Быстроразвивающиеся паводки: международная версия


Что такое быстроразвивающийся паводок?

Mud-tinged floodwaters rush through a small washout area and over a road in Morocco

Быстроразвивающийся (внезапный) паводок может сформироваться практически в любой точке планеты. Такой паводок, возникший в результате выпадения обильных осадков, является типичным гидрометеорологическим явлением, поскольку зависит как от метеорологических, так и от гидрологических условий. Быстроразвивающиеся паводки отличаются от типичных, широко распространенных наводнений кратковременностью – они продолжаются от десятков минут до нескольких часов.

В связи с внезапностью формирования быстроразвивающихся паводков, обычные мероприятия противопаводковой защиты (создание защитных валов из мешков с песком и прочие меры, направленные на сохранение имущества) практически невозможно осуществить. Прогнозирование таких паводков невозможно без тщательного анализа местных гидрологических условий и непрерывного мониторинга текущей метеорологической ситуации, – все это позволяет предупреждать население о возможной опасности заблаговременно и с большой точностью. В данном уроке анализируются основные гидрологические и метеорологические явления, вносящие, как правило, значительный вклад в формирование быстроразвивающихся паводков и обуславливающие их мощность. Кроме этого, будут представлены некоторые подходы, применяемые при их мониторинге и прогнозировании.

Освоив материал раздела, вы сможете:

  • Дать определение быстроразвивающегося паводка
  • Описать основные природные процессы, в результате которых возможно возникновение быстроразвивающихся паводков
  • Определять зависимости между интенсивностью осадков и параметрами стока, которые ассоциируются с быстроразвивающимися паводками

Понятие быстроразвивающийся паводок

Flash flood waters about a meter deep rush over an road intersection in downtown Toowoomba, Australia, 2011

Согласно определению Всемирной метеорологической организации (ВМО), быстроразвивающийся (внезапный) паводок – это кратковременное наводнение с относительно высокими пиковыми расходами.

Национальная служба погоды США рекомендует использовать более специфические параметры, такие как временные рамки и уровень опасности. Тогда быстроразвивающийся паводок можно определить как паводок, представляющий угрозу жизни населения и формирующийся в течение 6 часов, а нередко 3 часов, после вызвавшего его события. Национальные метеорологические и гидрологические службы различных стран (НГМС) могут устанавливать такие временные критерии, которые наилучшим образом соответствуют местным гидрологическим и климатическим условиям.

Первопричиной быстроразвивающегося паводка могут быть: интенсивные осадки, разрушение дамбы, плотины, или другого водоподпорного сооружения, а также неожиданный подъем уровня, вызванный заторными явлениями. В некоторых регионах следует учитывать вулканическую или геотермальную активность, приводящую к снеготаянию.

Collage of causative events that can induce flash flooding: intense precipitation (shown as a rain shaft illuminated by lightning), dam failure (shown as water rushing through a break in a Canadian dam wall), river ice jams (shown as thousands of very large ice chunks jammed into buildings in a small town in Alaska) and rapid snowmelt from volcanoes (shown as a volcanic ash eruption with a backdrop of snowy mountains).

Наводнение принято ассоциировать с водным объектом, но быстроразвивающиеся паводки могут возникать на аридных территориях, при отсутствии русловой сети.

Water begins to flood a dry, level streambed in Arizona

Следовательно, быстроразвивающийся паводок подразумевает быстрое затопление объектов и территорий, обычно не находящихся под водой, например, дорог, тоннелей, строений.


Процесс прогнозирования быстроразвивающихся паводков

Flowchart of steps in the flood prediction process

Быстроразвивающиеся паводки – стремительно формирующиеся гидрологические явления, предсказать которые весьма нелегко. Большинство из них формируются при выпадении осадков высокой интенсивности, сопровождающихся быстрым, эффективным стоком. Следовательно, ключевыми элементами, учитываемыми при прогнозировании, являются характер осадков и ожидаемого стока. Ледовые явления на реках также следует рассматривать как причину быстрого формирования внезапных паводков, особенно выше заторов льда.


Соотношение осадки-сток

Осадки более высокой интенсивности сопровождаются большим стоком, поскольку почва не может вместить значительный объем воды за короткое время. Обычно, чем выше интенсивность осадков, тем выше вероятность формирования большого объема поверхностного стока. Кроме того, продолжительные осадки высокой интенсивности могут значительно повысить вероятность формирования опасного наводнения.

Хотя с увеличением водонасыщенности грунта сток увеличивается, тем не менее, нередко быстроразвивающиеся паводки возникают при ненасыщенной почве. Важно учитывать, что в некоторых случаях характеристики стока не менее важны, чем интенсивность осадков.

Дополнительные ресурсы

Больше информации об инфильтрации и других вопросах, связанных со свойствами почв, можно найти в "Paths to Runoff" section of the Runoff Processes: International Edition module


Контрольные вопросы

Вопрос 1

Причиной возникновения быстроразвивающегося паводка может/могут быть ____.
(Выберите все подходящие варианты)

Правильные ответы - а, б и г.

Выберите.

Вопрос 2

Быстроразвивающиеся паводки почти всегда возникают при водонасыщенной почве.
(Выберите наилучший ответ)

Правильный ответ - б.

Выберите.

Влияние метеорологических факторов

Heavy rain along the Outer Banks of North Carolina.

Метеорологические факторы могут существенно влиять на скорость и место формирования быстроразвивающегося паводка, а также на степень его опасности. Интенсивность и продолжительность осадков – это основные факторы, которые следует учитывать при прогнозировании потенциальных быстроразвивающихся паводков.

В этом разделе вы узнаете:

  • Облака какого типа формируют осадки наибольшей интенсивности и как она может изменяться
  • Что может увеличить эффективность осадков
  • Что может увеличить продолжительность интенсивных осадков

Интенсивность осадков

Интенсивность осадков – основной фактор, который следует учитывать при рассмотрении метеорологических условий формирования быстроразвивающегося паводка. Осадки высокой интенсивности обычно выпадают из конвективных облаков, при грозах или тропических ливнях.

A single strong thunderstorm surrounded by medium-sized cumulus clouds as viewed from a significant distance (likely greater than 20 miles).  The strongest storm has an anvil with fleecy edges.  Due to photographic effects, the vertical center of the storm is not visible or at least not defined well.  The bottom of the storm has a possible rain or hail shaft which looks like dumping thin spaghetti into a bowl from a spaghetti spoon, where some of the spaghetti hangs lower than others based on where the spaghetti happens to be wrapped up in the spoon.

Так, типичная грозовая ячейка может достигать 18 км в высоту, 10 км в радиусе и существовать примерно 20 минут. Такая гроза формирует осадки с интенсивностью 18 млн тонн в час, при условии конденсации всего водяного пара, содержащегося в таком объеме воздуха, и последующем его выпадении в виде осадков [1]. По-другому такая интенсивность может быть выражена как 13 мм/час, при равномерном распределении осадков по площади и при средней скорости движения воздушной массы 10 м/сек. При таком сценарии дождь может быть чрезвычайно интенсивным и вызвать быстроразвивающийся паводок в некоторых, но не во всех, частях рассматриваемой территории. Вероятность возникновения такого паводка будет зависеть от прочих факторов, таких как продолжительность осадков, влажность почвы, гидрологические характеристики. Следует отметить, что приведенный расчет соответствует одной грозовой ячейке. Грозы, формирующиеся при условиях, отличающихся от рассмотренных, могут сопровождаться осадками другой интенсивности и могут состоять из систем ячеек, распространяющихся на десятки и даже сотни километров.

1Doswell, C. A.,1993: Proceedings, Spain-U.S. Joint Workshop on Natural Hazards, Barcelona, Spain, 8-11 June 1993.

Эффективность осадков

Эффективность осадков – это разница между объемом воды, выпадающей в виде осадков из грозовой облачной системы, и общим количеством влаги, содержащейся в этой системе. Приведенный выше пример показывает, какое количество осадков может произвести типичная конвективная ячейка при условии конденсации всего водяного пара, содержащегося в ней. Очевидно, практически это будет означать, что эффективность осадков составит 100%, что маловероятно. Ни один шторм не может произвести осадки абсолютной эффективности: она значительно изменяется, даже на ограниченной территории. Рассмотрим два основных фактора, которые могут увеличить эффективность осадков.


