Функциональные возможности информационной системы об экстремальных природных явлениях

УДК 551.583.2

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ОБ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ ПРИРОДНЫХ ЯВЛЕНИЯХ

Я.М. Иваньо, Н.В. Старкова

В работе рассмотрена структура разработанной информационной системы об экстремальных природных явлениях, описаны ее функциональные возможности. Приведены примеры практического использования информационной системы

Ключевые слова: информационная система, природное событие, методы, база данных

Введение

Экстремальное природное событие представляет собой возмущение природной среды, причиняющее ущербы хозяйственной деятельности человека. Большую опасность для сельского хозяйства представляют экстремальные события в виде засух и наводнений. По данным статистического анализа частота появления экстремальных природных событий на территории Восточной Сибири, причиняющих значительный ущерб различным отраслям народного хозяйства, составляет 1 раз в 4-6 лет .

В работе [1] такие явления как: засуха, паводок, половодье, заморозок и другие явления разделены на три группы: агрометеорологические, метеорологические и гидрологические.

Исследование групп экстремальных природных явлений необходимо для оценки изменчивости их характеристик, которая используется для принятия решений в различных отраслях антропогенной деятельности. Особо значимо изучение этой проблемы для отраслей народного хозяйства, в наибольшей степени подверженных влиянию природных процессов.

Очевидно, что принятые управленческие решения должны опираться на достоверную своевременную информацию об изменчивости экстремальных природных явлениях.

Сбор, обработка и анализ данных о природных явлениях - это задачи, которые требуют преодоления технических трудностей, огромных затрат и адекватных организационных решений, что предполагает использование компьютерных методов и средств для обработки информации.

В литературе [2] встречаются сведения о базах данных и знаний, связанных с экологией, климатологией и гидрометеорологией.

Иваньо Ярослав Михайлович - ИрГСХА, д-р техн. наук, профессор, тел.(3952)237-497, Е-mail: iasa-

econ@rambler.ru

Старкова Надежда Владимировна - ИрГСХА, аспирант, тел.(3952)237-425, E-mail: starkovan@list.ru

В частности, в ИСЭМ СО РАН разработана модель долгосрочного прогнозирования природообусловленных составляющих энергетики, учитывающая тенденции не только точечных процессов, но и глобальные масштабы

распределения параметров и их взаимосвязей. Информация включает суточные показатели, начиная с 1948 г. (источник информации МОЛА), месячные суммы атмосферных осадков (вРСС), суточные, минимальные и максимальные температуры воздуха и суточные осадки по

станциям России и прилегающих территорий с 1880 г., а также архив данных за многолетние периоды по стоку рек. На основе обработки климатических суточных данных изменения

температур воздуха и приземного атмосферного давления за периоды 1948-1976 и 1977-2005 гг. получены карты для северного полушария для всех сезонов года, которые показали изменения

глобального климата и их влияние на увлажненность территории Восточной Сибири [3].

Общая характеристика информационной системы об экстремальных природных явлениях

Авторами статьи для описания экстремальных природных явлений спроектирована

информационная система оценки, реконструкции и прогнозирования экстремальных событий [4].

Главные требования к информационной системе вытекают из ее назначения - предоставлять пользователю полную и систематизированную информацию по различным аспектам экстремальных природных явлений с

одновременным раскрытием

методики выбора приемлемых сценариев развития. Конкретизируя сказанное применительно к рассматриваемой тематике, следует указать, что систему об экстремальных природных явлениях можно использовать для решения следующих задач:

- оказания информационной и методической поддержки отраслей народного хозяйства;

- информационного обеспечения различных сторон антропогенной деятельности человека;

- определения оценок и прогнозов характеристик экстремальных явлений;

- комплексного определения изменчивости событий;

- оценки переходов;

- определения взаимосвязей между явлениями;

- восстановления данных за предыдущие периоды и т.д.

Информационная система об экстремальных природных явлениях состоит из следующих подсистем:

- модуля определения наименьших и наибольших годовых значений природных характеристик из ежедневных данных;

- модуля оценки событий экстремальных природных явлений;

- модуля восстановления данных и обработки

исторических свидетельств о природных

характеристиках;

- модуля прогнозирования экстремальных природных явлений.

Разработка проекта информационной системы осуществляется на основе реляционной базы с использованием комплексного визуального

анализа данных с помощью различных видов графиков и диаграмм, расчета вторичных переменных с использованием встроенных

функций, сценариев и открытой пользовательской формы, а также вывода данных для печати и вторичной аналитической обработки в привычных для пользователя форматах.

