CC BY
1А.Л. Дементьева, канд. геогр. наук, мл. науч. сотрудник, e-mail: ayunadem@gmail.com
Г.С. Жамсуева, канд. физ.-мат. наук, доц., e-mail: lmza@mail.ru А.С. Заяханов, канд. физ.-мат. наук, доц.
Институт физического материаловедения СО РАН, г. Улан-Удэ
УДК 551.513.22, 551.515.8
ИССЛЕДОВАНИЕ ПУТЕЙ ПЕРЕНОСА ДЫМОВОГО АЭРОЗОЛЯ
ОТ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ НА ОСНОВЕ СПУТНИКОВОЙ ИНФОРМАЦИИ И МОДЕЛИРОВАНИЯ
В статье проанализированы данные пространственного распределения аэрозоля в вертикальном столбе атмосферы, измеренные лидаром CALIOP. Установлено, что в июне 2016 г. перенос дымового аэрозоля в регионе осуществлялся выше приземного слоя, на высотах от 2 до 5 км над уровнем моря. Построены прямые и обратные траектории движения воздушных масс с использованием тра-екторной модели HYSPLIT для идентификации переноса дымового аэрозоля в период лесных пожаров (июнь-июль 2016 г.) вблизи оз. Байкал и г. Улан-Удэ. Результаты расчета траекторий показали, что в июне при общем северо-западном заносе дымового аэрозоля наблюдалось влияние местных локальных очагов пожаров на качество атмосферы в г. Улан-Удэ, в июле занос осуществлялся в основном из Красноярского края и Ямало-Ненецкого округа.
Ключевые слова: дымовой аэрозоль, приземный слой, прямые и обратные траектории, воздушные массы, дистанционное зондирование, лидар.
A.L. Dement'eva, Cand. Sc. Geography G.S. Zhamsueva, Cand. Sc. Physics and Math., Assoc. Prof. A.S. Zayakhanov, Cand. Sc. Physics and Math., Assoc. Prof.
RESEARCH OF TRANSPORT WAYS OF SMOKE AEROSOL FROM FOREST FIRES BASED ON SATELLITE INFORMATION AND SIMULATION
This article analyzes the data of spatial distribution of aerosol in the vertical column of atmosphere, measured by lidar CALIOP. It is established that the transfer of smoke aerosol in the region was carried out above the surface layer at altitudes from 2 to 5 km above sea level in June 2016. Forward and backward trajectories of air masses are constructed with HYSPLIT model for identifying of smoke aerosols transfer during forest fires (June-July 2016) near Lake Baikal and Ulan-Ude. The results of trajectories calculation have shown that influence of local seats of fire on quality of the atmosphere in Ulan-Ude was observed in June at the general northwest drift of a smoke aerosol, in July downwind was mainly from the Krasnoyarsk and the Yamalo-Nenets regions.
Key words: smoke aerosol, surface layer, forward and backward trajectories, air mass, remote sensing,
lidar.
Введение
Возникающие лесные пожары в различных местах земного шара в настоящее время привлекают к себе особое внимание не только как природные бедствия, приносящие огромный экономический ущерб, но и как фактор динамики экосистем.
Лесные пожары являются мощным генератором большого количества аэрозольных частиц, которые, поступая в атмосферу, значительно меняют ее оптические (видимость, светорассеяние), радиационные (температурные эффекты), термодинамические (ядра конденсации в процессах облако- и осадкообразования) и экологические (загрязнение воздуха) характеристики. Прямое воздействие дымового аэрозоля заключается в понижении прозрачности атмосферы, что приводит к изменению температуры подстилающей поверхности и большому количеству вторичных эффектов, таких как изменение характера воздушных циркуляций [1, 2].
На продолжительность атмосферного цикла, трансформацию и перенос продуктов горения влияет высота подъема дымовой струи от пожаров, так как при горении биомассы выде-
ляется большое количество тепла, которое создает сильные вертикальные потоки [2]. Эти вертикальные потоки значительно влияют на распределение малых газовых и аэрозольных примесей через их прямой и быстрый перенос в свободную тропосферу, а иногда и в стратосферу. Территория, покрываемая дымовыми шлейфами от лесных пожаров, больше в десятки и сотни раз, чем площадь горения. В частности, вынос аэрозоля и газов в тропосферу означает их долгое присутствие в атмосфере Земли. Наличие продуктов горения в верхних слоях тропосферы приводит к изменениям химического состава атмосферы. Таким образом, выбросы от пожаров отрицательно влияют на качество приземного воздуха и, как следствие, на здоровье населения.
