Дистанционное зондирование структуры облачности и дымовых шлейфов

Решетневские чтения

УДК 001.576.001.572

О. А. Дубровская Институт вычислительных технологий Сибирского отделения Российской академии наук, Россия, Новосибирск

В. М. Мальбахов

Институт вычислительного моделирования и математической геофизики Сибирского отделения Российской академии наук, Россия, Новосибирск

А. И. Сухинин

Институт леса имени В. Н. Сукачева Сибирского отделения Российской академии наук, Россия, Красноярск

ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ОБЛАЧНОСТИ И ДЫМОВЫХ ШЛЕЙФОВ

Проведен анализ взаимосвязей структуры облачности и дымовых шлейфов от крупных пожаров с полями ветра, температуры и влажности. Средствами гидродинамического моделирования восстановлена форма и структура облачных ансамблей и дымовых шлейфов от крупных пожаров, наблюдаемых из космоса.

В работе дан анализ взаимосвязей формы и структуры облачности и дымовых шлейфов от крупных пожаров с полями ветра, температуры и влажности с целью изучения механизмов образования разных типов конвективных ансамблей с помощью уравнений гидротермодинамики атмосферы. Показана возможность восстановления структуры облачных ансамблей и дымовых шлейфов от крупных пожаров, наблюдаемых из космоса, средствами гидродинамического моделирования. Выявлена взаимосвязь формы и структуры облачности и дымовых шлейфов с полями ветра, температуры и влажности воздушной массы и дана оценка влияния дымовых аэрозолей на процессы об-лакообразования, окружающую среду и погоду. Разработаны новые численные модели многоуровневого пространственного и временного разрешения, с двумя способами учета процессов облако- и осадкообразования. Основной акцент сделан на теоретическое объяснение тонкой структуры облачных ансамблей. В качестве источника данных дистанционного зондирования использованы материалы спутниковых съемок низкого и среднего пространственного разрешения NOAA/AVRR/TOVS и Terra/MODIS территорий Восточной Сибири, республик Саха (Якутия) и Тыва. Форма и структура облачности и дымовых шлейфов анализировалась средствами геоинформационных систем ARC-MAP9 и Erdas Imagine 8.7.

Разработана методика определения скорости и направления ветра по снимкам дымовых шлейфов от лесных пожаров. Установлены статистически обоснованные взаимосвязи геометрии и структуры облачных ансамблей с синоптическими параметрами в атмосфере, что позволяет эффективнее использовать космическую информацию в практических целях. Так, данные об облачности на спутниковых снимках служат предикторами в алгоритмах метеорологической интерпретации снимков и с помощью заранее рассчитанных связей дают оценочную информацию о полях

ветра и турбулентности на обширных территориях. Прогноз и анализ крупновихревой турбулентности на трассах полетов весьма важен для авиации, а поля ветра могут служат целям объективного анализа метеовеличин в задачах регионального прогноза погоды.

Установлено, что массовые пожары создают условия для вторжения крупнодисперсного аэрозоля в переохлажденную часть большого количества облаков, что приводит к быстрой кристаллизации переохлажденных водяных капелек в них. Такие облака дают существенно более слабые осадки, чем те облака, вершины которых состоят из суперпозиции ледяных кристаллов, снега и дождевых капель.

Представляет интерес оценка дальнего переноса аэрозоля, вызванного массовыми лесными пожарами. Для этих целей разработана крупномасштабная модель переноса трассера с использованием обратных траекторий. Расчеты проводились на примере якутских пожаров 2002 г. По данным реанализа (ЕСМЖР) Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды, с 10 по 20 августа 2002 г., когда горение леса на территории Республики Саха было самым сильным согласно данных космического мониторинга, восстанавливалась концентрация пассивной примеси на территории Якутии и Заполярья. Территория, которая подверглась действию этих пожаров, составила около 500 тыс. км2. Масса углекислого газа, выделившегося за сутки с такой площади, по данным о сгоревшей биомассе - 28,6 млн т. Площадь, где концентрация дыма превышала предельно допустимые концентрации, составила более 1 млн км2.

