sergeogrИзвестия Российской академии наук. Серия географическаяIzvestiya Rossiiskoi Akademii Nauk. Seriya Geograficheskaya2587-55662658-697510.31857/S2587556620030103sergeogr-1092Research ArticleПриродные процессы и динамика геосистемNatural Processes and Dynamics of GeosystemsКорреляционные связи многолетних колебаний месячного и годового стока в бассейне реки УралCorrelation of the Monthly and Annual Runoff Multiple-Year Variation in the Ural River BasinВасильевД. Ю.Vasil’evD. Yu.

Уфа, Москва

Ufa, Moscow

vasilevdy@ugatu.suВодопьяновВ. В.VodopyanovV. V.

Ufa

ЗакирзяновШ. И.ZakirzyanovSh. I.

Ufa

КенжебаеваА. Ж.KenzhebaevaA. Zh.

Москва

Moscow

СеменовВ. А.SemenovV. A.

Москва

Moscow

СивохипЖ. Т.SivokhipZh. T.

Оренбург

Orenburg

Уфимский государственный авиационный технический университет; Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова, РАНРоссияUfa State Aviation Technical University; Institute of Atmospheric Physics, Russian Academy of SciencesRussian FederationУфимский государственный авиационный технический университетРоссияUfa State Aviation Technical UniversityRussian FederationМосковский государственный университет имени М.В. ЛомоносоваРоссияLomonosov Moscow State UniversityRussian FederationИнститут физики атмосферы им. А.М. Обухова, РАН; Институт географии, РАНРоссияInstitute of Atmospheric Physics, Russian Academy of Sciences; Institute of Geography, Russian Academy of SciencesRussian FederationИнститут степи, УрО РАНРоссияInstitute of Steppe, Ural Branch of Russian Academy of SciencesRussian Federation202029062020843414426Copyright © Васильев Д.Ю., Водопьянов В.В., Закирзянов Ш.И., Кенжебаева А.Ж., Семенов В.А., Сивохип Ж.Т., 20202020Васильев Д.Ю., Водопьянов В.В., Закирзянов Ш.И., Кенжебаева А.Ж., Семенов В.А., Сивохип Ж.Т.Vasil’ev D.Y., Vodopyanov V.V., Zakirzyanov S.I., Kenzhebaeva A.Z., Semenov V.A., Sivokhip Z.T.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://izvestia.igras.ru/jour/article/view/1092

Статья посвящена изучению тесноты связей многолетних колебаний месячного и годового стока в бассейне р. Урал. Для рек этого бассейна вычислены нормы месячного и годового стока, с помощью метода вейвлет-анализа выявлены тенденции их изменения и циклы водности. Произведена оценка пространственной корреляции речного стока в пределах исследуемого речного бассейна. На основе модели периодически коррелированного процесса произведено прогнозирование временны х рядов по выделенным гидрологическим сезонам, оценена теснота связей между среднемесячными расходами каждого месяца и среднегодовым расходом воды, а также между средними месячными расходами воды. Определена статистическая значимость выявленных корреляционных зависимостей. Установлена существенно более сильная коррелированность значений стока внутри года по сравнению с межгодовой, что может быть обусловлено наличием во временнбй структуре процесса долгопериодного колебания, на фоне которого проявляется ритмика годовой и внутригодовой цикличности. Предложено рассматривать колебания стока в бассейне р. Урал как случайный стохастический процесс, состоящий из двух компонент — инерционной (трендовая) и сезонной (осциллирующая).

This article examines the strength of perennial fluctuations’ relationship in monthly and annual runoffs in the Ural River basin. The norms of monthly and annual runoffs were calculated for the rivers of this basin. Using the wavelet analysis method, trends of their changes and water flow cycles were identified. An estimation of the river flow spatial correlation within the studied river basin was made. On the basis of a periodically correlated process model, the time series was predicted for the selected hydrological seasons. The relationship strength between the monthly average discharge of each month and the average annual water discharge, as well as between the average monthly water discharges were estimated. The statistical significance of the identified correlations was determined. A significantly stronger correlation between the values of the runoff within the year in comparison to that of the interannual was established. The last finding may be due to the long-period oscillation presence in the temporal series that helps manifest the rhythm of the annual and intra-annual cycles. It is proposed to consider the runoff fluctuations in the Ural River basin as a random stochastic process consisting of two components: inertial (trend) and seasonal (oscillating).

