Метеообеспечение в ИСДМ-Рослесхоз: проблемы и перспективы Текст научной статьи по специальности «Математика»



Р. В. Котельников

руководитель Центра мониторинга пожарной опасности ФГУ "Авиалесоохрана", г. Пушкино Московской обл., Россия

Н. А. Коршунов

канд. с.-х. наук, начальникАвиационного учебного центра ФГУ "Авиалесоохрана", г. Пушкино Московской обл., Россия

УДК 630*432.331

МЕТЕООБЕСПЕЧЕНИЕ В ИСДМ-Р0СЛЕСХ03: ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ

Описано существующее состояние дел с метеообеспечением Информационной системы дистанционного мониторинга Федерального агентства лесного хозяйства (ИСДМ-Рослесхоз); анализируются проблемы и предлагаются основные пути их решения.

Ключевые слова: ИСДМ-Рослесхоз, метеоинформация, пожарная опасность, прогноз, мониторинг.

Информационная система дистанционного мониторинга Федерального агентства лесного хозяйства (ИСДМ-Рослесхоз), запущенная в эксплуатацию в 2005 г. как система мониторинга крупных лесных пожаров, постепенно превращается в комплексную информационную систему мониторинга лесов в целом, которая решает не только пожарные, но и задачи лесозащиты, лесопользования и т. п. Основная функция ИСДМ-Рослесхоз на данный момент — обеспечение дистанционного контроля федеральным центром полномочий в области лесного хозяйства, переданных Лесным кодексом в ведение субъектов Российской Федерации.

Вопреки бытующему мнению космические методы хотя и играют ведущую роль, но далеко не единственный источник информации в ИСДМ-Рос-лесхоз. В систему поступают статистические данные субъектов Российской Федерации, оперативные сводки специализированных служб и подразделений, полученные на основе наземных и авиационных наблюдений за ситуацией. Отчеты и сводки включают в себя не только производственные, но и финансовые показатели. В расчетах используется много справочников и классификаторов, тематических архивных данных (например, карты лесов, границы административно-территориального деления и т. д.).

Очень важную роль в процессе мониторинга играет метеоинформация. Рассмотрим виды метеорологических продуктов, используемых в ИСДМ-Рос-лесхоз.

1. Значение метеопараметров по каждой метеостанции.

1.1. Фактические метеопараметры в каждый стандартный срок наблюдения (температура, точка росы, осадки, ветер и т. д.).

1.2. Прогнозные значения метеопараметров на 5 дней.

2. Текстовые сводные данные по регионам.

2.1. Преобладающие и максимальные температуры, процент метеостанций с зарегистрированными осадками (в том числе более 3 мм), максимальные осадки.

2.2. Прогнозные данные на 24,48,72,96 и 120 ч.

2.3. Стандартные метеобюллетени.

3. Слайды, генерируемые с помощью автоматизированного рабочего места (АРМ) "Синоптик" системы "ГИС-Метео-Митра".

3.1. Автоматическое формирование типовых слайдов.

3.2. Формирование по запросу данных по интересующему региону.

4. Данные системы регистрации молниевых разрядов.

4.1. Координаты мест разрядов.

4.2. Амплитуда разряда в условных единицах.

5. Консультации специалистов Росгидрометцентра.

5.1. Ежедневные консультации по телефону.

5.2. Разовые запросы информации. Большинство указанных данных доступно пользователям ИСДМ-Рослесхоз уже в преобразованном (обработанном) виде.

Производные продукты, сформированные с учетом метеоданных, можно разбить на следующие группы:

1. Оперативный расчет пожарной опасности по условиям погоды. 1.1. Типовые отчеты:

- Форма-1-Метео "Показатели пожарной опасности по условиям погоды" (ежедневно);

- Форма-2-Метео "Дневник пожарной опасности в лесу по условиям погоды" (данные

по стандартным срокам наблюдений — через 3 или 6 ч).

1.2. Тематические карты по Российской Федерации и федеральным округам:

- классы пожарной опасности (Нестерова, региональные, ПВ-1, ПВ-2);

- максимальные суточные температуры;

- суммарные осадки за сутки и ночные осадки за сутки.

2. Отображение метеоинформации в комбинированном интерфейсе:

- направление ветра;

- отметки мест молниевых разрядов (плюсовые и минусовые).

3. Прогноз пожарной опасности:

- краткосрочные прогнозы в виде карт и отчетных форм;

- карты долгосрочных прогнозов пожарной опасности.

4. Аналитические формы и отчеты:

- карты вероятности возникновения пожаров от гроз (рис. 1);

- оценка достоверности информации о лесных пожарах;

- анализ эффективности работ по тушению лесных пожаров.

Имеющаяся метеоинформация играет большую роль при прогнозировании пожарной опасности лесов по условиям погоды. Однако существует ряд проблем. Одна из важнейших проблем — недостаточная плотность сети метеостанций (рис. 2), особенно в многолесных сибирских и дальневосточных регионах.

