Исследование возможных причин возникновения лесных

Исследование возможных причин возникновения лесных пожаров в
Якутии по данным дистанционных наблюдений
Васильев М.С., Каримов Р.Р.
ФГБУН Институт космофизических исследований и аэрономии им. Ю.Г.
Шафера СО РАН, г. Якутск, Россия.
Study of possible causes of forest fires in Yakutia from remote sensing
Vasiliev M.S., Karimov R.R.
Yu. G. Shafer Institute of Cosmophysical Research and Aeronomy of SB RAS,
Yakutsk, Russia.
В работе приводятся результаты исследования возможных причин
возникновения лесных пожаров в Якутии. Использованы данные многолетних
(1998-2013 гг.) дистанционных наблюдений. Рассматриваются вариации
лесных пожаров в зависимости от солнечной активности, а также влияние
антропогенного и природного факторов.
Ключевые слова: лесные пожары, грозы, естественный и антропогенный
факторы, солнечная активность, спутниковый мониторинг, эффект выходного
дня.
In this paper we study the interannual variations of forest fires and their
possible causes on the territory of Yakutia by long-term remote sensing data (19982013). Forest fires are considered variations depending on solar activity and the
impact of anthropogenic and natural factors.
Key words: forest fires, thunderstorms, natural and anthropogenic factors, solar
activity, satellite monitoring, weekend effect.
Введение
Лесные пожары (ЛП) – являются в основном неконтролируемым
процессом горения лесного массива, прогноз и своевременное выявление
причин возникновения которых, зачастую остается сложной задачей.
В России одной из основных государственных структур, в задачи которой
входит
обнаружение,
и
тушение
ЛП
является
«Авиалесохрана»
(http://www.aviales.ru). Однако и для них основным способом обнаружения ЛП
является спутниковый мониторинг, который на протяжении более двух
десятков лет получил наибольшую популярность при детектировании очагов
возгорания.
Спутники
метеорологического
назначения,
находящиеся
на
негеостационарных орбитах осуществляют съемку земной поверхности в ИКдиапазоне (с последующей передачей на наземную станцию). Детектирование
очагов возгорания (определение его местоположения) основано на разности
температуры поверхности земли и температуры пожара. Данные о тепловых
аномалиях/пожары (Thermal Anomalies/Fire) передаются в центры приема
спутниковой информации с возможностью передачи данных потребителю через
сеть Интернет. Преимущества данного способа получения информации:
дистанционность и автоматизация процесса получения данных, мониторинг
любых участков местности, оперативность и т.д. К основным недостаткам
можно отнести сильное влияние погодных условий (например, облачность),
однако спутниковый мониторинг необходим в случае больших лесных
территорий и отсутствии возможности мониторинга другими способами.
Цель данной работы – исследование возможных причин возникновения ЛП
в Якутии по данным многолетних (1998-2013 гг.) дистанционных наблюдений.
Исходные данные
Мониторинг пирогенной обстановки осуществлялся по данным радиометра
AVHRR (ИСЗ NOAA), полученных приемным комплексом «СканЭкс»
(ИКФИА СО РАН, г. Якутск) за период май-сентябрь 1998-2013 гг. [3-6, 24, 25].
Уровень лесопожарной активности оценивался количеством «пожарных»
пикселей (Npix), обнаруженных (ежедневно от 4-6 наблюдений) с помощью
порогового алгоритма детектирования ЛП [2].
Дополнительно к имеющейся
информации радиометра
AVHRR о
пирогенной обстановке были привлечены данные радиометра MODIS (ИСЗ
Terra, Aqua) системы FIRMS (Fire Information for Resource Management System).
Система FIRMS разработана Мэрилендским университетом (США) и рядом
других
научных
организаций
(https://earthdata.nasa.gov/data/near-real-time-
data/firms). Алгоритм детектирования ЛП (продукт MOD14/MYD14) основан на
данных получаемых в диапазоне 4 микрометра (каналы MODIS номер 21 и 22)
и 11 микрометров (канал MODIS номер 31) с пространственным разрешением 1
км [21].