Основной функцией рассматриваемой

информационной системы (ИС) является

«Обработка информации об экстремальных природных явлениях» (рис .1). Обработке

подвергаются многолетние ряды экстремальных значений природных характеристик и исторические свидетельства об экстремальных явлениях. Этот процесс основывается на различных алгоритмах и методах оценки, восстановления и

прогнозирования. В результате с помощью ИС можно получить обработанные исторические свидетельства, восстановленные данные по экстремальным явлениям и прогнозы

характеристик экстремальных явлений.

Виды

природных

Методы и алгоритмы восстановления

Методы

прогнозирования

Многолетние ряды экстремальных значении природных характеристик

Исторические свидетельства об экстремальных природных явлениях

Обработка информации об экстремальных природных явлениях

Запрос

Обработанные

исторические

свидетельства

і;і Восстановленные данные

Прогноз характеристик экстремальных явлений

Запрашиваемая 01 информация

Компьютер

Пользователь

Комплексное

определение

изменчивости

событий

Рис. 1. Функциональная модель информационной системы

Ядром проектируемой системы является база данных, которая делится на стационарные

наблюдения и справочник исторических

свидетельств об экстремальных природных

явлениях, связь с которыми осуществляется через пользовательский интерфейс (рис. 2).

В клиентской части программно реализованы функции сбора, обработки, анализа данных об экстремальных явлениях и их визуализации.

/ N

Внешние источники

Оіраслевьге

организации

Информационная система об экстремальных природных явлениях

База данных

Стацио- Справочник

нарные истори-

наблюдения ческих

свидетельств

Г.

обработки информации

Пользовательский интерфейс

Сельское

хозяйство

Водное

хозяйство

Лесное хозяйство ндр.

Рис.2. Модель информационной системы об экстремальных природных явлениях

Клиентская часть состоит из средств загрузки, выгрузки и мониторинга хранилища данных, и программных инструментов обработки и анализа данных, реализованных в среде разработки приложений Вог1аМ Бе1рЫ.

Источники информации и база данных

Трудность при создании информационной системы об экстремальных природных явлениях связана прежде всего с получением информации из различных источников. Очевидно, что пополнение данных необходимо осуществлять из фондов гидрометеорологических служб. Вместе с тем

исторические свидетельства находятся в архивах и библиотеках. Пространственная оценка природного явления связана со спутниковой информацией.

Систематизация данных о стихийных явлениях основывается на многолетних материалах специальных организаций, к которым относятся гидрометеорологическая служба, отделы специального обеспечения министерств сельского хозяйства регионов и различные предприятия. При этом необходимо учитывать исторические свидетельства об экстремальных природных явлениях для расширения возможностей

моделирования различных ситуаций. К сожалению, фрагментарным является обеспечение необходимой гидрометеорологической информацией различных сфер деятельности человека.

Так, гидрометеорологические пункты не совпадают в географическом отношении с

сельскохозяйственными предприятиями,

промышленными объектами, населенными

пунктами. Другими словами, число станций и постов наблюдений не совпадает с количеством

производственных объектов, поэтому возникает проблема точности определения

гидрометеорологических характеристик с помощью методов интерполяции при решении конкретных практических задач.

В дополнение к этому отделы специального обеспечения могут предоставить информацию об ущербах и их структуре по результатам исследования стихийных явлений на территориях регионов. Большое значение имеют данные о производственно-экономических показателях

сельскохозяйственных предприятий, особенно в годы проявления засух, паводков, половодий, сильных ливневых осадков и других

экстремальных природных явлений.

Очевидно, что приведенные источники могут частично компенсировать недостаточность

данных, получаемых с помощью пунктов

гидрометеорологической сети наблюдений. Вместе с тем в качестве дополнительных материалов применимы данные государственных комитетов по статистике. В частности, интерес вызывают материалы об урожайности сельскохозяйственных культур, интегрально характеризующие

неблагоприятные засушливые периоды.

Для оценки различных ситуаций

изменчивости климата и разработки сценариев развития природных процессов необходимо

увеличение данных о природных явлениях исторического прошлого. Поэтому работы, связанные с систематизацией историко-архивных материалов, исторических свидетельств, летописей, в значительной степени расширяют знания прежде всего об экстремальных природных явлениях и их последствиях для деятельности человека.

Для информационной системы по оценке, реконструкции и прогнозированию экстремальных природных явлений необходимо решение задачи, связанной с получением исходной информации из первоисточников. К первоисточникам информации можно отнести:

- ежемесячные издания (гидрологические, метеорологические, агрометеорологические);

- ежегодные издания (ежегодные данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши) [5],

- многолетние издания

(документографическая базы данных по метеорологии, климатологии и гидрометеорологии, ресурсы поверхностных вод, основные гидрологические характеристики, климатические справочники [6]) и др.