Предложенные модели использованы также при изучении влияния аэрозолей на окружающую среду районов, расположенных вблизи источников вредных выбросов (таких как зоны лесных пожаров, промышленные зоны, территории крупных городов и их окрестности), а также на загрязнение экологически уязвимых зон Арктики.

Использование космических, средств и технологий для мониторинга окружающей природной среды

O. A. Dubrovskaya Institute of Computer Technologies of Russian Science Academy, Siberian Branch, Russia, Novosibirsk

V. M. Malbahov Institute of Computer Simulation and Mathematic Geophysics of Russian Science Academy, Siberian Branch, Russia, Novosibirsk

A. I. Suhinin Institute of Forest named after V. N. Sukachev of Russian Science Academy, Siberian Branch, Russia, Krasnoyarsk

REMOTE SENCING OF CLOUDS AND SMOKE PLUMES STRUCTURE

The analysis of interdependence of clouds and smoke plumes structure because of large-scale fires and temperature, air humidity and wind fields is presented in the article. The form and structure of clouds ensembles and smoke plumes because of large-scale fires that can be seen from space are reconstructed by means of hydrodynamic modeling.

© Дубровская О. А., Мальбахов В. М., Сухинин А. И., 2010

УДК 89.57.25

У. А. Захарова, А. Н. Михайлов, А. А. Кокутенко

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Россия, Красноярск

АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПОВРЕЖДЕННОЙ ПОЖАРАМИ ТЕРРИТОРИИ ЯКУТИИ

ПО СПУТНИКОВЫМ ДАННЫМ*

Представлена методика анализа состояния поврежденной пожарами территории Якутии. Методика включает в себя выбор безоблачного космического снимка исследуемой территории, оконтуривание поврежденной поверхности, расчет нормального вегетационного индекса растительности, классификацию поврежденных участков методами максимального правдоподобия, минимального расстояния и методом расстояния Махаланобиса, расчет оценки точности для каждой классификации.

На сегодняшний день одним из главных направлений дистанционного зондирования Земли является мониторинг состояния лесных насаждений, так как оперативно полученная информация помогает отслеживать возникновение пожара, его развитие и динамику восстановления растительности. В работе представлена методика анализа поврежденной пожарами территории Якутии по спутниковым данным за 30 августа 2009 г.

Используя архив данных, было выбрано и обработано космическое изображение Landsat TM территории Якутии за 30 августа 2009 г. в программном пакете Erdas Imagine.

На первом этапе работы было произведено визуальное оконтуривание участков, поврежденных пожаром. В результате было установлено, что площадь контуров поврежденной пожарами территории составляет 947 969,55 га.

Затем был произведен расчет значений NDVI для интересующей нас области по формуле

f - f NDVI = Jl J\

f2 + Л

где f и f2 - яркости изображения растительности в красном и ближнем ИК-диапазонах спектра [1].

После запуска модели расчета NDVI в программном пакете Erdas Imagine было получено черно-белое одноканальное изображение, отображающее значение вегетационного индекса.

Далее была произведена классификация поврежденных участков методами максимального правдоподобия, минимального расстояния и методом расстояния Махаланобиса.

Так как в данной работе используется классификация с обучением тремя методами, необходимо создать эталонные области. Для этого на снимке выделяется K классов, относящихся к разным типам растительности.

Метод максимального правдоподобия заключается в том, что имеется спутниковое изображение, полученное в n спектральных каналах, которое представляет собой совокупность пикселей с яркостью (i, j) каждого пикселя. Требуется отнести этот пиксель к одному из K классов. Компьютер оценивает вектор математического ожидания и корреляционную матрицу для каждого из классов.

*Работа выполнена при поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг.