - 11200 м3/с, ЮС 90°; 1916 г. - 10 100, ЮС 270°; 1947 г. - 10400, ЮС 90°; 1979 г. - 10 100 м3/с, ЮС 270°. Углы для 1888, 1947 и 1979 гг. даны со сдвигом в 1-3 года. В многоводные 15-летия на р. Волге все четыре значения наибольшего стока пришлись на годы прохождения Эль-Ниньо, а в целом наибольший годовой сток соответствует углам между Юпитером и Сатурном, равным 90 и 270° соответственно. На годы Эль-Ниньо, приходящиеся на маловодные 15- летия (М), максимальный сток не наблюдался ни в одном из 10 случаев.

Годы появления Эль-Ниньо, как правило, приурочены к прохождению опорных углов между Юпитером и Сатурном - 0, 90, 180 и 270° (табл. 2.2). Впервые связь между конфигурацией Юпитера и Сатурна и появлением Эль-Ниньо отмечена нами (Леонов, 2006).

Если бы подмеченное соответствие сохранилось, то очередное Эль-Ниньо следовало ожидать в 2006-2007 гг., а следующее - в 2011-2012 гг. Это должно привести к повышению стока на одних континентах и снижению на других. Как показали наблюдения, прогноз появления Эль-Ниньо в 2007 г. оправдался.

В табл. 7.17 представлен годовой сток некоторых рек евразийского континента в годы прохождения Эль-Ниньо.

ТАБЛИЦА 7.17

Годовой сток (в м3/с) некоторых рек евразиатского континента в годы прохождения Эль-

Ниньо и другие характеристики

Год

Эль-

Ниньо

Р.Волга-

Волгоград

Р.Белая-

Уфа

Р.Нсва-

Новосаратовка

Р.Лабат-

Дскин

Р.Луара-

Монтжан

Р.Иртыш-

Тобольск

Р. Амур- Хабаровск

Угол

между

Ю-С

Водность

15-лстия

1891

6420

582

2000

298

640

180°

М

1899

10400

1000

3200

286

403

1480

8080

270°

Б

1911

7170

642

2460

258

725

1600

9860

180°

М

1912

7990

799

2660

342

985

2370

7880

-

М

1925

8140

888

2970

287

765

2470

5060

-

Б

1926

12400

1420

2630

538

1190

2480

5310

90°

Б

1939

5700

460

1770

475

1220

1670

7890

-

М

1940

6080

502

1340

478

1100

/>1790

7960

-

М

1941

7720

1070

1490

697

1260

2780

8990

180°

м

1951

8560

928

2250

330

1080

1570

9550

270°

Б

1958

9210

718

3310

407

1090

2340

10200

-

Б

1965

7080

870

1940

503

985

1960

7800

-

Б

1966

9310

822

2420

443

1310

2120

8840

90°

Б

1972

6870

699

2020

189

625

2500

9550

180°

М

1976

5860

501

2230

262

718

1370

5740

270°

М

1982

7100

490

3090

1230

6630

-

Б

1983

7040

833

2610

1840

9250

-

Б

1986

9240

1040

2420

2550

6070

90°

Б

1987

8760

945

2560

3000

8450

-

Б

1990

10700

1230

2670

2210

8720

Б

1992

7930

666

2760

2010

6690

-

Б

1993

8910

973

2370

2200

8150

-

Б

1997

7700

783

2120

2320

8030

-

М

1998

9000

717

2350

9890

270°

М

Ср.

8140

816

2400

386

940

2080

8030

(?о

7550

690

2360

305

832

2130

/>8530

QIQ*

1.08

1.17

1.02

1.27

1.13

0.98

0.94

Примечание. Жирным шрифтом отмечены значения наибольшего годового стока в 15-летия с Эль-Ниньо, наклонным с чертой - минимальный сток.

Обильные ливни в 2007 г., не прекращавшиеся в течение нескольких месяцев, вызвали наводнения в экваториальной Африке. Под воду ушли целые города, были смыты мосты, фермы и школы. Согласно данным ООН, по крайней мере 1.5 млн человек в 18 странах пострадали от самых сильных за последние 30 лет ливней. Зоной стихии стала полоса от Ганы до Уганды. Причину таких чрезвычайных погодных условий некоторые эксперты связывают с фазой Ла-Нинья явления Эль- Ниньо - Южное колебание.

Электромагнитное воздействие Юпитера и Сатурна на земные геофизические процессы, как уже отмечалось выше, обусловливает 15-летний цикл. Любопытно, что в Древнем Риме каждые 15 лет пересматривались налоги на сельхозпродукцию, что было связано с 15-летней цикличностью осадков и урожайности.

Результат внешнего различного электромагнитного и гравитационного циклического воздействия на сток рек мира приводит к чередованию маловодных и многоводных 15-летий (см. табл. 7.9). Это чередование одинаково для рек всех континентов, но противофазно для Центральной Европы, США, с одной стороны, и европейской части России и Африки - с другой. В переходных областях такое чередование нарушается.

В табл. 7.18 ошибка прогноза среднего годового стока для р. Днепр за период 1967-1981 гг. равна 8%, наибольшего - 10 и наименьшего - 5%. Для периода 1982-1996 гг. ошибка среднего годового стока равна 7%, наибольшего - 15

ТАБЛИЦА 7.18

Результаты поверочного прогноза среднего годового стока (1982-1996 гг.)

