Пространственно-временная динамика лесных пожаров в Якутии

НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ, 2005, №1

УДК 551.5

Пространственно-временная динамика лесных пожаров в Якутии

B.C. Соловьев, В.И. Козлов, И.Ф. Смирнов

Картина пространственно-временной динамики лесных пожаров в Якутии, помимо локальных факторов, в определенной степени обусловлена солнечно-земными связями. По данным радиометра AVHRR/NOAA проанализирована пространственно-временная динамика лесных пожаров за последние пять лет в широтном диапазоне 56-72° с.ш. Показано, что лесные пожары наблюдаются с мая по сентябрь, в основном, в течение 3 летних месяцев с максимумом активности, приходящимся на вторую половину лета. На фазе максимума 11-летнего цикла солнечной активности отмечается тенденция смещения лесных пожаров с севера и юга к зоне 62-6<3° с.ш., что может быть объяснено широтным смещением траекторий атлантических циклонов, определяющих погоду от Европы до 140-го меридиана в Северной Азии, на фазе максимума солнечной активности.

The picture of spatial-temporal dynamics of wildfires in the Yakutia region, besides local factors, in the certain degree is caused by solar-terrestrial connections. The spatial-temporal dynamics of wildfires for last five years in latitudinal range 56-72 degrees of the northern latitude are analyzed with using the data of the radiometer AVHRR/NOAA. It was shown that wildfires are observed from May till September, basically within three summer months with a maximum of the activity during the second half of summer. On a phase of a maximum of an 11-years cycle of solar activity the tendency of displacement of wildfires to a central zone (62-68 degrees of the northern latitude). This situation may be explained by latitudinal displacement of trajectories of the Atlantic cyclones on a phase of a maximum of solar activity. The Atlantic cyclones determine weather from Europe up to 140-го a meridian in northern Asia.

Введение

Якутия является одним из наиболее пожароопасных регионов России. На территории республики ежегодно лесными пожарами уничтожаются огромные площади лесных массивов. При этом наносится урон экономике, уничтожается деловая древесина, происходит нарушение лесных экосистем. В результате лесных пожаров в атмосферу выбрасывается огромное количество продуктов горения - аэрозольных частиц и «парниковых» газов. Одной из основных причин возникновения пожаров является неосторожное обращение человека с огнем в лесу, вторая причина - это грозовая активность. Соотношение этих двух причин зависит от освоенности человеком территории. По сведениям, приведенным на

СОЛОВЬЕВ Владимир Степанович - к.ф.-м.н., зав. лаб. ИКФИА СО РАН; КОЗЛОВ Владимир Ильич - к.ф.-м.н., с.н.с. ИКФИА СО РАН; СМИРНОВ Иосиф Федорович - начальник Якутской базы авиационной охраны лесов.

официальном сайте Центральной базы авиационной охраны лесов Российской Федерации [http://www.nffc.aviales.ru/start/aviales/index-aviales. html], в густонаселенной европейской части до 98% пожаров возникает по вине человека, а в удаленных северных районах этот показатель составляет ниже 50%.

Пожарная опасность в лесу по условиям погоды вычисляется с помощью комплексного показателя Г.Н. Нестерова Kn=Xt(7-r), где t - температура воздуха; г - температура точки росы; суммирование по п - числу дней после последнего дождя (ГОСТ Р 22.1.09-99). Таким образом, степень пожароопасное™ лесов, в основном, зависит от количества атмосферных осадков (влажности лесного покрова), температуры и грозовой активности, косвенным показателем которых может служить облачность. Со спутниковыми системами наблюдения появилась возможность вести мониторинг облачного покрова и лесных пожаров на всей территории республики, а не в отдельных пунктах наблюдения.

