Обзор Глобальной системы оценки риска возникновения быстроразвивающихся паводков и ее применение по всему миру

Основной целью Глобальной системы оценки риска возникновения быстроразвивающихся паводков (ГСОРВБП) является предоставление в реальном времени продукции, связанной с оценкой риска возникновения быстроразвивающихся паводков, для прогнозистов по всему миру. Эта продукция связана с угрозой потенциальных мелкомасштабных быстроразвивающихся паводков на больших территориях и имеет высокое разрешение. Эта система предоставляет необходимую продукцию в поддержку подготовки предупреждений о быстроразвивающихся паводках, вызванных осадками. Она использует данные in situ в реальном времени и данные дистанционного зондирования, численные пространственно распределенные гидрологические модели поверхности суши и мезомасштабные численные модели прогноза погоды.

Система ГСОРВБП состоит из региональных систем (далее называемых «Системами оценки риска возникновения быстроразвивающихся паводков» (СОРВБП)), которые позволяют включать локальную информацию в продукцию системы и развивать региональное сотрудничество в области гидрологического прогнозирования. Создание шести региональных СОРВБП — для региона Черного моря и Ближнего Востока, Центральной Америки, региона Центральной Азии, Комиссии по реке Меконг, региона Южной Африки и Юго-Восточной Европы — завершено, и они полностью введены в эксплуатацию, охватывая 41 страну. Четыре системы — для Гаити и Доминиканской Республики, Южной Азии,

Юго-Восточной Азии и Юго-Восточной АзииОкеании — находятся в стадии осуществления и охватят еще 17 стран. Еще две системы СОРВБП находятся в стадии проектирования. Одна из них — самостоятельная система для отдельной страны, другая же предназначена для северо-западной части Южной Америки (проектируется на основе экспериментального применения в бассейне реки Зарумилла), которая, по всей вероятности, охватит три страны. Система также успешно реализована в субнациональном масштабе. 

Информация об осадках предоставляется в реальном времени в виде оценок осадков на основе спутниковых наблюдений, откорректированных в соответствии с данными осадкомеров, и оценок осадков на основе радиолокационных данных (при их наличии). Система дополняется программой интенсивного обучения, позволяющей прогнозисту откорректировать продукцию системы в реальном времени на основе местного опыта и самой последней местной информации. Система нацелена на то, чтобы уменьшить число человеческих жертв и страдания людей, связанные с разрушениями, вызванными быстроразвивающимися паводками, и согласуется с принципами сквозного процесса реагирования на прогнозы.

Чтобы продемонстрировать использование продукции системы ОРВБП, представим гипотетическую ситуацию, в которой оперативный прогнозист в Панаме начинает смену в 13 часов по местному стандартному времени 21 ноября 2015 г. Прогнозисту сообщили о том, что на западе Панамы идет дождь. Первый вопрос, который, вероятно, задаст прогнозист, будет следующим: «Какой прогноз осадков на ближайшие 6 часов?» В это время СОРВБП на основе мезомасштабной численной модели прогноза погоды показывает прогноз осадков для этого района (Рис. 1a).

Rainfall forecast for Panama from the Central America Flash Flood Guidance (CAFFG) system Upper soil saturation fraction for small Panama basins from the CAFFG system FFT index for small Panama basins from the CAFFG system

Рис. 1а. Прогноз осадков для Панамы по данным Системы оценки риска возникновения быстроразвивающихся паводков для Центральной Америки (СОРВБПЦА)

Рис 1b. Уровень насыщения верхнего слоя почвы для небольших речных бассейнов Панамы по данным Системы ОРВБПЦА 

Рис 1c. Индекс УБП для небольших бассейнов Панамы по данным Системы ОРВБПЦА

Америки (СОРВБПЦА)

Прогнозист видит, что в западном горном районе Панамы в ближайшие 6 часов прогнозируются значительные осадки, количество которых в некоторых областях превышает 100 мм/6 часов. Отмечая в соответствии с журналами регистрации оперативных прогнозистов, что в этом районе осадки уже имели место, прогнозист хотел бы знать уровень насыщения верхних слоев почвы на данный момент. Дефицит влаги в верхнем слое почвы играет роль буфера, не позволяющего поверхностному стоку проявиться в виде быстроразвивающегося паводка, обусловленного будущими осадками. На основе компонента системы ОРВБП, который охватывает этот район (Система оценки риска быстроразвивающихся паводков для Центральной Америки (СОРВБПЦА)), прогнозист видит, что уровни насыщения верхних слоев почвы для весьма значительной территории западной части Панамы равны 1 или близки к 1 (Рис. 1b). Следовательно, буферы для поглощения осадков, ожидаемых в ближайшие 6 часов, очень небольшие, что вызывает озабоченность.

Следующий вероятный вопрос, возникающий у прогнозиста, такой: «В каких конкретных районах будут иметь место быстроразвивающиеся паводки?». Используя индекс угрозы быстроразвивающегося паводка (УБП) СОРВБП (Рис. 1c), прогнозист замечает, что в нескольких бассейнах отмечаются высокие индексы УБП (значения за пределами того, что считается нормальным диапазоном изменчивости индекса, появляются в желтой части шкалы индексов).

Затем прогнозист связывается с местными органами, отвечающими за районы с высокой степенью угрозы (метеорологической службой Панамы или органами Панамы по обеспечению готовности к стихийным бедствиям), чтобы подтвердить правильность оценок насыщения почвы и предшествующих осадков, предоставленных системой. Прогнозист также оценивает прогнозы осадков, чтобы внести коррективы в продукцию СОРВБП, прежде чем принять решение о выпуске предупреждения для районов с высокой степенью угрозы. В этом случае, если бы гипотетический прогнозист выпустил предупреждение, оно было бы убедительно подтверждено тем, что фактически имело место.

Основные принципы проектирования и компоненты системы

ВМО и Американское метеорологическое общество дают определение быстроразвивающимся паводкам. Они подчеркивают то, что быстроразвивающиеся паводки характеризуются короткими периодами воздействия и мелкими пространственными масштабами. Это подразумевает, что для того, чтобы добиться заблаговременности, позволяющей эффективно реагировать на это опасное явление, необходимы метеорологические прогнозы осадков и гидрологические прогнозы дефицита почвенной влаги и заполнения русла (к тому же в мелких масштабах). Кроме того, для выпуска местного предупреждения о ливневом паводке очень полезны местная самая последняя информация и данные.

Figure 2a. Interactive forecaster interface for the GFFG system referring to the Southern Africa regional system

 

Рис. 2а. Интерактивный интерфейс прогнозиста для регионального компонента ГСОРВБП в южной части

Африки

Глобальная инициатива в отношении быстроразвивающихся паводков появилась в ответ на признание того, что быстроразвивающиеся паводки являются причиной массовой гибели людей и что во многих странах нет надежных предупреждений о них. Ее цель состояла в том, чтобы поддержать национальные метеорологические и гидрологические службы (НМГС) во всем мире в предоставлении надежных и эффективных предупреждений о быстроразвивающихся паводках и повышении эффективности обеспечения готовности к бедствиям. При участии ВМО, Бюро по оказанию помощи другим странам в случае стихийных бедствий (ОФДА) Агентства Соединенных Штатов по международному развитию (ЮСАИД), Национального управления по исследованию океанов и атмосферы (НУОА) и Гидрологического научно-исследовательского центра (ГНИЦ) эта инициатива уделяет основное внимание регионам по всему миру, подверженным угрозе быстроразвивающихся паводков, особенно в странах с редкой сетью наблюдений в реальном времени.