В
работе
также
были
использованы
данные
однопунктового
грозопеленгатора - дальномера с рабочим радиусом 1200 км (ОГПД-1200),
расположенного в 25 км от г. Якутска, охватывающего своими наблюдениями
большую часть Якутии [9, 10], а также данные (с 2009 г.) Мировой сети
локализации молний (World Wide Lighting Location Network, WWLLN) [18].
Один из приемных пунктов этой сети расположен на станции г. Якутск,
являющимся единственным пунктом системы WWLLN в Североазиатском
регионе на территории России [11]. Уровень грозовой активности оценивался
количеством обнаруженных грозовых разрядов.
Результаты и обсуждение
По многолетним данным дистанционных наблюдений [14, 15] показано,
что пожароопасный период на территории Якутии наблюдается с мая по
сентябрь. Основной пик лесопожарной активности наблюдается в июлеавгусте. Сезонный ход облачного покрова имеет противоположный характер – с
мая по июль процент облачности заметно уменьшается, минимум приходится
на июль, а к сентябрю показатель облачности слегка возрастает. Грозовая
активность в основном проявляется с июня по август с максимумом в июле.
Установлено, что источником 11-летней солнечной активности (СА)
является
переменное
тороидальное
магнитное
поле,
генерируемое
во
внутренних областях Солнца [12]. Интенсивность вариаций выходящих на
поверхность солнца магнитных потоков этих тороидальных полей изменяет
течение процессов в гелиосфере и напряженность межпланетного магнитного
поля, что заметным образом сказывается на состоянии магнитосферы Земли и
приводит к флуктуациям интенсивности коротковолнового излучения и потока
космических лучей в около - земном пространстве.
На
рис.
1
показана
кривая
СА
в
числах
Вольфа
(http://sidc.oma.be/html/sunspot.html) с наложением на нее частотного графика
лесопожарной активности (Npix) на территории Якутии за рассматриваемый
период.
Рис. 1. Межгодовые вариации СА и ЛП в Якутии (май-сентябрь 1998-2013 гг.).
Из рис. 1 видно, что количество Npix по данным радиометров AVHRR и
MODIS (при уровне достоверности от 80-100% [20]) имеют достаточно
хорошее временное совпадение. Различия в абсолютных значениях Npix могут
быть связаны с началом эксплуатации спутников Terra (1999) и Aqua (2002), а
также с человеческим фактором при выявлении «ложных» очагов возгорания
по данным радиометра AVHRR. Следовательно, вероятнее всего, истинное
количество Npix находится где-то между этими двумя оценками.
На графике (рис. 1) за рассматриваемый период проявляются основные
всплески активизации ЛП (2001-2003, 2012, 2013) в рамках рассматриваемых
циклов СА (23-24-ый), которые наблюдаются в каждом 11-летнем цикле – на
ветви спада и подъема, соответствующие переломным моментам экстремумов
солнечной кривой – максимума и минимума. Такая временная вариация ЛП и
СА на территории Якутии наблюдается более пятидесяти лет по данным
наземных наблюдений [13], однако, например, на территории юга Дальнего
Востока (Хабаровский край), периоды максимальных всплесков активизации
ЛП приходятся на фазы минимума СА [16], что вероятней всего связано с
климатообразующими
факторами
региона.
Таким
образом, можно
констатировать наличие достаточно тесных связей в режиме ЛП в Якутии и 11летних солнечных циклов, что открывает вполне определенные перспективы
для
разработки
среднесрочного
прогноза
ЛП.
Если
такая, достаточно
стабильная, закономерность ЛП и СА сохранится и в будущем, то в ближайшие
годы в лесах Якутии следует ожидать уменьшение пожарной опасности.