Климат в Якутии резко континентальный, с характерным коротким жарким летом, сменяющимся продолжительной и холодной зимой (годовые колебания температуры могут превышать 100°С), межсезонье - скоротечное. Якутия находится в зоне вечномерзлых пород, мощность которых составляет от десятков до сотен метров. Распределение осадков в году крайне неравномерное, наибольшее их количество наблюдается в июле-августе, весенний период, как правило, засушлив. Такой неблагоприятный режим осадков в условиях отсутствия вечной мерзлоты должен был привести к опустыниванию всей Якутии, и только за счет отгайки вечномерзлых пород в летний период осуществляется подпитка грунтовых вод и растительности. Основной ле-сообразующей породой в Якутии является лиственница даурская, которая занимает большую часть покрытой лесом площади. Северные районы заняты редкостойными лиственничными лесами, которые южнее сменяются средне- и южно-таежными лесами, где наряду с даурской лиственницей появляются береза, сосна, ель, а на самом юге - кедр, пихта.

Малоснежная зима, засушливая весна и быстрый сход снежного покрова во многом определяют высокую пожароопасность и благоприятствуют возникновению многочисленных очагов лесных пожаров с окончанием зимы. Обычно, начиная уже с мая, на территории Якутии регистрируются первые очаги пожаров, которые, как правило, являются следствием неосторожного обращения человека с огнем при проведении сельскохозяйственных палов на сенокосных угодьях и пастбищах, разведении в лесу костров. При отсутствии достаточных противопожарных действий, сухой и жаркой погоде мелкие очаги стремительно перерастают в крупномасштабные лесные пожары, потушить которые способны только проливные дожди во второй половине лета; в такой ситуации работа служб пожарной охраны сводится к защите населенных пунктов, промышленных и магистральных объектов.

Атмосферные осадки на севере Азиатского континента, в целом, определяются переносом влаги циклонами с Северной Атлантики и морей Северного Ледовитого океана. Влагосодержание проникающих в бассейн р. Лены циклонов значительно понижается при прохождении Средне-Сибирского плато, определяющего орографию междуречья Енисея и Лены. Общий тренд в многолетнем ходе годовых сумм осадков за последние 50 лет имеет отрицательный характер, что ведет к увеличению пожароопасности.

Известно, что изменения циркуляции атмосферы, исследованные на протяжении нескольких веков, связаны с уровнем солнечной активности [1]. Вариации циркуляции наблюдаются, как в ходе 11-летнего цикла солнечной активности, так и на более коротких временных периодах. Многие авторы отмечают изменение приземного атмосферного давления и высоты геопотенциальных поверхностей после геомагнитных возмущений или солнечных вспышек, сопровождающихся всплесками солнечных космических лучей (СКЛ) [1]. Это показывают и наблюдения за изменением облачного покрова и числа грозовых разрядов в период Форбуш-понижений интенсивности галактических космических лучей и всплесков СКЛ [2].

Исторические данные [3] свидетельствуют о том, что в эпохи повышенной солнечной активности давление в области затропического максимума повышается, а в высоких широтах падает, что приводит к смещению траекторий циклонов к полюсу. В работе [4] приведены результаты, подтверждающие зависимость путей циклонов в северо-восточной Атлантике и Европе от фазы солнечного цикла. В эпоху солнечного максимума «северный» путь атлантических циклонов сдвигается к югу, в то время как «южный» - к северу, причем амплитуда вариаций составляет примерно 10° широты. Автор работы [3] приводит доказательства того, что основные особенности структуры атмосферной циркуляции в Северной Азии до 140° в.д. (устойчивые области пониженного давления и антициклоны) также смещаются к северу в период повышенной солнечной активности, а в эпоху слабой активности Солнца имеют более южное расположение. Широтным смещением траекторий циклонов объясняется в работе [5] широтная зависимость вариаций суммарной радиации, т.е. облачности по всей России, включая Якутию (Оленек, Верхоянск, Оймякон, Якутск), в 11-летнем цикле солнечной активности; результаты были получены по данным наблюдений на актинометрических станциях в 1961-1986 гг.

Целью данной работы было исследование картины распределения и динамики лесных пожаров в течение периода май-сентябрь, изменений от года к году и изменений по выбранным широтным зонам.

Методика

С 1995 г. в ИКФИА СО РАН на базе отечественной приемной станции СКАНОР ведутся работы по тематике ДЗЗ [6]. По данным многоканального сканирующего радиометра

АУНКК/1ЧОАА [7] организована система оперативного мониторинга паводковой и лесопожар-ной обстановки, облачности, зон техногенного загрязнения и т.д. [7-9].

