Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка компьютерной системы оперативного прогнозирования опасных природных явлений в бассейне, береговой зоне и акватории Азовского моря

Номер контракта: 14.604.21.0050

Руководитель: Бердников Сергей Владимирович

Должность: Заместитель председателя

Организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр Южный научный центр Российской академии наук"
Организация докладчика: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Южный научный центр Российской академии наук

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
опасные природные явления, сгонно-нагонные явления, сейши, волнение, шторм, паводки, «цветение» водорослей, гипоксия, абразия, разливы нефтепродуктов, автоматизированная система мониторинга, геоинформационные технологии, спутниковый мониторинг, математическое моделирование, оперативное прогнозирование, система поддержки принятия решений, водосбор, береговая зона, акватория, азовское море

Цель проекта:
1. Проект направлен на решение проблемы краткосрочного (оперативного) прогнозирования опасных природных явлений в бассейне, береговой зоне и акватории Азовского моря 2. Целью ПНИ, определенной условиями конкурса и техническим заданием, является разработка комплекса научных и научно-технических решений, направленных на создание программного комплекса оперативного прогнозирования (ПК «EX-MARE») и поддержки принятия решений, связанных с оценками риска опасных природных явлений в бассейне, береговой зоне и акватории Азовского моря и предупреждением органов местного самоуправления, населения и предприятий.

Основные планируемые результаты проекта:
1. В ходе выполнения ПНИ планируется разработать методы и ЭО ПК «EX-MARE» для:
- прогнозирования и оценки риска опасных гидрологических явлений на реках Западного Кавказа;
- прогнозирования и оценки риска опасных нагонных явлений в дельте Дона;
- оценки опасных штормовых явлений в береговой зоне Азовского моря;
- прогнозирования ледовитости и толщины льда в Азовском море;
- выявления зон с повышенным уровнем «цветения» одноклеточных водорослей в районах рекреации и обеспечения водой в Азовском море, Цимлянском и Краснодарском водохранилищах;
- оценки риска возникновения зон гипоксии в Азовском море, Цимлянском и Краснодарском водохранилищах;
- прогнозирования загрязнения нефтью побережья Азовского моря в случае аварийных разливов при транспортировке судами.
Должны быть разработаны рекомендации по оптимизации и развитию системы мониторинга для выявления опасных природных явлений в Краснодарском крае, Ростовской области и в Крыму.
Должен быть разработан проект технического задания на проведение ОКР по теме: «Разработка программного комплекса для оперативного прогнозирования опасных природных явлений в бассейне, береговой зоне и акватории Азовского моря».

2. Разрабатываемые методы и решения должны быть предназначены для создания программного комплекса оперативного прогнозирования и поддержки принятия решений, связанных с оценками риска опасных природных явлений в бассейне, береговой зоне и акватории Азовского моря и предупреждением органов местного самоуправления, населения и предприятий, в том числе:
1) для составления оперативных прогнозов (до 72 часов) уровней воды, расходов, скоростей водных потоков в реках, возможных зон затопления в зависимости от метеорологического прогноза осадков, для оценки рисков возникновения опасных паводков в зависимости от видов хозяйственной деятельность в бассейне реки (лесонасаждений и вырубки, строительство водохранилищ, мостов, дамб, береговых сооружений и пр.) (параметр «Дождевые паводки»);
2) для составления оперативных прогнозов (до 72 часов) уровней воды, расходов, скоростей водных потоков в рукавах, оценки риски возникновения опасных подъемов уровня (нагонов), возможных зон затопления в дельте реки Дон (параметр «Нагонные явления»);
3) для составления оперативных прогнозов (до 72 часов) параметров волнения и нагонного подъема уровня, расчёта волновой нагрузки на берега и береговые сооружения Азовского моря (параметр «Штормовые явления»);
4) для составления оперативных прогнозов (до 72 часов) толщины льда и ледовитости Азовского моря (параметр «Ледовые явления»);
5) для оценки риска «цветения» одноклеточных водорослей в районах рекреации и обеспечения водой в Азовское море, Цимлянском и Краснодарском водохранилищах на основе анализа спутниковой информации (параметр «Цветение фитопланктона»);
6) для составления оперативных прогнозов (до 72 часов) концентрации растворенного кислорода в водной среде, картирования зон с низким содержанием растворенного кислорода в Азовском море, Цимлянском и Краснодарском водохранилищах (параметр «Гипоксия»);
7) для прогнозирования загрязнения нефтью побережья Азовского моря в случае аварийных разливов при транспортировке судами, для сценарных расчетов переноса нефтепродуктов в акватории моря под действием ветра и течений, принятия решений о мероприятиях по защите берегов от загрязнения, ликвидации последствий аварий (параметр «Разливы нефти»).

