Применение геоинформационных систем и данных дистанционного зондирования земли в исследовании процессов снеготаяния

Шавнина Ю.Н., Шихов А.Н.

Пермский государственный национальный исследовательский университет, г. Пермь

e-mail: And3131@inbox.ru

Расчет интенсивности снеготаяния и поступления воды на водосборы является важным этапом построения моделей краткосрочного прогноза уровней и расходов воды в период весеннего половодья. Водоотдача снежного покрова определяется  комплексом  метеорологических  факторов,  а  также характеристиками подстилающей поверхности (абсолютная высота, уклон и экспозиция склонов, залесенность и типы лесной растительности).

---

В пределах водосборов крупных рек процессы снеготаяния протекают не одновременно, поэтому возникает необходимость оценки пространственного распределения  интенсивности  снеготаяния  на  изучаемой  территории.  Для решения подобных задач широко применяются геоинформационные инструменты моделирования характеристик поверхности с помощью регулярной сетки растра.

Цель данной работы - адаптировать существующие оперативные методики расчета поступления воды на водосборы в период снеготаяния в соответствии с функциональными возможностями ГИС. Адаптированные методы расчета использовались для периодов снеготаяния 2011 и 2012 гг. на водосборе Воткинского водохранилища в пределах территории Пермского края.

Теоретической основой расчета снеготаяния является уравнение теплового баланса снежного покрова [1,2]. Для решения этого уравнения строгими методами требуются  данные  наблюдений  актинометрических  станций.  При  отсутствии таких данных для расчета снеготаяния используются различные упрощенные методики. На практике применяются постоянные значения коэффициентов стаивания, зависящие только от температуры воздуха. Такие коэффициенты были выведены В.Д. Комаровым, и составляют 5…5,2 мм на 1° положительной среднесуточной  температуры  воздуха  для  открытой  местности  [1, 3].  Они применимы для территорий, расположенных севернее 55° с.ш. Для залесенных участков  расчет  снеготаяния  ведут  по  коэффициентам  стаивания,  которые составляют 1,8…2,4 мм на 1° положительной температуры воздуха [1].

Для расчета поступления на водосборы талых вод и жидких осадков в период снеготаяния 2011 и 2012 гг. были использованы следующие исходные данные:

1.  Запас воды в снежном покрове на момент начала снеготаяния;

2.  Среднесуточные температуры воздуха и суммы осадков по данным сети метеостанций;

3.  Цифровая модель рельефа водосбора;

4.  Данные о залесенности территории.

Все исходные данные были переведены в растровый формат с размером ячейки  3000 м.  Выбор  размера  ячейки  определялся  размером  изучаемой территории и плотностью сети метеостанций.

Восстановление полей метеорологических величин по данным сети метеостанций  может  выполняться  с  использованием  различных  методов интерполяции, среди которых выделяются математические и математико- статистические методы. Наиболее подходящим для решения данной задачи, по нашему мнению, является метод Spline Tension. Методы радиальных базисных функций  относятся  к  числу  точных  локальных  интерполяторов.  Они  дают сглаженные поверхности и хорошо применимы для медленно изменяющихся данных. Использование других методов интерполяции приводило к появлению артефактов, связанных с локальными минимумами и максимумами в исходных данных.

Расчет полей среднесуточной температуры воздуха выполнен с учетом вертикальных  градиентов  температуры,  которые  были  получены  по  данным радиозондирования атмосферы на 6-ти станциях. Учет вертикального градиента позволяет получить реалистичную картину распределения среднесуточной температуры по территории с расчлененным рельефом.

Расчет максимальных запасов воды в снежном покрове, в условиях отсутствия данных снегомерных съемок, был выполнен на основе данных об осадках  холодного  периода,  с  учетом  существенных  различий  сроков  начала снегонакопления в горной и равнинной части изучаемой территории.

Для восстановления запасов воды в снежном покрове проводилась интерполяция сумм осадков, зафиксированных на метеостанциях, с учетом их зависимости  от  высоты  и  лесистости  территории.  Необходимость  учета вертикальных градиентов для определения накопления осадков и снегозапасов показана в работе [5]. Величина снегозапасов, накопленных в период с преобладанием температур близких к 0°С, рассчитана с применением функции разделения твердых и жидких осадков в зависимости от приземной температуры воздуха [3]. Поскольку интерполяция ежедневных сумм осадков имеет невысокую достоверность, оценка снегонакопления в этот период может иметь значительные ошибки.