расход водыслой стокар. Уралкорреляционные связивейвлет-анализЮжный Уралwater dischargerunoffUral Rivercorrelation linkswavelet analysisSouth UralРабота выполнена при поддержке РНФ (грант № 19-17-00215). Авторы выражают искреннюю признательность анонимным рецензентам, сделавшим ряд ценных замечаний, а также Башкирскому УГМС, Оренбургскому ЦГМС (филиал Приволжского УГМС Росгидромета), лично Н.А. Бондаренко и В.З. Горохольской за предоставленные данные по инструментальным наблюдениям по расходам водыThe study was financially supported by the Russian Science Foundation (project no. 19-17-00215). Authors are grateful to anonymous reviewers for valuable comments, as well as Bashkir Department of Hydrometeorology and Environmental Monitoring, Orenburg Center of Hydrometeorology and Environmental Monitoring, N.A. Bondarenko, and V.Z. Gorohol’skaya for data on instrumental observations of water dischargeReferencesАндреянов В. Г. Внутригодовое распределение речного стока. Л.: Гидрометеоиздат, 1960. 327 с.Andreyanov V.G. Vnutrigodovoe raspredelenie rechnogo stoka [Intra-annual Distribution of River Flow]. Leningrad: Gidrometeoizdat, 1960. 327 p.Андреянов В.Г. Методические указания по расчетам внутригодового распределения стока при строительном проектировании. Л.: Гидрометеоиздат, 1970. 77 с.Andreyanov V.G. Metodicheskie ukazaniya po rasche-tam vnutrigodovogo raspredeleniya stoka pri stroitel’nom proektirovanii [Guidelines for the Calculation of the Intra-Annual Distribution of Runoff During Construction Design]. Leningrad: Gidrometeoizdat, 1970. 77 p.Андреянов В.Г. Некоторые уточнения и упрощения методики расчетов календарного внутригодового распределения речного стока применительно к требованиям строительного проектирования // Труды ГГИ. Л.: Гидрометеоиздат, 1966. Вып. 134. С. 80-114.Andreyanov V.G. Nekotorye utochneniya i uproshcheni-ya metodiki raschetov kalendarnogo vnutrigodovogo raspredeleniya rechnogo stoka primenitel’no k trebovani-yam stroitel’nogo proektirovaniya [Some Clarifications and Simplifications of the Method for Calculating the Calendar Intra-Annual Distribution of River Flow in Relation to the Requirements of Building Design]. Trudy GGI. Leningrad: Gidrometeoizdat, 1966, vol. 134, pp. 80-114.Бендат Дж., Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных. М.: Мир, 1989. 540 с.Bendat J., Pirsol A. Prikladnoi analiz sluchainykh dan-nykh [Applied Analysis of Random Data]. Moscow: Mir Publ., 1989. 540 p.Болгов М.В., Филиппова И.А. Пороговые стохастические модели минимального стока // Метеорология и гидрология. 2006. № 3. С. 88-94.Bolgov M.V., Filippova I.A. Threshold stochastic models of low flow. Meteorologiya i Gidrologiya, 2006, no. 3, pp. 88-94. (In Russ.).Борщ С.В., Христофоров А.В. Гидрометеорологические прогнозы // Труды ГМЦ России. 2015. № 355. С. 48-100.Borshch S.V., Khristoforov A.V. Gidrometeorologiches-kie prognozy [Hydrometeorological Forecasts]. Trudy GMC of Russia. Moscow: Gidrometeoizdat, 2015, no. 356, pp. 48-100.Васильев Д.Ю., Бабков О.К., Давлиев И.Р., Семенов В.А., Христодуло О.И. Пространственно-временная структура колебаний приземной температуры на Южном Урале // Оптика атмосферы и океана. 2018. Т. 31. № 4. С. 294-302.Vasil’ev D.Yu., Babkov O.K., Davliev I.R., Semenov V.A., Christodulo O.I. Spatio-temporal stricture of surface air temperature fluctuations in the Southern Urals. Optika Atmosfery i Okeana, 2018, vol. 31, no. 4, pp. 294-302. (In Russ.).Васильев Д.