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Разрабатываемый ЭО ПК «EX-MARE» будет состоять из автоматизированных рабочих мест, предназначенных для составления оперативных прогнозов по перечисленным направлениям.
ЭО ПК «EX-MARE» будет обеспечивать свои составные компоненты данными из доступных бесплатных источников данных (Интернет-сайтов), в том числе из развивающейся системы мониторинга паводковой ситуации Краснодарского края.
В ЭО ПК «EX-MARE» предусмотрена визуализация следующих результатов:
- зон затопления на реках Западного Кавказа при экстремальных дождевых паводках;
- зон затопления дельты реки Дон при нагонах;
- карт ожидаемой интенсивности абразионных процессов;
- карт толщины льда и ледовитости Азовского моря;
- концентрации хлорофилла «а» по результатам дешифрирования данных ДЗЗ и зон «цветения» водорослей в Азовском море, Цимлянском и Краснодарском водохранилищах;
- зон с низким содержанием растворенного кислорода в Азовском море, Цимлянском и Краснодарском водохранилищах;
- карт загрязнения берегов и акватории Азовского моря в случае аварийного разлива нефтепродуктов.

2. В настоящее время в регионе отсутствует система оперативного прогнозирования перечисленных выше опасных природных явлений. Несмотря на то, что разрабатываемые методы основаны на апробированных отечественных и зарубежных аналогах (математических моделях, комплексах программ), их объединение в единую компьютерную систему оперативного прогнозирования применительно к Азовскому морю является инновационной разработкой.
Среди предлагаемых подходов у исполнителей имеются оригинальные наработки, превышающие по качеству зарубежные аналоги. Региональный алгоритм дешифрирования космических снимков для оценки концентрации хлорофилла «а» в продуктивных и мутных водах, т.н. водах второго типа, является наиболее точным из существующих в настоящее время.

3. В России существует компьютерные системы, работа которых направлена на изучение, как правило, одной характеристики среды, например, погоды или гидрологии крупных рек (Росгидромет). Достоинством таких систем является глубокая проработанность проблем, значительный период наблюдений и значительный охват территории. Однако, некоторые системы мониторинга и прогнозирования только декларированы. Основной недостаток – закрытость этих систем для внешних пользователей.
За рубежом существуют развитые системы мониторинга и прогнозирования экстремальных явлений. Они главным образом реализованы в различных штатах США, в Евросоюзе. Их отличительной особенностью является более густая сеть пунктов мониторинга, информационная обеспеченность, более “открытый” характер, кооперация различных организаций в их создании и поддержке.
В регионе Азовского моря развивается автоматизированная система сбора данных о состоянии окружающей среды (например, система мониторинга паводковых ситуаций в Краснодарском крае), но в них отсутствуют элементы (подсистемы) прогнозирования опасных природных явлений.

4. Построение краткосрочных прогнозов с целью заблаговременного предупреждения населения основано на использовании различных математических моделей. Выбор и адаптация математических моделей для прогнозирования экстремальных природных явлений и техногенных катастроф требует калибровки и верификации по данным натурных наблюдений. Для этого будут использоваться автоматизированная система сбора данных и базы данных экспедиционных работ прошлых лет. При этом собираемые в рамках такой системы данные об окружающей среде и прогнозы будут публиковаться через геопортал в целях информирования общественности и совершенствования уже существующих систем прогнозирования. Ограничения создаваемого ЭО ПК «EX-MARE» определяются предположениями, положенными в основу используемых математических моделей и подходов, и качеством входных данных.
Главные риски связаны с работой автоматизированной системы сбора данных, а именно наличием постоянного доступа к информации (данных ДЗЗ, метеорологических прогнозов и т.д.) необходимой для запуска моделей.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Полученные в ходе ПНИ результаты могут быть использованы в области моделирования гидрологических и океанологических процессов в качестве научного обеспечения создания новых технологий предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера.
Разработанный программный комплекс для прогнозирования опасных природных явлений в бассейне, береговой зоне и акватории Азовского моря должен найти практическое применение в качестве автоматизированных рабочих мест в организациях МЧС в общей системе информирования населения и предприятий народного хозяйства.

