Методические основы мониторинга пожароопасных геокомплексов

УДК 502.7+631.6 Вестник СПбГУ. Сер. 7. 2005, вып. 4

А. А. Бобков, А /7. Вершинин, М Щербаков, Я Ю. Цепелев, В. А. Намятое

МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

МОНИТОРИНГА ПОЖАРООПАСНЫХ ГЕОКОМПЛЕКСОВ 1

Введение. Обнаружение и прогноз очагов пожаров и их динамики относится к важнейшей задаче, которые разрабатывают гидрометеорологические службы мира. Основой для составления таких прогнозов, заблаговременностью, как правило, на сезон вперед, являются прогнозы температуры и осадков, оценки которых составляются региональными центрами погоды. Существующие методы прогноза не отражают временные границы при задаваемой критической вероятности возникновения лесных пожаров и их географическую локализацию. Опыт показывает, что использование только метеорологических параметров для расчета и места образования очагов возгорания недостаточно. Для повышения надежности оценки пожароопасности лесных массивов необходимо учитывать: 1) влагозапас почвы; 2) состояние растительного покрова конкретного ландшафта; 3) особенности территории, прежде всего формы рельефа; 4) сезон года; 5) водные и тепловые свойства почв; 6) характер лесной подстилки (содержание в ней минеральных фракций и степень разложения опада листвы, хвои и т. п.); 7) дренируе-мость почвы и грунтовый сток в зоне аэрации.

Прогноз пожароопасности может быть более успешным, если в прогностической методике учтены характеристики как компонентов ландшафта (геоморфологические, почвенные, растительные, водные и тепловые компоненты), так и климатические региона -функционирование в конкретной фазе ритмики вегетации. При этом появляется возможность дифференциации пожаров по условиям их возникновения (низинные, обусловленные процессами самовозгорания при нарушениях водно-воздушного обмена, особенно торфяных залежей, приземной растительности и др.; верховые, связанные с грозовой деятельностью, наличием сухостоя и т. п.). Следует также иметь в виду, что вероятность образования пожаров существенно зависит не только от антропогенных факторов, но и от социальных, в частности посещаемости территории, культуры ее использования и др. Последние факторы требуют постоянного административного мониторинга территории.

Задача исследования заключалась в изучении комплексного механизма формирования водного и теплового балансов территорий с учетом местных особенностей ландшафтов для заблаговременного прогноза возникновения в теплый период года. В основу разработки методики положена идея о том, что почвенные и флористические свойства подстилающей поверхности в значительной мере определяются мезоклиматическими особенностями территории, которые зависят от типа атмосферной циркуляции, а следовательно, от соответствующего характера погоды: сухая - влажная, жаркая - холодная, а также гидрологическими и гидрогеологическими особенностями района: степенью дренируемости, влагоемкостью почвогрунтов. Используя прогностические аномалии температуры и осадков на месяц и сезон вперед и зная водно-тепловые условия региона, можно осуществлять мониторинг геокомплексов с акцентом на предпосылки возникновения пожароопасных ситуаций. Необходимым условием для этого является выявление взаимосвязи различных метеорологических и гидрофизических факторов среды со степенью пожароопасности и, как следствие, с вероятностью возгораемости растительных комплексов. Параллельно проводится верификация параметров, привлекаемых к выявлению пожароопасных ситуаций.

1 Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант №05-05-65317).

© А. А. Бобков, А. П. Вершинин, В. М. Щербаков, В. Ю. Цепелев, В. А. Намятов, 2005

Материалы. Для достижения результата база данных (БД) должна быть достаточно многоуровенной и междисциплинарной и включать эмпирические и теоретические материалы, в частности:

1) общегеографические карты распределения основных средообразуюших параметров;

2) использование для последующих расчетов реальных (входных) параметров, измеренных на гидрометеорологических станциях и гидрологических постах;

3) моделирование теплового и водного балансов территорий с учетом важнейших компонентов макро-, ме-зо- и отчасти микроуровней;

4) данные дистанционного спутникового зондирования очагов пожаров, индекса вегетации, испаряемости со спутников серии MODIS или NOAA (данные спектрозонального зондирования поверхности);

5) результаты наземных наблюдений за очагами пожаров и их динамикой.

Формируемая БД условно подразделяется на постоянные и переменные блоки.