Известно, что основные причины возникновения ЛП в мире делятся на
естественные (грозовые разряды) и антропогенные. В зависимости от
климатообразующих факторов, степени освоенности территории и плотности
проживающего на нем населения, может превалировать одна из двух этих
причин. Например, человек, по мнению ряда ученых [22, 26, 27] является
виновным в 95% случаев. Для отдельных регионов (например, северные районы
Красноярского края) доля пожаров от гроз может составлять 90% [8].
Влияние
техногенного
прессинга
на
окружающую
среду
нередко
проявляется в виде вариаций некоторых природных показателей, максимальные
значения которых проявляются в выходные дни (суббота, воскресение). Такая
периодичность, во многом связана с ритмом человеческой активности. Это
явление носит название «эффекта выходного дня» (ЭВД) [7, 17, 19, 23].
Для исследования влияния антропогенной активности на ЛП были
выбраны участки в Центральной и Западной Якутии (рис. 2), соответственно,
тестовые участки «Ц» и «З». Участки приблизительно одинаковы по площади,
по природно-климатическим показателям, по характеристикам растительного
покрова и др. В среднем на обоих участках количество грозовых разрядов
составляет ~ 150-200 [6], а средний уровень осадков ~ 250-350 мм [1]. Однако
тестовые участки сильно отличаются количеством проживающего на их
территории населения. Средний показатель плотности населения ρ [чел./км 2]
проживающего на участке «Ц» составляет ~ 2.5, тогда как этот показатель для
участка «З» ~ 0.06.
Рис. 2. Расположение участков «Ц» и «З» на территории Якутии.
На испытуемых участках были проведены исследования временных
вариаций лесопожарной активности для фазы начала (май-июнь), максимума
(июль-август) и спада (сентябрь) пожароопасного сезона [5, 6]. В целом, на
участке «Ц» обнаружено значительно больше очагов возгорания, чем на «З». В
вариациях активности ЛП на западном участке не удалось обнаружить
статистически достоверных временных ритмов, связанных с недельным циклом
антропогенной активности. Аналогичная картина временной динамики ЛП
наблюдалась и на центральном участке, за исключением фазы спада
лесопожарного сезона (рис. 3).
Рис. 3. Недельные вариации ЛП на участке «Ц» в сентябре за период 1998-2013
гг.
Из рис. 3 видно, что максимум недельных вариаций ЛП наблюдается в
конце-начале недели, минимум приходится на пятницу. Таким образом, можно
предположить, что на участке «Ц» в условиях отсутствия грозовой активности
(в сентябре) и наибольшей плотности населения наблюдается ЭВД.
В исследовании влияния грозовой активности на возникновение ЛП в
Якутии
были
использованы
данные
WWLLN
и
MODIS/Terra,
Aqua
соответственно за период (исходя из сезонного хода гроз) июнь-август 2009-
2010 гг., исключив периоды, связанные с возможно благоприятными
климатообразующими факторами во время активизации СА.
Огонь внутри лесного напочвенного материала находящегося в стадии
тления, причиной которого явилась молния, может находиться внутри ствола
достаточно длительное время, пока не наступят благоприятные условия для его
развития в ЛП [8]. Период скрытого горения в таком случае может достигать 10
дней, в связи, с чем проводился анализ грозовых разрядов за период от 1-10
дней до даты обнаружения пожара. Также рассматривались пространственные
сопоставления очагов грозовых разрядов и ЛП в окружности радиусом 10 км
(имеющей центр, относительно очага возгорания), исходя из неточности
дистанционных методов.
За рассматриваемый период (июнь-август) на исследуемой территории в
2009 и 2010 гг. было зафиксировано порядка 5638 (25865) и 7105 (70904)
«пожарных» пикселей (грозовых разрядов) соответственно. Грозовые разряды в
2009 и 2010 гг. могли стать причиной 16% и 29% очагов возгорания
соответственно.