Высокая относительная влажность средних слоев тропосферы

При высокой относительной влажности воздуха средних слоев тропосферы эффективность осадков может увеличиться. Как правило, воздух на границах восходящих и нисходящих потоков грозовых ячеек перемешивается с окружающими воздушными массами в результате турбулентного перемешивания.

A towering cumulus cloud with hard, cauliflower-shaped edges reaches high into the afternoon sky.

Окружающие воздушные массы почти всегда менее влажные, что приводит к более быстрому испарению воды или сублимации льда, содержащихся в воздухе грозовой ячейки. Если окружающий воздух средних слоев тропосферы влажный, то испарение или сублимация менее интенсивны, и больший объем воды или льда будет выпадать из облаков на поверхность земли в виде осадков.

Сравнение текущих и прогнозных значений влажности воздуха с данными, полученными в ходе натурных измерений, использования моделей численного прогноза погоды или алгоритмов обработки спутниковых данных, помогает синоптику определить вероятность формирования развивающейся грозы с осадками высокой интенсивности, обусловленными высокой относительной влажностью окружающего воздуха.


Теплый дождь

В некоторых регионах, особенно в тропических областях с морским климатом, осадки образуются преимущественно в результате формирования теплых дождей. При этом рост осадкообразующих частиц происходит, в основном, в жидкой фазе на высотах, где температура выше 0 °C. И, наоборот, при формировании часто наблюдающихся холодных дождей, частицы осадков увеличиваются в основном в фазе льда или снега, а затем тают во время движения до земной поверхности.

A cross-section of a towering cumulus cloud is shown for a cold rain case alongside a shorter one for a warm rain case.  In the cold rain cloud, the freezing level is located relatively low within the cloud, and the particles above the freezing level are composed about equally between ice and liquid.  In the warm rain cloud, the freezing level is located about halfway between the cloud base and top.  The particles above the freezing level are mostly liquid.

Это значит, что связанные с теплыми дождями осадки будут содержать меньше льда (или иногда льда не будет вовсе). Так обычно случается, если толщина жидкокапельного облака очень велика, например, сравнима с долей облака под линией замерзания, как показано на рисунке справа. Мощный слой теплого облака при температуре выше 0 °C способствует более быстрому увеличению капель в результате их столкновения, слияния и объединения. Такие капли, более крупные, с большей вероятностью формируют осадки, и падают быстрее более мелких капель.

Теплый дождь с большей вероятностью возникает в воздушной массе с тропическими, морскими характеристиками. Обратите внимание, что такие характеристики могут наблюдаться в удаленных от тропических морей регионах, поскольку теплые, влажные воздушные массы могут перемещаться волнами в направлении полюсов и/или внутрь материков с крупномасштабными погодными системами. Кроме того, интенсивный подъем в нижних слоях атмосферы – это обычный путь формирования осадков высокой интенсивности при процессе теплого дождя. Такой подъем обычно обусловлен характеристиками подстилающей поверхности или границами атмосферы.

Conceptualized image of flood waters overrunning a multilane highway.  Cars are being carried downstream.

В результате урагана, вызванного процессом теплого дождя, в Канзасе, США, выпало от 150 до 200 мм осадков за 3 часа, что привело к мощному быстроразвивающемуся паводку на небольшом водосборе, по которому проходило многополосное шоссе. На локаторе была замечена низкая область радиоэха. Это свидетельствует о том, что наиболее интенсивная часть урагана находилась ближе к нижней границе облака. Такое явление, как правило, наблюдается при теплых дождях, и будет подробнее рассмотрено в разделе 4. Следует отметить, что при подобных явлениях отсутствуют молнии. Синоптики могут учитывать эти характеристики для того, чтобы определить, будет ли состояние атмосферы достаточно благоприятным для формирования ураганов, в которых возможно возникновение наиболее интенсивных теплых дождей.


Продолжительность осадков

Продолжительность осадков высокой интенсивности – это еще один важный фактор, определяющий риск возникновения быстроразвивающегося паводка. Для описания какого-либо ливня или грозы будем использовать понятие конвективная ячейка. Организованный кластер конвективных ячеек назовем конвективной системой. Обычно поднятие отдельного конвективного потока продолжается не более часа, за исключением гроз, сформированных супер-ячейками. Очевидно, что хотя отдельная конвективная ячейка и способна произвести осадки высокой интенсивности, но она не может вызвать быстроразвивающийся паводок, поскольку находится над одним и тем же участком территории только непродолжительное время. Однако если отдельные конвективные ячейки и системы многократно проходят над одним и тем же участком, то такой паводок вполне может сформироваться. Рассмотрим некоторые примеры возникновения быстроразвивающихся паводков.

Движение конвективной системы определяется двумя факторами: взаимодействием восходящего и нисходящего потоков облака с несущими воздушными потоками в слоях атмосферы и образованием и распадом новых ячеек внутри системы и на ее границах. В основном конвективная система будет перемещаться вместе с ветрами окружающего ее пространства, и новые ячейки будут возникать на ее фронтальной границе. В целом, как показано ниже, система будет продвигаться довольно быстро.

Последовательные изображения радиолокатора показывают движение мезомасштабной конвективной системы над югом центральной части США. Представлены 10 часов из общего времени существования урагана.

Обычно системы, развивающиеся подобным образом, не приводят к существенным наводнениям. Исключение составляют чрезвычайно обширные и/или чрезвычайно медленно смещающиеся системы.

Однако в некоторых конвективных системах новые ячейки генерируются по-другому. Они образуются в тыловой части системы, в результате чего движение всей системы замедляется или становится стационарным.

Некоторые ячейки могут двигаться и формироваться в направлении, параллельном общему движению системы. Например, на рисунке ниже вся цепочка ячеек двигается не очень быстро; однако, отдельные ячейки в ней перемещаются достаточно быстро параллельно всей цепочке. Новые ячейки генерируются в ее тыловой части, в соответствии с ее общим движением.

Последовательные изображения радиолокатора показывают мощные конвективные ячейки, перемещающиеся над той же территорией в течение 6 часов.

Хотя отдельные ячейки двигаются относительно быстро, тем не менее, они представляют существенную угрозу возникновения быстроразвивающегося паводка, поскольку могут вызвать интенсивные осадки, повторяющиеся над одним и тем же участком территории. Подобным образом штормы часто перемещаются вдоль стационарных фронтов или над резкими формами рельефа. Ячейки, двигающиеся таким образом, называются "повторяющиеся".


Контрольные вопросы

Вопрос 1

Пусть осадкообразующее облако стационарно располагается над бассейном А и формирует осадки интенсивностью 30 мм/час в течение 15 минут. Затем осадки прекращаются на 15 минут, и такое чередование повторяется в течение 2 часов. Какое количество осадков выпадет на бассейн А за эти 2 часа?
(Выберите наилучший ответ)

Правильный ответ - в.

Выберите.

Вопрос 2

Пусть осадкообразующее облако стационарно располагается над соседним бассейном Б и формирует осадки интенсивностью 15 мм/час в течение 2 часов. Сколько осадков выпадет на бассейн Б в течение 2 часов?
(Выберите наилучший ответ)

Правильный ответ - в.

Выберите.

Вопрос 3

Как вы оцените вероятность возникновения быстроразвивающегося паводка в бассейнах А и Б при условиях, рассмотренных в вопросах 1 и 2?

Правильный ответ - в.

К факторам, обуславливающим вероятность возникновения быстроразвивающегося паводка, относятся: свойства почвы, характеристики бассейна и вид землепользования. Как правило, быстроразвивающиеся паводки наиболее вероятны при интенсивных осадках, таких, какие наблюдаются на бассейне А. Обычно осадки такой интенсивности не могут быть полностью поглощены почвой, и в результате сток водотоков значительно повышается. Однако если, как в рассмотренном примере, интенсивные осадки периодически прерываются, то, при определенных условиях подстилающей поверхности, быстроразвивающийся паводок может не сформироваться. Поэтому не следует делать вывод о том, что из-за меньшей интенсивности осадков на бассейне быстроразвивающийся паводок не сформируется. При высокой влажности почвы, крутых склонах и интенсивной урбанизации поверхностный сток может увеличиться настолько, что даже при дожде средней интенсивности сформируется быстроразвивающийся паводок.

Выберите.

Вопрос 4

Используя выпадающее меню, выберите выражение, наилучшим образом завершающее высказывание.

а) Синоптики уделяют больше внимания конвективным системам, движущимся(с) ветрам(и) окружающей атмосферы, так как при таком движении высока вероятностью формирования быстроразвивающихся паводков.
Выберите.

Вопрос 5

Что из следующего может увеличить эффективность осадков?
(Выберите все подходящие варианты)

Правильные ответы - а и в.

Выберите.

Влияние гидрографических характеристик

Гидрографические особенности бассейна могут существенно влиять на скорость и место формирования быстроразвивающегося паводка, а также на его опасность. Хотя при прогнозировании паводков в качестве основного паводкообразующего фактора часто рассматриваются осадки, важнее может оказаться то, что происходит с осадками после достижения ими поверхности земли.

В этом разделе вы узнаете:

  • Как применять информацию о процессах стока к проблемам быстроразвивающихся паводков
  • Почему на почвах с определенным гранулометрическим составом и профилем риск возникновения быстроразвивающегося паводка выше
  • Какие физические характеристики бассейна увеличивают риск возникновения на нем быстроразвивающегося паводка
  • Насколько быстро и как часто быстроразвивающиеся паводки могут возникать на урбанизированных территориях
  • Каким образом пожары и обезлесение влияют на риск возникновения быстроразвивающихся паводков

Влияние почвы

При оценке риска возникновения быстроразвивающегося паводка рассматриваются три основных характеристики почвы: влажность почвы, гранулометрический состав почвы (текстура), почвенный профиль.

Standing water and runoff channels in a grassy field on a rainy day, United Kingdom

Влажность почвы часто рассматривается как самая важная характеристика, обуславливающая быстрый сток и возникновение быстроразвивающегося паводка. Действительно, если почва влагонасыщена, то в ней не остается пространства для инфильтрации дополнительных объемов осадков. В этом случае все осадки переходят в сток (независимо от состава почвы).

Agronomist Jim Smart and Mexican farmers Miguel Morales Beltran and Hector Rodriquez Mediola discuss the 1996 drought that caused this irrigation ditch near Rio Bravo, Mexico, to dry up.    Photo by Jack Dykinga.

С другой стороны, очевидно, что если почва сухая, то вероятность инфильтрации осадков больше, а вероятность перехода осадков в сток – меньше. И хотя это положение справедливо для многих регионов, – особенно гумидных, с мощным слоем почвы – во многих случаях оно не является бесспорным.

Например, быстроразвивающиеся паводки возникают даже при сухой почве, если интенсивность осадков превышает ее инфильтрационную способность.

Если интенсивность осадков превышает инфильтрационную способность поверхностного слоя почвы, то возникает Хортоновский поверхностный сток. Такой сток называется избыточным поверхностным стоком. В результате, даже при засухе, может образоваться быстрый и эффективный сток.

Почвы определенной текстуры, такие как глина и, до некоторой степени, мелкозем, имеют низкую инфильтрационную способность и склонны к формированию быстрого стока. Поэтому сток, образованный интенсивными осадками, вероятнее всего, будет большим и возникнет быстрее на глинистых, а не на песчаных почвах, как показано в приведенной выше анимации.

Graphic showing the influences of depth-to-bedrock on runoff.

Хотя на песчаных почвах инфильтрация интенсивных осадков значительнее, быстрый сток способен сформироваться только при наличии тонкого слоя почвы. Например, если тонкий слой почвы расположен на водонепроницаемом слое каменистой породы, то такой почвенный слой быстро насытится влагой, что приведет к формированию значительного стока. На правой части рисунка выше можно увидеть, как слой почвы на каменистой породе становится насыщенным.

Больше информации о текстуре почвы и инфильтрации можно найти в "Soil Properties" section of the Runoff Processes: международная версия


Влияние характеристик бассейна

Характеристики бассейна способны существенно влиять на сток и, следовательно, на предрасположенность к формированию быстроразвиваюшихся паводков. В некоторых случаях особенности бассейна играют более важную роль в формировании стока, чем осадки.

Aerial view of rural, semi-arid Arizona, USA showing small shrubs and trees outlining basin waterways and features

Особенности бассейна, такие как его форма, уклоны склонов, степень меандрирования реки и характер растительного покрова могут влиять на процесс адсорбции осадков почвой. Например, осадки, выпадающие на бассейн с крутыми склонами и скудным растительным покровом, сформируют более обильный поверхностный сток, чем в случае пологих склонов и хорошо развитой растительности.

Кроме того, при оценке риска возникновения быстроразвивающегося паводка следует учитывать и размер бассейна. Такие паводки чаще возникают на небольших бассейнах, площадь которых не превышает 80 км2, а в большинстве случаев площадь бассейна менее 40 км2.

Любой фактор, увеличивающий скорость и эффективность стока, способен повысить риск возникновения быстроразвивающегося паводка на рассматриваемом бассейне. Больше информации о влиянии характеристик бассейна можно найти в "Basin Properties" section of the Runoff Processes: международная версия


Особые случаи бассейнов

В некоторых случаях особенности бассейна могут увеличить риск возникновения быстроразвивающегося паводка в связи с важными и, иногда, значительными изменениями подстилающей поверхности или свойств почвы. Урбанизация, пожары, обезлесение, мерзлый грунт – вот некоторые специфические особенности, которые следует учитывать.

Rainwater flowing down a street and through a storm drainage grate.  Nearby, water is flowing up and out of a manhole cover and onto the street again
Illustration of the effect of urban concrete grid on runoff contribution to stream in a basin.

Урбанизация имеет два наиболее важных последствия. Во-первых, с ней связано увеличение площадей водонепроницаемых территорий и уплотненных грунтов. В результате формируется больший сток. Во-вторых, на урбанизированных территориях существуют разветвленные сети дорог, ливневой канализации, нарушения естественной растительности, и иногда – канализированные русла. Все это существенно способствует стоку в направлении русел и непосредственно в них.

Comparison of runoff hydrographs between rural, suburban, and urban basins

В результате, водотоки урбанизированных территорий, по сравнению с водотоками ненарушенных территорий, имеют более высокую скорость течения, и при одинаковых осадках чаще формируют более высокие пиковые расходы. На самом деле, на урбанизированной территории благоприятные для возникновения паводка условия могут возникнуть при значительно менее интенсивных осадках, чем были необходимы для формирования паводка на этой же территории до ее освоения.

Лесные пожары и обезлесение также могут повысить риск возникновения быстроразвивающегося паводка за счет увеличения объема стока и создания более благоприятных условий для транспорта наносов.

Rill erosion on a burned hillslope after the Buffalo Creek Fire.

Основная причина этого – уничтожение растительности, а в случае пожара – возможные изменения свойств почв. После опустошительных пожаров в хвойных лесах риск возникновения быстроразвивающегося паводка особенно высок. В таких случаях растительность уничтожается, а почва может оставаться водонепроницаемой в течение нескольких недель или даже лет с момента пожара.

Cross-section showing effect of deforestation on runoff, groundwater and sediment transport.

Быстроразвивающиеся паводки, как правило, возникают в теплый период года во время выпадения интенсивных конвективных осадков. Поэтому, как правило, мерзлый грунт не рассматривается в качестве причины их формирования. Однако, если интенсивные осадки выпадают на мерзлый грунт, эффективный сток может вызвать быстроразвивающийся паводок.

Ground water emerging from bedding planes, has created spectacular frozen waterfalls along a road cut.

Контрольные вопросы

Вопрос 1

Интенсивность осадков – важный фактор, который необходимо учитывать при оценке риска возникновения быстроразвивающегося паводка. Иногда столь же важно учитывать _____.
(Выберите все подходящие варианты)

Правильные ответы - а, в и г.

Помимо интенсивности осадков, при оценке риска возникновения быстроразвивающегося паводка важно рассматривать характеристики стока. Быстрый поверхностный сток, связанный с быстроразвивающимися паводками, обусловлен влажностью почвы, толщиной ее слоя, видом землепользования, уклоном.

Выберите.

