CC BY
33
УДК 630.43 (571.51)
СПУТНИКОВЫЙ МОНИТОРИНГ ДИНАМИКИ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ ПОЖАРОВ
Е.И. Пономарёв В.А. Иванов 2
1Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН 660036 Красноярск, Академгородок, 50/28; е-mail: [email protected]
2Сибирский государственный технологический университет 660049 Красноярск, пр. Мира, 82, е-mail: [email protected]
Исследована динамика крупных и катастрофических пожаров в современных условиях на территории Красноярского края и сопредельных территорий, зафиксированных в разные годы. Дано описание фаз развития пожара в течение периода проводимого спутникового наблюдения. Получены оценки скорости прироста площади и периметра катастрофического пожара в фазе активного развития.
Ключевые слова катастрофический пожар, дистанционный мониторинг, моделирование и прогнозирование
The dynamics of large and catastrophic wildfire in modem conditions was investigated for the territory of Krasnoyarsk krai and contiguous regions during different years. Description of phases of wildfire development was given for the period of satellite observation of fire. Assessment of increasing of perimeter and area were obtained in the case of catastrophic wildfires during the phase of active spreading.
Key words: extreme wildfire, remote sensing monitoring, modeling and prognosis
ВВЕДЕНИЕ
На территории России определены три уровня лесопожарного мониторинга: наземный (около 85 млн. га), авиационный (455 млн. га) и космический (1,1 млрд. га). Дальнейшее развитие системы охраны лесов подразумевает увеличение доли дистанционных методов (Андреев, Брюханов, 2011). Дистанционный уровень мониторинга способствует повышению уровня оперативности и информативности системы охраны лесов от пожаров. По данным многолетних наблюдений за пожарами в Сибири до 90 % площадей, пройденных огнём, составляют территории, на которых развивались крупные и катастрофические пожары. Согласно классификации (Иванов и др., 2011) в современных условиях к таким следует относить природные пожары площадью 200 - 2000 и более 2000 га соответственно.
Ежегодно причиной крупных пожаров в различных регионах России становятся устойчивые антициклоны, приводящие к длительным засухам и продолжительным бездождным периодам (Бондур, 2011, Sukhinin, 2008, Rubtsov et al., 2011). В таких условиях экстремальной пожарной опасности по условиям погоды создаются предпосылки к возникновению массовых очагов пожаров в локальной области (Валендик, 1990). В последнее десятилетие ежегодная повторяемость таких метеорологических условий неоднократно приводила к резкому возрас-
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, Красноярского краевого фонда поддержки научной и научнотехнической деятельности, а также Российско-
американского соглашения №10-05-043.
танию угрозы нанесения экологического, экономического и социального ущерба от лесных пожаров. Примером тому служат пожары 2003, 2006, 2011, 2012 гг. в регионах Сибири и Дальнего Востока (Читинская, Амурская, Томская области, Красноярский край, республики Тыва, Бурятия), пожары 2010 года на европейской части России (Бондур, 2011), ситуация сложившаяся в Западной Европе в 2010 г., экстремальная ситуация на западном побережье США в 2012 г.
При отсутствии своевременных действий по локализации и ликвидации возгораний, пожары развиваются на больших площадях. Для территории Сибири это следствие, прежде всего, труднодоступно-сти северных районов с низкой плотностью населения.
Мониторинг крупных пожаров, площади которых превышают тысячу гектар, а периметр нередко составляет до ста километров, практически не возможен без привлечения современных технических средств и соответствующего радиометрического оборудования. Спутниковые методы детектирования пожаров в России успешно работают с середины 90х годов прошлого века. В частности крупные пожары и их развитие успешно отслеживаются с использованием радиометров, размещаемых на спутниках низкого и среднего пространственного разрешения (Ьоир1ап е! а1., 2006). В настоящей работе проведен анализ динамики развития крупных пожаров, зафиксированных спутниковыми методами в разные годы, на территории Красноярского края. Специфика распространения катастрофических пожаров по территории определяется не только продвижением горящей кромки, но и перебросами горящих частиц от фронта пожара, которые могут достигать расстояний от 300 м (Валендик, 1985, 1990) до 1 и более километров (Франк, 1964). Массовые возгорания и после-
дующие объединения горящих участков, тем самым определяют специфику развития катастрофических пожаров, для которых не всегда могут быть применимы существующие модели скорости продвижения кромки активного горения и динамики формы (Дор-рер, 2008, Гришин, 1992, Коморовский, 2011). Как результат катастрофические пожары характеризуются значительными масштабами гарей.
Основная цель работы - оценить параметры изменения геометрических характеристик наиболее крупных и катастрофических пожаров в течение времени их активного развития.