В каждом районе участвующие страны назначают региональный центр, оснащенный современным вычислительным и телекоммуникационным оборудованием. Вычислительные возможности и средства для передачи данных в региональных центрах используются для размещения на своей территории компьютеров СОРВБП, которые обеспечивают работу безопасных Интернет-сайтов для распространения информации и продукции в НМГС отдельных стран. Курсы интенсивного дистанционного обучения и практические занятия, проводимые в этих регионах и в ГНИЦ, позволяют прогнозистам участвующих стран эффективно использовать продукцию системы. При необходимости они также могут развивать навыки по внесению коррективов в реальном времени. Чтобы добиться такого функционирования системы в каждом регионе, региональные центры и прогностические агентства стран используют вычислительные компоненты и компоненты обработки данных. Эти компоненты спроектированы таким образом, чтобы можно было хранить и распространять глобальные, региональные и местные данные посредством вычислительной системы, а прогнозисты могли бы внести местные коррективы, прежде чем выпускать предупреждения.

Вычислительные серверы, которые осуществляют получение, внесение, обработку и контроль качества данных, а также обработку выходных данных модели, расположены в региональных центрах, информационно-коммуникационная инфраструктура которых достаточна для удовлетворения этим требованиям. Для распространения продукции национальные прогнозисты получают доступ к серверу распространения СОРВБП в региональном центре посредством безопасного подключения к Интернету. После внесения необходимых коррективов с использованием локальных данных и информации они предоставляют предупреждения национальным органам реагирования — агентствам по обеспечению готовности к стихийным бедствиям, органам гражданской обороны и другим организациям. Этот подход создает общую парадигму, в рамках которой региональная система включает в себя вычислительное ядро регионального центра и ядро местных (внутри страны) коррективов и предупреждений.

Ключевое понятие «оценка риска возникновения быстроразвивающихся паводков» (ОРВБП), используемое для осуществления Системы ОРВБП, касается концепции пороговых значений осадков, согласующейся с исторически сложившимися концепциями метеорологических прогнозов, которые связаны с чрезмерными осадками. В соответствии с этой традиционной концепцией превышения пороговых значений осадков предупреждение выпускается тогда, когда прогнозируемые осадки превышают определенное фиксированное количество чрезмерных осадков. Это количество выбирается на основании опыта или событий в прошлом и представляет собой нижнюю границу тех количеств осадков, которые могут вызвать значительный ущерб. Дополнительная ценность ОРВБП объясняется тем, что значение этой величины не является фиксированным пороговым значением осадков. Наоборот, это меняющееся во времени пороговое значение осадков, основанное на характере изменения во времени дефицита почвенной влаги и заполнения русловой емкости рек небольшого, подверженного угрозе быстроразвивающихся паводков рассматриваемого бассейна. Таким образом, при высокой степени насыщения даже небольшое количество осадков может стать причиной быстроразвивающихся паводков.

Индекс ОРВБП определяется для каждого небольшого водосборного бассейна в регионе как количество осадков определенной продолжительности на площади небольшого бассейна, и этого количества достаточно для того, чтобы обеспечить максимальное заполнение в замыкающем створе водосбора. Это осредненное по площади пороговое значение осадков в рассматриваемом бассейне. Если прогнозируемые осадки его превышают, это указывает на начало паводка в замыкающем створе. Эта концепция используется только для того, чтобы обозначить вероятность возникновения паводка для конкретного бассейна, а не величину стока паводка. Место возникновения паводка — замыкающий створ небольшого бассейна.

Определение ОРВБП указывает на необходимость учета почвенной влаги (а в холодных районах — учета накопления и таяния снега) в каждом водосборном бассейне, подверженном угрозе быстроразвивающихся паводков. Это необходимо для непрерывного расчета индекса ОРВБП. Чтобы оценить УБП с заблаговременностью 3–24 часа, также необходимо иметь возможность для мезомасштабного прогноза осадков с достаточным разрешением (2–4 км2) для данного района.