На рис. 4 представлены распределения времени обнаружения очагов
возгорания со дня грозы. Видно, что в 2009 и 2010 гг. наблюдаются два
максимальных периода Npix в первой и во второй половине декады.
Минимальное количество
Npix в первой половине декады по сравнению со
второй, вероятнее всего связано с тем, что у спутниковых радиометров
существует предел способности обнаруживать «аномально» горячие объекты на
поверхности Земли и пожарам необходимо время, чтобы достичь оптимальных
размеров, при которых они могут быть зарегистрированы космическими
средствами.
Рис. 4. Распределение числа обнаруженных пожаров по дням после
прохождения грозы.
Выводы
Таким образом, в работе показано, что на территории Якутии
наблюдается достаточно тесная связь вариаций ЛП и СА. В конце
пожароопасного периода (сентябрь) на участке «Ц» при отсутствии грозовой
активности и наибольшей плотности населения наблюдается проявление
«ЭВД» в лесопожарной активности. Процент возгорания лесного массива от
грозовых разрядов в разные годы может достигать ~ 30%.
Список литературы
1.
Атлас сельского хозяйства Якутской АССР. М.: ГУГК, 1989. 116 С. [27]
2.
Абушенко Н.А.,
алгоритм
обнаружения
Минько Н.П., Семенов С.М. и др. Автоматизированный
лесных
пожаров
по
многоспектральным
данным
прибора
AVHRR/NOAA. Сборник докладов III Всероссийской научной конференции «Применение
дистанционных радиофизических методов в исследовании природной среды». Муром, 1999.
С. 210-211. [7]
3.
Васильев М.С., Варламова Е.В., Соловьев В.С., Распределение пирогенных
событий и облачного покрова в Северной Азии (1997-2007 г.) по данным дистанционного
зондирования / Материалы 14-й Всероссийской научной конференции студентов-физиков и
молодых ученых (ВНКСФ-14), Уфа, 26 марта – 3 апреля 2008 г. Информ. бюлл. – Уфа: изд-во
АСФ Россия, 2008, С. 451-452. [1]
4.
Васильев М.С., Соловьев В.С. Использование данных AVHRR/NOAA для
исследования лесных пожаров в Якутии. Научное творчество XXI века: Cб. статей. Т.3 /
Научн. ред. Я.А. Максимов. – Красноярск: Изд. Научно-инновационный центр, 2012. – С.
439-451. [4]
5.
Васильев М.С. Комплексный мониторинг грозовой активности и лесных
пожаров / Всероссийская конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по физике.
12-14 мая 2010 г. Материалы конференции. Владивосток. Изд-во ДВГУ, 2010. С. 38-39. [5]
6.
Васильев М.С., Соловьев В.С. Особенности вариаций активности лесных
пожаров в Якутии, обусловленных антропогенным фактором / Современные проблемы
гуманитарных и естественных наук: материалы XIII Международной научно-практической
конференции 21-22 декабря 2012, г. Москва. Т. II / Научн. - инф. издат. центр «Институт
стратегических исследований». – Москва: Изд-во «Спецкнига», 2012. C. 395-398. [6]
7.
Зотов О.Д. Эффект выходных дней в сейсмической активности // Физика
Земли, 2007, № 12. С. 27-34. [23]
8.
Иванов В.А., Коршунов Н.А., Матвеев П.М. Пожары от молний в лесах
Красноярского Приангарья. Красноярск: СибГТУ, 2004. 132 С. [22]
9.
Козлов В.И., Муллаяров В.А. Грозовая активность в Якутии. – Якутск: ЯФ
Изд-ва СО РАН, 2004. 103 С. [9]
10.
Козлов В.И., Муллаяров В.А., Каримов Р.Р. Инструментальные наблюдения
гроз в Якутии в 2003-2006 годах // Известия вузов. Радиофизика, 2008. Том LI, №10. С. 825829. [10]
11.