Река-пункт

8пр/8наб

Ошибка, %

QnadQmax

Ошибка,%

8 in in/ 8niin

Ошибка,%

Северна-У сть-Пинега

3410/3370

1

4540/4090

11

2350/2550

8

Нева-Новосаратовка

2760/2600

6

3530/3090

14

2070/2120

2

Волхов-Г остинополье

578/628

9

798/927

16

370/352

5

Тихвинка-Г орелуха

24.9/24.9

0

34.6/30.3

14

15.2/17.6

16

Неман-Смалининкай

504/536

6

685/669

2

378/419

11

Нарва-Васькнарва

331/399

20

483/520

8

205/243

18

Дон-Казанская

336/

507/482

5

175/183

5

Ока-Муром

991/964

3

1340/1270

6

684/671

2

Кама-Пермь

1680/1820

8

2200/2330

6

1210/1280

6

Волга-Старица

150/

214/

93/

Волга-Волгоград

7570/8360

10

10100/10700

6

5370/5610

4

Хопер-Поворино

66.4/

118/

26/6

Унжа-Макарьев

209/

330/328

1

132/

Иртыш-Т обольск

1910/2120

11

2830/3000

6

1220/1230

1

Обь-Салехард

12100/12600

4

Примечание. Перед чертой - прогнозные величины, после - наблюденные.

и наименьшего - 3 %. Аналогичные ошибки по относительной величине (в %) характерны для остальных 40 рек, учтенных при проверке надежности прогноза годового стока. Такие небольшие ошибки свидетельствуют о надежности и приемлемости предложенного метода прогноза для практических целей.

Ошибки среднего уровня оз. Селигер за 15 лет составляют 8-10 см, наибольшего - 8-22, наименьшего - 0-4 см при многолетней амплитуде колебаний уровня 124 см. Столь небольшие ошибки среднегодовых уровней при таком большом упреждении позволяют считать разработанный метод сверхдолгосрочного прогноза надежным и точным. Аналогичные прогнозы уровня выполнены также для озер Ладожское, Ильмень, Псковско-Чудское и др. В сводной табл. 7.12 представлены результаты прогноза среднего за 15 лет годового стока на период 1982-1996 гг. для некоторых рек, выданные Министерству ЧС. Наибольшие ошибки прогноза не превышают 11%, ??тах - 16 % и Qm\n - 16 %.

Наряду с прогнозом среднего за 15 лет годового стока, наибольшего и наименьшего, методом а прогнозируются циклические колебания сезонного стока. В частности, в табл. 7.19 приведен прогноз слоя весеннего половодья.

Как видно из таблицы, точность прогноза слоя весеннего половодья р. Северной Двины достаточно высокая и пригодна для практического использования. Аналогичные результаты по прогнозу слоя весеннего половодья получены и по другим рекам России.

Массовая проверка сверхдолгосрочных прогнозов среднего за 15 лет годового стока, наибольшего и наименьшего, а также сезонного, максимального паводочно- го стока рек России и соответствующих уровней озер показала их высокую эффективность и точность. Это свидетельствует о хорошей точности прогнозов и устойчивом чередовании 15-летних периодов, т.е. строгой цикличностью.

ТАБЛИЦА 7.19

Прогноз среднего за 15 лет слоя весеннего половодья (Л), наибольшего и наименьшего

(р. Северная Двина-Усть-Пинега)

Период

h

а

^max

У max

^min

У min

1877-1891

177

244

1.38

115

0.65

1892-1906

184

0.96

280

1.53

133

0.72

1907-1921

173

1.06

238

1.31

141

0.77

1922-1936

193

0.94

237

1.23

149

0.77

1937-1951

170

1.13

200

1.18

102

0.60

1952-1966

179

0.95

248

1.39

104

0.58

1967-1981

177

1.08

233

1.32

98

0.55

Прогноз

1967-1981

163

1.10

218

1.34

111

0.68

Ошибка, %

8

7

13

Прогноз максимального паводочного расхода воды q^ можно осуществить и методом циклических оценок ожидаемого стока по данным стокового ряда максимальных расходов воды.

В табл. 7.20 представлены прогнозные оценки наибольшего годового и максимального паводочного стока по двум рекам России, аналогичные прогнозы составлены и по другим рекам. Характерно, что для естественно зарегулированных озерных рек и рек засушливого климата расхождение в датах наступления и q^ небольшое, что понятно, если исходить из генезиса формирования годового стока. Для остальных рек оно существенно. Годы прохождения Qm„ и qmm не совпадают в пределах от 1 до 6 лет, а средний интервал - всего один год. Следует отметить, что в связи с малым числом 30-летних периодов и смещением дат ожидаемых Qmт и #тах относительно средней даты прогнозной следует считать ориентировочными и уточнять с использованием матриц стока (JVxl5) и учетом космических и глобальных геофизических факторов.

В табл. 7.21 приведены годы наступления наибольшего годового стока некоторых рек мира в каждом 30-летнем периоде. Всего было проанализировано более 50 рек и на всех в среднем отмечался устойчивый 30-летний цикл.