Вопрос 2

К факторам, повышающим эффективность стока, относятся _____
(Выберите все подходящие варианты)

Правильные ответы - а и б.

Скорость стока и его эффективность возрастают с увеличением уклона склонов, уменьшением шероховатости поверхности и размеров бассейна.

Выберите.

Вопрос 3

На урбанизированных территориях риск возникновения быстроразвивающихся паводков выше из-за их способности обеспечивать не только больший, но и более быстрый сток.
(Выберите наилучший ответ)

Правильный ответ - a.

Сток на урбанизированных территориях формируется под действием двух факторов: 1) Наличие значительных водонепроницаемых площадей, что способствует большему стоку; 2) Наличие сетей ливневой канализации, дорог, а также канализации русел рек, что способствует более быстрому, по сравнению с ненарушенными территориями, стоку.

Выберите.

Инструменты и системы прогнозирования быстроразвивающихся паводков

Прогнозирование быстроразвивающихся паводков является довольно сложной задачей в связи с тем, что они возникают стремительно, пространственно локализованы и обусловлены множеством взаимосвязанных факторов. Наличие надежных данных гидрометеорологических наблюдений – необходимое условие прогнозирования этих явлений и/или функционирования системы предупреждения населения. Использование в гидрологических моделях стока данных, полученных с помощью моделей численного прогноза погоды, может повысить качество и заблаговременность прогнозов быстроразвивающихся паводков. Степень доступности данных наблюдений и средств прогнозирования для различных НГМС различна. В данном разделе будут рассмотрены методы наблюдений и прогнозирования различного уровня технической сложности.

В этом разделе вы узнаете:

  • Как функционируют некоторые распространенные механические и электронные системы мониторинга быстроразвивающихся паводков и предупреждения о них
  • Каким образом данные метеорологических радиолокаторов и спутников используются для прогнозирования быстроразвивающихся паводков и об ограниченности такого использования
  • Как получить оценку риска возникновения быстроразвивающихся паводков (ОРВБП), и когда и где она применяется
  • Каким образом и с какой целью при рассмотрении быстроразвивающихся паводков могут применяться гидрологические модели с распределенными параметрами

Механические и автоматические локальные системы предупреждения о паводках

Механические и автоматические локальные системы предупреждения о паводках, расположенные в городах и речных долинах, широко распространены в мире, в том числе в США, особенно там, где отсутствуют данные радиолокаторов или наземной сети наблюдений за осадками и стоком. Как правило, такие системы недороги и просты в эксплуатации.

Rain gauge full of rain.

Большинство механических систем действуют следующим образом:

  1. Данные об осадках и/или стоке в определенной местности собираются волонтерами при помощи механических или автоматических приборов.
  2. Затем данные наблюдателей посредством телекоммуникационных сетей, а данные автоматических приборов – автоматически, передаются уполномоченному представителю, ответственному за координирование противопаводковых мероприятий в данной местности
  3. Координаторы используют местные исторические и статистические записи (таблицы, диаграммы или простые методы прогнозирования, предоставляемые НГМС) для того, чтобы оценить, превысили наблюдаемые осадки и сток пороговые значения возникновения паводка или нет.

Например, такая механическая система существует в населенных пунктах Диналупихан и Хермоса в провинции Батаан, на Филиппинах. Она состоит из нескольких водомерных реек, используемых населением для контролирования уровня воды в сезоны неблагоприятных погодных условий.

Typical manual staff gauge in Philippines LFWS.

Во время осадков представитель населения или волонтер-наблюдатель снимает показания водомерных реек. В такие периоды для передачи данных и обмена информацией используют либо специальное радиооборудование, либо мобильные телефоны. Прогноз предстоящих изменений погоды выпускается Управлением атмосферной, геофизической и астрономической службы Филиппин, но население, тем не менее, продолжает контролировать систему наблюдений. Представители населения или волонтеры предупреждают об угрозе наводнения (ударами в колокол или с помощью сирены) каждый раз, когда вода в контролируемом створе достигает критического уровня.

Несмотря на простоту, такая система является одним из способов предупреждения об угрозе возникновения на данной территории паводка посредством неструктурных средств оповещения: она функционирует за счет привлечения населения, а не создания новых структур.

Автоматические системы функционируют подобным образом, но основаны на полностью автоматизированных процессах получения данных наблюдений и их передачи. Они также могут включать автоматическую систему предупреждения, которая, в случае превышения ранее установленных значений осадков или уровня воды, рассылает электронные предупреждения или включает сирену.


Метеорологические радиолокаторы и спутники

Conceptualized image of 3 main precipitation estimation technologies: a satellite scanning clouds from space, a radar scanning the same clouds from the ground and a network of ground-based rain gauges collecting precipitation underneath the cloud.

Данные дистанционного зондирования осадков позволяют оценить количество осадков, выпадающих на незаселенных территориях. Такие данные могут быть получены с помощью автоматических осадкомеров, метеорологических радиолокаторов, метеорологических спутников. Автоматические осадкомеры фиксируют непосредственные величины выпавших осадков, но не позволяют в должной мере оценить их пространственную и временную неравномерность, которая имеет огромное значение при оценке риска возникновения быстроразвивающихся паводков. Метеорологические радиолокаторы и спутники предоставляют данные, которые лучше отражают пространственное распределение осадков, но те и другие весьма сложны, а точность получаемых с их помощью данных не всегда удовлетворительна. Кроме того, радиолокаторы, данные которых точнее спутниковых, часто используются локально, что повышает стоимость их установки и эксплуатации. Преимущества и недостатки как радиолокаторов, так и спутников, с точки зрения их применения для прогнозирования быстроразвивающихся паводков, рассматриваются ниже.


Метеорологические спутники

Во многих регионах, где отсутствуют и наземные,и радиолокационные данные об осадках, спутниковая информация является основным средством оценки количества осадков. Для этого могут быть использованы данные различных спутников, многие из которых показаны на приведенном ниже рисунке.

Geostationary and Polar-orbiting satellite contributors to the global operational satellite observation system, shown as satellite icons orbiting around Earth.

Самыми распространенными являются инфракрасные датчики геостационарных спутников, обеспечивающих широкий и непрерывный пространственный охват. Частота поступления данных с таких спутников изменяется от 15 минут до 3 часов, в зависимости от их расположения и высоты спутниковой платформы.

Shortwave Infrared image of Africa and Atlantic Ocean from Meteosat 8

При наличии облачности, инфракрасные сенсоры фиксируют температуру верхней границы облаков и осадки оцениваются по этой величине. Таким образом, геостационарные спутники могут быть весьма полезны для мониторинга перемещения осадкообразующих систем, но оценки осадков, полученные на основе их данных, не всегда корректны. Напротив, пассивные микроволновые сенсоры полярно-орбитальных спутников фиксируют излучение от воды и льда в облаках и позволяют получить более надежные количественные оценки осадков, но данные от них поступают реже, как правило – раз в 12 часов.

Начиная с 1990-х годов, исследователи разрабатывают такие синергетические алгоритмы для оценивания осадков, которые сочетали бы точность микроволновых данных об осадках и достоинства временного разрешения геостационарных данных. В результате получены такие алгоритмы как Multi-sensor Precipitation Estimate от EUMETSAT и SCaMPR от NOAA/NESDIS.

Исследовательские группы создали более надежный алгоритм оценивания жидких осадков, основанный на применении соответствующих данных моделей численного прогноза погоды для преобразования оценок интенсивности осадков, полученных по данным о температуре верхней границы облаков. Ниже показан продукт алгоритма Hydro-Estimator, который использует такой подход для геостационарных спутников по всему земному шару.

Indian Ocean Experimental NOAA/NESDIS Hydro-Estimator Product.  24 hour precipitation

Эти спутниковые технологии разработаны в расчете на ассимиляцию данных моделей численного прогноза погоды, валидацию модели и климатические исследования, и их популярность среди синоптиков-прогнозистов растает. Так, с 2011 г с помощью Hydro-Estimator и подобных продуктов обеспечиваются информацией об осадках системы оценки риска возникновения быстроразвивающихся паводков (СОРВБП), функционирующие в нескольких регионах. Такие системы будут рассмотрены далее в соответствующем разделе.