Ю., Бабков О.К., Кочеткова Е.С., Семенов В.А. Вейвлет и кросс-вейвлет анализ сумм атмосферных осадков и приповерхностной температуры на Европейской территории России // Изв. РАН. Сер. геогр. 2017. № 6. С. 63-77.Vasil’ev D.Yu., Babkov O.K., Kochetkova E.S., Semenov V.A. Wavelet and cross-wavelet analysis of the sums atmospheric precipitation and air temperature in European Russia. Izv. Akad. Nauk, Ser. Geogr., 2017, no. 6, pp. 63-77. (In Russ.).Васильев Д.Ю., Великанов Н.В., Водопьянов В.В., Красногорская Н.Н., Семенов В.А., Христодуло О.И. Связь аномалий яркостной температуры нижней тропосферы с климатическими индексами на примере Южного Урала // Исслед. Земли из космоса. 2019. № 2. С. 14-28.Vasil’ev D.Yu., Velikanov N.V., Vodopyanov V.V., Krasnogorskaya N.N., Semenov V.A., Christodulo O.I. Relationship of the brightness anomalies of the lower troposphere with the climate indices on the Southern Urals. Issledovanie Zemly iz Kosmosa, 2019, no. 2, pp. 14-28. (In Russ.).Васильев Д.Ю., Гавра Н.К., Кочеткова Е.С., Ферапонтов Ю.И. Корреляции сумм атмосферных осадков со средними и максимальными расходами воды весеннего половодья в бассейне реки Белая // Метеорология и гидрология. 2013. № 5. С. 351-358.Vasil’ev D.Yu., Gavra N.K., Kochetkova E.S., Fe-rapontov Yu.I. Correlation between the total precipitation and the mean and maximum runoff during the snowmelt flood in the Belaya River basin. Russian Meteorology and Hydrology, 2013, no. 5, pp. 351-358.Васильев Д.Ю., Лукманов Р.Л., Ферапонтов Ю.И., Чувыров А.Н. Цикличность гидрометеорологических характеристик на примере Башкирии // ДАН. 2012. Т. 447. № 3. С. 331-334.Vasil’ev D.Yu., Lukmanov R.L., Ferapontov Yu.I., Chuvyrov A.N. Periodicity in the hydrometeorological parameters of Bashkiria. Doklady Earth Sciences, 2013, vol. 448, no. 1, pp. 131-134. doi: 10.1134/S1028334X12110165Васильев Д.Ю., Павлейчик В.М., Семенов В.А., Сиво-хип Ж.Т., Чибилев А.А. Многолетний режим температуры воздуха и атмосферных осадков на территории Южного Урала // ДАН. 2018. Т. 478. № 2. С. 245-249. https://doi.org/10.7868/S0869565218050201Vasil’ev D.Yu., Pavleychik V.M., Semenov V.A., Sivo-hip J.T., Chibilev A.A. The long-term pattern of temperature and precipitation in the Southern Ural. Doklady Earth Sciences, 2018, vol. 478, no. 2, pp. 245-249. doi: 10.7868/S0869565218050201Васильев Д.Ю., Сивохип Ж.Т., Чибилев А.А. Динамика климата и внутривековые колебания стока в бассейне реки Урал // ДАН. 2016. Т. 469. № 1. С. 710-715.Vasil’ev D.Yu., Sivohip J.T., Chibilev A.A. Climate dynamics and interdecadal discharge fluctuations in the Ural River basin. Doklady Earth Sciences, 2016, vol. 469, no. 1, pp. 710-715. doi: 10.1134/ S1028334X16070096Васильев Д.Ю., Ферапонтов Ю.И. Тренды в колебаниях приземной температуры воздуха на примере Башкирии // Изв. РАН. Сер. геогр. 2015. № 1. С. 77-86.Vasil’ev D.Yu., Ferapontov Yu.I. Trends in the fluctuations of near surface air temperature (a case study of Bashkiria). Izv. Akad. Nauk, Ser. Geogr., 2015, no. 1, pp. 77-86. (In Russ.).Васильев Д.Ю., Водопьянов В.В, Зайцева Г.С., Закир-зянов Ш.И., Семенов В.А., Сивохип Ж. Т., Чибилев А.А. Модель долгосрочного прогноза весеннего стока на примере реки Белая // ДАН. 2019. Т. 486. № 6. С. 723-726. https://doi.org/10.31857/S0869-56524866723-726Vasil’ev D.Yu., Vodopyanov V.V., Zayzeva G.S., Zakir-zanov Sh.I., Semenov V.A., Sivohip J.T., Chibilev A.A. A long-term forecast model of spring runoff: the case study of the Belaya River. Doklady Earth Sciences, 2019, vol. 486, no. 6, pp. 723-726. doi: 10.1134/ S1028334X19060345Водные ресурсы России и их использование / под ред. И.