CC BY
58
6. Кучма В.Р. Состояние здоровья и проблемы медицинского обеспечения подростков // Здоровье населения и среды обитания. - 2003. - №9. - С.3-8.
7. Оценка потенциального риска развития заболеваний органов дыхания в различных районах г. Волгограда // Проблемы и перспективы современной науки: сб. науч. тр. - Томск, 2008. - Т.1. - Вып. 2. -С.27-28.
УДК 630*43 С.А. Чжан, Е.М. Рунова, О.А. Пузанова, А.Н. Сухих
ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ АСПЕКТ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ
На основе анализа многолетних исследований горимости лесов Иркутской области, а также данных ГИС-технологий, авторами статьи разработана регрессионная модель вероятности возникновения лесных пожаров в пространственно-временном аспекте и регрессионная модель сезонного хода лесных пожаров для условий Приангарья.
Ключевые слова: лесные пожары, экологические процессы, горимость лесов, пожароопасность, ГИС-технологии.
S.A. Chzhan, Ye.M. Runova, O.A. Puzanova, A.N. Sukhikh SPATIALLY-TIME ASPECT OF FOREST FIRES OCCURRENCE
On the basis of the analysis of the long-term forests fires occurrence research in the Irkutsk region, and also the GIS-technologies data, regression model of forest fires occurrence probability in spatially-time aspect is developed by the authors of the article. Regression model of forest fires seasonal course for Priangariye conditions is developed.
Key words: forest fires, ecological processes, forest fires occurrence, flammability risk, GIS-technologies.
Изучение лесных пожаров охватывает широкий диапазон проблем: от термодинамики горения древесины до экологических и социально-экономических процессов различных территориальных масштабов. По данным Иркутского управления лесами, 7-17 % лесных пожаров вызываются молниями, а 83-87% - людьми (6-10% пожаров по неустановленным причинам следует также отнести к антропогенным).
Обширная обобщенная информация о лесных пожарах приводится в ежегодных Государственных докладах о состоянии природной среды [1]. Она получена наземными наблюдениями лесничеств и службой авиаохраны лесов.
За последнее десятилетие горимость лесов государственного значения характеризуется следующими цифрами: число пожаров в год менялось от 329 (1988) до 3522 (1990), соответствующая выгоревшая площадь равна 442 и 4540 км2, а средняя площадь одного пожара колеблется в пределах 1,3-0,2 км2.
На огромном статистическом материале лесхозов оценено количество пожаров за многолетний период. Так, в 1935-1945 гг. среднегодовое число пожаров составляло 664 случая, в 1955-1964 гг. - 1423, а в 1995-2006 - 1894 случая. Среднегодовое число пожаров в области за 60-летний период равно 1250 случаям, а если усреднить данные за 40 лет, то эта цифра увеличивается до 1467 случаев. Число пожаров в расчете на 10000 км2 колеблется от 52 до 15. Типичная интенсивность горения составляет 1 га/ч, что при средней площади пожара 76 га соответствует продолжительности одного пожара 76 ч, или трем суткам. Как следует из этих обобщенных данных, горимость лесов отличается очень большой изменчивостью как во времени, так и в пространстве. Например, в 2003 г. с 1 по 15 мая возникло 42 % годового числа пожаров на площади 50% от выгоревшей за год.
Факторы, способствующие горимости лесов, видны из анализа сезонной динамики числа пожаров. На рис. 1 приведен сезонный ход горимости, усредненный за период 1959-2006 гг.
40
35
апрель
август
сентябрь месяцы
I I Среднее за месяц количество пожаров в Иркутской области за 1959-1990 гг. Среднее за месяц количество пожаров в Иркутской области за 1998-2006 гг.