Обнаружение очагов лесных пожаров, по данным АУЖК/ГЧОАА, проводится с помощью автоматизированного многоступенчатого алгоритма детектирования очагов пожаров [10].

Для оценки эффективности обнаружения очагов лесных пожаров, по данным спутников ЫОАА, было проведено сопоставление с официальными данными Якутской авиационной базы охраны лесов. Сопоставление проводилось по данным, полученным в 1998 г. за периоды 1-30 июня и 1-5 августа (табл. 1).

Как следует из таблицы, крупные очаги пожаров размером более 100 га обнаруживаются практически всегда, даже сильная задымленность или экранирующая облачность не являются помехой для их детектирования. С уменьшением площади очагов на вероятность обнаружения начинают заметно влиять облачность, задымленность, неблагоприятные условия съемок (время суток, время пролета спутника, орбита спутника и т.д.). Пожары площадью 10-100 га обнаруживаются с вероятностью 0,7, менее 1 га - в 20% случаев, площадью 1-10 га - в 40% случаев.

Необходимо отметить, что только за июнь 1998 г., по данным спутников 1ЧОАА, дополнительно обнаружено 117 очагов, не зарегистрированных в сводках Якутской базы авиалесохраны, возможно по причине того, что большинство из

них располагалось на краю зон авиапатрулирования (около 60%). Кроме того, на неохраняемой территории, площадь которой составляет более половины Якутии, за указанный период было обнаружено свыше 220 очагов лесных пожаров. Следует заметить, что оперативную информацию о лесопожарной обстановке на неохраняемых территориях можно получить только по спутниковым данным.

Система оперативного спутникового мониторинга лесных пожаров в Якутии на время пожароопасного периода переводится в патрульный режим - прием данных со спутников ведется в течение светлого времени суток без выходных дней. Технологическая цепочка от приема данных и до размещения карт лесных пожаров в целом автоматизирована, участие оператора требуется лишь на отдельных участках. Обнаруженные очаги пожаров накладываются в программной среде АгсУ1е\у на цифровую карту миллионного масштаба, на которую также накладываются границы авиаотделений Якутской базы авиалесохраны, что качественно повышает уровень информативности, полученной по спутниковым данным карты лесных пожаров.

Для исследования картины распределения и динамики лесных пожаров территория Якутии была разделена на три широтные зоны: южную (56-62°), центральную (62-68°) и северную (68-72°). Причем северная граница северной зоны соответствует границе перехода лесотундры в тундру.

Результат сопоставления обнаружения очагов лесных пожаров, по данным спутников 1ЧОАА с официальными данными Якутской базы авиационной охраны лесов

Площадь пожара, га

менее 1 1-10 10-100 более 100 итого

Обнаружено Авиалесохраной 52 56 29 21 158

Из них обнаружено по данным спутников Ж)АА 10 22 21 21 74

Вероятность обнаружения 0,2 0,4 0,7 1,0 0,5

Очаги лесных пожаров, не обнаруженные по данным МОАА возможно по причине: Сильная облачность и/или задымленность 21 21 6 0 48

Нахождение на краю полосы обзора спутника 4 7 2 0 13

Отсутствие спутниковых данных на момент пожара 17 6 0 0 23

Всего не обнаружено 42 34 8 0 84

Обнаружено очагов пожаров по данным ¡ЧОАА раньше, чем службами Авиалесохраны Более чем на сутки 1 5 9 7 22

Менее чем на сутки 3 6 3 5 17

Всего 4 11 12 12 39

Результаты и обсуждение

Якутия занимает обширное географическое пространство на северо-востоке России. Распределение осадков в году крайне неравномерное -наибольшее их количество наблюдается в июле-августе; весенний период, как правило, засушливый. Пожары в Якутии наблюдаются с мая по сентябрь, в основном в три летних месяца с максимумом в июле (рис. 1). Наибольшее число пожаров отмечается в июле-августе. Сезонный ход, наблюдаемый нами по данным спутников ИОАА, соответствует приведенному в работе [11]. Катастрофически большое число пожаров второй половины лета объясняется протайкой верхнего слоя грунта к этому времени и просохшим подлеском и случается, когда во второй половине лета выпадает мало осадков.

1,2 1 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 -0

1600

1200-

Рис. 2. Соотношение площадей пожаров для широтных зон: а - центральной зоны к южной; б - центральной зоны к северной

Рис. 1. Усредненные сезонные вариации площади лесных пожаров с мая по сентябрь

Территория, покрытая облачностью, минимальна в июле для всех трёх широтных зон. С апреля по июль облачность падает, а с августа по октябрь её значение возрастает, что приводит к соответствующему изменению влажности лесного покрова и пожарной опасности. Это объясняет наблюдаемый сезонный ход пожаров с учетом годового температурного хода, достигающего максимума в июле.

В 1998-2003 гг. наблюдается тенденция смещения лесных пожаров с южной и северной зон к центральной зоне (рис. 2). Отметим возможный 2-летний цикл в отношении числа пожаров в центральной зоне к числу пожаров в южной и северной зонах. Значение отношения величины облачности в центральной зоне по отношению к северной и южной зонам увеличивается на протяжении 1998-2003 гг., что соответствует аналогичному смещению облачности в Европе в зависимости от солнечной активности [4, 12]. В 1998-2000 гг. наблюдается повышенная солнечная активность.

На рис. 3 приведена динамика распределения лесных пожаров за 1955-2003 гг. С 1998 по 2000 г. наблюдается плавное уменьшение площадей, занятых лесными пожарами на территории Якутии. Минимум пожаров пришелся на 2000 г. Далее в течение двух лет происходило резкое увеличение площадей лесных пожаров. Если рассматривать тренд за весь 6-летний период спутниковых наблюдений, то наблюдается нарастание лесных пожаров во всех трех выделенных нами широтных зонах. Наибольшее нарастание отмечается в центральной широтной зоне, а наименьшее - в северной, что также говорит о смещении пожаров в эти годы к центральной части Якутии.

На рис. 4 представлена сводная карта, показывающая общую картину распределения лесных пожаров в 1998-2003 гг. Наблюдается отсутствие пожаров в северо-западной части Якутии и их небольшое число в западной части. Это может быть объяснено влажностью климата в этих регионах и малой плотностью населения. Сравнивая получившуюся карту распределения лесных пожаров с картой атмосферных осадков [13], можно отметить хорошее совпадение площадей с

6000

-* - - Площадь лесных пожаров, км 2 --Количество пожаров

— Площадь пожаров по данным ГЧОАА

Рис. 3. Среднегодовая динамика лесных пожаров за 1955-2003 гг.

высокой концентрацией пожаров с участками со среднегодовым количеством осадков менее 200-250 мм. С другой стороны, обращает на себя внимание совпадение площадей с высокой концентрацией пожаров с повышенной плотностью населения, т.е. кроме природных факторов на количество пожаров влияет и техногенная дея-

тельность людей. Причем количество пожаров определяется совпадением этих двух факторов.

Из ретроспективного анализа многочисленных срезов стволов перестойных лиственниц по наличию пожарных подсушин на годичных кольцах можно заключить, что лесные пожары -довольно распространенное явление в Якутии,

имеющие определенную периодичность. На отдельных модельных деревьях в возрасте 300 лет отмечалось действие до десятка пожаров, случающихся через 10 или 22 года [14]. По данным Якутской базы авиационной охраны лесов, за последние 50 лет в Якутии также выделяется приблизительно 20-летний период (рис. 3).

Анализ многолетнего хода годовой температуры за период наблюдений с 1947 по 1995 г. в Якутии свидетельствует о понижении температуры с середины 40-х годов до конца 50-х -начала 60-х годов прошлого века. Последовавшее за этим потепление началось в южной части исследуемого региона, затем распространилось в северные районы. В течение всего этого периода отмечались волны тепла и холода продолжительностью от 4 до 8 лет на фоне более значительных изменений температуры длительностью в среднем 10-12 лет [15]. В целом за весь период наблюдений наблюдается выраженный положительный тренд в многолетнем ходе температуры воздуха. Общий тренд в многолетнем ходе годовых сумм осадков за последние 50 лет отрицательный.

Между соседними максимумами или минимумами в количестве наблюдаемых пожаров периоды длительностью в 3 года встретились 8 раз и 8 раз встретились периоды в 5 - 7 лет. Последние можно трактовать как двойные слабо проявившиеся 3-летние периоды. Эти периоды соответствуют длительности волн тепла и холода продолжительностью от 4 до 8 лет [15]. За 44 года наблюдений сглаженные данные имеют три минимума в 1955 г., 1975 г., 2000 г. и два максимума в 1966 г. и 1989 г., т.е. в среднем через 23 года, что соответствует наблюдаемому периоду засух и 22-летнему циклу солнечной активности. Количество пожаров менялось на порядок от минимальных значений 28, 182, 194, наблюдаемых, соответственно, в 1973, 1958, 1997 гг. до максимальных - 731, 1417 в 1969, 1986 гг. За 44 года (1955-2000 гг.) линейный тренд составил от 360 пожаров в год в начале рассматриваемого периода до 760 пожаров в год в конце. Площадь, занятая пожарами, за год с 1955 г. падала от 6000 км2 до 20 в 1973-1979 гг. и снова возросла до 4000 км2 в последнее десятилетие века. Средняя площадь пожара уменьшалась от 20 км2 с 50-х годов до 0,2-0,5 км2 в 1973-1979 гг. и возросла до 7-8 км2 к концу века. Эти изменения, вероятно, определяются тем, что количество осадков с 50-х до 80-х годов росло, а далее падало. Температура при ее росте в рассматриваемый период в 1973-1979 гг. была ниже, чем в остальные годы.

Известно, что температура воздуха коррелирует с 11-летним циклом солнечной активности; грозовая деятельность антикоррелирует с циклом солнечной активности [16]; влажность и облачность в масштабе Северного полушария также антикоррелируют с солнечной активностью. Однако в локальных масштабах они ведут себя в зависимости от широты и орографии, определяясь изменением пути циклонов и антициклонов. Поэтому пожароопасность лесов в исследуемом районе изменяется сложным образом в цикле солнечной активности.

Заключение

Количество и площади лесных пожаров в Якутии определяются главным образом грозовой активностью, температурой и влажностью второй половины лета. Эти параметры зависят, в некоторой степени, от солнечной активности, в проявлении которой наблюдается широтный эффект. Широтная зависимость объясняется смещением путей движения атлантических циклонов, определяющих погоду от Европы до 140-меридиана в Северной Азии, и смещением мест зарождения локальных циклонов.

Облачность над Якутией падает с мая по август, а с августа по сентябрь её значение возрастает. С 1998 до 2001 г., по данным спутникового мониторинга, наблюдается общее смещение облачности и лесных пожаров в широтном направлении, что, вероятно, обусловлено смещением траектории атлантических циклонов, которые определяют облачность и осадки на большей части Якутии.

Пожары в Якутии наблюдаются с мая по сентябрь, в основном в три летних месяца с максимумом во второй половине лета. Из данных Якутской базы авиационной охраны лесов следует, что существует вариация площадей и количества лесных пожаров, соответствующая 22-летней вариации засушливых периодов.

Отсутствие пожаров в северо-западной части Якутии и их небольшое количество в западной части могут быть объяснены относительно повышенной влажностью и малой плотностью населения в этих регионах. Сравнение карты распределения лесных пожаров с картой атмосферных осадков [13] показывает хорошее совпадение участков с высокой концентрацией пожаров с участками со среднегодовым количеством осадков менее 200-250 мм. Также обращает на себя внимание совпадение участков с высокой концентрацией пожаров с повышенной плотностью населения в этих районах республики. Таким образом, можно предположить, что

количество лесных пожаров определяется не только погодными и географическими особенностями Северо-Азиатского региона (наличие зоны вечной мерзлоты, резко континентальный климат и т.д.), но также и техногенными факторами.