Для исследования влияния лесных пожаров на локальную и региональную экодинамику необходимо развитие систем наблюдений (при особом внимании к метеорологическому, ли-дарному и спутниковому дистанционному зондированию) и численного моделирования переноса атмосферного аэрозоля.
В данной статье представлены результаты исследований переноса воздушных масс с использованием моделей HYSPLIT, NAAPS и данных космического зондирования CALIPSO в период лесных пожаров (июнь-июль 2016 г.) в Байкальском регионе и г. Улан-Удэ.
Методы и результаты исследования
В настоящее время современные методы дистанционного зондирования и космического мониторинга позволяют более полно исследовать распространение, структуру и динамику дымовых загрязнителей, а также осаждение на подстилающую поверхность [1].
В июле 2016 г. наблюдалась сильная дымовая завеса в приземном слое атмосферы в Байкальском регионе, хотя количество очагов пожаров зафиксировано значительно меньше по сравнению с предыдущим 2015 г., когда была охвачена лесными и торфяными пожарами почти вся территория Республики Бурятия.
Для выявления причин дымового задымления приземного слоя атмосферы в регионе оз. Байкал проведен анализ источников выбросов аэрозоля по картам распределения пожаров на основе спутниковых наблюдений MODIS (FIRMS) и (http://fires.kosmosnimki.ru). Выявлено, что большинство очагов возгорания лесных пожаров в 2016 г. наблюдалось в Иркутской области, Красноярском крае и Ямало-Ненецком округе (рис. 1).
Более детальную картину типа аэрозолей и его пространственного распределения дают результаты измерений вертикальных профилей параметров взвешенных частиц лидаром «CALIOP» космического базирования на спутнике «CALIPSO». Алгоритмы обработки данных зондирования космическим лидаром в комплексе с фото- и радиометрическими измерениями с борта спутника «CALIPSO» позволяют проводить условную классификацию по качественному типу аэрозоля. Пространственный разрез вертикальной толщи атмосферы в единицах ослабленного обратного рассеяния аэрозолем показал, что в этот период над Байкальским регионом наблюдалось однородное заполнение дымовым аэрозолем толщи атмосферы до высоты 2 км.
Рисунок 1 - Карта распределения лесных пожаров (10-20 июля 2016 г.)
С использованием траекторной модели реанализа NCEP/NCAR HYSPLIT (http://www.arl.noaa.gov/ready/hysplit4.html) и архивных метеорологических данных (архив GDAS) [3] проведены исследования характера движения воздушных масс и основных направлений переноса дымового аэрозоля в Байкальском регионе. Рассчитаны прямые и обратные траектории движения воздушных масс в пограничном слое атмосферы за июнь-июль 2016 г. с учетом их вертикальных перемещений. Для построения траекторий заданы географические координаты ст. Боярский (юго-восточное побережье оз. Байкал) и г. Улан-Удэ, а также координаты основных очагов возгорания. Траектории движения воздушных масс рассчитывались с продолжительностью 5 сут (120 ч) и шагом 6 ч на высотах 30, 100, 500 и 1000 м, отражающих в наибольшей степени перенос примесей регионального и межрегионального масштаба. В результате расчета обратных траекторий движения воздушных масс установлено, что занос воздушных масс в Байкальский регион в июле 2016 г. осуществлялся в основном из Красноярского края и Ямало-Ненецкого округа, где наблюдались сильные пожары (рис. 2). Выявлено преобладание северо-западного и северного заноса воздушных масс в исследуемый регион.
Для исследования распределения доминирующих компонентов аэрозоля (сульфатный аэрозоль, пыль, дымы) над Байкальским регионом использована глобальная аэрозольная модель NAAPS (Navy Aerosol Analysis and Prediction System). Анализ карт распределения аэрозоля NAAPS подтверждает, что основной вклад в оптическую толщу атмосферы над Байкалом и г. Улан-Удэ в июне-июле 2016 г. вносил дымовой аэрозоль. Кроме того, по данным лидара CALIOP, в июне перенос дымового аэрозоля в регионе осуществлялся выше приземного слоя, на высотах от 2 до 5 км над уровнем моря.
Следует отметить, что в начале июня при общем северо-западном заносе дымового аэрозоля наблюдалось влияние местных локальных очагов пожаров на качество атмосферы в г. Улан-Удэ. Так, например, при крупном пожаре 4 июня 2016 г. в пос. Северомуйск, расположенном на севере Республики Бурятия, по результатам экспериментальных расчетов прямых траекторий выноса воздушных масс с очага пожара установлено, что вынос дымового аэрозоля осуществлялся в юго-западном направлении в сторону г. Улан-Удэ на высотах 100 и 500 м и в юго-восточном направлении на высотах 1000 и 1500 м (рис. 3). Данный факт также подтверждается данными глобальной аэрозольной модели NAAPS.
