Моделирование распросранения газовых эмиссий от крупных лесных пожаров в Сибири

Решетневские чтения

A. A. Dodysheva, E. A. Okhotkina, A. I. Sukhinin Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev, Russia, Krasnoyarsk

ESTIMATION OF AGRICULTURAL FIELDS STATE IN TERRITORY OF KRASNOYARSK REGION UNDER THE SATELLITE DATA IN MAY, 2008

The technique to analyse agricultural grounds state applying a space picture of the given district is developed. The technique includes: association of the multi-channel data from Landsat companion in a uniform file, field shaping, NDVI definition, definition of soil humidifying degree, definition of a surface temperature.

© ^.ogwrneBa A. A., OxoTKHHa E. A., CyxHHHH A. H., 2009

УДК 551.509.313

О. А. Дубровская, Е. Г. Климова Институт вычислительных технологий, Сибирское отделение Российской академии наук, Россия, Новосибирск

А. И. Сухинин

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

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ГАЗОВЫХ ЭМИССИЙ ОТ КРУПНЫХ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ В СИБИРИ

Представлен метод моделирования распространения газовых эмиссий, выделяющихся при массовых пожарах в лесах Сибири, на основе ансамблевого подхода. Проведены численные расчеты траекторий распространения газовых эмиссий и получено удовлетворительное совпадение с результатами дешифрирования материалов космического зондирования.

Регулярно возникающие в различных регионах земного шара массовые лесные пожары привлекают к себе внимание как природные бедствия, приносящие серьезный экономический ущерб. Лесные пожары являются не только бедствием для населения, но и важным фактором локальной, региональной и даже глобальной экодинамики, что проявляется в выбросах в атмосферу дымовых газов и аэрозоля, которые вносят существенный вклад в образование и развитие парникового эффекта.

Газовые составляющие атмосферы, такие как СО, СО2, СН4, называемые парниковыми газами, оказывают существенное влияние на характер атмосферных процессов и экологическую обстановку в различных регионах. Одним из источников этих газов являются лесные пожары в боре-альных лесах на территории Сибири, Якутии, Дальнего Востока [1]. Моделирование распространения газовых эмиссий, выделяющихся при пожарах, является одной из важных задач при разработке методов прогнозирования задымлен-ности местности при крупных массовых лесных пожарах.

Так как в Сибири сосредоточены большие запасы наземного углерода, то увеличение площадей пожарищ, длительности пожарного сезона и

силы пожаров приводит к тому, что освобождаются значительные объемы углерода [2; 3]. В годы с экстремальной пожарной активностью общая эмиссия углерода может быть на 37...41 % больше, чем в годы с нормальной пожарной активностью, по причине увеличения сгорания органических веществ в почве. Средние оценки для стандартного сценария динамики выбросов рассматриваемых парниковых газов составляют: СО2 (555...1 031 тераграмм (Тг), СО (43...80 Тг), СН4 (2,4...4,5 Тг). Эти оценки представляют 10, 15, 19 % соответственно от глобальных оценок, сделанных по всему земному шару для пожаров растительности.

Газовые составляющие, выделяющиеся при пожарах, распространяются далеко за их пределы благодаря атмосферной циркуляции. Поэтому одной из важных задач является описание распространения дымового аэрозоля в пространстве и во времени с привлечением фактической метеорологической информации и данных о пожарах.

Для восстановления концентрации СО2 в заданном регионе была использована модель оценки эмиссий газовых примесей по данным о сгоревшей биомассе, предложенная в [2]. При расчете по модели необходима информация по расходу горючего материала, которая зависит от выго-

Дистанционное зондирование Земли

ревшей территории, количества горючих материалов на единицу площади, а также характеристик и состояния горючих материалов. Количество горючего материала, в действительности сгоревшего при пожаре, зависит от запаса и состояния топлива, его типа, климатических и метеорологических факторов, а также интенсивности пожара.

Модели расхода горючих материалов в общем случае включают эмпирические коэффициенты для прогнозирования относительных объемов тления и горения для различных условий горения. Использование спутниковых данных о выгоревшей территории позволяет сделать более точные оценки эмиссий углерода от лесных пожаров.

Для оценки территории, охваченной дымовым аэрозолем, разработана методика, основанная на вычислении обратных траекторий. В расчетах используются метеорологические данные о ветре, температуре и высоте на заданных изобарических поверхностях.

Алгоритм восстановления значений концентрации основан на совместном учете математической модели и данных наблюдений для описания пространственно-временной картины распределения исследуемых полей. Усвоение данных проводится на основе цикла «прогноз-анализ», при этом под анализом данных понимается интерполяция наблюдений в заданную точку.

Процедура усвоения данных производится следующим образом: от момента времени ^+1 до V ( - номер шага по времени), т. е. для одного временного шага вдоль траектории считается шаг «прогноза», который можно формально записать следующим образом:

qf = $

где q¡ - значение объемной концентрации углекислого газа в ¡-м сеточном узле в момент времени ^. В начальный момент времени ^ задается фоновое значение. Если есть данные о пожарах в К точках земной поверхности с координатами

{ (1к ), фк )), к = 1,... К} в моменты времени

... V1, производится шаг «анализа», т. е. оценка

значений концентрации в i-м сеточном узле по вычисленному на этот момент значению концентрации и измеренным значениям. Полученное значение «анализа» является начальным для вычисления следующего шага «прогноза».

Значение концентрации на шаге «анализа», которое соответствует точке траектории

в момент времени tJ, в котором есть информация о пожарах, определяется по значениям данных наблюдений, известным в окрестности этой точки радиусом R .

Для восстановления более мелкомасштабной структуры концентрации и учета динамики мезо-масштабных процессов, протекающих в атмосфере заданного региона, начата работа по использованию данной методики прогнозов полей ветра по модели WRF.

По модели WRF были получены поля ветра и температуры в заданном регионе с разрешением 18 км.

Таким образом, использован ансамблевый подход для расчета распространения газовых примесей от массовых лесных пожаров для заданного региона с применением метеорологических данных и спутниковой информации о пожарах. Предполагается при использовании прогнозов метеополей по модели WRF разработать методику усвоения данных о пожарах на основе ансамблевого фильтра Калмана, а также сделать количественную оценку переносимых газовых составляющих от пожаров при сопоставлении расчетов и натурных данных.

Библиографический список

1. Sukhinin, A. I. 2004. Satellite-based mapping of fires in Russia: New products for fire management and carbón cycle studies / A. I. Sukhinin [et al.] // Remote Sensing of Environment (2004). 93.

2. Трофимова, Н. В. Дистанционная оценка дымовых эмиссий от крупных лесных пожаров / Н. В. Трофимова // Вестник СибГАУ. 2008.

3. Estimating fire emissions and disparities in boreal Siberia (1998 through 2000) / A. J. Soja [et al.] // J. of Yeophys. research. 2004. Vol. 109.

O. A. Dubrovskaya, E. G. Klimova Institute of Computational Technologies, Russian Academy of Science, Siberian Branch, Russia, Novosibirsk

A. I. Sukhinin

V. N. Sukachev Institute of Forest, Russian Academy of Science, Siberian Branch, Russia, Krasnoyarsk

SIBERIAN WILDFIRE EMISSION PROPAGTION MODELLING

The method of Siberian mass wildfire emission numerical modeling based on ensemble approach is presented. The calculated smoke emissions trajectories were verified by remote sensing satellite data.

© Дубровская О. А., Климова Е. Г., Сухинин А. И., 2009