Как видно из табл. 7.21, стабильными интервалами (выделены жирным шрифтом) между наибольшими годовыми расходами воды являются периоды 30-33 года (период Брикнера). Любопытно, что астрономический цикл в 32 года (пен- тастра) отмечается в обращениях и соединениях планет Солнечной системы. Такая согласованность космических и гидрологических (земных) циклов представляется нам не случайным явлением. При этом обращает на себя внимание тот факт, что наибольший сток по всем рекам мира приурочен примерно к одним и тем же годам или узкому спектру лет, например 1914-1916 гг. Для некоторых рек

ТАБЛИЦА 7.20

Годы наступления и величины наибольшего годового стока, максимального паводочного расхода воды qmx, их прогноз в каждом 30-летии (в м3/с)

colspan="9">

Р. Северная Двина-Усть-Пинега

Расход

воды

Г од наступления

интервал

Год наступления

интервал

Год наступления

интервал

Год наступления

Средний

интервал

Годы Qmax, и qmax

1881

34

1915

28

1943

31

1974

31±3

2005 г.

Я max

31100

28500

35000

30700

31320

Qxnax

1888

28

1916

32

1948

30

1978

30±3

2008 г.

Qmax

4550

4330

3650

3560

4020

Р. Нева-Новосаратовская

1879

39

1918

27

1945

30

1975

32±6

2007 г.

Я max

4070

3800

3740

3500

3780

Qmax

1879

39

1918

28

1946

32

1978

33±6

2011 г.

Qmax

3470

2840

2610

3160

3020

характер 30-летней цикличности в колебаниях наибольшего годового стока немного отличается от цикличности, приведенной в табл. 7.21.

Достаточно устойчивое положение наибольших годовых расходов воды во времени и небольшой разброс от среднего ± (0-3) года позволяет с упреждением в 15-30 лет предвидеть наступление наибольшего годового стока. Величины наибольшего стока в 30-летиях и их отклонение от средних представлены в табл. 7.22. Как видно из таблицы, отклонение от средней величины годового стока, например для Немана, составляет ± 6%, для Волги ±4%. Наибольшие отклонения отмечены для рек Луары и Припяти.

В большинстве случаев при таких условиях (небольших отклонениях и относительной устойчивости интервалов между наибольшими расходами) прогноз наибольшего годового стока выдается с высокой точностью по времени и величине. Например, для Немана наступление наибольшего годового стока в многоводном 15-летии ожидается в 2024 г. ± 2 года со среднегодовым расходом 741 и отклонением ± 50 м3/с. Наибольшее отклонение (в 11%) от наблюденных расходов по р. Неману относится к 1980 г.

В качестве проверочного прогноза можно привести прогноз наибольшего годового стока по Рейну. Как видно из табл. 7.21, ожидаемый год наступления наибольшего годового стока определен в 2001 г. Фактически очередной наибольший годовой сток в 15-летии (1997-2011 гт.) наблюдался в 2002 г. Ошибка по времени наступления составила 1 год, а по величине не превышала 10%.

ТАБЛИЦА 7.21

Годы наступления наибольшего годового стока в каждом 30-летии и интервалы между

ними для различных рек мира

Река-пункт

Г оды и интервалы

Средний интервал, лет

Ожидаемый год максимума

Волга-Волгоград

1888 28 1916 31 1947 32 1979

30

2009

Неман-Смалининкай

1844 23 186733 1916 34 195030 1980

30

2011

Сев.Двина-Усть-Пинега

1888 28 1916 32 1948 30 1978

30

2008

Амур-Хабаровск

1915 33 1948 33 1981

33

2011

Тура-Тюмень

1914 33 1947 32 1979

32

2011

Обь-Салехард

1947 32 1979

32

2011

Вуокса-Х ГЭС

1849 30 1879 33 1912 32 1944 31 1975

32

2006

Припять-Мозырь

1883 30 1913 29 1942 28 1970

29

2000

Рейн-Кельн

1846 33 1879 31 1910 29 1939 31 1970

31

2001

/>Луара-Монтжан

1879 31 1910 31 1941 361977

33

2010

Колу мбия-Т е-Далес

1887 29 1916 32 1948 26 1974

29

2004

Миссисипи-Клинтон

1887 34 1916 27 1943 30 1973

30

2003

Сускачеван-Харрисбург

1916 29 1945 27 1972

28

2000

Тобол-Ялуторовск

1914 27 1941 30 1971

29

2001

Белый Нил

1917 29 1946 29 1975

29

2004

Необходимо отметить, что значения наибольшего годового стока в отдельных 15-летиях для многих рек колеблются весьма незначительно. Так, для р. Венерн отклонения от среднего колеблется от 1 до 12% при средним отклонении ±6% (табл. 7.22). Наибольшее отклонение отмечено для рек Припяти, Миссисипи, Луары.

Значения наименьшего годового стока в отдельных непересекающихся многоводных 15-летних периодах со средним интервалом около 30 лет колеблются более значительно (табл.7.23). Так, для Луары отклонения от среднего колеблется от 13 до 25 %, для Рейна - от 0 до 43%. При таких значительных отклонениях ожидаемые значения наименьшего годового стока могут быть оценены только приближенно.

Уточнение дат появления наибольшего годового стока дополнительно может быть осуществлено по данным о прохождении метеорных роев (см. гл. 4), конфигурации Юпитера и Сатурна (гл. 3), мощных солнечных вспышек (гл. 2).

Наличие циклических колебаний стока в значительной степени связано с периодическими колебаниями конфигурации Юпитера и Сатурна. Их расположение по отношению друг к другу определяет электромагнитную обстановку ближнего Космоса, космическую погоду околоземного пространства и соответственно влияет на гидроклиматические условия Земли. Лучше всего это воздействие проследить по относительным углам Юпитера и Сатурна. Для упрощения рассмотрим влияние этих планет при углах между ними 0, 90,180 и 270°.

В гл. 3 отмечалось, что при углах 0 и 180° чаще всего наблюдается пониженный годовой сток, а при 90 и 270° - повышенный. В соответствии с этим есть основание предположить, что последующий год после прохождения названных углов будет наблюдаться или повышение или понижение годового стока. Такие межгодовые колебания соседних лет легко заметить даже чисто визуально. В качестве

ТАБЛИЦА 7.22

Значения наибольшего годового стока в отдельных непересекающихся многоводных 15-летних периодов со средним интервалом около 30 лет

Река-пункт

Среднегодовой расход воды (в mVc) и отклонение от среднего (в %)

Среднее

Неман-Смалининкай

745/0

771/4

741/0

746/0.6

775/5

669/11

741

С.Двина-Усть Пинега

4550/15

4130/4

3650/9

3560/12

3970

Нева-Новосаратовская

3140/6

3440/3

3670/10

3310/0,6

3090/8

3330

Волга-Волгоград

11200/8

10100/3

10400/0

10100/3

10400

Рейн-Кельн

2840/2

2641/5

2665/4

2782/0

2775/0

2996/8

2783

Лу ара-М онтжан

1360/10

1960/31

1260/19

1423/6

1500

Венерн-Венерсборг

606/10

661/1

748/12

651/3

698/4

642/4

668

Припять-М озырь

472/26

636/7

566/5

708/19

596

Амур-Хабаровск

13400/12

12000/0

12600/5

10200//17

12000

Миссисипи-Клинтон

2661/31

1850/10

1673/22

1930/5

2030

Св. Лаврентия

7895/5

6999/7

7338/2

7843/4

7519

/>Примечание. Отклонение от среднего (после черты) дано без указания знака.

примера в табл. 7.24 приведены значения годового стока р.Кимийоки (Решо) за период 1900-1984 гг.

Как видно из рассмотрения табл. 7.24, при углах 0° в 1901, 1921,1941, 1961,1981 и 2001 гг. и 180° в 1911, 1931,1951, 1971 гг. (выделены жирным шрифтом) наблюдались пониженные значения годового стока. При этом на следующий год значения стока были выше во всех случаях. Так, в 1901 г. сток был равен 276м3/с, в 1902г. - 344, в 1911г. - 279, а в 1912г. - 402м3/с. Однако в силу воздействия других факторов в отдельные годы наблюдался сдвиг на один год, т.е. пониженный сток наблюдался на год позднее или раньше. Например, в годы 1901, 1921, 1941, 1961 с углом 0° отмечался пониженный сток и приращение стока на следующий год составляло внушительную величину. В 1980 г. сток равнялся 299, в 1981 г. - 480м3/с.

В годы с углами 90° - 1886,1906, 1926, 1946, 1966. 1986 и 2006 - и 270° - 1896, 1916, 1936, 1956, 1976, 1996 - как правило, наблюдается повышенный сток. За годом повышенного стока закономерно наблюдается спад водности (в таблице - серое). В случаях понижния стока после прохождения углов 90 и 270° также отмечались случаи сдвижки на один год. Отмеченные циклические колебания наибольшего и наименьшего стока на р. Кимийоки через почти равные интервалы времени не являются случайными, что подтверждается на материалах рек всех континентов земного шара. В табл. 7.25 в качестве примера приведены данные только по нескольким рекам разных континентов, из которых видно, что открытая закономерность циклических колебаний наибольшего и наименьшего стока и межгодовые изменения для р. Камийоки присущи большинству рек мира. Однако следует отметить, что не всегда одним и тем же углам соответствуют повышенные или пониженные значения стока. Сдвижка ±1 год наблюдается в 35-40% случаев и

ТАБЛИЦА 7.23

Значения наименьшего годового стока в отдельных непересекающихся маловодных 15- летних периодах со средним интервалом около 30 лет (табл. 7.21)

Река-пункт

Среднегодовой расход воды ( м3/с) и отклонение от среднего (в %)

Среднее

Неман-Смалининкай

440/9

359/12

437/8

396/2

409/1

356/13

422/5

403

Нева-Новосаратовская

1940/8

2180/4

2340/11

1940/8

2120/1

2100

Сев.Двина-Усть-Пинега

2350/5

2630/17

1780/25

2210/1

2240

Волга-Волгоград

6420/16

5180/7

5090/9

5500/0

5550

Рейн-Кельн

1565/19

1311/0

1695/29

920/43

1106/19

1294/2

1315

Луара-Монтжан

387/25

403/20

605/24

550/13

486

Венерн-Венерсборг

368/7

428/9

423/7

381/3

372/6

394/0

394

Припять-Мозырь

243/8

166/35

219/2

267/19

224

Амур-Хабаровск

6680/14

5060/15

5560/5

6070/4

5840

Миссисипи-Клинтон

987/20

701/18

820//1

792/4

825

Св. Лаврентия

6262/9

5892/3

5209/10

5522/4

5840



ТАБЛИЦА 7.25

Среднегодовой сток в годы с углами 0 и 180° между Юпитером и Сатурном и приращение стока (А0 соседних лет после прохождения этих углов в каждом 15-летии

/>Год

е.

Qi

Дб

б.

б2

Дб

б.

б2

Дб

Р. Иртыш-Тобольск

Р. Волга-Волгоград

Р.Сев.Двина-Усть-Пинега

1891-1892

6420

8640

2220

3090

3790

700

1901-1902

1330

2250

920

7510

8960

1450

3330

3960

630

1911-1912

1600

2370

770

7170

7990

820

2980

3710

730

1921-1922

1340

2540

1200

5180

7720

2540

2670

3890

1220

1931-1932

1750

1910

160

7520

8560

1040

3350

3320

-30

1941-1942

17901

2780

990

7720

8500

780

3260

3350

90

1951-1952

1570

1640

70

7400

8120+1

720

2940

4710

1770

1961-1962

2210'1

2350

140

7490

7720

230

3660

3660

0

1971-1972

2980'1

3150

170

7330

6870

460

2870

3170

300

1981-1982

1230

1840

610

7810

9280”

1470

3260

3290

30

1991-1992

2010

2060

50

7930

8910+

980

3270

4090

820

2001-2002

7700

3030

3200

170

Средний

1780

2290

510

7260

8350

1160

3140

3680

540

Р. Конго-Киншас

Р. Чикама-Солинар

Р. Парана-Корриентас

1901-1902

1911-1912

37400

39500

2100

7.7

8.0

0.3

15769

19858

4089

1921-1922

37200

40300

3100

33.5

35.2

/>1.7

19811

20708

897

1931-1932

36600

40000

3400

16.1

37.9

21.8

16908

22483

5575

1941-1942

39000

41300

2300

31.3

42.7*

11.4

16033

18000

1967

1951-1952

39900

40400

500

9.3

23.9

14.6

11636

15385”

3749

1961-1962

47200

55000

7800

14.9

31.7

16.8

15733

19058”

3325

1971-1972

39600

37600

-2000

30.1

29.4

-0.7

13953

17066

3113

Год

б.

01

Дб

б.

Qi

д б

б.

вг

А б

1981-1982

40000

38400

-1600

17225

25267

8042

Средний

39600

41600

2000

20.4

29.8

9.4

15884

19728

3844

Р. Сускочеван-Харрисбург

Р. Свирь-Мятусово

Р. Дунай-Оршова

1881-1882

5400

6700

1300

1891-1892

4620

5400

780

1901-1902

1225

1239

14

575

600

25

5140

5520

380

1911-1912

913

1051

138

629

681

52

4610

6540

1930

1921-1922

849

820

-29

458

592

134

3680

6000

2320

1931-1932

608

846

238

716

726

10

4920“

5720

800

1941-1942

587

1007

420

470

625

155

7390“

7900

510

1951-1952

1041

1158

117

462

710

248

5380

5110

/>-270

1961-1962

908

800

-108

558

896

338

4390

5630

1240

1971-1972

930

1670

740

419+

470

51

4220

4840

620

1981-1982

767

845

78

544

833

289

6510

5536

-974

Средний

870

1048

178

537

682

145

5110

5900

790

ТАБЛИЦА 7.26

Пр имечание. Здесь и в табл. 7.26 верхний индекс + и нижний означают сдвиг вперед или назад соответственно.

Среднегодовой сток в годы с углами 90 и 270° между Юпитером и Сатурном и приращение стока (AQ) соседних лет после прохождения этих углов в каждом 15-летии

Год

Qx

Qi

Дб

Qx

62

Дб

Qx

62

А б

Р. Иртыш-Тобольск

Р. Волга-Волгоград

Р. Сев.Двина-Усть-Пинега

1886-1887

9450

9760

310

2480“

2350

-130

1896-1897

2210

2190

-20

7340

6850

-490

ЗОЮ

2870

-440

1906-1907

2130

1500

-630

7940

6500

-1440

3910“

3160

-750

1916-1917

2330

1520

-810

10100

9180

-920

4330

3370

-960

1926-1927

2470

2480

-10

12400

10600

-1800

3270

3640

370

1936-1937

1600“

1350

-250

5820

5090

-730

2720

1780

-940

1946-1947

3900

2560

-1340

10400+

9030

-1370

3100

3380

280

1956-1957

2590+

2340

-250

8750"

6220

-2530

4020+

3670

-350

1966-1967

2120

1280

-840

9310

5710

-3600

3920

2210

-1710

1976-1977

1370

1410

40

5860

5850

-10

3310

2870

-440

1986-1987

3000

1790

-1210

/>9240

8760

-480

3670

3420

-250

1996-1997

8820“

5610

-3210

3490'