Обобщение полученных результатов имеет важное прикладное значение, как характеристика, необходимая для разработки и усовершенствования моделей развития пожаров, а также в целом, для повышения эффективности системы принятия управленческих решений.
ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ
В работе использованы данные спутникового детектирования пожаров приёмными комплексами красноярского Центра коллективного пользования (ЦКП) КНЦ СО РАН, в котором представлены Институт леса СО РАН и Сибирский государственный технологический университет. Данные о площадях пожаров получены на основе тематической обработки данных сканерных съемок аппаратурой низкого пространственного разрешения
МОАА/АУНКЯ и ТЕКНА/Мо^, обладающих пространственным разрешением 1000 м. На сегодняшний момент банк данных ежедневного детектирования пожаров содержит информацию за период
1995 - 2012 гг. Исходный материал представляет собой геоинформационную базу данных, включающую в себя атрибутивные данные о сроках наблюдения за пожаром, данные о многократных промежуточных наблюдениях площади активной зоны и периметра пожара. Для анализа были выбраны соответствующие ежедневные записи о 22 катастрофических пожарах, произошедших в 1999, 2003, 2006, 2011 гг. Пожароопасные сезоны этих годов характеризуются максимумами возникновения и развития крупных и катастрофических пожаров на территории Красноярского края, Республик Хакассия и Тыва (рис. 1). В целом, за период проведения спутниковых наблюдений можно отметить линейный тренд увеличения количества таких
пожаров в экстремальные пожароопасные сезоны, которые повторяются на территории Сибири с периодом от 2 до 5 лет.
Следует отметить, что максимумы количества лесных и не лесных экстремальных пожаров не всегда совпадают. В исследуемые года количество пожаров в нелесной зоне не превышает среднестатистических значений за рассматриваемый период, исключение составляет только пожароопасный сезон 2011 года (рис. 1).
8 300 1----------------------------------------
р.
1993 2000 2005 2010
Гоя
О Лесные пожары —й— Не лесные пожары
-----Линейньй тренд
Рисунок 1 - Экстремальные пожары (итоговая площадь гарей более 2000 га) на территории Красноярского края, Республик Хакассия и Тыва за период
1996 - 2011 гг. Данные спутникового мониторинга ЦКП КНЦ СО РАН
Уточнение и детализация площадей, поврежденных пожарами, проводилась с использованием съемки среднего пространственного разрешения спутниковой системой ЬА№Э8АТ ЕТМ (пространственное разрешение 30 м), выполненной в течение одного месяца после пожара (для данных 2011 г.) и имеющейся в свободном доступе.
Известно, что спутниковые методы мониторинга пожаров наиболее точны при обработке данных именно крупноразмерных пожаров. По нашим наблюдениям, если для пожаров площадью не более 1000 га оценки площади и периметра могут быть завышены в 1,5 - 4 раза, то для наиболее крупных пожаров эта ошибка не превышает 20 % (рис. 2).
а) б)
Рисунок 2 - Выборка полигонов промежуточных наблюдений пожара, детектированного спутниковым методом, зафиксированного в Приангарье 21 мая - 10 июня 2011 г. а) а, Ь, с, и, е - контуры пожара, зафиксированные аппаратурой со спутника ТЕКвА в различные моменты времени (см. в тексте); б) а, и - контуры пожаров, зафиксированные на снимках ТЕКвА и на снимках ЬА№08АТ, выполненных 22 мая 2011 г. (пунктирная линия) и 7 июня 2011 г. (сплошная линия)
Представленные на рисунке 2 контуры одного из рассмотренных пожаров соответствуют различным моментам съемки аппаратурой ТЕКЯА/Мо^, проведенной 21, 22, 25, 30 мая и 10 июня 2011 г. соответственно. Площадь пожара менялась от 2,2 тыс. га (полигон а) до 16,5 тыс. га (полигон ф. Соответствующие им площади, вычисленные по данным съемки среднего пространственного разрешения, составляют 0,5 и 17,4 тыс. га соответственно. Кроме того, для заключительной фазы пожара, когда его площадь приближается к 20 тыс. га, наблюдается хорошее совпадение контура гари, фиксируемое аппаратурой различного пространственного разрешения (рис. 2, б). Присутствующий прирост площади до 21,4 тыс. га (полигон е) соответствует дате 10 июня, на который съемки ЬАМЭ8АТ на данную территорию отсутствовал в свободном доступе. Таким образом, использованный в работе подход удовлетворяет требованиям точности для рассматриваемого класса объектов.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Так как в работе анализировались только пожары, имеющие экстремальный характер и действовавшие в течение продолжительного срока (от 8 до 10 дней, в отдельных случаях пожары фиксировались более 20 дней), фактический анализ был построен на обработке данных о площади пожара и периметре гари с интервалом наблюдения 24 часа. В течение времени существования катастрофического пожаров можно выделить 3 фазы: начальная фаза, фаза активного развития и фаза стабилизации, локализации и тушения (рис. 3). В целом ход кривой развития исследуемых катастрофических пожаров соответствует существующим модельным данным (Коморовский, 2011).