Постоянный блок БД должен включать в себя топографическую (картографи1ческую) основу региона, карты рельефа, растительности, почвенного покрова, элементы гидрографической сети, ландшафтные системы (весь таксонометрический ряд от зон до провинций и даже округов) для общей оценки исследуемых reo комплексов, а также сеть реперных гидрометеорологических станций и постов, используемых в модельных расчетах оценки влагозапаса территории.

В переменный блок БД, который учитывает динамику факторов и процессов, входят снимки (карты) очагов возгорания на подстилающей поверхности, индексы вегетации, оценки влагозапаса почвы, распределения аномалий приземной температуры воздуха и осадков. Первые два параметра получаются путем данных дистанционного зондирования земной поверхности со спутников, третий - из модельных расчетов, последние берутся из метеорологической БД в узлах регулярной сетки данных с шагом 1°

Весь материал представляется на уровне ГИС-технологий в среде ArcGIS с сопровождающей атрибутивной базой данных средствами Access.

Подходы к решению проблемы. Обнаружение потенциальных очагов пожаров традиционно решается путем мониторинга природных растительных геокомплексов, способных к возгоранию, что выполняется при помощи наземных и дистанционных методов контроля ситуаций с использованием статистических методов установления корреляционных связей на экспериментальных данных. Необходимость привлечения всех доступных средств оперативного обнаружения пожаров на ранней стадии их развития и даже на уровне возможных их провокаций к возникновению объясняет возрастающую роль спутниковых систем дистанционного зондирования земной поверхности в методиках прогнозирования этого явления. Космический мониторинг имеет ряд преимуществ по сравнению с приземной авиаразведкой за счет высокой оперативности и регулярности съемок, большой площади охвата земной поверхности и меньших операционных (финансовых) затрат.

Комплексный подход к решению проблемы состоит в следующем:

1. Прогнозы погоды на месяц и сезон вперед дают возможность представить в вероятностном виде поля аномалий приземной температуры и осадков с детализацией хода температуры внутри прогностического периода по пентадам.

2. По модельным оценкам влагозапаса почвы и растительного покрова, где последний определяется по индексам вегетации, возможно выявлять конкретные районы с пониженным влагозапасом с высокой степенью пространственной детализации.

3. Оценка качества проводимых расчетов по выделению потенциальных пожароопасных геокомплексов сравнивается с данными по гидрологическому режиму водных объектов «Гидрологический прогноз» пожароопаспости был обоснован В. Я. Куликом и С. А. Лобановым [1,2], которые показали, что сток рек и уровень воды.в.водоемах и болотных массивах умеренной зоны являются более устойчивой и инерционной характеристикой, чем метеорологический режим, и их учет наряду с метеорологическими параметрами территорий (такими как температура И дефицит влажности воздуха, сумма температур выше 10 °С за бездождевой период и т. п.) позволяет существенно улучшить качество прогноза пожароопасности геокомплексов.

4. С использованием прогностических полей аномалий среднемесячной температуры воздуха и осадков появляется возможность определить те геокомплексы, в которых влагозапас в зависимости от гидрологических, гидрогеологических и метеорологических условий сохранится на низком уровне в течение ближайшего месяца или сезона.

Для решения поставленной задачи требуется:

1) подготовить картографическую основу региона на базе ГИС-технологии с размещением на ней в виде отдельных слоев контура территории, форм рельефа (в виде изогипс или изобат), гидрографической сети, геоморфологических структур, распределения почв и растительности (плотности лесных пород и видов растительности). что послужит базисом для последующего исследования;

2) нанести на картографическую основу с границами региона (регионов) осредненные за некоторый период времени (например, за месяц) очаги пожаров с целью выделения наиболее пожароопасных участков территории и получения статистики пожаров;

3) определить климатические условия отдельных месяцев, сезона и года в целом для их качественной и количественной характеристики: засушливый - влажный, теплый или холодный период;

г

71

4) привязать пожароопасные геокомплексы к ландшафтным свойствам местности: рельефу, геоморфологическим характеристикам, почвам, растительности, элементам гидросети;

5) оценить и смоделировать изменчивость влагозапаса почвы и другие характеристики теплового и водного режимов на основе использования данных дистанционного зондирования и наземных наблюдений,