Имеется модель накопления талой воды и таяния снега, модель учета почвенной влаги (модель почвенной влаги), модель для оценки ОРВБП с использованием информации, полученной с помощью модели учета почвенной влаги, и компонент, оценивающий дефицит заполнения максимальной емкости русла (модель порогового стока). По всем этим моделям непрерывно выполняются расчеты для всех малых бассейнов региона с изменяющимся временным разрешением в зависимости от района и имеющихся входных данных. Большинство систем работают с 6-часовым циклом обновления, но при некоторых экспериментах в конвективных средах используется часовой цикл обновления. Пространственное разрешение небольших бассейнов, установленное для каждого района, главным образом зависит от имеющихся данных об осадках (спутниковые данные предоставляются с разрешением порядка 100 км2, а радиолокационные данные — с пространственным разрешением до нескольких десятков квадратных километров).

Выполняется контроль качества входных данных, особенно данных об осадках, полученных путем дистанционного зондирования, и осуществляется корректировка погрешностей в реальном времени на основе данных автоматических осадкомеров на местах. Корректировка имеет климатологический фактор, который является постоянным в течение сезона, и изменяющийся во времени компонент реального времени, использующий адаптивный фильтр Кальмана для обработки данных наблюдений осадкомеров в реальном времени.

Имеется компонент мезомасштабного численного прогноза погоды, инициируемый с помощью данных модели глобальной атмосферы, которые обеспечивают прогнозы осадков в узлах сетки с высоким разрешением для конкретного района с максимальной заблаговременностью 48 часов. СОРВБП позволяет получать прогнозы осадков на основе моделей осадков, число которых доходит до пяти, и рассчитывает УБП для каждой такой модели (многомодельный ансамбль) для последующего анализа прогнозистом.

Один из последних вариантов интерфейса для распространения продукции через безопасное Интернет-соединение показан на рисунках 2а и 2b. Интерфейс позволяет прогнозистам выбрать то, что они хотят видеть, и наложить другую информацию, касающуюся уязвимости для быстроразвивающихся паводков (например, информацию о дорогах или городских районах и, если имеются, карты уязвимости, разработанные сторонними специалистами). Прогнозист также может увеличить изображение конкретных мест, где существует потенциальная угроза быстроразвивающихся паводков, и получить информацию о продукции для отдельных небольших бассейнов (Рис. 2b). Прогнозист также может видеть временные ряды продукции (не показано) для сравнения современных значений со значениями недавнего прошлого, прежде чем провести оценку предупреждения.

Кроме того, существует пятишаговая учебная программа по наращиванию потенциала в области быстроразвивающихся паводков для гидрометеорологов в регионах, где СОРВБП реализована. Цель программы состоит в том, чтобы научить прогнозистов эффективно использовать систему. Те прогнозисты, которые превышают определенный уровень результатов, получают свидетельство ВМО, позволяющее стать инструкторами по ГСОРВБП в своих странах. Шаги 4 и 5 подразумевают вовлечение в работу в регионе этих подготовленных и сертифицированных инструкторов.

По меньшей мере раз в год, после влажного периода, для некоторых региональных систем рекомендуется разрабатывать показатели эффективности работы для оценки и корректировки вычислительного компонента и подготовки предупреждений.  Показатели включают в себя вероятность обнаружения возникновения быстроразвивающегося паводка и вероятность ложного предупреждения, а также вероятность пропуска. Результаты, полученные на данный момент с помощью различных систем и прогнозистов, указывают на дополнительные преимущества, добавленные прогнозистами при работе в реальном времени и подготовке предупреждений, и на в целом надежную сезонную работу систем во время влажного периода. В большинстве случаев источниками наибольшей неопределенности являются прогнозы на основе модели численного прогноза погоды.

Преимущества и проблемы

Каждый региональный компонент ГСОРВБП включает в себя возможность использовать данные, полученные от нескольких мезомасштабных моделей численного прогнозирования погоды, для разработки индексов угрозы для каждой модели с последующим анализом прогнозистом. Примечательно, что прогнозисты предложили, чтобы все эти данные моделей были четко видны в рядах продукции, а не смешаны в результате статистического смешивания таких прогнозов. Способность синоптика выбирать в реальном времени, данные какой модели использовать для конкретного региона, лежит в основе данного предложения и служит ориентиром при проектировании Системы. 