Козлов В.И., Муллаяров В.А., Каримов Р.Р. Пространственное распределение
плотности грозовых разрядов на Востоке России по данным дистанционных наблюдений //
Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2011. Т. 8. №3. С.
257-262. [12]
12.
Пудовкин М.И., Распопов О.М. Механизмы воздействия солнечной активности
на состояние нижней атмосферы и метеопараметры // Геомагнетизм и аэрономия. 1992. Т. 32.
№ 5. С. 1-22. [15]
13.
Поморцев О.А., Ведешин Л.А., Дальбинов А.А. Лесные пожары: от
мониторинга к прогнозу (на примере Якутии) // Исследование Земли из космоса, 2008, № 2.
С. 57-67. [17]
14.
Соловьев
В.С.,
Козлов
В.И.
Исследование
пространственно-временной
динамики лесных пожаров и облачности в Северо-Азиатском регионе по данным NOAA //
Оптика атмосферы и океана, 2005. Т. 18. № 01-02. С. 146-149. [13]
15.
Соловьев В.С., Козлов В.И., Муллаяров В.А. Дистанционный мониторинг
лесных пожаров и гроз в Якутии. Якутск: Изд-во ЯНЦ СО РАН, 2009. 108 С. [14]
16.
Цой О.М. Природные факторы возникновения пожаров в лесах юга Дальнего
Востока / О.М. Цой // География и природные ресурсы. – 2009. - № 2. С. 43-49. [18]
17.
de Forester P.M. Solomon S. Observation of a “weekend effect” in diurnal
temperature range // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2003. V. 100. P. 11225-11230. [24]
18.
Dowden R.L., Brundell J.B., Rogder C.J. VLF lighting location by time of group
arrival (TOGA) at multiple sites // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2002. V. 64, № 7. P. 817-879. [11]
19.
Fraser-Smith A.C. Weekend increase in geomagnetic activity // J. Geophys. Res.
1979. V. 84. № A5. P. 2089-2096. [25]
20.
Giglio, L., Descloitres, J., Justice, C.O. Kaufman, Y.J. 2003. An Enhanced
Contextual Fire Detection Algorithm for MODIS. Remote Sensing of Environment, 87, pp. 273282. doi:10.1016/S0034-4257 (03) 00184-6. [16]
21.
Justice, C.O., L. Giglio, et al. (2006). Algorithm Technical Background Document.
MODIS fire product. Version 2.3, 1 October 2006. [8]
22.
Korovin G.N. The impact of climate change on forest fires in Russia // Climate
change: a view from Russia / ed. V.I. Danilov-Daniljan. TEIS, 2003. – P. 69-98. [20]
23.
Karinen A., Mursula K., Utich Th., Manninen J. Does the magnetosphere behave
differently on weekends? // Ann. Geophys. 2002. V. 20. P. 1137-1142. [26]
24.
Solovyev V.S., Kozlov V.I., Mullayarov V.A., Vasiliev M.S. Characteristics of forest
fires in Yakutia, caused by thunder-storms / XV International Symposium “Atmospheric and Ocean
Optics”: Abstracts. – Tomsk: Institute of Atmospheric Optics SB RAS, 2008. P. 162. [2]
25.
Solovyev V.S., Kozlov V.I., Vasiliev M.S., Varlamova E.V. Weekly variations of
forest fires area in Yakutia / XV International Symposium “Atmospheric and Ocean Optics”:
Abstracts. – Tomsk: Institute of Atmospheric Optics SB RAS, 2008. P. 158. [3]
26.
Suvorov E.G., Novitskaya I.N., Kitov A.D., Maksyutova E.V. The manifestation of
the pyrogenic factor, are established in the dynamics of the geosystems of the South-Western Baikal
region // Geography and natural resources. – 2008. – 2008. - №2. – P. 66-73. [21]
27.
Vakurov A.D. Forest fires in the North. – М. 1965. – P. 10. [19]