2. В настоящее время Министерство гражданской обороны, чрезвычайных ситуаций и региональной безопасности Краснодарского края разрабатывает «Региональную автоматизированную систему оперативного контроля и мониторинга». Предполагается, что разработанные в рамках ПНИ компоненты ЭО ПК «EX-MARE» найдут практическое применение в рамках этой системы в качестве автоматизированных рабочих мест для контроля риска возникновения опасных гидрологических явлений на реках Западного Кавказа при экстремальных дождевых паводках и опасных нагонных явлений в Азовском море.

3. Реализация проекта в полном объеме должна:
- способствовать повышению надежности при принятии решений об информировании населения и предприятий об ожидаемых опасных природных явлениях, тем самым снижать возможный социально-экономический ущерб.
- предоставить региональным организациям МЧС новых и эффективных методов и средств для прогнозирования опасных природных явлении;
- повысить эффективность использования развиваемой в регионе автоматизированной системы мониторинга опасных гидрологических процессов (паводки, сгоны-нагоны, волнения);
- уменьшить социально-экономические последствия от опасных природных явлений в регионе Азовского моря;
- обеспечить заблаговременное предупреждение приморского населения об опасных природных явлениях;
- выявить зоны повышенной опасности для здоровья населения и народного хозяйства (массовое цветение водорослей, в том числе токсичных, заморные явления, абразионные, оползневые процессы и др.).

4. Реализация проекта в полном объеме должна:
- способствовать международному сотрудничеству в области моделирования гидрологических и океанологических процессов;
- обеспечить промышленность или население новым видом информационных услуг.


Текущие результаты проекта:
Разработаны методы прогнозирования и оценки риска опасных гидрологических явлений на реках Западного Кавказа, опасных нагонных явлений в дельте Дона, опасных штормовых явлений в береговой зоне Азовского моря, методы прогнозирования ледовитости и толщины льда в Азовском море, методы выявления зон с повышенным уровнем «цветения» одноклеточных водорослей, методы оценки риска возникновения зон гипоксии в Азовском море, Цимлянском и Краснодарском водохранилищах, методы прогнозирования загрязнения нефтью побережья Азовского моря в случае аварийных разливов при транспортировке судами.

Разработан экспериментальный образец программного комплекса (ЭО ПК) «EX-MARE», в состав которого вошли компоненты, реализующие перечисленные выше методы. ЭО ПК «EX-MARE» разработан на базе программного комплекса ArcGIS 10 и состоит из набора рабочих мест. Он обеспечивает свои составные компоненты краткосрочными метеорологическими прогнозами, данными ДЗЗ из доступных бесплатных источников данных.

Разработана Программа и методики экспериментальных исследований ЭО ПК «EX-MARE», в соответствии с которыми проведена экспериментальная проверка следующих компонент: «Дождевые паводки», «Нагонные явления», «Штормовые явления», «Ледовые явления».

Проведены экспедиционные исследования в бассейне р. Адагум, в дельте р. Дон на гидрологическом посту «Донской», в береговой зоне Азовского моря и в акватории Азовского моря в зимний период, в акваториях Азовского моря и Цимлянского водохранилища в период массового «цветения» одноклеточных водорослей, в ходе которых собран экспериментальные данные для калибровки и верификации математических моделей, используемых в ЭО ПК «EX-MARE».

В результате взаимодействия с индустриальным партнером в пункте «Донской» установлен измерительный комплекс ЭМЕРСИТ-М35, оснащенный уровнемером и датчиками основных метеопараметров.

В ходе экспериментальной проверки компонента «Дождевые паводки» выполнена реконструкция экстремального паводка 6-7 июля 2012 года в бассейне р. Адагум. Полученные результаты модельных расчетов расходов и уровней в разных гидрологических створах реки находятся в пределах оценочных значений: в створе автомобильного моста г. Крымск по ул. Новороссийской расчетный максимальный расход 1900 м3/с и уровень 8 м находятся в пределах экспертных оценок, полученных по результатам экспедиционных исследований, проведенных после катастрофического паводка. Параметры гидрологических моделей компонента «Дождевые паводки» откалиброваны по данным наблюдений системы мониторинга паводковых ситуаций Краснодарского края.

Индустриальным партнером проведено тестирование компонента «Дождевые паводки», по результатам которого установлено нулевое отклонение результатов расчетов, выполненных Индустриальным партнером самостоятельно, и предоставленных ему Получателем субсидии; соответствие компонента требованиям пп. 4.1.1.1, 4.2.1.1 ТЗ.