2550

-940

Средний

2370

1840

-530

8790

7430

-1360

3440

2940

-500

Год

Q^

02

Д Q

Q,

Qi

д Q

Qgt;

Д0

Р. Конго-Киншас

Р. Чикама-Солинар

Р. Парана-Корриентас

1896-1897

1906-1907

33400

16105

16175

70

1916-1917

41500*

34100

-7400

80.8

21.5

-59.3

11900

11757

-143

1926-1927

43400

36900

-6500

51.3

33.5

-17.8

18866

14870

-3996

1936-1937

40900

41400

500

28.4

10.0

-17.4

18600

13688

-4912

1946-1947

38200

42300

-4100

29.3

19.8

-9.5

20225

18541

-1684

1956-1957

41500*

34600

-6900

34.5*

20.2

-14.3

20658+

17566

-3092

1966-1967

47600

41100

-6500

32.3*

4.1

-28.2

19583

13861

-5722

1976-1977

44800+

43000

-1800

17783

17700

-83

Средний

42557

39057

-3500

42.8

18.2

-24.6

17965

15520

-2445

Р. Сускочеван-Харрисбург

Р. Свирь-Мятусово

Р. Дунай-Оршова

1886-1887

4960

4650

-310

1896-1897

990

924

-66

641

515

-126

6600

5400

-1200

/>1906-1907

99 Т

886

-111

677

555

-122

5530

5530

0

1916-1917

1204

960

-244

605

632

27

6480

5440

-1040

1926-1927

1323+

1040

-283

606

606

0

7220

5310

-1910

1936-1937

1152+

798

-354

674

519

-155

7440

5420

-2020

1946-1947

977

990

13

657

457

-200

4190

4130

-60

1956-1957

1176

783

-393

684

517

-167

5910

5110

-800

1966-1967

-

-

67Т

632

-45

6700

5980

-720

1976-1977

1263

1096

-167

602

597

-5

6060

5960

-100

1986-1987

535"

454

-81

Средний

1135

935

-200

636

548

-88

6110

5290

-820

связана с тем, что годы опорных углов находятся не всегда в точке перелома многолетнего гидрографа стока. В табл. 7.25 представлены значения годового стока в годы опорных углов и на следующий год для всех последовательных 15-летий для избранных рек всех континентов Земли.

Данные табл. 7.25 подтверждают отмеченные в табл. 7.24 особенности колебаний годового стока в зависимости от колебаний конфигурации Юпитера и Сатурна. Некоторая несогласованность временных колебаний годового стока с углами Юпитера и Сатурна связана с влиянием других космических факторов, глобальными процессами и местными региональными особенностями речных водосборов. Однако в силу небольших отклонений частных значений AQ от среднего прогноз стока на один год после прохождения опорных углов Юпитера и Сатурна достаточно точен. Так, например, прогнозный сток Волги на 2002 г. с учетом данных табл. 7.25 равен 7700+1160 = 8860 м3/с. Фактический наблюденный сток составил

8370 м3/с. Ошибка равна 8860-8370=490 м3/с, или 6%. Особо контрастно межгодовые изменения годового стока характерны для р. Чикама-Солинар, расположенной в Чили, межгодовые колебания в среднем составляют 46 %.

Для большей наглядности в табл. 7.27 помещены расходы воды за все годы с углами 0, 90, 180 и 270° для рек Волги и Иртыша. Как видно из табл. 7.26, в среднем из шести значений годовой сток Волги при угле 90° равен 9520 м3/с, при 0° - 7800, а при угле 270° - 6820 м3/с, т.е. на 40% меньше, чем при угле 90°. Аналогичное расхождение отмечено и для Иртыша. Разумеется, следует осторожно относиться к расхождениям величин расходов при разных углах между Юпитером и Сатурном в табл. 7.26, так как выборка из шести членов весьма мала и, кроме того, определенное влияние на колебания стока оказывают другие факторы, влияние которых при их экстремальных значениях может быть значительным. Определение доли вкладов других факторов будет проведено далее. Вместе с тем очевидно, что периодическая смена углов между Юпитером и Сатурном практически синхронно сказывается на циклических колебаниях годового стока рек различных континентов Земли (табл. 7.24).

ТАБЛИЦА 7.27

Средний годовой сток (в м3/с) в годы с разными углами между Юпитером и Сатурном

(у =270,180,90,0°)

Период

Средний за 15 лет

Год

о

II

Год

«4

-to

00

о

о

Год

Q

у = 90»