В течение времени, соответствующему начальной фазе пожара, его площадь и периметр не всегда могут быть оценены средствами спутникового мониторинга в силу ограничений технического плана. В среднем, согласно использованной базе данных, рассматриваемые пожары впервые были зафиксированы на площадях не менее 150 га, а периметр составлял 4 - 8 км. Временная задержка обнаружения пожара спутниковыми методами может составлять до 12 - 24 часов.
Третья фаза пожара, по нашим наблюдениям, не сопровождается изменением геометрических характеристик гари, однако, на данной стадии пожар всё еще фиксируется спутниковыми средствами, так как значения температур на отдельных нагретых участках превышают фоновые значения. Период наблюдения пожара в третьей фазе может составлять до 7 дней.
350
300
й 250 к
Он
О)
к 200
150
100
50
- □ □□с _іиипс ][
- □С ]
- [ □ ¡□и
- [ □н ]
- □
- □
-Э-1— - □ - □ ■ я Ш
96
192
288
384 480
576
Время, ч
Рисунок 3 - Экспериментальные данные о динамике катастрофического пожара, время наблюдения 7 июля - 1 августа 2006 г
Для рассматриваемых пожаров, развивавшихся в экстремальных условиях, заключительная фаза фактически соответствует изменению метеорологической обстановки, приходу антициклона и выпадению осадков. Итоговые площади гарей, зафиксированные для рассматриваемых пожаров, составляют 14 - 44 тыс. га, при этом итоговые значения периметров гарей варьируют от 100 до 300 км.
Основной интерес вызывает анализ временного интервала, соответствующего фазе максимальной активности пожара. К этому сроку площади
наблюдаемых пожаров составляют более 1000 га, а периметр - около 25 км. В отличие от длительного пожара, динамика которого представлена на рисунке 2, а активная фаза приходится на интервал 96 - 360 часов, большинство из рассматриваемых пожаров имели меньший период активного развития - до 8 дней. В это срок наблюдалось существенное увеличение площади и периметра пожаров (рис. 4). В первом приближении для описания использована экспоненциальная функция, которая даёт высокий коэффициент согласия с экспериментальным распределением (Я2=0,98).
12
10
8
6
4
2
0
-у = 909е0,С Я2 = 0,9 15х Г
8
50
100
150
Время, ч
а б
Рисунок 4 - Экспериментальные значения (точки) изменения периметра (а) и площади (б) катастрофического пожара и линии экспоненциального тренда, описывающие динамику пожара в фазе активного развития. Среднеквадратическое отклонение составляет 10%. Шкала времени (х) показана от момента начала данной фазы и не содержит предшествующий интервал, соответствующий началу возгорания
Средняя скорость увеличения периметра составляет 1,1 км/ч, а скорость прирастания площади 80 га/ч. Описанные в литературе данные по скорости изменения периметра для наземных пожаров - 0,09 - 1,4 км/ч в зависимости от скорости распространения фронта пожара (Иванов, 2011, Временные нормативы..., 1986). Таким образом, динамика периметра катастрофических пожаров соответствует экстремально высокой скорости продвижения фронта пожара, равной 300 м/ч. Используя модельные данные (Иванов, 2011, Андреев, Брюханов, 2011) для скоростей распространения тактических элементов пожара (скорости фронта, фланга и тыла) рассмотрим прогнозируемое увеличение площади пожара. В расчетах принимаем формой пожара эллипс, соответственно площадь пожара вычисляли как площадь эллипса с большой полуосью, пропорциональной сумме скоростей фронта и тыла пожара, а малой полуосью, пропорциональной скорости фланга. В соответствии с выбранным подходом, для случая низового пожара предельные значения скорости увеличения площади пожара составляют 0,8 - 1, 65 га/ч. В случае верхового пожара, когда предельные значения скорости продвижения фронта составляют 800 и 5000 м/ч, вариация динамики прироста площади оценивается в пределах 20,2 - 78,5 га/ч.
Наблюдаемая скорость увеличения площади пожара - 80 га/ч - существенно превосходит вероятные
модельные данные для низового пожара и по порядку величины соответствует только предельному случаю для развития верхового пожара.
