Инновации в глобальном гидрологическом прогнозировании с использованием подхода на основе системы Земля

Изменение климата, рост населения и деятельность человека в руслах рек и водосборных бассейнах затрудняют, как никогда ранее, предоставление достоверной информации о текущем и будущем состоянии водных ресурсов в реках мира. Однако общество срочно нуждается в своевременной и надёжной информации для заблаговременного предупреждения о наводнениях и засухах, которые и сегодня застают врасплох и опустошают целые районы. В этой статье утверждается, что подход к глобальному гидрологическому прогнозированию на основе системы Земля будет стимулировать инновации и более тесное междисциплинарное сотрудничество, необходимые для революционного научного прогресса. 

Традиционное гидрологическое прогнозирование

Гидрологическое прогнозирование имеет богатое прошлое. Его основные принципы были прочно установлены уже более 50 лет назад (Nash and Sutcliffe, 1970). Однако с тех пор, несмотря на значительные инвестиции, прогресс идёт медленно и по-прежнему сохраняются серьёзные ограничения в области научных достижений, данных и оперативной деятельности.

Отсутствие во всём мире наблюдений за расходом воды в реках является основным препятствием для систем гидрологического прогнозирования (Lavers et al., 2019). С другой стороны, традиционные подходы к прогнозированию также имеют ограниченные возможности для использования целого ряда существующих и планируемых наблюдений за системой Земля — в отношении снега, влажности почвы, испарения, подземных вод и расхода воды в реках — особенно с распространением дистанционного зондирования. Кроме того, традиционные модели с трудом рассчитывают прогнозы экстремальных явлений за пределами диапазонов, которые для них заданы. Эта проблема усугубляется тем, что водосборы и их речной сток претерпевают изменения с течением времени в соответствии с изменениями в землепользовании и изменением климата. Учитывая сложность и масштаб проблемы, уместно задать вопрос о том, не приведёт ли альтернативный и более междисциплинарный подход к ускорению научного прогресса.

Преимущества подхода на основе системы Земля

В рамках подхода на основе системы Земля, на который опирается Стратегия Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды (ЕЦСПП) на 2016–2025 годы и реализуемая в настоящее время реформа управления ВМО, Земля моделируется как единое целое. Это включает в себя взаимодействие между атмосферой, океанами и сушей, а также биосферой и деятельностью человека. Такой подход по своей сути является междисциплинарным, охватывает многие области науки и требует более тесного сотрудничества.

Рисунок 1. Подход на основе системы Земля занимает центральное место в Стратегии ЕЦСПП на 2016–2025 гг.

Преимуществ, получаемых от использования моделирования системы Земля для задачи глобального гидрологического прогнозирования, много. Возможность моделировать взаимодействие между всеми компонентами системы Земля позволяет составлять более точные и согласованные прогнозы в отношении всех переменных. Например, правильно рассчитанный водный баланс¹ обеспечил бы не только оптимальные условия на поверхности суши, определяющие приземную погоду, но и наилучший приток пресной воды в океан, что в свою очередь улучшило бы атмосферные прогнозы, которые оказали бы положительное воздействие на гидрологическое прогнозирование. Такая физическая и техническая согласованность обеспечивает основу для бесшовного прогнозирования во временных масштабах от краткосрочного до сезонного без необходимости использования отдельных систем для наводнений и засух, как это имеет место в настоящее время, например использование Глобальной системы оповещения о наводнениях (ГлоСОН) (Alfieri et al., 2013) и ГлоСОН для подготовки сезонных оповещений (Emerton et al., 2018).

Крупномасштабное гидрологическое прогностическое обслуживание должно быть устойчивым в плане научных, технических и вычислительных знаний и ресурсов. Центры оперативного численного прогнозирования погоды (ЧПП) уже взяли на вооружение подход на основе системы Земля. Поэтому осуществление гидрологического прогнозирования в центрах ЧПП позволяет получить беспрецедентный доступ к ресурсам и знаниям. К ним относятся достижения в области наблюдений за системой Земля и усвоения полученных данных, высокопроизводительная вычислительная и облачная инфраструктура, круглосуточный выпуск оперативных прогнозов и сотрудничество по новым разработкам в таких областях, как искусственный интеллект и машинное обучение на должном уровне. Вместе всё это стимулирует сотрудничество и инновации и обеспечивает значительную экономию средств 

Подход на основе системы Земля в ЕЦСПП

В ЕЦСПП основой для всей деятельности по усвоению данных и прогнозированию служит всеобъемлющая модель системы Земля, известная как Интегрированная система прогнозирования (ИСП). Достижение прогресса в моделировании взаимодействия между компонентами системы Земля занимает центральное место в Стратегии ЕЦСПП на 2016–2025 годы (рисунок 1).

