География и геология / 3.Гидрология и водные ресурсы.

 

К.ф.-м.н. Саноцкая Н.А.

Российский государственный гидрометеорологический университет,
Санкт-Петербург, Россия

Определение и общие положения статистического диагноза экстремального стока рек

 

Методы статистического анализа служат инструментом выявления и описания взаимосвязей для решения задач диагноза, т.е. анализа и прогноза гидрологических характеристик экстремального стока. Точность и надежность получаемых при этом выводов во многом определяется количеством и разнообразием исходной обрабатываемой информации.

В методах одномерного анализа данных рассматривается по­следовательность наблюдений во времени или в пространстве и изучается характер изменчивости, однородность колебаний [1, 2]. При всей своей эффективности методы одномерной статистики не позволяют с необходимой полнотой проанализировать сложный многопараметрический процесс.

Методы парного анализа рядов (корреляционный, регрессионный, спектральный) преследуют цель статистического описания взаимосвязи двух векторов наблюдения во времени или в пространстве. В этом случае анализируется каждый вектор в отдельности, а также парная корреляция, что позволяет уже более полно по сравнению с одномерным анализом изучить статистическую структуру процесса.

И лишь в методах многомерного статистического анализа появляется реальная возможность исследовать совместно множество векторов наблюдений. Методы многомерного статистического анализа направлены на решение задач статистического анализа матриц из N наблюдений (объектов) за М переменными (признаками). Совместные распределения наблюдаемых характеристик анализируются в терминах векторов и матриц, с помощью которых методами многомерного статистического анализа дается количественное описание скрытых взаимосвязей исходных параметров и раскрывается содержание моделей диагноза и прогноза исследуемых многомерных гидрологических процессов.

По определению, диагноз – заключение о сущности болезни и состоянии пациента, выраженное в принятой медицинской терминологии и основанное на всестороннем систематическом изучении пациента. В применении к практической гидрологии существо термина меняется незначительно.

Диагноз – это последовательность процедур обобщения, систе­матизации и интерпретации наблюдаемой изменчивости гидрологических характеристик с целью формулировки достоверной модели происходящих процессов.

Диагноз предполагает два основных этапа: анализ и синтез [3]. Начальным этапом исследований является анализ, смысл которого состоит в разложении объекта исследований на составные части. Основное содержание любого аналитического метода состоит в том, чтобы выявить и описать составные элементы происходящих процессов.

Заключительным этапом диагноза является синтез. Основной принцип синтеза состоит в объединении выявленных элементарных составных частей или простейших свойств в некое единое целое с целью построения законченной картины на основе выявленных на этапе анализа закономерностей и взаимосвязей элементов. Синтез включает интерпретацию выстроенной системы закономерностей, т.е. физическое объяснение выявленных закономерностей, формулировку общего физического механизма возникновения и развития происходящих в водном объекте явлений.

В понятие диагноза можно включить всю совокупность процедур преобразования разнородной гидрологической информации в процессе изучения функционирования речной системы в прошлом или настоящем. Поэтому в диагноз в качестве составных частей входят два основных типа диагностических процедур: физический и статистический диагноз.

К физическому диагнозу отнесены процедуры и методы определения состояния речной системы, построенные на основе описания гидрологических явлений и процессов путем расчета и анализа разнообразных гидрофизических характеристик. По своему содержанию физический диагноз традиционен. Он включает в себя прежде всего типично гидрологические методики вычислений непосредственно ненаблюдаемых, а потому вторичных характеристик состояния речной системы. Это огромный класс параметров, характеризующих физические и динамические поля. Основной принцип отнесения гидрологических характеристик к данному классу: все эти параметры функционально через посредство известных физических законов связаны с другими первичными характеристиками и образуют набор переменных, однозначно характеризующих конкретные виды гидрологических процессов.

Смысл физического диагноза и состоит в том, чтобы охарактеризовать происходящие в реке изменения через систему известных и принятых в гидрологии терминов и категорий.

Как правило, методология физического анализа представляет собой своеобразную смесь, состоящую из эмпирических приемов количественного анализа в сочетании с практическими методами качественной обработки и описания. Основой подобного объединения оказывается многолетний опыт практических исследований, который зачастую является не результатом направленных систематических исследований речной системы, а следствием обобщения частных интересов практической деятельности.

В целом практика физического анализа гидрологических процессов представляется сложившейся, законченной и весьма эффективной методологией обработки гидрологической информации [4].

Статистический диагноз предполагает применение статистических методов для обработки, анализа и интерпретации гидрологической информации во всем ее многообразии. Статистический диагноз потенциально имеет широкие возможности практического применения в гидрологических исследованиях, что обусловлено большим разнообразием статистических методов преобразования информации. Однако применение статистического диагноза на практике пока весьма ограничено. Причин тому несколько.

Во-первых, недостаточная математическая подготовка исследователей-прикладников. По сути, это и сдерживает использование всего многообразия методик для формулирования и проверки статистических гипотез, принятия статистически обоснованных решений всестороннего количественного исследования взаимосвязей гидрологических характеристик. В результате диагноз сводится к практическому применению лишь отдельных методологических приемов, которые, хотя и не являются оптимальными для решения конкретных задач, зато представляют собой отлаженную, устоявшуюся, исторически сложившуюся схему, не грозящую исследователям какими-либо неожиданными проблемами.

Во-вторых, применение современных методов статистического анализа должно быть подкреплено соответствующей технической базой. Характеристики имеющихся компьютеров сейчас позволяет проводить расчеты и статистическую обработку данных любой сложности. Недостаточно специалистов-гидрологов, профессионально работающих со специализированными пакетами программ.

Наконец, третья причина заключается в медленном накоплении гидрологической информации на электронных носителях и невозможность получить гидрологические данные с 1990-х годов. Достоверность статистических выводов однозначно связана с длиной исследуемых выборок. Поэтому накопление информации и ее организованное хранение можно рассматривать как прямой путь к развитию статистических методов диагноза.

Сущность статистического диагноза сводится к количественному анализу множества гидрологических характеристик, построению оптимальных статистических моделей наблюдаемых процессов, дальнейшему описанию и интерпретации закономерностей и физических механизмов формирования изменчивости речной системы.

Литература

1                   Рожков В.А. Теория и методы статистического оценивания вероятностных характеристик случайных величин и функций. – СПб., Гидрометеоиздат, 2002. – 780 с.

2                   Смирнов Н.П., Вайновский П.А., Титов Ю.Э. Статистический диагноз и прогноз океанологических процессов. – СПб., Гидрометеоиздат, 1992. – 200 с.

3                   Саноцкая Н.А. Теоретические принципы диагностирования экстремального стока рек аридной зоны // Материалы IX международной научно-практической конференции «Научная индустрия европейского континента – 2013». Том 29. Прага, 2013. – 70-72 с.

4                   Свод правил по проектированию и строительству СП 33-101-2003 "Определение основных расчетных гидрологических характеристик" (одобрен постановлением Госстроя РФ от 26 декабря 2003 г. № 218)