А. Шикломанова. СПб.: изд-во ГГИ, 2008. 600 с.Vodnye resursy Rossii i ikh ispol’zovanie [Water Resources of Russia and their Use], Shiklomanov I.A., Ed. St. Petersburg: GGI Publ., 2008. 600 p.Гельфанд И.М., Фомин С. В. Вариационное исчисление. М.: Физматлит, 1961. 228 с.Gelfand I.M., Fomin S.V. Variatsionnoe ischislenie [Variational Calculus]. Moscow: Fizmatlit Publ., 1961. 228 p.Добровольский С. Г. Проблема глобального потепления и изменения стока российских рек // Водные ресурсы. 2007. Т. 34. № 6. С. 643-655.Dobrovolsky S.G. The problem of global warming and changes in the flow of the Russian rivers. Water Resources, 2007, vol. 34, no. 6, pp. 643-655.Долгов С.В., Коронкевич Н.И. Особенности реакции рек Русской равнины на изменение температуры воздуха // Изв. РАН. Сер. геогр. 2012. № 6. С. 55-62.Dolgov S.V., Koronkevich N.I. Peculiarites of the Russian plail reivers response to the air temperature change. Izv. Akad. Nauk, Ser. Geogr., 2012, no. 6, pp. 55-62. (In Russ.).Картвелишвили Н.А. Стохастическая гидрология. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. 162 с.Kartvelishvili N.A. Stokhasticheskaya gidrologiya [Stochastic Hydrology]. Leningrad: Gidrometeoizdat, 1975. 162 p.Коронкевич Н.И., Барабанова Е.А., Зайцева И.С. Влияние изменения годовых значений температуры воздуха и осадков на сток рек Русской равнины // Изв. РАН. Сер. геогр. 2007. № 5. С. 64-70.Koronkevich N.I., Barabanova E.A., Zaytseva I.S. The effect of changes in the annual values of air temperature and precipitation on the flow of the rivers of the Russian Plain. Izv. Akad. Nauk, Ser. Geogr., 2007, no. 5, pp. 64-70. (In Russ.).Мякишева Н.В., Гоюй Ч. Ритмика годовой цикличности гидрологических процессов в районах с интенсивной хозяйственной деятельностью // Вестн. СПбГУ. Сер. 7. 2011. Вып. 1. С. 98-106.Myakisheva NV, Goyuy Ch. Rhythmic annual cyclicality of hydrological processes in areas with intensive economic activity. Vestn. St.Petersburg Univ. Ser. 7, 2011, vol. 1, pp. 98-106.Мякишева Н.В., Трапезников Ю.А. Авторегрессионная модель межгодовой изменчивости гидрометеорологических процессов // Вероятностный анализ и моделирование океанологических процессов. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. С. 31-39.Myakisheva N.V., Trapeznikov Yu.A. Avtoregression-naya model' mezhgodovoi izmenchivosti gidrometeorolo-gicheskikh protsessov [Autoregressive Model of Interannual Variability of Hydrometeorological Processes], Probabilistic analysis and modeling of oceanological processes. Leningrad: Gidrometeoizdat, 1984, pp. 31-39.Музылев С.В., Привальский В.Е., Раткович Д.Я. Стохастические модели в инженерной гидрологии. М.: Наука, 1982. 184 с.Muzylev S.V., Privalsky V.E. Stokhasticheskie modeli v inzhenernoi gidrologii [Stochastic Models in Engineering Hydrology]. Moscow: Nauka Publ., 1982. 184 p.Раткович Д.Я. Многолетние колебания речного стока: закономерности и регулирование. Л.: Гид-рометеоиздат, 1976. 255 с.Ratkovich D.Ya. Mnogoletnie kolebaniya rechnogo sto-ka: zakonomernosti i regulirovanie [Perennial Fluctuations in River Flow: Patterns and Regulation]. Leningrad: Gidrometeoizdat, 1976. 255 p.Раткович Д.Я., Болгов М.В. Стохастические модели колебаний составляющих водного баланса речного бассейна. М.: ИВП РАН, 1997. 