Создание дополнительных метеостанций — наиболее затратный способ решения этой проблемы, хотя и может дать положительный эффект сразу в интересах многих отраслей экономики. Другие пути решения данной проблемы рассмотрены ниже.

Имеется и еще одна проблема. При переходе на централизованный расчет классов пожарной опасности и ряда других показателей в ИСДМ-Рослес-хоз используются официальные данные Росгидромета, собранные в утвержденные сроки наблюдений по гринвичскому времени (в зависимости от категории метеостанции через каждые 3 или 6 ч). Для качественного расчета класса пожарной опасности необходимо брать температуру воздуха и точки

Рис. 1. Пример карты по текущей грозоопасности в лесах

росы на 14:00 по местному времени. Из-за жесткой временной сетки для территорий в определенных часовых поясах это не всегда возможно, тем более с учетом задержки на сбор и обработку информации. Кроме того, установлены стандарты, например, на замер ночных осадков (с 21:00 до 9:00 утра по местному времени). Для принятия решения, например, о постановке в план лесопатрульного воздушного судна информация о ночных осадках должна приходить не позднее 8:30 утра по местному времени для каждого субъекта, что при существующей схеме обеспечения ИСДМ-Рослесхоз метеоданными невозможно. Корректировка сложившихся стандартов на сроки и объемы сбора официальной информации вряд ли возможна в обозримом будущем.

Существует несколько вариантов решения этой проблемы:

1. Создание дополнительной сети сбора информации с существующих метеостанций.

На метеостанциях и метеопостах (только на тех, с которых наиболее необходимо получать данные на момент между стандартными сроками) устанавливается оборудование (или модернизируется существующее), которое, не изменяя существующего регламента предоставления информации в Гидрометцентр, дополнительно отсылает часть метеоинформации по другому графику в другой адрес (например, в ИСДМ-Рослесхоз).

2. Создание независимой сети сбора и передачи данных.

Создание новой метеостанции или даже метеопоста и включение ее в реестр Росгидромета требуют соблюдения всех необходимых ГОСТов и стандартов. Для задач прогнозирования пожарной опасности требуется существенно меньший перечень показателей и более мягкие требования по точности и надежности предоставления данных. Предлагается реализовать техническую возможность сбора метеоинформации в специализированных лесопожарных организациях (на пожарно-химиче-ских станциях, в оперативных отделениях авиационной охраны лесов и т. п.), а также на объектах экономики, расположенных в лесном фонде и потенциально подверженных лесным пожарам.

Технически передача информации, в зависимости от класса лесопожарной опасности объекта и от уровня его оснащения техническими и телекоммуникационными средствами, может быть реализована одним из следующих способов:

а) замером нужных метеопараметров оператором (с использованием автономных приборов, например термометра и т. п.) и передачей данных в ИСДМ-Рослесхоз путем ввода данных через web-интерфейс или БМБ-сообщение. Несмотря на устаревшие (ручные) технологии, метод может быть без финансовых затрат внедрен сразу на большом числе объектов;

Рис. 2. Распределение метеостанций по территории Российской Федерации

б) установкой малогабаритной метеостанции (пример — на рис. 3), способной выдавать необходимые параметры для оператора в реальном масштабе времени, а также автоматическую передачу сообщений в ИСДМ-Рослесхоз по каналу Интернет или сотовому каналу (GSM);

в) автоматическим сбором данных с помощью специально разработанного миниатюрного необслуживаемого метеодатчика с автоматической (по графику) пересылкой информации в ИСДМ-Рослесхоз.

Разработка дешевых, миниатюрных, необслуживаемых метеодатчиков в антивандальном исполнении с функцией автоматической пересылки, например, по сотовому каналу (технические предпосылки уже имеются) позволит создать в зоне ответственности каждого специализированного подразделения, а также вокруг лесопожароопасных объектов густую сеть сбора метеопараметров.

Создание в регионах отдельных, пусть даже и типовых, аппаратно-программных комплексов для расчета класса пожарной опасности — довольно дорогостоящая задача. В связи с этим предлагается вынести процедуру расчета в ИСДМ-Рослесхоз.

Существующее программное обеспечение ИСДМ-Рослесхоз, формирующее прогностические продукты (например, растровые карты территорий со значениями классов пожарной опасности и т. д.), может после незначительной доработки, кроме стандартных данных Гидрометцентра, дополнительно принимать метеоинформацию с мест и формировать те же продукты, что и ранее, но с повышенной точностью, вблизи пожароопасных объектов (и вблизи метеостанций и метеодатчиков).