6) исследовать динамику характеристик влагозапаса почв и растительности при дефиците влажности и аномальном температурном режиме, приводящих к атмосферной засухе в различных геоморфологических участках изучаемого района;

7) выполнить статистическое исследование расчета вероятности возникновения и локализации очагов пожаров в геокомплексах с пониженным влагозапасом почв в зависимости от типа растительного покрова и установить корреляционные связи:

8) обобщить литературную информацию по характеристике индексов вегетации для различных видов растительного покрова;

9) создать месячные и сезонные карты индексов вегетации, определяемых по данным дистанционного зондирования Земли;

10) установить связи между индексами вегетации и локализацией крупных очагов пожаров;

11) оценить степень взаимосвязи между индексами вегетации и в л агосо держанием растительного покрова и почв в зависимости от типа геокомплекса.

После завершения базового описания региона составляется гидрометеорологическая характеристика условий возникновения пожароопасной ситуации при различных типах атмосферной циркуляции, способствующих установлению соответствующего типа погоды, для чего для предсказания степени пожароопасное™ геокомплексов наносятся поля температуры воздуха и осадков.

Задача вероятностного прогноза пожароопасности может первоначально решаться на уровне сезонного и месячного масштабов осреднения информации. При достижении удовлетворительного результата возможна детализация прогноза внутри месяца с дискретностью по пентадам.

В предпринятом исследовании акцент делается на теплом периоде года (май-сентябрь).

Алгоритм оценки динамики увлажнения. Увлажненность территории определяется режимом выпадения осадков, испарением и миграцией воды в почвенно-грунтовой толще. Математически это выражается в виде систем уравнений водного и теплового балансов деятельной поверхности.

Современные модели формирования водно-теплового режима почвогрунтов достаточно многочисленны и включают различные компоненты, отражая тем самым субъективность подхода разных авторов.

При оценках водного и теплового режимов территорий необходим учет местных условий формирования и развития геокомплексов разного ранга.

Запасы влаги в корнеобитаемом слое в период вегетации связаны с испарением выражением вида

IV

Е = Е0-Ч

0 2 НВ

где Е - испарение; НВ - наименьшая влагоемкость почвы в корнеобитаемой зоне; Е0 - испаряемость; 1Уни И/к~ влагозапасы в корнеобитаемом слое почвы соответственно в начале и конце расчетного периода (пентада, декада, месяц).

Влагозапасы на конец расчетного периода определяются уравнением водного баланса

Шк=\Ун+Х-Е +

(Х - осадки, К - приток влаги в корнеобитаемую зону из грунтовых вод; 3 - инфильтрация; У пае — поверхностный сток, остальные обозначения приведены выше). Нетрудно видеть, что эти выражения имеют общий член - испарение

Динамика вегетации,. кроме метеорологических причин, обусловлена в значительной степени положением уровня грунтовых вод и их изменчивостью. В период же, предшествующий началу вегетации, влагозапасы в почве и уровни грунтовых вод формируются под влиянием процесса снеготаяний. Конечным итогом расчетов является определение величины влагозапасов и испарения на любой момент времени.

Особенности водного и теплового режимов геокомплексов зависят от свойств деятельной поверхности и климатических характеристик ландшафтов. Основой построения моде-

ли формирования водного баланса служит система уравнений, описывающая закономерности формирования теплового и водного режимов территории, которая включает в себя блоки: 1) испаряемости; 2) поверхностного водного баланса, включающий уравнения водного баланса деятельной поверхности, стекания влаги по поверхности (например, уравнение кинематической волны) и впитывания влаги почвой; 3) теплового режима приземного слоя атмосферы и деятельного слоя почвы (мезо- и микроклимата), состоящий из уравнений теплового баланса, турбулентной диффузии для описания процессов испарения и турбулентного теплообмена с учетом адвективных составляющих, потока тепла в почву, радиационного баланса, эффективного излучения, фазовых переходов влаги (таяние снега, замерзание влаги); 4) динамики грунтовых вод, включающий уравнения горизонтального движения грунтовых вод, капиллярного переноса влаги грунтовых вод в зону аэрации и инфильтрации.

Последовательность решения задачи состоит в следующем.