Наибольшую сложность представляет интерполяция ежедневных сумм осадков  в  период  снеготаяния,  она  всегда  сопровождается  значительными ошибками за счет влияния локальных орографических и циркуляционных факторов. Конвективные осадки, выпадающие в завершающий период снеготаяния, вообще не учитываются при расчете, так как их интерполирование невозможно.

Расчет поступления воды на водосборы за периоды снеготаяния 2011 и 2012 гг. выполнен в среде ArcGis на основе регулярной сетки с размером ячейки 3000 м.

С помощью типовой кривой распределения снегозапасов была рассчитана площадь снежного покрова за каждый день периода снеготаяния. Водоотдача снежного  покрова  рассчитана  с  учетом  задержания  талой  воды  снегом.

• Выпадающие в период снеготаяния осадки разделены на твердые и жидкие, в зависимости от приземной температуры воздуха. Суточное поступление воды на водосбор складывается с учетом поступления в период снеготаяния твердых и жидких осадков, неоднократного формирования и таяния временного снежного покрова в горной части изучаемой территории.
  
• Данная методика позволила смоделировать процесс снеготаяния на территории Пермского края весной 2011 и 2012 гг., получены карты площади снежного покрова, поступления воды на водосбор и остаточного запаса воды в снежном  покрове  за  каждый  день  периода  снеготаяния.  За  дату  начала снеготаяния принималась дата перехода среднесуточной температуры воздуха через 0° на любой части рассматриваемой территории. Динамика расчетного запаса воды в снежном покрове весной 2012 года показана на рис. 1.
  

Проверка результатов расчета производилась по данным снегомерных съемок и ДДЗЗ. Для оценки площади снежного покрова мы использовали как ДДЗЗ низкого разрешения MODIS, получаемые в ежедневном режиме, так и снимки среднего разрешения SPOT4, иллюстрирующие распределение снежного покрова на интересующих участках. По снимкам среднего разрешения четко прослеживается зависимость заснеженности территории от высоты местности не только в горной, но и на равнинной части исследуемой территории, что было положено в основу нашего расчета.

Рис. 1. Динамика процесса снеготаяния весной 2012 года

Проверка  результатов  расчета  показывает  достаточно  высокую  степень совпадения расчетной заснеженности территории с фактической (определяемой по космическим снимкам). Однако в ряде случаев отмечаются существенные расхождения, которые могут быть вызваны несколькими факторами. Наибольшие ошибки, по нашему мнению, связаны с точностью расчета максимального запаса воды в снежном покрове и нелинейным характером зависимости интенсивности снеготаяния от температуры воздуха. В то же время важными преимуществами использованной методики являются оперативность расчетов и возможность ее применения для среднесрочного прогноза дат схода снежного покрова.

Работы выполнена при поддержке гранта РФФИ № 11-05-00858-а

Литература

1.  Бефани  Н.Ф.,  Калинин  Г.П.  Упражнения и  методические разработки по гидрологическим прогнозам. Л., Гидрометеоиздат, 1965. 441 с.

2.  Кузьмин П.  П.  Процесс таяния снежного покрова. Л.,  Гидромеетоиздат, 1961. 346 с.

3.  Лебедева Н.Д. Методика краткосрочного прогноза гидрографа притока воды к водохранилищу Камской ГЭС.  / Н. Д. Лебедева/ Труды ЦИП, Вып. 130, М. Гидромеетоиздат, 1963. С. 87 – 125.

4.  Шутов В.А.  Интерполяция и  расчет  снегозапасов в  речных бассейнах с учетом рельефа местности. // Метеорология и гидрология, 1996. № 10, С. 67 – 74.

Опубликовано: Международная конференция «Геоинформационные технологии и космический мониторинг», Всероссийское совещание Консорциума «Университетские геопорталы – УНИГЕО» (2-6 сентября 2012 г.). Ростов-на-Дону: Издательство Южного федерального университета, 2012. 324 с. - C.192-195

Авторы:

• Шавнина Ю.Н.
• Шихов А.Н.