Год

Q

у = 0°

Р. Волга-Волгоград

1877-1891

8920

/>1891

6420

1886

9450

1881

9620

1892-1906

8320

1896

7340

1906

7940

1901

7510

1907-1921

7920

1916

10100

1911

7170

1921

5180

1922-1936

8400

1936

5820

1931

7520

1926

12400

1937-1951

7420

1951

7490

1946

8800

1941

7720

1952-1966

7650

1956

6220

1966

9310

1961

7490

1967-1981

7280

1976

5860

1971

7330

1981

9280

1982-1996

8550

1996

5610

1991

10100

1986

9240

Средний

8060

6820

7670

9520

7800

Р. Иртыш-г.Тобольск

1892-1906

2180

1896

1940

1891

1906

2130

1901

1330

1907-1921

2090

1916

2330

1600

1921

1340

1922-1936

2090

1936

1350

1911

1750

1926

2480

1937-1951

2380

1931

1570

1946

3030

1941

2780

1952-1966

1960

1956

2050

1951

1966

2120

1961

2350

1967-1981

2100

1976

1370

3150

1981

1820

1982-1996

2120

1996

2200

1971

2970

1986

2550

Средний

2130

1870

2210

2460

1920

Таким образом, в рядах стока наблюдается определенная упорядоченность, а не хаотическое чередование случайных чисел. Использование таблично-матричного отображения колебаний стока в матрице (см. табл. 7.5, 7.6, 7.24, 7.26) также четко показывает наличие 15-летней цикличности среднего годового стока, а также наибольшего годового и паводочного стока с цикличностью 30-32 года (табл. 7.20, 7.21).

Помимо 30-летних, важно иметь данные о более длинных циклах. По данным исследований П. Рейса, сильные наводнения за 11 столетий на Рейне наблюдались 11 раз (1993, 1883, 1784, 1564, 1342, 1234, 1124, 989, 886, 784 и 674 гг.) или с интервалами примерно 100-110 лет. В январе 1995 г. высота подъема уровня воды в Кельне достигала 10-11м. Годы наибольшего годового стока в цикле 30-32 года не всегда совпадают с годами максимумов паводочного стока в столетнем цикле. Необходимо отметить, что наводнение 2002 г. и годовой сток были, по-видимому, одними из самых высоких за период 1328 лет, начиная с 674 г. Поэтому при прогнозе на 30 лет следует учитывать вероятность прохождения высоких половодий один раз в 500 и 1000 лет как наиболее разрушительных и пока недостаточно генетически обоснованных. Вместе с тем, долгосрочный прогноз высокого (наибольшего) годового стока, ожидаемого на Рейне в 2001 г. (табл. 7.21), оправдался с точностью в один год (наибольший годовой сток пришелся на 2002 г. в связи с сильным наводнением).

Наблюдения за наводнениями на р. Эльбе-Дрезден проводились с 1501 по 2002 г. (Heenten, 2003). На рис. 7.5 показаны колебания уровня только в годы прохождения половодья. С 1501 г. и примерно до середины XIX в. уровни незначительно колебались около отметки 700 см, а позже размах колебаний увеличился, но средний уровень понизился примерно до отметки 500 см. В 2002 г. отмечен исторически максимальный уровень - более 900 см. Причины снижения максимальных уровней в XX в. по сравнению с XVIII-XIX вв., возможно, связаны с зарегулированностью стока.

Выдающиеся наводнения в августе 2002 г. отмечались, кроме Центральной Европы, в Ставропольском и Краснодарском краях России. Они сопровождались большими разрушениями и гибелью людей.

Наибольший годовой сток имеет достаточно высокую корреляцию с максимальным паводочным расходом воды, поэтому прогноз наибольшего годового стока на 15-30 лет полезен, и при прогнозе катастрофических наводнений заблаговременная подготовка к ним обеспечит минимум материальных потерь.

Напомним, что для России очень актуален долгосрочный прогноз половодья, так как практически ежегодно в нашей стране происходят крупные наводнения, а по площади охватываемых территорий и наносимому материальному ущербу эти стихийные бедствия превосходят все остальные. По данным МЧС России, потенциальному затоплению подвержена территория страны общей площадью 400 тыс. км2, ежегодно затапливается около 50 тыс. км2. В результате под водой могут оказаться в разное время десятки тысяч мелких населенных пунктов с населением более млн человек, множество хозяйственных объектов, более 7 млн гектаров сельскохозяйственных угодий. По оценкам специалистов, среднемноголетний ущерб

Рис. 7.5. Уровни наводнении на р. Эльбе-г. Дрезден за 1501-2002 гг. Шкала неравномерная, отмечены только годы, когда происходили наводнения. Наводнение 1845 г. было вызвано ледовым затором.

от наводнений составляет около 43 млрд рублей. Определить год наступления наибольшего годового стока и максимального паводочного расхода воды достаточно просто (табл. 7.20,7.21).

По результатам анализа и прогноза многолетних циклических колебаний осадков, стока рек, уровня озер можно сделать следующие выводы. Многолетние колебания осадков, годового стока рек и уровней озер характеризуются выраженной цикличностью; при этом отмечаются квазиритмы с периодами в 10-15, 16-24, 25-45, 50-90, 120, 300, 600 и 1850-2000 лет. Большинство специалистов трактуют цикличность стока как свойство сложного детерминированного процесса, обусловленного влиянием периодических и циклических воздействий геофизических сил глобального и космического происхождения на ионосферу, атмосферу, гидросферу и литосферу Земли. Наличие различных способов выявления и представления цикличности вносит различие во взглядах и трактовках явления цикличности гидроклиматических характеристик. Заметим прежде всего, что при изучении многолетних колебаний стока корреляционный и спектральный анализы могут быть использованы, только когда исследуемые ряды принадлежат стационарному случайному процессу (среднее и дисперсия постоянны, а автокорреляционная функция зависит только от разности моментов времени). При этом не для всех циклов можно найти адекватное физическое объяснение их происхождения.