Кроме увеличения числа географических точек, в которых снимаются показания, имеется возможность проводить так называемую геопространственную интерполяцию данных с использованием дополнительной информации, получаемой с метеорологических спутников Земли. Такие работы сейчас активно ведутся в НИЦ "Планета", Сибирском институте леса и целом ряде других организаций. Использовать эти методы необходимо, но делать ставку исключительно на них нельзя, так как, по

Рис. 3. Один из новейших метеорологических модулей WXT520

мнению экспертов, в ближайшее десятилетие точность космических методов не сможет соперничать с прямыми наземными измерениями.

Одна из проблем достоверной оценки класса пожарной опасности территории — сложность оценки характера осадков в окрестности метеостанций. Существующая методика накопительного расчета показателя пожарной опасности по условиям погоды сформировалась еще в 40-50-е годы прошлого века. Изначально методика подразумевала обнуление показателя после выпадения обложных осадков в количестве более 2,5 мм. Локальные грозовые осадки не учитывались, так как отдельная туча могла вызвать дождь в районе метеостанции, но на оставшейся контролируемой территории оставалась жаркая пожароопасная погода. Кроме того, гроза сама по себе могла вызвать новые источники огня. При ручном методе расчета класса пожарной опасности специалист-синоптик мог по совокупности всех показателей принять решение, обнулить показатель или нет.

При внедрении автоматизированного расчета класса пожарной опасности (без участия человека) специалисты не смогли разработать соответствующий алгоритм определения характера осадков и учитывали все осадки, основываясь только на их количестве. Это некорректно, но пока технически непреодолимо. В дальнейшем требования по характеру осадков были исключены из нормативных документов. Этот случай, возможно, единственный пример, когда развитие средств автоматизации привело к ухудшению качества (достоверности) расчета.

Возможные варианты решения этой проблемы заключаются в разработке:

1) алгоритмов автоматического распознавания характера осадков. Одним из критериев отнесения осадков к локальным может служить рекомендованная в одной из устаревших методик ситуация, когда в период выпадения осадков не меняется атмосферное давление и температура держится высокой — на уровне 20-25 °С;

2) методов геопространственной интерполяции значений показателя пожарной опасности по условиям погоды.

Обзор проблемных вопросов в области метеообеспечения ИСДМ-Рослесхоз будет неполным, если не упомянуть сложности прогноза поведения лесных пожаров. В настоящий момент, как впрочем и в середине прошлого века, существует множество различных подходов и методов прогнозирования распространения лесных пожаров. Для реализации большинства из них требуется информация о ветре, температуре и влажности непосредственно в районе лесного пожара (а не на ближайшей метеостанции).

Рис. 4. Пример карты текущей пожарной опасности в лесах

Для решения этой проблемы возможны два пути:

1. Использование миниатюрных метеодатчиков с функцией автоматической пересылки информации, полученной вблизи пожара.

Современное развитие средств связи, а также развитие нанотехнологий позволит в ближайшие годы создать дешевые малогабаритные, возможно одноразовые, датчики, которые могут быть установлены (или разбросаны с помощью авиации) в районе крупного лесного пожара с целью обеспечить сбор необходимых метеоданных для прогноза развития ситуации.

Несмотря на то что это звучит как научная фантастика, следует отметить, что для военных нужд уже сейчас используются подобные технологии для быстрого создания сети обнаружения присутствия людей вблизи охраняемого участка или объекта.

2. Геопространственная интерполяция метеоданных на основе всех доступных метеоданных (с ближайших метеостанций, мобильных вблизи пожара, авиационных, спутниковых).

В заключение хотелось бы отметить, что в настоящий момент информация из Росгидрометцент-ра, как было сказано выше, поступает по каждой метеостанции несколько раз в день (по каждому стандартному сроку наблюдений). После загрузки в ИСДМ-Рослесхоз по каждой отдельной метео-

станции рассчитывается класс пожарной опасности. Для формирования отчетов по лесным пожарам приходится использовать значения класса пожарной опасности не в районе пожара, а по данным ближайшей метеостанции. Для получения части тематических продуктов, формируемых в ИСДМ-Рослесхоз (например, карты показателей пожарной опасности по условиям погоды — рис. 4), по упрощенной методике средствами ГИС строятся растровые карты, на которых значения указанных показателей равномерно распределяются по всей территории.

В настоящий момент в Росгидрометцентре на основе новейших теоретических разработок и с использованием современных суперкомпьютеров строятся пространственные карты распределения основных метеопоказателей.

В связи с этим предлагается перейти от получения данных по метеостанциям к получению в ИСДМ-Рослесхоз непосредственно геопривязанно-го растра, в котором каждый пиксель будет иметь, кроме географической координаты, также значение заданных метеоэлементов. Это существенно повысит качество и скорость формирования производных тематических продуктов и обеспечит существенный скачок в качестве информационного обеспечения пользователей ИСДМ-Рослесхоз.

Материал поступил в редакцию 23 октября 2009 г.

© Котельников Р. В., Коршунов Н. А., 2010 г. (e-mail: [email protected], [email protected]).