Преимущества относительно основной функции ГСОРВБП включают в себя возможность давать прогнозы вероятности возникновения оползней в реальном времени на основе заранее рассчитанных карт подверженности с высоким разрешением и оценки в реальном времени пороговых значений осадков и почвенной влаги, полученных с помощью СОРВБП. Эта возможность системы в настоящее время анализируется применительно к одной из региональных систем. Отчеты положительные и указывают на то, что она используется эффективно.

СОРВБП также совершенствуются за счет возможностей для расчета речных гидрографов и моделирования водохранилищ. В настоящее время эти возможности способны обеспечивать моделируемые и прогнозируемые гидрографы для предварительно заданных участков на крупных зарегулированных реках региона. Такая информация, которая в настоящее время анализируется для нескольких участков, полезна для подготовки предупреждений о крупных речных паводках.

Еще одна область позднейшего применения моделей компонентов СОРВБП касается сезонного ансамблевого прогнозирования запаса воды в снежном покрове и совокупного стока, вызванного снеготаянием и осадками, с 6-часовым разрешением. Это было сделано для Таджикистана с использованием данных и моделей Системы оценки риска возникновения быстроразвивающихся паводков для региона Центральной Азии (еще одна реализация ГСОРВБП на региональном уровне) при сотрудничестве с Гидрометеорологической службой Таджикистана.

Ниже приведены трудности в реализации СОРВБП, с которыми пришлось столкнуться по всему миру, при этом особое внимание уделено данным и информации.

  • Получение, внесение и обработка данных. Эта проблема связана с большим разнообразием форматов данных, сопоставлением общедоступных данных и частной информации, надежностью доставки данных в систему, асинхронного поступления данных и многочисленных пространственно-временных разрешений данных.
  • Неопределенность измерений/прогнозов. Это касается характеристики факторов неопределенности, при этом климатологическая неопределенность рассматривается в сопоставлении с неопределенностью, связанной с изменением во времени, и последствий неопределенности, обусловленных тем, что для корректировки с целью повышения надежности системы доступны лишь короткие ряды наблюдений. 
  • Своевременный выпуск продукции/предупреждений. Основные проблемы здесь связаны с компьютерами региональных центров (и соответствующими требованиями и ограничениями в отношении передачи данных) и с возможностью для прогнозиста внести своевременные коррективы и выпустить предупреждение, обеспечив потенциал для эффективного реагирования. Например, решения не использовать продукцию ансамблевых прогнозов в работе систем, созданных на начальном этапе, принимались на основе этих ограничений в региональных центрах.
  • Продукция, в отношении которой для НМГС обеспечен свободный доступ и возможности для поиска. Это касается требований к интерфейсу и базе данных в странах, ограничений в средствах связи для получения определенными развивающимися странами своевременного доступа к продукции системы, накопления данных в локальных или региональных хранилищах данных и требования использовать для развивающихся стран бесплатное программное обеспечение с открытым исходным кодом (например, программное обеспечение географической информационной системы (ГИС) для конечного пользователя).
  • Образование и обучение в области передачи и интерпретации продукции и взаимодействие с органами по обеспечению готовности к бедствиям. Здесь проблемы возникают из-за разного уровня образования прогнозистов, необходимости того, чтобы процесс оценки предупреждения перед его выпуском был междисциплинарным и многодисциплинарным, а также разного восприятия ценности предупреждений и реагирования на них со стороны синоптиков, специалистов в области ликвидации последствий бедствий и населения в силу культурных и социально-экономических различий.