Рис. 1. Среднемесячное количество пожаров
Как видно из рис. 1, максимум пожаров (более 1/3) приходится на май. В июне, июле и августе гори-мость резко уменьшается, а в конце сентября и начале октября пожары прекращаются. Природные факторы такого изменения (а именно они выявляются при многолетнем усреднении, поскольку антропогенный фактор нивелируется, как не имеющий закономерности сезонного хода) хорошо известны. В Прибайкалье конец апреля и май характеризуются малым количеством осадков и повышенной скоростью ветра, что после схода снежного покрова создает благоприятные условия возгорания сухой травы и хвои. В июне атмосферные осадки также невелики и при длительной засушливой погоде горимость лесов высока. Июль и особенно август характеризуются максимальным количеством осадков и слабым ветром, что резко снижает пожароопасность. Подобную же роль играет новый травяной покров.
Приведенная информация о пожарах получена и систематизирована службой охраны лесов, использующей наземные и авиационные способы обнаружения и тушения пожаров. В последние годы Иркутским Центром космического мониторинга осуществляются спутниковые наблюдения за лесными пожарами. Космический мониторинг позволяет получить непрерывную информацию о пространственно-временной структуре пожаров.
Возможности геоинформационной системы наблюдения за лесными пожарами чрезвычайно велики. Проведен анализ данных мониторинга пожаров за 1998 и 2006 годы на территории Приангарья.
Непрерывное слежение за пожарами, определение и картографирование их площадей осуществляется по космическим снимкам системы NOAA (сканер AVHRR). Спутники серии NOAA обращаются по почти круговым орбитам с высотой порядка 850 км и периодом обращения примерно 1,5 ч. На орбите одновременно находится не менее двух спутников, что дает возможность получать информацию с периодичностью 2-3 ч. Предельное пространственное разрешение составляет 1,1 км, ширина полосы сканирования - 2500 км.
Центр космического мониторинга (ЦКМ) ИСЗФ СО РАН оснащен аппаратурой приема спутниковой цифровой информации, поступающей в режиме высокого пространственного разрешения HRPT с комплекса приборов, установленных на борту космических аппаратов серии NOAA (США) (станция "SCANOR”). Информация со спутника принимается в режиме непосредственной передачи, поэтому территория, с которой собираются данные, ограничена зоной, в которой принимающая антенна и спутник находятся в прямой видимости.
Одним из основных приборов на борту NOAA является радиометр высокого разрешения AVHRR (Advance Very High Resolution Radiometer), измеряющей собственное и отраженное землей излучение в пяти спектральных каналах, представленных в таблице.
Характеристика каналов радиометра
№ канала Спектральный диапазон, мкм Трансформация излучения в атмосфере
1 0,58-0,68 Рассеяние на аэрозолях
2 0,725-1,1 Поглощение Н2О
3 3,55-3,95 Полное пропускание
4 10,3-11,3 Поглощение СО2, Н2О
5 11,5-12,5 Поглощение СО2, Н2О
Алгоритм автоматического обнаружения пожаров основан на температурных признаках: аномально высокой температуры в канале 3,7 мкм и большой разности радиационных температур между каналами 3,7 и
11 мкм. В ГИС используются также дополнительные информационные признаки: тепловые аномалии, дымовые шлейфы, потеря цветности участков горения, географическое положение.
В качестве эксперимента по изучению пространственно-временной структуры лесных пожаров в Иркутской области использовались данные спутникового мониторинга ЦКМ ИСЗФ СО РАН за 1998-2006 годы.
Вся территория была разделена на 100 квадратных участков размером 50х50 км. В каждой клетке подсчитывалось число пожаров за декаду. В качестве примера приведена часть карты Иркутской области (Братский район) по распределению числа пожаров (карта-схема рис.2.). Карта демонстрирует преобладание антропогенного фактора в возгорании леса: наибольшее число пожаров отмечалось вблизи городов и поселков. По этой же причине с удалением от Восточно-Сибирской железнодорожной магистрали число пожаров уменьшается.
Рис. 2. Количество пожаров по Братскому району Иркутской области за 1998-2006 г.
Число пожаров распределено по территории (по узлам регулярной сетки) крайне неравномерно. Кривая статистического распределения декадных сумм пожаров (число пикселов в клетке) характеризуется максимальной вероятностью (32% от общего числа случаев за два года) при 1 случае пожара. Два пожара наблюдались в 20 % случаев, три пожара - в 10 % случаев (рис.3), что свидетельствует о сравнительно небольшой вероятности возникновения пожаров в среднем по Иркутской области.