Наконец, активные микроволновые сенсоры (или радиолокаторы) играют важную роль в масштабном, наиболее точном мониторинге осадков как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении. Значительный объем таких измерений будет выполнен в ходе проекта Global Precipitation Measurement mission .

Three panel image showing 3 rain rate images overlaid on GOES images for hurricane Isidore

Метеорологические радиолокаторы

Данные радиолокаторов, если таковые имеются, могут быть полезнее спутниковых для мониторинга и прогнозирования быстроразвивающихся паводков. Пространственное разрешение радиолокаторов, в зависимости от длины волны применяемого сигнала, может составлять всего несколько сотен метров, что существенно превышает пространственное разрешение данных об осадках, которые можно получить с помощью самых лучших спутниковых технологий, упомянутых выше. На расположенном ниже рисунке сравниваются результаты, полученные для выбранного района с помощью алгоритма Hydro-Еstimator и данных спутника NOAA/NESDIS, и оценки, основанные на данных радиолокатора. Легко заметить, что локатор обеспечивает заметно более высокую детальность информации.

A hydroestimator 24 hour precipitation total estimate for tropical storm Fay, August, 2008.
A radar-based 24 hour precipitation total estimate for tropical storm Fay, August, 2008.

Радиолокатор, по сравнению со спутниками, позволяет гораздо быстрее получать данные об осадках в окружающем его пространстве. Метеорологические радиолокационные станции могут получить данные из всей доступной области охвата за 5 минут. Это особенно ценно при быстро изменяющихся условиях, характерных для быстроразвивающихся паводков. Помимо того, что данные локатора используются для автономного оценивания осадков, они также часто включаются в мультисенсорные продукты для определения осадков и используются в СОРВБП.

Действие радиолокаторов по обнаружению осадков основано на использовании микроволнового излучения. Количество отраженного частицами осадков излучения, зависящего от их количества и размера, фиксируется радиолокатором. Это вернувшееся обратно излучение, или "отражательная способность", может быть преобразовано в информацию об интенсивности осадков. При оценивании паводочной ситуации на основе данных радиолокатора необходимо учитывать некоторые моменты.

Во-первых, зондирующий сигнал радиолокатора излучается под различными углами. Поэтому, как показано ниже, луч радиолокатора при движении оказывается все выше и выше.

Conceptualized image of a radar scanning two thunderstorms.  A mountain range lies between the radar and one of the thunderstorms.  This impedes the radar beam at low elevation angles.

Следовательно, осадки, зафиксированные радиолокатором, не обязательно будут эквивалентны количеству осадков, выпадающих на поверхность. В процессе прогнозирования это учесть непросто, особенно если на рассматриваемой территории недостаточно осадкомеров для верификации реальной ситуации. Радиолокаторы могут как завысить, так и занизить величину измеряемых осадков по некоторым другим причинам, которые включают не только блокировку луча, рефракцию, ослабление и засветку.

Наиболее важной особенностью радиолокационных данных, которую следует учитывать при прогнозировании быстроразвивающихся паводков, является "низкая область радиоэха". Это означает, что во время ливня наибольшие значения отражательной способности наблюдаются на небольших высотах, в основном ниже уровня замерзания. Если ливень имеет низкую область радиоэха, то основное увеличение осадков происходит в жидкой фазе в нижней части облаков – то есть, наблюдается процесс теплого дождя, рассмотренный ранее. На расположенном ниже рисунке показана низкая область радиоэха урагана в Канзасе, США, который был, в большой степени, обусловлен процессом теплого дождя и быстро сформировал значительный паводок.

Radar reflectivity cross-section of Kansas, USA thunderstorm containing a low echo centroid, which is evident as the area of highest reflectivity being located in the low levels of the thunderstorm (below the altitude of the freezing level)

Следующей особенностью, которую следует учитывать при использовании данных радиолокационного зондирования, особенно при прогнозировании количества осадков в условиях благоприятных для теплого дождя, является то, как локатор оценивает интенсивность осадков. Величина отражаемости зависит от количества осадкообразующих частиц и от их диаметра в шестой степени. Значения интенсивности осадков вычисляются по отражаемости, в соответствии с простым соотношением, которое основано на эмпирических оценках доли капель каждого размер в общей массе осадков. При теплом дожде обычно наблюдаются высокие концентрации капель от малого до среднего размера. И, наоборот, при холодном дожде, концентрация гидрометеоров ниже, а их размеры могут изменяться от малых до значительных.

DSDs with and without hail

Поэтому, если синоптики отмечают или предполагают наличие такой особенности теплого дождя как низкая область радиоэха, будет разумнее использовать другое соотношение между отражаемостью и интенсивностью осадков, которое учитывает более высокую плотность более мелких капель. Данные в приведенной ниже таблице демонстрируют, насколько велико различие между соотношением интенсивность осадков – отражаемость для стандартного конвективного холодного дождя и подобным соотношением для конвективного теплого дождя.

Comparison of a typical contintental, cold rain reflectivity factor - rainrate relationship and a typical maritime, warm rain reflectivity factor - rainrate relationship for several reflectivity values.  For 45 dbz, the cold rain relationship shows a rainrate of 27.9 mm per hour while the warm rain relationship shows a rainrate of 56.5 mm per hour.  For 50 dbz, the cold rain relationship shows a rainrate of 63.4 mm per hour while the warm rain relationship shows a rainrate of 147.2 mm per hour.  For 55 dbz, the cold rain relationship shows a rainrate of 144.2 mm per hour while the warm rain relationship shows a rainrate of 384.6 mm per hour.

Ниже приведены данные радиолокационного зондирования теплого ливня того же урагана в Канзасе, США. Снимок слева расшифрован с помощью соотношения интенсивность конвективного холодного дождя – отражаемость, а снимок справа – с помощью подобного соотношения для конвективного теплого дождя. Разница между двумя оценочными значениями суммарных осадков составляет от 60 до 80 миллиметров. В данном случае изображение справа намного точнее. Такое значительное несоответствие (в случае использования исключительно данных радиолокатора) может повлиять на принятие решения: будет или нет население информировано об угрозе паводка соответствующим предупреждением.

Radar plan view of storm-total rainfall amounts for Kansas, USA storm.  Comparison between continental, cold rain reflectivity factor - rainrate relationship and maritime, warm rain reflectivity factor - rainrate relationship.  Warm rain maximum is approximately 150 mm while the cold rain maximum is about 71 mm.

В будущем, при более широком распространении поляризационных радиолокаторов с двойной поляризацией, такая проблема, вероятно, будет решена. Поляризационные локаторы с двойной поляризацией способны к двумерной, а не только одномерной, фиксации частиц осадков, и поэтому могут предоставить более детальную информацию о размере и типе частиц.


Контрольные вопросы

Вопрос 1

Какие данные используются в большинстве неавтоматических систем предупреждения о паводках?
(Выберите все подходящие варианты)

Правильные ответы - в и г.

Выберите.

Вопрос 2

Как часто обновляется информация, получаемая с большинства спутников?
(Выберите наилучший ответ)

Правильный ответ - б.

Выберите.

Вопрос 3

Используя выпадающее меню, выберите выражение, наилучшим образом завершающее высказывание.

а) Если в условиях средних широт возникает ливень, обусловленный процессом теплого дождя, а синоптики применяют соотношение отражаемость-интенсивность осадков для холодного дождя, не преобразовывая его, то полученные оценки интенсивности дождя будут слишком
Выберите.

Система оценки риска возникновения быстроразвивающихся паводков (СОРВБП)


Определение

Оценка риска возникновения быстроразвивающихся паводков (ОРВБП) – это количественная оценка осадков на определенной территории и времени, необходимого для того, чтобы на малых водотоках начались паводки.

Flash flooding on South Ash Creek in Utah, January 2005

ОРВБП обычно выражается в мм или см за различные периоды, как правило, за 1, 3, 6 или 12 часов; в некоторых регионах – за 24 часа. Например, если 3-часовая ОРВБП составляет 40 мм, то это значит, что при выпадении такого или большего количества осадков в течение 3 часов на малых водотоках начнутся паводки.