NOAA HYSPLIT MODEL Backward trajectories ending at 0600 UTC 14 Jul 16 18 UTC 10 Jul GFSG Forecast Initialization
00 18 12 00 00 18 12 06 00 18 12 00 00 18 12 06 00 IS 12 00 07.' 14_07/1 3_07.;12_07/11_Q7/'10_
Job ID. 16802 Job Start. Won Jul 11 04.13.18 UTC 2016
Source 1 at.: 51.627210 Ion.: 107.606270 hgts: 100,1000,1500 m AGL
Trajectory Direction1 Backward Duration1120 hrs Vertical Motion Calculation Method: Model Vertical Velocity Meteorology: 1800Z 10 Jul 2015 - GFS_
Рисунок 2 - Обратные траектории движения воздушных масс на высотах 100, 1000 и 1500 м
NOAA HYSPLIT MODEL Forward trajectories starting at 1500 UTC 06 Jun 16 GDA3 Meteorological Data
18 00 05 12 IB 00 06 12 18 00 06 12 la 00 06 12 18 00 06 12 06.'07_06/0 a_0b;09_06/10_06/11
Job ID: 12500 Job S[art:Thu Aug 25 07:45:30 UTO 2016
Source 1 at.: 56,145060 Ion.: 113.426570 heights: 100, 500 m AGL
Trajectory Direction: Forward Duration: 120 hrs
Vertical Motion Calculation Method: Model Vertical Velocity
Meteorology: 000QZ 1 Jun 2016 - GDAS1_
Рисунок 3 - Траектории выноса воздушных масс на высотах 100 и 500 м (Северомуйск, 06-11.07.2016)
Заключение
1. По экспериментальным расчетам траекторной модели реанализа NCEP/NCAR HYSPLIT выявлено, что в начале июня 2016 г. при общем северо-западном заносе дымового аэрозоля наблюдалось влияние местных локальных очагов пожаров на качество атмосферы в г. Улан-Удэ. Установлено, что в июне перенос дымового аэрозоля в регионе осуществлялся выше приземного слоя, на высотах от 2 до 5 км над уровнем моря, по данным лидара «CALIOP» и глобальной аэрозольной модели NAAPS.
2. В результате расчета обратных траекторий движения воздушных масс установлено, что занос воздушных масс в Байкальский регион в июле 2016 г. осуществлялся в основном из Красноярского края и Ямало-Ненецкого округа, где наблюдались сильные пожары. Пространственный разрез вертикальной толщи атмосферы в единицах ослабленного обратного рассеяния аэрозолем показал, что в этот период над Байкальским регионом наблюдалось однородное заполнение дымовым аэрозолем толщи атмосферы до высоты 2 км.
Работа выполнена при финансовой поддержке проекта № 10.3.5 и проекта РФФИ № 15-4504027 р_сибирь_а.
Библиография
1. Козодеров В.В., Кулешов А.А. Моделирование лесных пожаров и наблюдение разных стадий их развития по данным гиперспектрального аэрокосмического зондирования // Исследование Земли из космоса. - 2012. - № 1. - С. 29-39.
2. Шлычков В.А., Мальбахов В.М. Расчет высоты подъема дымового аэрозоля, вовлекаемого в облачные системы в зоне лесного пожара // Оптика атмосферы и океана. - 2004. - Т. 17. - № 5-6. -С. 453-456.
3. Draxler R.R., Rolph G.D. HYSPLIT (Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model access via NOAA ARL READY). - URL: http://www.arl.noaa.gov/ready/hysplit4.html
Bibliography
1. Kozoderov V.V., Kuleshov A.A. Simulation of forest fires and monitoring of the different stages of their development according to aerospace hyperspectral sensing // The Earth research from Space. - 2012. -N 1. - P. 29-39.
2. Shlychkov V.A., Malbakhov V.M. Calculation of height of smoke aerosol lifting involved in cloudy systems in a wildfire zone // Atmospheric and Oceanic Optics. - 2004. - Vol. 17, N 5-6. - P. 453-456.
3. Draxler R.R., Rolph G.D. HYSPLIT (Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model access via NOAA ARL READY). Website (http: //www .arl.noaa.gov/ready/hysplit4.html)