1. По измеренным на метеостанциях метеоэлементам определяется испаряемость, в которую, согласно работам [3, 4 и др.], вводятся поправки на поглощение солнечной радиации склонами различной ориентации. На этой основе рассчитывается водный режим для различных типов местности по известным для них свойствам (шероховатость, защищенность, водно- и тешюфизические характеристики почвы: условия вегетации растительности, высота местности).

2. Строится модель формирования водно-теплового режима. В ее основу положены:

1) уравнение водного баланса активного (подверженного существенной динамике водного и теплового режима) слоя почвогрунтов, отличающееся от (2) наличием в нем элементов баланса воды зимнего периода года:

IV, =1Гм+Х-Е +

где <2С - аккумуляция воды в снеге, А - стаивание снега;

2) уравнение водного баланса насыщенной зоны (собственно первого горизонта грунтовых вод):

ц

в котором /л - коэффициент водоотдачи, кн и кк - конечный и начальный уровни грунтовых вод, Угр - грунтовый сток.

Дополнительно для решения задачи привлекаются уравнения для определения испарения, по типу уравнения (1):

Е = +

£Ь=Е0-ЕС,

£с=0,88-£0. ' .

Испаряемость Е0 может рассчитываться, например, по схеме Л. И.Зубенок [5] с поправками на ориентацию склонов, хотя возможны и другие варианты ее определения; в (7) Ес -испарение со снега. Расход грунтовых вод в зону аэрации К вычисляется по формуле Рам-

К - Е0 ехр

где кгр - глубина залегания грунтовых вод, кр - эмпирический параметр, изменяющийся от 0,8 до 3,0 в зависимости от типов почв.

Процесс инфильтрации начинается при влажности почвы более или равной наименьшей влагоемкости почвы (у), и для ее расчета используется уравнение

¿ =

здесь Кф - коэффициент фильтрации верхнего горизонта почвогрунтов, г - время, N -гидравлический напор. ..

/

Вводимая в расчеты испаряемость Е0, оценивающая максимально возможное испарение, существенно зависит от микроклиматических характеристик местности и в основном определяется различиями в поглощении солнечной радиации склонами различной ориентации

[4].

Для замыкания системы уравнений и оценки качества расчетов привлекается уравнение теплового баланса

R = LE + P+B,

в котором R - радиационный баланс, L - теплота парообразования, Р - турбулентный теплообмен, В ~ поток тепла в почву.

Уравнения водного (2) и теплового (10) балансов связывают затраты тепла на испарение, определяемые для высот ниже верхней границы внутреннего пограничного слоя уравнением турбулентной диффузии.

В блок расчета водного режима грунтовых вод входными параметрами из блока зоны аэрации входят инфильтрационное питание и расход грунтовых вод в зону аэрации, которые формируют фунтовый сток и уровень грунтовых вод. Определяя испарение по схеме водного баланса для каждого типа поверхности можно, используя совместное решений уравнений, определить температуру деятельной поверхности, принимая значения температуры воздуха на верхней границе внутреннего пограничного слоя, и далее рассчитать внутри этого слоя основные значения метеоэлементов на стандартной высоте.

Индекс вегетации. От водно-теплового режима территории зависит характер растительного покрова геокомплексов. Для его оценки в середине XX в. рядом исследователей был предложен индекс вегетации (ИВ), характеризующий содержание пигмента (хлорофилла) в наземной растительности и состояние растительного покрова: чем выше величина ИВ, тем более насыщены хлорофиллом листья, тем лучше развита зеленая масса растений. С началом широкого внедрения дистанционных методов исследования Земли ИВ с середины 1980-х годов стал регистрироваться со спутников. Для этой цели используются радиометры высокого разрешения AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer), которые регистрируют плотность (концентрацию) зеленой растительности земной поверхности.