Однако следует отметить, что скорость увеличения рассматриваемых катастрофических пожаров в большинстве случаев оставалась экстремально высокой в течение продолжительного периода - более 5 дней. Можно предположить, что это вызвано, прежде всего, вероятными перебросами и возникновением новых очагов горения, которые в итоге объединялись.
Таким образом, выполненный анализ развития экстремальных катастрофических пожаров позволяет обозначить время начала второй фазы развития пожара, как срок, до момента которого работа противопожарных подразделений может обеспечить локализацию и ликвидацию возгорания. Пожар, перешедший во вторую фазу, характеризующуюся высокой скорость прироста площади, фактически уже не может быть ликвидирован существующими сегодня техническими средствами, и, как показывает практика, длится до момента прихода фронтальных осадков.
ВЫВОДЫ
По нашим оценкам на территории Сибири в последнее десятилетие существенной остается доля
крупных и катастрофических лесных пожаров (5,5 -10 % по числу случаев в 2008 - 2011 гг.), охватывающих до 90 % пройденной огнем площади лесов. На территориях, относимой к спутниковому мониторингу, более 50 % всех пожаров распространяются на площадях от 200 до 1000 га и 5 % общего числа пожаров растительности составляют пожары, площади которых превышают 1000 га.
Сделанные оценки скорости прироста периметра и площади катастрофических пожаров, по данным спутникового мониторинга являются важной характеристикой для усовершенствования моделей развития и распространения таких пожаров, а также позволят в будущем исследовать вопрос связи обозначенных параметров и энергетических характеристик пожаров с метеорологическими условиями, формирующими экстремальные пожароопасные сезоны.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Андреев Ю.А., Брюханов А.В. Профилактика, мониторинг и борьба с природными пожарами (на примере Алтае-Саянского экорегиона): справочное пособие. -Красноярск, 2011. - 272 с.
Бондур В.Г. Космический мониторинг природных пожаров в России в условиях аномальной жары 2010 г. // Исследования Земли из космоса.- 2011.- №3. - с. 3-13. Валендик Э.Н. Борьба с крупными пожарами. - М.: Наука, 1990. - 193 с.
Валендик Э.Н. Крупные лесные пожары и борьба с ними // Автореф. дис. докт. с.-х. н. - Красноярск, 1985. - 45 с. Временные нормативы на выполнение работ по тушению лесных пожаров. М, 1986. - 28 с.
Гришин А. М. Математическое моделирование лесных пожаров и новые способы борьбы с ними. Новосибирск: Наука, 1992. - 407 с.
Доррер Г.А. Динамика лесных пожаров. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2008. - 404 с.
Иванов В.А., Иванова Г.А., Москальченко С.А. Справочник по тушению природных пожаров. Проект ПРО-ОН/МКИ. - Красноярск, 2011. - 130 с.
Коморовский В.С. Оценка возможности прогнозирования распространения лесных пожаров по данным ИСДМ-Рослесхоз // III Междунар. научная конф. «Современные проблемы информатизации в системах моделирования, программирования и телекоммуникациях», 2011. http://econ0f.rae.ru/article/4679
Франк В.В. Лесные пожары и состояние атмосфера // Возникновение лесных пожаров. - Ред. Н.П. Курбат-ский. - М.: Наука, 1964. - C. 83 - 102.
Loupian E.A., A.A. Mazurov, E.V. Flitman, D.V. Ershov, G.N. Korovin, V.P. Novik, N.A. Abushenko, D.A. Al-tyntsev, V.V. Koshelev, S.A. Tashchilin, A.V. Tatarni-kov, I. Csiszar, A.I. Sukhinin, E.I. Ponomarev, S.V. Afonin, V.V. Belov, G.G. Matvienko and T. Loboda Satellite Monitoring Of Forest Fires in Russia at Federal And Regional Levels // Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change. - 2006, Vol. 11, #1. - P. 113145.
Rubtsov A.V., Sukhinin A.I., Vaganov E.A. System Analysis of Weather Fire Danger in Predicting Large Fires in Siberian Forests // Izvestiya Atmospheric and Oceanic Physics. - 2011, Vol. 47, # 9. - P. 1049 - 1056, DOI: 10.1134/S0001433811090143.
Sukhinin A.I. Space Monitoring and Analysis of Catastrophic Fires in Central Siberia and Far East// North-East Asia, A la Carte, Vol.19, Center For North-East Asian Studies, Tohoku University, 2008. - P. 19 - 23.
Поступила в редакцию 2 июля 2012 г. Принята к печати 7 сентября 2012 г.