Концепция ЕЦСПП состоит в том, чтобы использовать подход на основе системы Земля, с целью выведения глобального гидрологического прогнозирование на новый уровень. Закрытие водного баланса² в оперативных моделях остаётся одной из основных научных задач (Zsoter et al., 2019). Как указывалось ранее, более детальный охват гидрологии будет способствовать улучшению прогнозирования других взаимосвязанных атмосферных и океанических компонентов. Однако это непростая задача. Для её решение потребуется тесное сотрудничества между учёными из многих областей. Многие научные вопросы остаются открытыми, и также много существует препятствий, когда дело касается доступности гидрологических данных. Однако использование моделирования системы Земля для прогнозирования наводнений чётко указывает на обоснованность концепции. Глобальная система оповещения о наводнениях (ГлоСОН), вычислительным центром для которой служит ЕЦСПП, является полностью функциональным, круглосуточно работающим компонентом Службы управления чрезвычайными ситуациями (СУЧС) программы «Коперник» Европейской комиссии. ГлоСОН предоставляет информацию для поддержки заблаговременных предупреждений о наводнениях по всему миру. На рисунке 2, например, представлены прогнозы наводнений ГлоСОН, использовавшиеся в Мозамбике в марте 2019 года во время разрушительного тропического циклона Идай.

Трудности, связанные с использованием подхода на основе системы Земля в области гидрологии

Рисунок 2. Прогнозы риска наводнений, выпущенные ГлоСОН на основе выходных результатов модели системы Земля ЕЦСПП. Затенение рек на картах показывает прогнозируемую вероятность (в %) превышения величины расхода воды в реках порогового уровня оповещения о сильном наводнении (интервал повторяемости таких наводнений составляет 20 лет) в течение следующих 30 дней в прогнозах, выпущенных 10 марта 2019 г. (вверху) и 16 марта 2019 г. (внизу). На вставках показана эволюция расхода воды в реке Пунгве, г. Бейра, Мозамбик (источник: Магнуссон и др., 2019).

Пространственное разрешение моделей системы Земля в настоящее время является довольно низким для гидрологического прогнозирования в небольших водосборных бассейнах. Например, ГлоСОН с разрешением ячейки сетки по горизонтали приблизительно 10 км рекомендуется для использования в средних и крупных водосборных бассейнах с площадью более 1000 км². Для сравнения, при наличии наблюдений in situ традиционные модели можно использовать для гораздо меньших водосборных бассейнов. Для того чтобы гидрологическое прогнозирование с использованием подхода на основе системы Земля было применимо на местном уровне, целевой показатель в отношении разрешения (гиперразрешение) на глобальном уровне должен составлять порядка 1 км (Wood et al., 2011).

Уменьшить ошибки в водном балансе гораздо проще при использовании традиционных гидрологических моделей, поскольку они ориентированы только на правильное прогнозирование расхода воды в реках. Закрытие водного баланса при использовании моделей системы Земля должно быть сделано таким образом, чтобы не ухудшать прогнозы других компонентов, которые необходимы для прогнозирования погоды и климата.

Отслеживание прогресса, достигнутого в ходе каких-либо новых разработок в области гидрологического прогнозирования, а также выверка данных о расходе воды в реках, полученных с использованием новых возможностей дистанционного зондирования путём их сравнения с данными наземных измерений, зависят от доступа к оперативным и историческим данным гидрологических наблюдений в рамках стандартизированной системы данных. Такие инициативы, как Система гидрологических наблюдений ВМО (СГНВ), которая обеспечит доступ к таким данным, имеют решающее значение для улучшения глобального гидрологического прогнозирования (Lavers et al., 2019).

Претворение концепции в жизнь 

Нельзя игнорировать значительный прогресс, достигнутый в области гидрологического прогнозирования с использованием традиционных моделей. Крайне важно, чтобы такой прогресс продолжался. Однако подход на основе системы Земля является более эффективным для прогнозирования в глобальном масштабе, поскольку он обеспечивает чёткую основу и перспективу для более тесного междисциплинарного сотрудничества, усовершенствованное усвоение данных и возможности наблюдения за системой Земля, доступ к высокопроизводительным вычислениям и устойчивое обслуживание. Когда мы сталкиваемся с давлением, которое оказывают изменения климата и рост численности населения, наша цель и обязанность как сообщества на службе общества должны быть в том, чтобы обеспечить готовность и системы прогнозирования, способные решать глобальные проблемы. В рамках подхода на основе системы Земля есть потенциал для выполнения этой задачи.

При наличии надлежащего руководства, ресурсах и группы междисциплинарных учёных, готовых выйти за пределы своих зон комфорта и осваивать разные принципы решения своих проблем, расширение границы гидрологического прогнозирования с целью использования подхода на основе системы Земля представляется достижимым. Прогресс уже начался, о чём свидетельствует ГлоСОН. Благодаря ещё более мощным суперкомпьютерам, позволяющим протестировать инновационные глобальные модели системы Земля с разрешением 1 км (ECMWF, 2020), концепцию полностью совмещённого гидрологического прогнозирования в рамках моделей системы Земля можно реализовать в течение следующего десятилетия.

Ссылки

¹ Водный баланс — это соотношение между притоком и оттоком воды. 

² Закрытие водного баланса подразумевает измерение всех притоков и оттоков воды.

 

Авторы

Шон Харриган, Европейский центр среднесрочных прогнозов погоды (ЕЦСПП)

Ханна Клок, Университет Рединга, Рединг, Соединённое Королевство, Уппсальский университет, Уппсала, Швеция

Флориан Паппенбергер, Европейский центр среднесрочных прогнозов погоды (ЕЦСПП)

Литература

Alfieri, L., Burek, P., Dutra, E., Krzeminski, B., Muraro, D., Thielen, J. and Pappenberger, F., 2013: GloFAS - global ensemble streamflow forecasting and flood early warning, Hydrol. Earth Syst. Sci., 17(3), 1161–1175, doi:10.5194/hess-17-1161-2013.

ECMWF, 2020: ECMWF scientists to simulate global weather at 1 km resolution, accessed 23 January 2020, ECMWF news article

Emerton, R., Zsoter, E., Arnal, L., Cloke, H. L., Muraro, D., Prudhomme, C., Stephens, E. M., Salamon, P. and Pappenberger, F., 2018: Developing a global operational seasonal hydro-meteorological forecasting system: GloFAS-Seasonal v1.0, Geosci. Model Dev., 11(8), 3327–3346, doi: 

Lavers, D., Harrigan, S., Andersson, E., Richardson, D. S., Prudhomme, C. and Pappenberger, F., 2019: A vision for improving global flood forecasting, Environ. Res. Lett., doi:10.1088/1748-9326/ab52b2.

Magnusson, L., Zsoter, E., Prudhomme, C., Baugh, C., Harrigan, S., Ficchi, A., Emerton, R., Cloke, H., Stephens, L. and Speight, L., 2019: ECMWF works with universities to support response to tropical cyclone Idai, ECMWF Newsletter, 160, 2–3.

Nash, J. E. and Sutcliffe, J. V., 1970: River flow forecasting through conceptual models part I — A discussion of principles, Journal of Hydrology, 10(3), 282–290, doi:10.1016/0022-1694(70)90255-6.

Wood, E. F., Roundy, J. K., Troy, T. J., Beek, L. P. H. van, Bierkens, M. F. P., Blyth, E., Roo, A. de, Döll, P., Ek, M., Famiglietti, J., Gochis, D., Giesen, N. van de, Houser, P., Jaffé, P. R., Kollet, S., Lehner, B., Lettenmaier, D. P., Peters‐Lidard, C., Sivapalan, M., Sheffield, J., Wade, A. and Whitehead, P., 2011: Hyperresolution global land surface modeling: Meeting a grand challenge for monitoring Earth’s terrestrial water, Water Resources Research, 47(5), doi:10.1029/2010WR010090.

Zsoter, E., Cloke, H., Stephens, E., de Rosnay, P., Muñoz-Sabater, J., Prudhomme, C. and Pappenberger, F., 2019: How Well Do Operational Numerical Weather Prediction Configurations Represent Hydrology?, J. Hydrometeorol., 20(8), 1533–1552, doi:10.1175/JHM-D-18-0086.1