ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ «MLCM2» ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ДОЖДЕВЫХ ПАВОДКОВ НА МАЛЫХ И СРЕДНИХ ВОДОСБОРАХ

Соколова Д.В.¹, Кузьмин В.А.²

¹Аспирант кафедры гидрогеологии и геодезии;  ²Доктор технических наук, заведующий кафедрой геодезии и гидрогеологии, Российский государственный гидрометеорологический университет

ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ «MLCM2» ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ДОЖДЕВЫХ ПАВОДКОВ НА МАЛЫХ И СРЕДНИХ ВОДОСБОРАХ

Аннотация

В статье рассматривается разработанное в РГГМУ программное обеспечение, предназначенное для моделирования и прогнозирования стока на основе гидрологической модели MLCM2 (от англ. «Multi-Layer Conceptual Model, version 2» многослойная концептуальная модель, вторая версия). Программное обеспечение «MLCM2» отличается высокой эффективностью моделирования и прогнозирования дождевых паводков на малых водосборах, обладающих различной степенью гидрометеорологической изученности.

Ключевые слова: прогнозирование,  малый водосбор, дождевой паводок.

Sokolova D.V.¹, Kuzmin V.A.²

¹Post-graduate student of the department of hydrogeology and geodesy; ²Doctor of Technical Sciences, Head of the Department of Geodesy and hydrogeology, Russian State Hydrometeorological University

THE SOFTWARE «MLCM2» FOR FORECASTING RAIN FLOODS ON SMALL AND MEDIUM-SIZED WATERSHEDS

Abstract

In this paper, recently developed in RSHU new software based on the Multi-Layer Conceptual Model (MLCM2), which can be applied for the streamflow modelling and forecasting, is presented. This software is found very efficient in the flashfloods modelling and forecasting in small gauged, poorly gauged and ungauged catchments.

Key words: forecasting, small watershed, flash flood.

Введение

Своевременное и безошибочное прогнозирование наводнений, вызываемых дождевыми паводками, является одной из наиболее актуальных задач, стоящих перед международным гидрологическим сообществом. В условиях изменяющегося климата использование существующих традиционных методов для расчёта и прогнозирования речного стока становится малоэффективным. Это происходит так же из-за переменной антропогенной нагрузки на речные водосборы и низкой плотности сети станций гидрометеорологического мониторинга.

Особую сложность представляет моделирование и прогнозирование дождевых паводков при сравнительно невысокой пространственно-временной дискретности наземных гидрометеорологических наблюдений. Для достижения этой цели в РГГМУ в рамках НИР «Автоматизированное прогнозирование опасных гидрологических процессов и явлений на малоизученных и неизученных водосборах Российской Федерации» была разработана современная технология прогнозирования дождевых паводков на неизученных и малоизученных (в метеорологическом и гидрологическом отношении) водосборах, основанная на использовании гидрологической модели MLCM2 [1].

Концептуальная гидрологическая модель MLCM2

Гидрологическая модель MLCM2 ‒ многослойная концептуальная модель, вторая версия) является моделью типа «осадки – сток» с гибкой структурой и высоким уровнем концептуализации. С технической точки зрения, при выполнении калибровки модели ее можно легко свести как к сравнительно простым моделям водосбора или руслового стока, так и к более сложным гидрогеологическим моделям, учитывающим гидравлические свойства почвогрунтов рассматриваемого водосбора.

Процедура моделирования стока состоит из двух основных функциональных элементов:

• Формирование «входа» гидрологической модели MLCM2 может быть сделано как в ручном, так и в автоматическом режиме, путём использования данных наземных наблюдений.
• Настройка и непосредственное использование модели MLCM

Автоматическое формирование «входа» гидрологической модели MLCM2 выполняется при помощи специального программного обеспечения. Обязательными являются оперативные данные о сумме осадков с дискретностью 1 ч, 6 ч, 12 ч или 1 сутки, получаемые, например, наземной сетью Росгидромета или локальными сетями наблюдений потребителя прогностической информации [2].При отсутствии таковых, цели фонового прогнозирования стока могут быть вполне удовлетворительно достигнуты путем использования в качестве входных данных модели MLCM2 «выходных» данных мезомасштабной синоптической модели WRF. Для калибровки гидрологической модели MLCM2 необходимы синхронные массивы данных об осадках, стоке и полном испарении. После калибровки выполняется валидация найденных параметров. Данная модель MLCM2 реализована в текущей версии программного обеспечения «MLCM2.v2».