Компонент «Дождевые паводки» удовлетворяет техническим требованиям ТЗ, а именно: использует для гидрологических расчётов программные комплексы HEC-HMS, HEC-RAS; использует метеорологические прогнозы, данные системы мониторинга паводковой ситуации Краснодарского края; цифровую модель рельефа местности; осуществляет расчёт уровня и расхода воды, ширины и скорости водного потока для условий интенсивных осадков, а также зоны затопления.

По результатам работ опубликована статья: G. G. Matishov, A. V. Kleshchenkov, and I. V. Sheverdyaev Disastrous Flashflood in the Western Caucasus in July 2012: Causes and Consequences // Water Resources, 2015, Vol. 42, No. 7, pp. 932–943. В публикации восстановлена картина экстремального паводка 6-7 июля 2012 года, информация о котором использована при экспериментальной проверке компонента «Дождевые паводки» ЭО ПК «EX-MARE».

В ходе экспериментальной проверки компонента «Нагонные явления» рассмотрены два случая экстремальных нагонов в дельте Дона, имевших место в период 2010-2013 гг. Ошибка на первые 24 ч расчёта составила 19,7%. Для калибровки параметров модели использовались данные наблюдений с уровнемера, установленного на гидрологическом посту «Донской».

Компонент «Нагонные явления» удовлетворяет техническим требованиям ТЗ, а именно: использует данные системы мониторинга паводковой ситуации Краснодарского края, метеорологические прогнозы; использует для расчёта уровня поверхности моря трехмерную гидрологическую модель Азовского моря и Принстонскую океанографическую модель (РОМ), адаптированную к условиям Азовского моря; использует при этих расчётах ЦКП ЮФУ «Высокопроизводительные вычисления»; осуществляет расчёт нагонных повышений уровня в дельте реки Дон (при ошибке не превышающей 20% для первых 24 часов расчёта в режиме прогнозирования) и формирование карт риска затопления дельты реки Дон.
По результатам работ опубликована статья: Матишов Г.Г., Бердников С.В. Экстремальное затопление дельты Дона весной 2013 г. // Известия РАН. Серия географическая. М.:Наука, 2015. – №1 – С.111-118. В публикации разработана классификация нагонных явлений, а также подробно описан случай экстремального нагона, который произошел 24-25 марта 2013 года, информация о котором использована при экспериментальной проверке компонента «Нагонные явления» ЭО ПК «EX-MARE».

В компоненте «Штормовые явления» разработана трех уровневая технология вложенных сеток для модели SWAN, позволяющая детализировать расчеты волновой нагрузки на отдельные участки береговой линии. В результате экспериментальной проверки компонента составлены карты ожидаемой интенсивности абразионных процессов Весёло-Вознесенского района по методике Морского гидрофизического института (МГИ, г. Севастополь).

Компонент «Штормовые явления» удовлетворяет техническим требованиям ТЗ, а именно: использует метеорологические прогнозы; использует для расчёта уровня поверхности моря трехмерную гидрологическую модель Азовского моря и Принстонскую океанографическую модель, адаптированную к условиям Азовского моря; использует при этих расчётах ЦКП ЮФУ «Высокопроизводительные вычисления»; использует для расчёта параметров волнения программу SWAN; использует для расчёта воздействия волнения на береговую зону методику расчёта ударных волновых нагрузок, разработанную в МГИ; обеспечивает формирование карт параметров волнения 50%, 10% и 1% обеспеченности и карт интенсивности абразионных процессов.

При экспериментальной проверке компонента «Ледовые явления» рассматривались экстремальные ледовые условия за период 2008-2013 гг. Для калибровки параметров модели и проверки адекватности модельного расчёта были использованы: архив картосхем ледовой обстановки НИЦ Планета, данные наблюдений на научно-экспедиционной базе ЮНЦ РАН «Кагальник» и экспедиционные наблюдения в Таганрогском заливе 19-20 февраля 2015 г. Показано, что модель адекватно отражает изменения температурного режима, а также обеспечивает составление оперативных прогнозов (до 72 часов) толщины льда и ледовитости Азовского моря.

Компонент «Ледовые явления» удовлетворяет техническим требованиям ТЗ, а именно: использует для расчёта ледовитости и толщины льда компартментальную гидрологическую модель Азовского моря; использует метеорологические прогнозы, а также данные ДЗЗ для корректировки параметров модели; обеспечивает выполнение прогнозных расчётов и формирование картосхемы ледовитости и толщины льда.