Наличие системы ГСОРВБП по всему миру и опыт, накапливаемый в процессе ее использования в самых разных ситуациях, ведет к превращению проблем в возможности дальнейшего повышения эффективности и надежности ГСОРВБП, а также расширению гидрометеорологической информации и сотрудничества во всем мире. Выражение признательности: Реализация региональных компонентов системы ГСОРВБП выполнялась в течение последних 15 лет при поддержке ОФДА/ЮСАИД, ВМО и НУОА. Выражаем признательность сотрудникам партнерских организаций Сезину Токару, Курту Барретту, Полу Пайлону, Айану Сэину, Клаудио Капони, Вольфгангу Грабсу и Дэну Бердсли за поддержку и рекомендации, предоставляемые все эти годы. Заинтересованное и продуктивное участие сотрудников региональных центров и синоптиков разных стран создало крепкую основу для развития полезных компонентов региональной системы ГСОРВБП. Вклад сотрудников Гидрологического научно-исследовательского центра по областям (в произвольном порядке) следующий: Тереза Модрик-Хансен — гидрометеорологическое моделирование и анализ ГИС, Эйлон Шамир — моделирование почвенной влаги и снеготаяния и оценочные исследования, Рочелл Грэм — разработка учебных программ и развитие связей с органами по обеспечению готовности к бедствиям, Ари Познер — оценка оползней (в настоящее время работает в Бюро мелиорации США), Чжэнян Чэн — расчет речных гидрографов и прогноз городских паводков, Джейсон Сперфслейдж — проектирование вычислительных систем и разработка программного обеспечения, Крис Спенсер — оперативное проектирование и разработка программного обеспечения, Рэнделл Бэнкс — разработка интерактивного Интернет-интерфейса и Роберт Юбах — управление программами и увязка предупреждений с обеспечением готовности к бедствиям.

Отсутствие возможности для разработки эффективных заблаговременных предупреждений является одной из серьезнейших проблем, связанных с быстроразвивающимися паводками. В этой статье представлено два примера, позволяющих проанализировать полезность оперативных систем оценки риска возникновения быстроразвивающихся паводков (СОРВБП) при прогнозировании в регионах, которые могут находиться под угрозой быстроразвивающихся паводков. Эти примеры включают применение системы оценки риска возникновения быстроразвивающихся паводков для Юго-Восточной Европы (ОРВБПЮВЕ) в Хорватии и региональной системы оценки риска возникновения быстроразвивающихся паводков для Южной Африки (ОРВБПЮА) в Зимбабве. Обе системы внедрены в рамках глобального проекта для решения проблем, связанных с быстроразвивающимися паводками.

Важно отметить, что во всех случаях, прежде чем выпустить любые заблаговременные предупреждения, которые могут потенциально повлиять на сохранение жизни и имущества, прогнозист должен провести оценку выходной продукции СОРВБП. Поэтому эти системы были предназначены и разработаны для интерактивного использования метеорологами-прогнозистами и гидрологами-прогнозистами по всему миру, чтобы обеспечивать информационную инструктивную продукцию в реальном времени, касающуюся угрозы мелкомасштабных быстроразвивающихся паводков на всей площади региона. Они предоставляют необходимую продукцию в поддержку разработки предупреждений о быстроразвивающихся паводках, вызванных осадками, используя спутниковые оценки осадков и гидрологические модели.

Меморандум о взаимопонимании между ВМО и США в лице ЮСАИД[1], НУОА[2] и ГНИЦ[3], поддерживает эту совместную инициативу по осуществлению СОРВБП по всему миру. Программа СОРВБП является общественно полезной инициативой, осуществляемой от имени организаций-партнеров.

 

[1]                                                                                                  Агентство международного развития США

[2] Национальное управление по исследованию океанов и атмосферы США

[3]                                                                                         Гидрологический научно-исследовательский центр

 

Figure 2b. Zoomed-in detail of the regional system of Figure 2a

Рис. 2b. Увеличенный элемент региональной системы, показанной на рисунке 2а

 

 

Share this page