Получение ОРВБП

Величины ОРВБП обусловлены влажностью почвы и значением критического стока. Критический сток или ThreshR– это сток, необходимый для того, чтобы начался паводок. Это фиксированное значение, которое устанавливают на основе анализа данных за весь период наблюдений за гидрологическими и гидрографическими характеристиками водотока и бассейна. Его обычно получают делением значения расхода, соответствующего паводочному уровню, на максимальный расход единичного гидрографа определенной продолжительности. Значение расхода, соответствующего паводочному уровню, определяется по кривой расходов для заданного створа. Больше информации о кривых расходов и единичном гидрографе вы можете найти в уроках Расчет гидрографа стока в нижерасположенном створе: международная версия и Теория единичного гидрографа: международная версия .

Relationship Between ThreshR and Streamflow

При использовании модели осадки-сток, расчет стока производится на основе данных об осадках и влажности почвы. Расчет ОРВБП выполняется в обратном направлении. Входными данными для оценки количества осадков, необходимых для начала паводка, являются критический сток и текущая влажность почвы. Рассчитанное таким образом количество осадков и является ОРВБП.

Оценив критический сток, можно определить, какое количество осадков вызвало такой сток, используя кривые осадки-сток, полученные с помощью модели стока.

Rainfall versus Runoff Curves from Runoff Model

Например, как показано на рисунке выше, 1-часовой критический сток равен 20 мм. Тогда по 1-часовой кривой осадки-сток можно определить, что такой сток образован осадками 72 мм. Таким образом, 1-часовая оценка риска возникновения быстроразвивающегося паводка для бассейна составляет 72 мм.

Практический вопрос

Rainfall versus Runoff Curves from Runoff Model

Вопрос

Определите 6-часовую оценку риска возникновения быстроразвивающегося паводка если 6-часовой критический сток составляет 30 мм. Используйте рисунки и пояснения, приведенные выше.
(Выберите наилучший ответ)

Правильный ответ - г.

Rainfall versus Runoff Curves from Runoff Model
Выберите.

Если вы хотите дополнительно попрактиковаться в использовании кривых осадки-сток, пожалуйста, выполните "Упражнение по СОРВБП", подготовленное по данным Национальной службы погоды США, в разделе 3 в уроке Быстроразвивающиеся паводки.


Виды СОРВБП

СОРВБП может быть реализована в нескольких масштабах. Одной из распространенных форм ОРВБП является оценка, получаемая для замыкающих створов бассейнов. Другими словами, такая оценка – это среднее для бассейна количество осадков, необходимое для возникновения паводков в замыкающем створе бассейна. Такой тип ОРВБП обычно представляется в виде таблицы, пример которой приведен ниже.

Headwater guidance table for several hypothetical streams.

Другой распространенный вид СОРВБП – сеточный. Оценкой являются осадки, необходимые для формирования паводка в пределах каждой ячейки сетки территории, для которой создается прогноз. Ниже в качестве примера приведена сеточная ОРВБП для бассейна р. Миссури, США .

Sample illustration of gridded flash flood guidance and county outlines over Missouri, USA

Обратите внимание, что одинаковые значения сохраняются для территорий значительно больших ячеек сетки. Это объясняется тем, что сеточные значения склонны отражать свойства бассейна, для которого они рассчитаны. Для того, чтобы ОРВБП можно было использовать в моделях, программных средствах или для сравнения с сеточными данными радиолокаторов, очень желательно, чтобы эти ОРВБП были в сеточном виде. К сожалению, в настоящее время сеточная СОРВБП не всегда оценивает характеристики стока для каждой индивидуальной ячейки сетки. Это и некоторые другие ограничения СОРВБП, которые необходимо учитывать при прогнозировании, будут обсуждаться в следующем разделе.


Практическое применение СОРВБП

Conceptual illustration of gridded flash flood guidance.

Чаще всего принимается, что сеточные значения критического стока одинаковы для всего бассейна. Кроме того, для бассейна имеется только одна кривая осадки-сток. Поэтому значения, полученные с помощью сеточных СОРВБП, в первую очередь будут отражать характеристики самого бассейна, особенно если влажность почвы изменяется незначительно. На рисунке ниже показано, насколько точно ячейки сетки могут совпадать с реальными бассейнами.

Sample 3hr Flash Flood Guidance with Basin Outlines

Еще одним ограничением СОРВБП является то, что кривые осадки-сток и значения критического стока чаще всего смоделированы для бассейнов, площадь которых превышает 250 км2 . Тогда как быстроразвивающиеся паводки, в основном, формируются в бассейнах с площадями около 80 км2, а часто – менее 40 км2.

Sample rainfall accumulation for basins in 3 hr FFG image.  Areas of precipitation are localized and cover only a fraction of some basins.

Таким образом, возможно, что СОРВБП не позволит с достаточной точностью получить необходимые значения для интенсивного конвективного дождя в небольшом суб-бассейне.

Sample rainfall accumulation for basins in 3 hr FFG image.  Areas of precipitation are localized and cover only a fraction of some basins.  Urban area outlines are included, and are smaller than most areas of precipitation

Наконец, полученные с помощью СОРВБП значения зависят, в основном, от влажности почвы, рассчитанной для модели стока. Как правило, бассейны слишком велики, а значит, для них не учитываются такие важные характеристики как вид землепользования, участки лесных пожаров и урбанизация. Мало вероятно, что значения ОРВБП будут репрезентативны для урбанизированных частей бассейнов. Так, для урбанизированных частей бассейна, значения ОРВБП должны быть значительно ниже, чем для неурбанизированных.

Пользователи СОРВБП должны иметь представление об особенных участках поверхности, на которых может возникнуть сток, который заметно превысит значение, полученное с помощью СОРВБП. Информацию об обезлесение территории, следах лесных пожаров и урбанизации можно получить с помощью картографических материалов, а также в сотрудничестве с другими организациями.


Пример Системы оценки риска возникновения быстроразвивающихся паводков (СОРВБП)

СОРВБП действуют во многих регионах Земли, особенно широко распространены в США, Центральной Америке и долине р. Меконг (Камбоджа, Лаосская Народно-Демократическая Республика, Таиланд и Вьетнам). Во многих других странах, таких как Ботсвана, Южно-Африканская Республика, Гаити и Доминиканская Республика, в стадии тестирования и внедрения находятся подобные системы, которые могут функционировать в составе Национальных гидрометеорологических служб (НГМС). Создание СОРВБП с глобальным охватом – это совместная цель Всемирной метеорологической организации (ВМО) и Центра гидрологических исследований, некоммерческой организации из Калифорнии, США. Действие этих систем основано на использовании спутниковых данных об осадках высокого разрешения, поступающих в режиме реального времени. В основном, это данные Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA), Европейской организации спутниковой метеорологии (EUMETSAT) и Японского агентства аэрокосмических исследований (JAXA), которые в настоящее время легко и повсеместно доступны. На рисунке ниже представлен пример ОРВБП для Центральной Америки, которая показывает вероятность возникновения быстроразвивающегося паводка с заблаговременностью 1-6 часов для бассейнов с площадью 100-300 км2.

Sample 3 hour gridded FFG and Flash Flood Threat from the Central American FFG system.  Small sub-basins of 100 to 300 square kilometers are shown

Для функционирования такой системы нужны данные об осадках, наблюдаемых на наземной сети. Это позволяет устранить погрешности оценок осадков, полученных на основе спутниковых данных. Поскольку пространственная плотность наблюдательной сети довольно неравномерна, то для получения более надежных результатов система учитывает некоторую неопределенность данных. Для оценки особенностей типологии где-либо расположенных небольших водотоков и их бассейнов можно использовать Цифровые модели рельефа (ЦМР) и Геоинформационные системы (ГИС). В настоящее время доступны глобальные пространственные базы данных о почве и растительном покрове, которые могут быть эффективно использованы совместно с ЦМР и ГИС для создания физически обоснованных моделей, учитывающих влажность почвы.


Модели с распределенными параметрами

В настоящее время современные возможности оценивания осадков с высоким пространственным и временным разрешением по данным локаторов, калиброванным с помощью данных осадкомеров, и существенный рост мощности компьютерной техники позволяют моделировать сток более детально.

Sample flash flood distributed modeling data.  A basin is covered in many small gridboxes that are shaded with runoff potential.