Следует также отметить, что полученные данные свидетельствуют о том, что стандартная структура геоэкологического мониторинга при изучении северных геосистем должна быть дополнена новыми информационными элементами (технологиями ДЗЗ, Интернет, СУБД). Эти элементы ориентированы на исследования причин и закономерностей лесных пожаров и требуют разработки специальных программно-аппаратных средств. Таким образом создается одно из важнейших звеньев системного мониторинга геоэкологической обстановки Северо-Азиатского региона.

Литература

1. Морозова А. Л., Пудовкин М. И. Климат Центральной Европы XVI-XX вв. и вариации солнечной активности// Геомагнетизм и аэрономия. - 2000. - Т. 40, № 6. - С. 68-75.

2. Solovyev V.S., Kozlov V.l. The Disastrous Forest Fires in the Yakutia // Proceedings of the 1st International Conference on Hydrology and Water Resources in Asia Pacific Region (APHW2003) (13-15 March, 2003). - Kyoto, 2003. - P. 222-224.

3. Абросов B.H. Гетерохронность периодов повышенного увлажнения гумидной и аридной зон // Известия ВГО. - 1962. - №4. - С. 325-328.

4. Tinsley В.А. The solar cycle and the QBO influences on latitude of storm tracks in the North Atlantic // Geophysical Research Letters. - 1988. -V. 15, № 5. - P. 409-415.

5. Веретененко C.B., Пудовкин M.И. Широтная зависимость эффектов солнечной активности в вариациях прихода суммарной радиации // Геомагнетизм и аэрономия. - 1999. - Т. 39, №6. -С. 131-134.

6. The TIROS-N/NOAA A-G satellite Series // NOAA Technical Memorandum NESS'95. -Washington D.C., 1978. - 75 p.

7. Solovyev V.S., Shuts M.M. Remote Sensing Of The Environment In Northern Siberia // Research

Reports of IHOS (Nagoya, Japan, March 1997). -Nagoya, 1997. - №3. - P. 82-84.

8. Соловьев B.C., Лиходед A.H. Экологический мониторинг окружающей среды по спутниковым данным // Наука и образование. - 2000. - №1. -С. 100-103.

9. Solovyev V.S., Vasilyev Е.К., Solovyeva N.M. Satellite monitoring of forest fire in the territory of Yakutia and the evaluation of their consequences // Proceedings of international conference "The role of permafrost ecosystems in global climate change" (Yakutsk, May 3-5, 2000). - Yakutsk: Yakutsk Scientific Center Publishing House, 2001. -P. 178-180.

10. Абушенко H.A., Алтынцев Д.А., Минько Н.П. и др. Алгоритм обнаружения пожаров по многоспектральным данным прибора AVHRR // Оптика атмосферы и океана: Тезисы докладов VI Международного симпозиума. - М., 1999,- С.69.

11. Щербаков И.П., Забелин О.Ф., Карпель Б.А. и др. Лесные пожары в Якутии и их влияние на природу леса. - Новосибирск: Наука, 1979. -226 с.

12. Svensmark Н., Friis-Christensen Е. Variation of cosmic ray flux and global cloud coverage - a missing link in solar-climate relationships// Journal of Atmosphericand Solar-Terrestial Physics. - 1997. -V. 59, №11.-P. 1225-1232.

13. Атлас Якутской АССР. ГУГК СССР. - М„ 1981,- 40 с.

14. Тимофеев П.А., Исаев А.П., Щербаков И.П. и др. Леса среднетаежной подзоны Якутии / Ред. Десяткин Р.В. - Якутск: ЯНЦ СО РАН, 1994. - 140 с.

15. Семилетов И.П., Савельева Н.И., Пипко И.И. и др. Долгопериодная изменчивость в системе атмосфера - суша - море в Северо-Азиатском регионе // Труды Арктического регионального центра. - Владивосток, 1998. -С.43-64.

16. Mullayarov V.A., Karimov P.P., Kozlov V.I., Murzaeva N.N. Relationship between Midlatitude VLF Emissions and Solar Activity // Geomagnetism and Aeronomy. - 1997. - V. 37, №. 6. - P. 774-777.