Описание принципов работы программного обеспечения «MLCM2.v2»

На рисунках 1 и 2 представлен пользовательский интерфейс ПО «MLCM2.v2». Данная программа была написана на языке программирования С++ и является на данной стадии настольной.

Данное ПО может быть использовано как для «управляемого», так и для полностью автоматизированного прогнозирования стока.«MLCM2.v2» является программным обеспечением, обладающим такими ключевыми опциями оперативной гидрологической модели, как оптимизация параметров (калибровка) и валидация [3]. Калибровка проводится при помощи способа квазилокальной оптимизации в физически предопределенном районе области определения целевой функции – SLS, так же есть возможность производить калибровку при помощи оптимизационного метода Нелдера-Мида и методом случайного перебора (см. рисунки 1, 2).

Рис. 1 - Интерфейс программного обеспечения «MLCM2.v2»

В настоящее время пользователь может выбрать один из трёх вариантов целевой функции для валидации: среднеквадратическая ошибка, критерий и мультимасштабная целевая функция MSOF.

Рис. 2 - Интерфейс программного обеспечения «MLCM2.v2»: настройки модели

Основными конструктивными и технологическими особенностями разработанного ПО являются высокая прогностическая эффективность прогнозирования стока на основе модели MLCM2 и возможность использования разработанной технологии для эффективного фонового прогнозирования стока на неизученных и малоизученных реках. Программа позволяет получить сопоставимые результаты моделирования стока при более низком уровне обеспеченности исходными данными. Данное ПО обладает значительным потенциалом для дальнейшего совершенствования и коммерциализации

Сейчас идёт разработка новой версии данного программного обеспечения «MLCM2.v3». Данное улучшение будет произведено при помощи web-реализации программы. Программа будет так называемой «облачной» и обладать в дальнейшем рядом как очевидных преимуществ, так и новыми функциями полезными для индивидуальных потребителей гидрометеорологической информации.

Данное изменение позволит сделать удобную графическую реализацию комплексных графиков в программе. Так же смогут быть добавлены дополнительные опции для вывода прогностических ошибок. Увеличится удобство в использовании программы, произойдёт ускорение выполнения исследований, так как будет произведена web-реализация программного обеспечения, при которой все обновления устанавливаются автоматически, что является современным и удобным.

За счёт web-реализации так же будет улучшена совместимость ПО с различными операционными системами помимо Windows, что так же должно учитываться в наше время. Из-за web-реализации программного обеспечения «MLCM2.v2» произойдёт повышение его конкурентоспособности в мире.

Литература

1. Кузьмин В.A. Основные принципы автоматической калибровки многопараметрических моделей, используемых в оперативных системах прогнозирования дождевых паводков — Метеорология и гидрология, 2009, № 6, с. 92–104.
2. Кузьмин В.А. Алгоритмы автоматической калибровки многопараметрических моделей, используемых в оперативных системах прогнозирования паводков. −Метеорология и гидрология, 2009, № 7, с. 74–85.
3. Guide to Hydrological Practices, World Meteorological Organization №168, Vol. II – Management of Water Resources and Application of Hydrological Practices // WMO, Geneva, 2009, 302 p.

References

1. Kuzmin V.A. Osnovnye principy avtomaticheskoj kalibrovki mnogoparametricheskih modelej, ispol'zuemyh v operativnyh sistemah prognozirovanija dozhdevyh pavodkov — Meteorologija i gidrologija, 2009, № 6, s. 92–104.
2. Kuzmin V.A. Algoritmy avtomaticheskoj kalibrovki mnogoparametricheskih modelej, ispol'zuemyh v operativnyh sistemah prognozirovanija pavodkov. −Meteorologija i gidrologija, 2009, № 7, s. 74–85.
3. Guide to Hydrological Practices, World Meteorological Organization №168, Vol. II – Management of Water Resources and Application of Hydrological Practices // WMO, Geneva, 2009, 302 p.