Модели стока с распределенными параметрами способны достаточно детально отразить особенности осадков, характеристики почвы и землепользования. При распределенном моделировании характеристики стока моделируются на сеточной основе или для суб-бассейнов, обеспечивая более детальное, по сравнению с СОРВБП, описание изменения во времени стока с водосбора и в русле. СОРВБП является хорошим инструментом предупреждения о скором наступлении быстроразвивающегося паводка, но она не позволяет оценить его величину. Модель с распределенными параметрами, аккуратно откалиброванная, c качественными измеренными значениями количества осадков высокого разрешения, потенциально может быть успешно применена для прогнозирования критического уровня или расхода на бассейнах площадью 100 км2. Тогда сток может быть смоделирован в масштабе, соответствующем масштабу конвективного ливня, что очень важно для прогнозирования быстроразвивающихся паводков. Модели с распределенными параметрами могут обеспечить дополнительную информацию и понимание гидрологических условий территории при отсутствии значительного объема данных о стоке. По мере развития моделей с распределенными параметрами и повышения качества их входных данных, этот вид моделирования, со временем, способен заменить СОРВБП.

Дополнительные ресурсы

MIKE by DHI

Runoff modeling section of Runoff Processes: международная версия


Контрольные вопросы

Вопрос 1

Используя выпадающие меню, выберите такие инструменты мониторинга и прогнозирования быстроразвивающихся паводков, чтобы завершить предложение наилучшим образом.

а)часто используют сообщения волонтеров об осадках.
б)быстро обновляет данные, примерно каждые 5 минут или быстрее.
в)охватывает тысячи квадратных километров.
г)в качестве входных данных использует данные о влажности почвы
д)фиксирует параметры облаков для того, чтобы косвенно оценить осадки.
е)также требует исторических записей о характеристиках потока.
ж)позволяет оценить величину быстроразвивающегося паводка.
Выберите.

Вопрос 2

Оценка риска возникновения быстроразвивающихся паводков представляет собой __________
(Выберите наилучший ответ)

Правильный ответ - б.

Выберите.

Вопрос 3

Сеточная СОРВБП не всегда показывает потенциальный сток для отдельной ячейки сетки.
(Выберите наилучший ответ)

Правильный ответ - a.

Так как сеточные СОРВБП основаны на критическом стоке и кривых осадки-сток для бассейна, то получаемые сеточные оценки часто одинаковы для всего бассейна. Другими словами, они не всегда отражают особенности отдельной ячейки сетки. Однако их проще применять совместно с другими сеточными продуктами, например, с данными метеорологического радиолокатора.

Выберите.

Вопрос 4

И ОРВБП, и критический сток могут быть количественно выражены в "X мм за Y часов". В чем отличие критического стока от ОРВБП?
(Выберите наилучший ответ)

Правильный ответ - в.

Критический сток – это мера стока, тогда как ОРВБП – мера осадков. Оба значения выражаются в мм слоя за время. ОРВБП показывает количество дождя, которое способно сформировать критический сток. ОРВБП будет больше, чем критический сток, за исключением случаев, когда коэффициент стока составит 1 (эффективность стока 100%).

Выберите.

Вопрос 5

ОРВБП для урбанизированных территорий, как правило, слишком завышены.
(Выберите наилучший ответ)

Правильный ответ - a.

Как правило, бассейны слишком большие, и это не позволяет учитывать важные особенности землепользования, например, урбанизацию или территории после пожаров. Так, для урбанизированных частей бассейна, значения ОРВБП должны быть значительно ниже, чем для неурбанизированных

Выберите.

Краткое содержание

Что такое быстроразвивающийся паводок?

Быстроразвивающийся паводок:

  • Это стремительно развивающийся, угрожающий жизни паводок.
  • Многие НГМС включают в это понятие временной масштаб, понимая под быстроразвивающимся паводком событие, формирующееся в течение 6 часов, а нередко менее 3 часов, после вызвавшего его события.
  • Быстроразвивающийся паводок может быть вызван следующими причинами: интенсивный дождь, разрушение плотин или дамб, неожиданное геотермальное снеготаяние и/или внезапный подъем уровня воды, вызванный заторами льда.
  • Быстроразвивающиеся паводки могут затопить территории, не имеющие русловой сети.
  • В некоторых случаях характеристики стока могут быть важнее характеристик осадков.
  • Быстроразвивающиеся паводки могут формироваться и часто формируются при сухой почве и в периоды засух.

Влияние метеорологических факторов

  • Интенсивность осадков – ключевой фактор, определяющий потенциал быстроразвивающегося паводка.
  • Одинаковое количество осадков одинаковой продолжительности не всегда вызывают одинаковой сток вследствие пространственно-временной изменчивости характеристик подстилающей поверхности.
  • Наибольшую интенсивность имеют конвективные осадки, выпадающие при грозах и/или тропических ливнях.
  • Осадки могут быть более эффективными, если:
    • окружающая атмосфера имеет высокую относительную влажность средних слоев и/или
    • наблюдается явление теплого дождя, когда большая часть облака находится ниже уровня замерзания и размер частиц увеличивается за счет их столкновения и слияния.
  • Продолжительность осадков также обуславливает риск возникновения быстроразвивающихся паводков.
  • Интенсивные осадки, медленно перемещающиеся или повторяющиеся над одной и той же территорией, формируют осадки большей продолжительности, при этом, как правило, увеличивается риск возникновения быстроразвивающихся паводков.

Влияние гидрографических характеристик

  • Быстрый поверхностный сток очень важен для оценки риска возникновения быстроразвивающихся паводков.
  • При оценивании потенциального стока следует учитывать влажность и гранулометрический состав почвы, а также почвенный профиль (в том числе материал на поверхности).
  • Влагонасыщенность почвы является важным, но не обязательным условием формирования быстрого поверхностного стока.
  • Интенсивные осадки, выпадающие на почвы с низкой инфильтрационной способностью, приводят к возникновению быстрого поверхностного стока, даже если эти почвы сухие.
  • Почвенные текстуры с частицами меньшего размера, например, глина, при интенсивных осадках обеспечивают формирование большего поверхностного стока.
  • Территории со слоем почвы незначительной толщины будут, как правило, насыщаться быстрее и формировать больший сток, по сравнению с территориями с мощным слоем почвы.
  • Малые бассейны подвержены более высокому риску возникновения быстроразвивающихся паводков, по сравнению с более крупными бассейнами.
  • Крутые склоны, уменьшение шероховатости подстилающей поверхности, значительная густота речной сети, изменение состояния поверхности бассейна – все это увеличивает риск возникновения быстроразвивающихся паводков.
  • Урбанизация, лесные пожары и обезлесение могут увеличить скорость формирования быстроразвивающегося паводка и его величину.
  • Урбанизация увеличивает как объем стока, так и скорость, c которой вода перемещается к расположенным ниже участкам бассейна и руслам водотоков.
  • Лесные пожары могут изменить свойства почвы и увеличить риск возникновения потока с преобладанием крупнообломочного материала.
  • В некоторых случаях увеличение поверхностного стока обусловлено промерзанием грунта.