261 с.Ratkovich D.Ya., Bolgov M.V. Stokhasticheskie modeli kolebanii sostavlyayushchikh vodnogo balansa rechnogo basseina [Stochastic Models of Oscillations of the Components of the Water Balance of a River Basin]. Moscow: IWP RAS Publ., 1997. 261 p.Рожков В.А. Теория и методы статистического оценивания вероятностных характеристик случайных величин и функций с гидрометеорологическими примерами. СПб.: Гидрометеоиздат, 2001. 340 с.Rozhkov V.A. Teoriya i metody statisticheskogo otsenivaniya veroyatnostnykh kharakteristik sluchainykh velichin i funktsii [Theory and Methods of Statistical Estimation of Probability Characteristics of Random Variables and Functions]. St. Petersburg: Gidromete-oizdat, 2001. 340 p.Румянцев В.А., Трапезников Ю.А. Стохастические модели гидрологических процессов. СПб.: Наука, 2008. 152 с.Rumyantsev V.A., Trapeznikov Yu.A. Stokhasticheskie modeli gidrologicheskikh protsessov [Stochastic Models of Hydrological Processes]. St. Petersburg: Gidrometeoizdat, 2008. 152 p.Сванидзе Г.Г. Математическое моделирование гидрологических рядов. Л.: Гидрометеоиздат, 1977. 293 с.Svanidze G.G. Matematicheskoe modelirovanie gidro-logicheskikh ryadov [Mathematical Modeling of Hydrological Series]. Leningrad: Gidrometeoizdat, 1977. 293 p.Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2018661796. РФ. Реализация метода периодически коррелируемого случайного процесса, на примере стока реки / ред. Д.Ю. Васильев, В.В. Водопьянов, Ш.Н. Закирзянов; правообладатель Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. № 2018618838; заявл. 17.08.2018.; зарегистр. 18.09.2018.Certificate of state registration of computer programs 2018661796. Russian Federation. Realization of the method of the periodically correlated cyclostationary processes, case study of the river. Vasil’ev D.Yu., Vodopyanov V.V., Zakirzyanov Sh.N.; copyright holder: Ufa State Aviation Technical University - № 20186188838; declare 08.17.2018; registered 09.18.2018.Чибилев А.А. Река Урал. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. 168 с.Chibilev A.A. Reka Ural [Ural River]. Leningrad: Gidrometeoizdat, 1987. 168 p.Hao Z, Singh V.P. Entropy-copula method for singlesite monthly streamflow simulation // Wat. Res. 2012. V. 48. W06604. https://doi.org/10.1029/2011WR011419Hao Z., Singh V.P. Entropy-copula method for singlesite monthly streamflow simulation. Water Resour., 2012, vol. 48. W06604. doi:10.1029/2011WR011419Ricker Dennis W Echo Signal Processing. Springer, 2003. 240 p.Ricker Dennis W. Echo Signal Processing. Springer. 2003. 240 p.Salvadori G., Michele C.D. Multivariate multiparameter extreme value models and return periods: a copula approach // Wat. Res. 2010. V. 46. W10501. https://doi.org/10.1029/2009WR009040Salvadori G., Michele C.D. Multivariate multiparameter extreme value models and return periods: a copula approach. Water Resour., 2010, vol. 46. W10501. doi:10.1029/2009WR009040Torrence C., Campo G.P. A practical guide to wavelet analysis // Bull. Amer. Met. Soc. 1998. V. 79. P. 61-78.Torrence C., Campo G.P. A practical guide to wavelet analysis. Bull. Amer. Meteor. Soc. 1998, vol. 79, pp. 61-78.Wen X., Tang G, Wang S, Hnang J. Comparison of global mean temperature series // Advances in Climate Change Res. 2011. V. 2. № 4. P. 187-192.Wen X., Tang G., Wang S., Hnang J. Comparison of global mean temperature series. Advances in Climate Change Research, 2011, vol. 2, no. 4, pp. 187-192.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.