Число пожаров в квадрате 50х50 км
Рис. 3. Распределение вероятности числа лесных пожаров в Братском районе в 1998-2006 гг.
На основании изученных данных получена регрессионная модель вероятности появления пожаров в Братском районе.
у = ОД565х2 - 4,1367х + 26,006;
’ (1) Л2 = 0,7792,
где у - вероятность возникновения пожаров, %; х - число пожаров в квадрате 50х50 км; Я2 - величина достоверности аппроксимации.
Кривая статистического распределения, как это видно из рис. 3, характеризуется резким уменьшением вероятности до значений 4-6 случаев пожара, а затем медленным уменьшением вероятности до 15-19 пожаров в одной клетке. Функция распределения вероятностей позволяет определить среднее значение числа пожаров согласно теореме о среднем:
_ Ех</(х)
--------■ (2)
г
Расчет показал, что среднее число пожаров в одной клетке в пересчете на единицу площади соответствует 0,0022 пожара/км2 в год. По большому статистическому массиву данных лесхозов в 1999 году на территории Иркутской области наблюдалось 24 пожара на миллион гектаров леса, или 0,0024 пожара/км2. Столь точное совпадение величин, полученных принципиально различными способами, может оказаться случайным, однако дает основания считать метод космического мониторинга пожаров вполне сопоставимым с прямыми наземными и самолетными наблюдениями. Представляет интерес суммарная вероятность появления числа пожаров выше заданного уровня. Такая интегральная кривая вероятности показана на рис. 4.
Число пожаров
Рис. 4. Интегральная вероятность появления лесных пожаров
Математическое выражение интегральной вероятности появления лесных пожаров для Иркутской области представлено уравнением:
у = 61,808е“ОЛ187д: К2 =0,9514,
(3)
где у - интегральная вероятность возникновения пожаров, %; х - число пожаров в квадрате
50х50 км; Я2 - величина достоверности аппроксимации.
Из рис. 4, в частности, следует, что в исследуемом регионе 50% случаев возгорания леса соответствуют более 2-3 пожарам в одной клетке, а свыше 6 пожаров наблюдаются в 25 % случаев.
Относительно плавные кривые дифференциального и интегрального распределения свидетельствуют о наличии общих природных пространственных закономерностей горимости леса на территории региона.
Антропогенные факторы, наиболее важным из которых является плотность населения на 1 км2, выступают как источники возгорания, а развитие пожаров в пространстве и времени зависит в большей мере от состава пород, рельефа, ветра, температуры и влажности подстилки и древостоя. Определяющая роль этих факторов хорошо иллюстрируется сезонным ходом числа пожаров (рис.5).
месяцы
Рис. 5. Сезонный ход повторяемости лесных пожаров в Приангарье за 1998-2006 гг.
Из графика рис. 5 видно, что пик активности возгорания приходится на конец апреля - май, а далее плавно снижается практически до нуля в сентябре.
На основе анализа многолетних исследований горимости лесов Иркутской области, а также данных ГИС-технологий, были разработаны регрессионные модели вероятности возникновения лесных пожаров в пространственно-временном аспекте и сезонного хода лесных пожаров для условий Приангарья.
Литература
1. Государственный доклад о состоянии окружающей природной среды Иркутской области. - Иркутск: Госкомприрода, 1992-2007.
2. Израиль Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды. - М.: Гидрометеоиздат, 1984. - 560 с.
3. Кобец В.П. Естественные и антропогенные факторы эволюции лесных фитоценозов // Лесн. вестн. -2000. - № 3 (12). - С. 153-162.
4. Михайлов Ю.З. Влияние экологических факторов на пространственно-временную структуру пожаров и послепожарное формирование насаждения // Актуальные проблемы лесного комплекса: сб. науч. тр. -Брянск: БГИТА, 2007. - Вып. 20. - С. 5-7.