На основании выделенного комплекса характеристик явлений сформирована модель данных, которая состоит из 15 сущностей. Количество сущностей может быть увеличено в зависимости от природных явлений региона. 11 сущностей представляют собой наиболее значимые для территории Восточной Сибири экстремальные природные явления.

Физический уровень модели данных содержит те же сущности что и логический уровень, однако,

он ориентирован на конкретную СУБД (в данном случае РтеВМ). Модель на физическом уровне содержит информацию о типе данных каждого атрибута. Администрирование базы данных осуществляется в ШЕхреП. ШЕхреП -программный инструментарий для

администрирования баз данных Р1геВШ. Полученная модель данных автоматически сгенерирована в СУБД Р1геВЫ.

Реализованная таким образом база данных состоит из 15 таблиц. Каждая таблица содержит необходимое количество атрибутов. Из всей информации осуществлена выборка экстремальных годовых значений следующих характеристик: температуры воздуха и почвы, наибольшего количества суточных и единовременных выпавших осадков, толщины льда, уровня и расхода воды. К этим данным добавлены сведения агрометеорологических станций о массе зерна, собранного с одного квадратного метра, и дополнительный материал, касающийся, в частности, результатов работ полевых партий по определению максимальных исторических уровней воды рек. Размер базы данных по экстремальным природным явлениям составляет около 20 Мбайт. Пространственно экстремальные природные события охватывают территорию размером более 1,3 млн.м2 Наиболее продолжительными периодами наблюдений обладают экстремальные температуры воздуха (1809 - 2008 гг) и

наибольшие суточные осадки (1874 - 2006 гг). Несколько меньшей длиной отличаются ряды уровней и расходов воды (1928 - 2006 гг). Наименее продолжительные выборки составили температуры поверхности почвы, толщины льда и урожайности зерна. На выделенной территории рассмотрено 27 гидрометеорологических пунктов наблюдения.

Каждое экстремальное природное явление характеризуется пространством охвата и количественными показателями силы проявления. Более того, при анализе редкой характеристики водного объекта интерес вызывает состояние воздуха и почвы в этот год. Поэтому экстремумы частей дополняют друг друга, создавая более полную картину состояния природной среды.

В работе разработан справочник исторических свидетельств об экстремальных природных явлениях, который дополняет стационарные данные о природных явлениях. Справочник содержит: факты, события и значения

экстремальных характеристик. Основной функцией данного справочника является предоставление данных для: исторической справки, реконструкции данных, построения потоков событий, оценки повторяемости выдающихся событий, построения законов распределения вероятностей с учетом исторических экстремумов.

Комплекс методов обработки данных

Для обработки информации используется система подходов и методов оценки характеристик экстремальных природных явлений [1].

С целью выявления и использования закономерностей изменчивости экстремальных

характеристик при построении моделей необходимо применять комплексное

математическое описание природных явлений. В его основу положены следующие методы: анализ минимальных и максимальных значений непрерывной цепи годовых циклов и изучение индивидуальных и групповых характеристик; исследование временных рядов в виде иерархических составляющих; восстановление экстремальных климатических характеристик

исторического прошлого; определение

пространственно-временных и диахронных закономерностей изменений параметров тепла и влаги и другие.

В данной системе можно анализировать природные события по четырем направлениям: одно явление в одной точке; множество явлений в одной точке; одно явление в пространстве; множество явлений в пространстве. Выделение экстремальных событий основано на двух моделях:

- двухуровневой организации: события и их отсутствие [7, 8];

- иерархической организации

хронологической последовательности

характеристик с учетом переломных точек [9, 10].

Согласно первой модели из многолетнего ряда минимальных и максимальных значений по критерию выделяют события. В качестве критериев применяются физические уровни, которые могут быть оценены с помощью статистических параметров.

При использовании второй модели, полученные хронологические последовательности годовых максимальных и минимальных значений характеристик тепла и влаги представляют собой иерархические структуры. Другими словами, совокупность ежегодных величин делима на четыре верхние и четыре нижние уровни, для которых сформированы ряды значений. Каждая последующая ступень иерархии характеризует более высокие значения экстремумов по сравнению с предыдущей. Однако увеличение уровня иерархии уменьшает число точек, образующих ряд.