Компонент «Цветение фитопланктона» удовлетворяет техническим требованиям ТЗ, а именно: использует алгоритмы дешифрирования спутниковых снимков (NIR–Red алгоритмы), калиброванных и верифицированных для условий высокопродуктивных и мутных вод Таганрогского залива, для выявления и картирования зон с повышенной концентрацией хлорофилла «а»; использует метеорологические прогнозы; для краткосрочного прогноза риска «цветения» водорослей использует математическую модель первичного продукционного цикла.

Компонент «Гипоксия» удовлетворяет техническим требованиям ТЗ, а именно: использует NIR–Red алгоритмы для выявления и картирования зон с повышенной концентрацией хлорофилла «а»; использует метеорологические прогнозы; для краткосрочного прогноза содержания кислорода в воде у дна использует математическую модель первичного продукционного цикла; обеспечивает формирование карт с зонами высоких концентраций органического вещества и риском возникновения гипоксии и заморных явлений.

Компонент «Разливы нефти» удовлетворяет техническим требованиям ТЗ, а именно: использует метеорологические прогнозы; использует для расчёта течений трехмерную гидрологическую модель Азовского моря и Принстонскую океанографическую модель, адаптированную к условиям Азовского моря; использует при этих расчётах ЦКП ЮФУ «Высокопроизводительные вычисления»; использует для расчёта параметров волнения программу SWAN; использует для расчёта переноса нефтяных пятен модель MedSlick, при этом рассматриваются случаи аварийных разливов нефтепродуктов до 4000 тонн; обеспечивает формирование карт загрязнения акватории, водной толщи, береговой зоны нефтепродуктами, вероятного положения нефтяных пятен на акватории через 4 часа после аварийного разлива.

В состав компонента «Нефтяные разливы» вошла методика построения карт уязвимости прибрежных и морских зон от нефтяных разливов, разработанная участником проекта Шавыкиным А.А. для западно-арктических морей и адаптированная к условиям Азовского моря. Этот результат был отражен в защищенной докторской диссертации.

Проведена конференция «Геоинформационные технологии и прогнозирование экстремальных явлений (Geoid-2015)» в п. Абрау-Дюрсо для популяризации результатов исследования. Участниками проекта было сделано 4 доклада. На конференции «Системный анализ и моделирование экономических и экологических систем» было сделано 3 доклада, посвященных тематике проекта.

Проведено расширенное заседание Президиума ЮНЦ РАН "Опасные природные явления на юге России: причины, степень изученности, прогноз" (25 сентября 2015 г.), на котором с докладами выступали руководитель проекта и представитель индустриального партнера.

По результатам работ опубликована монография: Обстоятельства затопления Олимпийской деревни в Адлере. Отчет о результатах экспедиции по маршруту Туапсе – Сухуми (01–08.08.2015) / Г.Г. Матишов, Д.Г. Матишов, И.В. Шевердяев; [под общей редакцией С.Г. Парады]. – Ростов н/Д: Изд-во ЮНЦ РАН, 2015. – 64 с. – ISBN 978-5-4358-0116-3. В работе помимо результатов экспедиционных исследований, выполненных сотрудниками ЮНЦ РАН с 1 по 8 августа 2015 г. в олимпийском Сочи, приведены рекомендации по совершенствованию существующей системы мониторинга.

В ФГУ ФИСП зарегистрировано пять программ для ЭВМ в качестве результатов интеллектуальной деятельности (РИД):
- программа для расчета зон «цветения» одноклеточных водорослей в Азовском море (SAPP);
- расчет сгонно-нагонных изменений уровня воды и зон затопления в дельте Дона на многопроцессорных вычислительных системах;
- программа для моделирования гидрологического режима Азовского моря;
- программа для дешифрирования спутниковых снимков и картирования зон с повышенной концентрацией хлорофилла «а» для условий высокопродуктивных и мутных вод (ДеКарХ);
- программа для расчета риска возникновения зон гипоксии в Азовском море (HypoRiskModel).

В ходе визита в Океанографический центр Кипрского университета (Кипр), использована инфраструктура центра и их программный продукт MedSlick в качестве основы компонента «Нефтяные разливы» ЭО ПК «EX-MARE» при рассмотрении случая аварийного разлива нефтепродуктов осенью 2007 г. в Керченском проливе, таким образом использована зарубежная инфраструктура сектора исследований и разработок.