Алгоритм таких измерений состоит в следующем [6-9]. Два канала измерителя AVHRR являются чувствительными к сигналам, отражаемым от земной поверхности в ближней инфракрасной (NIR) и красной (RED) областях спектра. По разнице сигналов определяется фотосинтетическая способность вегетации в пикселях (1 пиксель AVHRR равен 1 км2) конкретного участка территории. Такая величина называется нормированным разностным индексом вегетации NDVI (Normalized Difference Vegetation Index), которая теоретически может изменяться от -1 до +1, но реально она выше нуля при максимально возможном значении 0,8-0,9, что соответствует очень высокой плотности зеленого покрова местности. Каждый тип растительности (лес - хвойный, лиственный, смешанный; поле и т. д.) имеет свой ИВ, но сохраняется общая тенденция: чем зеленый покров более плотный, тем ИВ выше. Низкие значения ИВ свидетельствуют об угнетенности (увядании) растительного покрова, смене ландшафтов (когда лиственный лес заменяется хвойным) либо указывают на наличие определенного вида грунтов и скальных пород. Величина ИВ, равная нулю, говорит об отсутствии хлорофилла в зеленых листьях деревьев, траве и т. п., что означает отсутствие зеленой растительности у геокомплексов (например, в пустыне) или угнетение растительности в геокомплексах за счет ряда причин (в частности, увядание растительности осенью перед опадом листьев; вследствие засухи в летний период; после пожара и т. п.).

Измерения ИВ при помощи данных дистанционного зондирования картируются и дешифрируются, а результаты, несмотря на то, что и сами данные, и способы их обработки и анализа во многом дискуссионны, находят применение в оперативной практике мо-

ниторинга растительного покрова суши, в том числе при выявлении пожароопасных геокомплексов [6].

Заключение. Хотя мониторинг возникновения очагов лесных пожаров имеет большую практическую ценность, гораздо важнее спрогнозировать вероятность появления таких очагов с большой заблаговременностью. Путем модельных расчетов можно достаточно достоверно выделить геокомплексы с пониженным содержанием влаги, что при соответствующих гидроклиматических условиях должно способствовать формированию в теплый период года очагов повышенной пожароопасности. Успешное решение этой проблемы возможно только при комплексной оценке свойств подстилающей поверхности и ее способности к возгоранию, что определяется различными способами моделирования. Предпочтение среди них может отдаваться данным дистанционного зондирования, которые позволяют за короткий срок изучить большие площади с высокой степенью детализации.

Summary

Bobkov A. A., Vershinin А. РShcherbakov V\ М., Tsepelev V. Yu., Namyatov V. А. Methodic foundations of the fire danger geocomplexes monitoring.

Investigation is aimed at studying the complex mechanisms of territory water and heat balance forming with taking into consideration the local features of landscapes to determine the seats of high probability of fire danger in the warm period of the year. Verification of parameters are made by using land and remote sensing data. Soil and flora peculiarities of the surface are determined on the base of rnesoclimatic formation features which depend on the forms of atmosphere circulation with the ensuing consequences on the weather character. Using the methods of the anomaly forecast of the temperature and precipitations for a month and a season ahead period, knowing the water and heat characteristics of an area under investigation and having satellite images AVHRR of fire seats, the algorithm of geocomplexes inflammability reasons is elaborated, an emphasis being made on pre-conditions of the fire danger situation origin.

Литература

1. Кулик В. Я.. Лобанов С. А. Гидрологический прогноз лесных пожаров и их предотвращение // Экологич. вестн. Приморья. Владивосток. 2002. 2. Кулик В. Я., Лобанов С. А. Гидрологический прогноз лесных пожаров и их предотвращение // http://lib.ru/NTL/ECOLOGY/KULIK/fire__predict2004.txt. 3. Пенман X. Л. Растение и влага / Пер. с англ.; Под ред. P. JI. Струзера. Л., 1968. 4. Кондратьев К ЯПивоварова 3. ИФедорова М. Я Радиационный режим наклонных поверхностей. Л.5 1978. 5. Зубенок Л. И. Испарение на континентах. Л., 1976. 6. Johann G. Goldammer. The Wildland Fire Season 2002 in the Russian Federation // An Assessment by the Global Fire Monitoring Center (GFMC). intern. Forest Fire News (IFFN). 2003. N 28. 7. Kidwell К. В. NOAA Global Vegetation Index User's Guide. U.S. Department of Commerce NOAA National Environmental Satellite Data and Information Service. July 1997 // htip://'vv^w.bom.go v .a u/sat/NDVI/NDV12. snrmi. S. Salvador R., Diaz-Delgado Kt VaLeriano J., Pons X\ Remote sensing of forest fires // http://wAvw.creafuab.es. 9. Weier JHerring D. Measuring vegetation (NDVI & EVi) // http://nasa/eo library:measuring vegetation/.

Статья поступила в редакцию 15 мая 2005 г.