Инструменты и системы прогнозирования быстроразвивающихся паводков

  • Механические и автоматические локальные системы предупреждения о паводках обычно функционируют исключительно на основе данных осадкомеров и водомерных постов
  • Нередко данные осадкомеров и водомерных постов, используемые в механических системах, предоставляются волонтерами.
  • Механические и локальные системы предупреждения о дождевых паводках используют исторические записи о водотоке для того, чтобы определить, превышают или нет уровень воды и/или интенсивность осадков критические пороговые значения формирования паводка.
  • Основные достоинства использования спутниковой информации для прогнозирования и мониторинга быстроразвивающихся паводков: непрерывный охват наблюдениями обширных территорий, в том числе слабо населенных и не охваченных наземными наблюдениями.
  • Основные недостатки применения спутниковой информации для прогнозирования и мониторинга быстроразвивающихся паводков: косвенное определение интенсивности осадков посредством вычислений, основанных на учете различных свойств облаков, а также более длительные периоды обновления данных (от 1 до 12 часов, в зависимости от спутниковой платформы).
  • Такие мультисенсорные продукты оценивания осадков, как алгоритмы EUMETSAT, сочетают достоинства данных полярно-орбитальных микроволновых спутников (точность) и геостационарных спутников (большая надежность, непрерывность, быстрое обновление охвата территории).
  • Такие алгоритмы, как Hydro-Estimator, включают данные моделей численного прогноза погоды для повышения надежности информации об интенсивности дождя, получаемой геостационарными спутниками по температуре верхней границы облаков.
  • Основные достоинства применения данных радиолокаторов для прогнозирования и мониторинга быстроразвивающихся паводков: непосредственное измерение осадкообразующих частиц и структуры осадкообразующей системы, высокое пространственное разрешение – несколько сотен метров или менее, быстрое обновление данных – 5 минут или менее.
  • Основные недостатки применения данных радиолокаторов для прогнозирования и мониторинга быстроразвивающихся паводков: неточность оценок интенсивности осадков из-за использования эмпирического соотношения отражаемость – интенсивность дождя, а также физические ограничения, такие как блокирование луча радиолокатора, малые площади охвата.
  • Интенсивность дождя вычисляется по данным радиолокационного зондирования с использованием эмпирического соотношения отражаемость – интенсивность дождя. Для того, чтобы получить более надежные оценки осадков, синоптики должны иметь представление о том, какое соотношение использовать в течение разных сезонов и при различных типах осадков.
  • Система оценки риска возникновения быстроразвивающихся паводков (СОРВБП) – это система, позволяющая оценить количество осадков, которое должно выпасть за определенное время, для того, чтобы на малых водотоках начались паводки.
  • Самыми распространенными видами СОРВБП являются сеточная и для замыкающего створа конкретного бассейна.
  • Сеточная СОРВБП часто показывает одно и то же значение для всего бассейна, так как ее получают на основе осредненных по бассейну параметров.
  • ОРВБП устанавливается на основе использования двух характеристик: критический сток и зависимости осадки-сток (кривые осадки-сток).
  • Критический сток – это сток, сформировавшийся в течение определенного периода и необходимый для того, чтобы начался паводок на малых водотоках (то есть на водотоках с малыми площадями бассейнов).
  • Модели стока, применяемые различными НГМС, позволяют получить кривые осадки-сток, по которым можно оценить отношение между осредненными по бассейну значениями осадков и стока.
  • Кривые осадки-сток позволяют определить количество осадков, необходимое для формирования критического стока.
  • Кривые осадки-сток отражают изменения влажности почвы.
  • ОРВБП, как правило, получают для бассейнов, площади которых превышают площади бассейнов, наиболее подверженных риску возникновения быстроразвивающихся паводков.
  • СОРВБП, как правило, недостаточно надежны для бассейнов с особенностями подстилающей поверхности, например, для урбанизированных и подвергавшихся пожарам территорий.
  • СОРВБП, использующие в качестве исходных данных спутниковые оценки осадков и влажности почвы, в настоящее время применяются в Центральной Америке, в долине р. Меконг, на Гаити, в Доминиканской Республике и южной Африке. ВМО сотрудничает с консалтинговыми агентствами в целях содействия использованию СОРВБП в регионах, где она еще не создана.
  • Модели с распределенными параметрами позволяют оценить величину способного сформироваться быстроразвивающегося паводка.
  • Модели с распределенными параметрами позволяют более детально учесть влияние дождя и стока в масштабе ячеек расчетной сетки, и постепенно должны заменить существующие СОРВБП.

Вы закончили изучение данного урока. Пожалуйста, пройдите контрольный опрос и поделитесь своими впечатлениями от урока, пройдя этот опрос.


Разработчики

Спонсоры COMET

Программа COMET® реализована при поддержке NOAA National Weather Service (NWS) и дополнительном финансировании от:

  • European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites (EUMETSAT)
  • Meteorological Service of Canada (MSC)
  • NOAA National Environmental Satellite, Data and Information Service (NESDIS)
  • Naval Meteorology and Oceanography Command (NMOC)

Участники проекта

Руководитель проекта, педагогический дизайн и мультимедиа

  • Andrea Smith — UCAR/COMET

Главный научный консультант

  • Matthew Kelsch — UCAR/COMET

Научный консультант

  • Claudio Caponi — WMO

Графический дизайн и интерфейс

  • Brannan McGill — UCAR/COMET
  • Steve Deyo — UCAR/COMET

Руководитель проекта

  • Dr. Patrick Parrish — UCAR/COMET

Создатели курса «Общая гидрология»

Руководитель проекта, педагогический дизайн

  • Lon Goldstein — UCAR/COMET

Старшие научные консультанты

  • Matthew Kelsch — UCAR/COMET
  • Dr. Richard Koehler — UCAR/COMET

Мультимедиа

  • Dan Riter — UCAR/COMET
  • Lon Goldstein — UCAR/COMET

Аудио оформление

  • Seth Lamos — UCAR/COMET

Озвучка

  • Dr. Richard Koehler — UCAR/COMET

Графический дизайн и интерфейс

  • Steve Deyo — UCAR/COMET
  • Heidi Godsil — UCAR/COMET
  • Lon Goldstein — UCAR/COMET

Тестирование программного обеспечения и контроль качества

  • Michael Smith — UCAR/COMET
  • Linda Korsgaard — UCAR/COMET

Согласование авторских прав

  • Michael Smith — UCAR/COMET

HTML-интеграция 2020 COMET

  • Tim Alberta — Project Manager
  • Dolores Kiessling — Project Lead
  • Steve Deyo — Graphic Artist
  • Gary Pacheco — Lead Web Developer
  • David Russi — Translations
  • Gretchen Throop Williams — веб-разработчик
  • Tyler Winstead — веб-разработчик

Перевод на русский язык

  • Larissa Timofeeva - Лариса Тимофеева, канд.геогр. наук, РГГМУ, Санкт-Петербург, Россия
  • Zinaida Timofeeva - Зинаида Тимофеева, Санкт-Петербург, Россия

Научный редактор текста на русском языке

  • Karina Voskanian - Карина Восканян, канд. физ.- мат. наук, доцент РГГМУ, Санкт-Петербург, Россия

Команда COMET, весна 2010 г.

Директор

  • Dr. Timothy Spangler

Исполнительный директор

  • Dr. Joe Lamos

Администрация

  • Elizabeth Lessard - менеджер по административным и бизнес вопросам
  • Lorrie Alberta
  • Michelle Harrison
  • Hildy Kane
  • Ellen Martinez

Программирование и тех-поддержка

  • Tim Alberta - руководитель команды
  • Bob Bubon
  • James Hamm
  • Ken Kim
  • Mark Mulholland
  • Victor Taberski (студент)
  • Christopher Weber (студент)
  • Malte Winkler

Разработка образовательного контента

  • Dr. Patrick Parrish - руководитель проекта
  • Dr. Alan Bol
  • Maria Frostic
  • Lon Goldstein
  • Bryan Guarente
  • Dr. Vickie Johnson
  • Tsvetomir Ross-Lazarov
  • Marianne Weingroff

Команда Медиапродюссирования

  • Bruce Muller - руководитель команды
  • Steve Deyo
  • Seth Lamos
  • Brannan McGill
  • Dan Riter
  • Carl Whitehurst

Метеорологи и научные сотрудники

  • Dr. Greg Byrd - старший руководитель проекта
  • Wendy Schreiber-Abshire - старший руководитель проекта
  • Dr. William Bua
  • Patrick Dills
  • Dr. Stephen Jascourt
  • Matthew Kelsch
  • Dolores Kiessling
  • Dr. Cody Kirkpatrick
  • Dr. Arlene Laing
  • Dave Linder
  • Dr. Elizabeth Mulvihill Page
  • Amy Stevermer
  • Warren Rodie

Автор научного текста

  • Jennifer Frazer

Перевод на испанский

  • David Russi

NOAA/National Weather Service - отдел по подготовке прогнозистов

  • Anthony Mostek - директор филиала
  • Dr. Richard Koehler - руководитель программы гидрологической подготовки
  • Brian Motta, программа подготовки IFPS
  • Dr. Robert Rozumalski, координатор отдела научных и учебных ресурсов SOO (SOO/STRC)
  • Ross Van Til, метеоролог
  • Shannon White, программа подготовки AWIPS

Приглашенные метеорологи, Метеорологическая служба Канады

  • Brad Snyder

Наверх