Для оценки циклов в многолетних рядах природных характеристик использованы распространенные приемы корреляционного, регрессионного и спектрального анализа. Очевидно, что закономерности, наблюдаемые на временных отрезках, повторяются и в пространстве. Ввиду особенностей наименьших минимумов и наибольших максимумов значение приобретает оценка динамики климатических характеристик на различных количественных уровнях, резкая смена состояний природного объекта в отдельные годы и соотношение при этом

экстремальных показателей тепла и увлажненности.

Одна из самых распространенных и актуальных задач остается задача многолетнего прогнозирования. В настоящее время существует ряд подходов при решении данной проблемы. Наиболее распространенными можно назвать статистические методы прогнозирования.

К сожалению, прогнозирование природных характеристик на многолетнюю перспективу является сложной задачей, которую многие авторы считают невыполнимой. Тем не менее практические задачи, связанные с планированием производства, оценкой рисков, стратегией развития территорий и другие требуют прогностических решений.

Придерживаясь мнения многих авторов о сложности многолетнего прогнозирования природных характеристик, тем не менее, обратим внимание на некоторые нетрадиционные аспекты экстремальных природных явлений, позволяющие высказываться о возможности предсказания тенденций изменчивости событий и значений климатических характеристик.

Результаты исследования показывают

необходимость использования некоторых

принципиальных моментов при определении изменчивости характеристик экстремальных природных явлений [8]. Во-первых, имеет смысл рассматривать колебания экстремальных явлений на 11-летних отрезках. При этом точку начала оценки будущих ситуаций следует связать с минимумом 11-летнего цикла солнечной активности. Во-вторых, помимо значений многолетних рядов необходимо исследовать природные события и выдающиеся явления. В-третьих, требуется комплексный анализ характеристик различной природы, включая историко-архивные свидетельства.

Применение информационной системы

Используемые в разрабатываемой информационной системе подходы и методы реализованы для прогнозирования событий и значений характеристик экстремальных природных явлений в 23 цикле солнечной активности. При этом прогностические тенденции с точкой отсчета в 1997 г., связанные с проявлением суровых зим и дождевых паводков, в основном оправдались [11].

Что касается оценки значений событий, то здесь можно применить следующие методы: определения законов распределения полных, усеченных выборок с учетом и без учета исторических свидетельств; выделения

выдающихся явлений; нахождение их повторяемости; выявление факторов их определяющих.

Комплекс предлагаемых методов позволяет оценить значение события и выдающегося явления, систематизировать факты и построить модели

пространственно-временных характеристик

экстремальных явлений.

Помимо оценки закономерностей динамики экстремальных значений комплекса характеристик информационная система позволяет определять различные стороны влияния природных стихий на отрасли народного хозяйства. С помощью геоинформационных технологий существует возможность устанавливать зоны затопления и подтопления на картах территорий хозяйств Восточной Сибири. Кроме того, система позволяет:

- оценивать риски получения

сельскохозяйственной продукции;

- рассчитывать вероятность появления

событий;

- определять эродированные зоны;

- прогнозировать тенденции появления событий;

- моделировать производство с учетом

экстремальных природных явлений.

Рассмотрим некоторые примеры алгоритмов работы информационной системы.

Для определения эродированных зон на основе данных, которые выделяются из таблицы «Максимальные суточные осадки» базы данных информационной системы об экстремальных природных явлениях, рассчитывается

интенсивность осадков. Информация об интенсивности осадков в определенном пункте наблюдения экспортируется в геоинформационную систему «Карта 2008» фирмы «Панорама». Эти данные дополняются параметрами рельефа, благодаря чему определяется поверхностный сток и рассчитывается наибольший годовой объем смыва почвы.

При оценке зон подтопления/затопления используются значения максимальных уровней воды. На основе данных об уровне воды строятся законы распределения. Оценка уровня воды с заданной вероятностью превышения производится по полной кривой, усеченной кривой и с учетом исторического максимума. На основании полученных результатов определяется отметка уровня воды с заданной вероятностью превышения, на основе которой определяются территории подтоплений и затоплений (рис. 3).

Для наглядного представления

эродированных зон и зон подтопления и затопления значения характеристик экстремальных событий экспортируются в геоинформационную систему «Карта 2008» фирмы «Панорама». Данные из внешней базы данных могут быть также получены с помощью 8рЬ-запросов. Записи таблиц базы данных связываются с объектами карты через уникальный идентификатор.

Рис.3. Построение зоны затопления по отметкам

уровня воды

Знания об экстремальных природных явлениях помогают производственникам

анализировать сложные ситуации, оценивать

риски, прогнозировать и планировать деятельность хозяйства. В конечном итоге обеспечение информацией об экстремальных явлениях

позволяет регулировать производственные

процессы для уменьшения социальноэкономических потерь.

Решения задач определения структуры

производства животноводства, растениеводства, сочетания отраслей, оптимизации машиннотракторного парка и других требуют знаний об экстремальных природных явлениях. При этом для территорий с резко континентальным климатом оптимизационные модели, учитывающие в целевой функции и ограничениях потери от воздействия внешних факторов, имеют

преимущество перед традиционными моделями, в которых предполагается, что производство осуществляется в обычных природных условиях.

Выводы

Разработана информационная система, позволяющая моделировать изменчивость экстремальных характеристик природных явлений. Система включает базу данных об экстремальных природных явлениях за многолетний период и комплекс методов обработки информации. Спроектированная база данных состоит из двух блоков: материалов стационарных наблюдений и справочника историко-архивных свидетельств. При этом систематизированы источники получения сведений для базы данных.

Реализованный комплекс математических методов позволяет оценивать, реконструировать и прогнозировать экстремальные события. Помимо этого информационная система позволяет экспортировать информацию в

геоинформационные системы для определения степени влияния природных стихий на хозяйственную деятельность человека.

Литература

1. Старкова, Н.В. Методы оценки экстремальных событий в системе обеспечения сельскохозяйственных предприятий информацией [Текст] / Н.В. Старкова // Труды XIII Байкальской Всероссийской конференции «Информационные и математические технологии в науке и управлении». Том 2. - Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2008. -С.38 - 44.

2. Старкова, Н. В. Об экстремальных природных явлениях и моделировании базы знаний [Текст] / Н.В. Старкова // Материалы XVI научной конференции молодых географов Сибири и Дальнего Востока. -Иркутск: Издательство Института географии им. В. Б. Сочавы СО РАН, 2007. - С.113-114

3. Абасов, Н.В. Об исследовании динамики

увлажненности территории Прибайкалья [Текст] / Н.В. Абасов, Т. В. Бережных, В. В. Ветрова // Сборник статей международной научно-практической конференции,

посвященной 75-летию образования ИрГСХА «Климат, экология, сельское хозяйство Евразии». - Иркутск:НЦ РВХ ВСНЦ СО РАМН, 2009. - С.17 - 21.

4. Иваньо, Я.М. О концептуальной модели базы

знаний об экстремальных гидрометеорологических явлениях [Текст] / Я. М. Иваньо, Н.В. Старкова // Тезисы докладов второй международной научно-технической конференции «ОКРУЖАЮЩАЯ ПРИРОДНАЯ СРЕДА -2007: актуальные проблемы экологии и

гидрометеорологии - интеграция образования и науки» -Одесса: ОГЭУ, 2007. - С.156

5. Государственный водный кадастр. Ежегодные

данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши [Текст]. 1984г. - Части 1 и 2. - Иркутское

территориальное управление по гидрометеорологии и контролю природной среды, 1986. - 184с.

6. Климатический справочник СССР [Текст]. Л.: Гидрометеоиздат, 1955. Ч.1. Вып.22.217 с.

7. Кренке, А.Н. Изменчивость климата Европы в

историческом прошлом [Текст] /А.Н.Кренке,

М.И.Чернавская, Р. Браздил и др. - Москва: Наука, 1995.

- С.224.,

8. Раунер, Ю.Л. Динамика экстремумов увлажнения за исторический период [Текст] / Ю.Л. Раунер. - Москва: Изв. АН СССР Сер.геогрл981.К 6. -С.5-22.и др.

9. Иваньо Я.М. Экстремальные природные явления: методология, моделирование и прогнозирование [Текст] / Я.М. Иваньо. - Иркутск: Изд-во ИрГСХА, 2007. - 266с.

10. Дружинин И.П. Динамика многолетних колебаний речного стока [Текст] / И.П. Дружинин, В.Р. Смага, А.Н. Шевнин - М: Наука,1991. - 176 с.

11. Иваньо, Я. М. Экстремальные характеристики, события и переходы как показатели изменчивости климата Восточной Сибири [Текст] / Я.М. Иваньо // Материалы Пятой международной конференции «Циклы природы и общества». - Ставрополь, 1997. - Ч.1. С.86-91.

Иркутская государственная сельскохозяйственная академия

FUNCTIONALITIES OF INFORMATION SYSTEM ABOUT THE EXTREME NATURAL PHENOMENA

Y.M. Ivan’o, N.V. Starkova

In job the structure of information system about the extreme natural phenomena is considered, its functionalities are described. The examples of practical use of information system are given

Key words: information system, natural event, methods, database