Так, Д. Я.Раткович (1976) считает, что если под циклом понимать серию следующих один за другим маловодных (многоводных) лет или маловодных (многоводных) серий, то в любом временном ряду можно усмотреть циклы повышенного или пониженного значения признака подчас любой продолжительности. При этом во всех этих случаях спектр временного ряда не имеет значимых максимумов, и обнаруженная последовательность циклов не открывает возможностей для календарного прогноза процесса. Действительно, использование статистических методов для прогноза стока, уровня озер (Леонов, 1989, 1990, 1992) не дало положительных результатов. Это, однако, не означает, что другими методами и на другой логико-познавательной основе нельзя давать точных прогнозов стока рек и уровня озер. В рядах стока наблюдается определенная упорядоченность, а не хаотическое чередование случайных чисел. Использование таблично-матричного отображения колебаний стока в матрице (см. табл. 7.5, 7.6) также четко показывает наличие четкой 15-летней цикличности среднего за 15 лет годового стока. Четкая цикличность проявляется и в чередовании через 30-32 года наибольших расходов воды в каждом 30-летии (см. табл. 7.21). Это позволяет прогнозировать максимальный годовой сток с высокой точностью с заблаговременностью до 30 лет. В работах Е. А. Леонова (1989, 1990, 2006) на примере сотен рек всех материков Земли показано, что имеется четкая устойчивая цикличность средних 15-летних величин годового стока. Эта цикличность обнаружена на протяжении до 150-165 и более лет. При длительности ряда наблюдений N, например 105 лет (Т-15 лет и К=7), вероятность того, что последовательность имела такой вид и что она получена из независимой генеральной совокупности, равна 5.4%. Следовательно, вероятность того, что она (Р'= 100—Р) такой вид иметь не могла, равна 94.6%. Аналогично при четных к, например при N= 180 лет (Т= 15 лет и К = 12), по формуле (7) получаем Р = 0.5 %, a F = 99.5 %. Значения вероятностей F для различных к приведены в табл. 7.1. Такая высокая статистическая вероятность неслучайности циклических колебаний эмпирически наблюдается на многих реках и позволяет с уверенностью прогнозировать средний сток на 15 лет вперед. Наличие 15-летней цикличности в стоке рек и уровнях озер обусловлено глобально-космическими причинами и в первую очередь электромагнитным влиянием Солнца и планет-гигантов Юпитера и Сатурна. Конфигурация Юпитера и Сатурна циклически через 15 лет определяет условия поступления электромагнитного потока энергии к Земле и таким образом формирует годы повышенной и пониженной увлажненности регионов и появления засух (1997). Мы показали (Леонов, 1989, 1990, 2006), что 15-летний цикл присущ колебаниям годового стока рек и уровней озер. В силу земных условий устойчивости глобального водного баланса, наличия океанического «конвейера» и местных географических условий неравномерность распределения влаги приводит к тому, что на одних территориях наблюдается повышенная водность рек в 30-летнем цикле (15-летний интервал - полуцикл), а на других - пониженная. В переходных областях отмечается сбой 15-летней цикличности. Иногда он наблюдается в пределах больших водосборов, что характерно, например, для бассейна Лены на различных створах и притоках. Это, возможно, связано с гидрометрической неточностью измерения и учета стока, а возможно, - с влиянием прогрессивного таяния вечной мерзлоты. Данные предположения необходимо проверить, так как в створе Кюсюр наблюдается постепенный рост стока, а на притоке Лены р. Алдан четко проявляется 15-летний цикл. Несмотря на то что длиннопериодные циклы (60-90, 120, 300, 600 и 1850— 2000 лет) обнаружены во многих космических, солнечных и глобальных процессах, использование этих знаний для сверхдолгосрочного прогнозирования стока

рек и уровня озер пока еще остается не до конца решенной задачей с точки зрения надежности и точности таких прогнозов. Ближайшей проблемой является разработка методики таких прогнозов с использованием новейших математических методов анализа и восстановления сверхдлинных рядов, аналогом которых являются восстановленный ряд годового стока Днепра с 2149 г. до н.э. по 1972 г.н.э., сток Нила с 628 г. н.э. и ряд циклических изменений русла Хуанхе с 2500 г. до н.э. по настоящее время.

<< | >>
Источник: Леонов Е. А.. Космос и сверхдолгосрочный гидрологический прогноз. 2010

Еще по теме ЦИКЛИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯРЕЧНОГО СТОКА, УРОВНЯ ОЗЕРИ ИХ ПРОГНОЗ:

  1. Сакс В.Н. Влияние перераспределения стока вод на природные условия Сибири, 1980
  2. Леонов Е. А.. Космос и сверхдолгосрочный гидрологический прогноз, 2010
  3. Сторонники циклического образа
  4. § 4. Циклическая теория П. А. Сорокина
  5. ЦИКЛИЧЕСКИЙ ХАРАКТЕР ДЕПРЕССИИ
  6. Ритмо-циклическая структура гуляний
  7. ПЕСТИЦИДЫ. ХЛОРИРОВАННЫЕ ЦИКЛИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ
  8. Социологические теории циклических изменений
  9. Флуктуации численности популяций и «циклические» колебания
  10. Не всякое предсказание - прогноз
  11. Риски прогнозов