Исследование пространственных и временных соотношений между молниевыми разрядами и лесными пожарами на территории Восточной Сибири

УДК 528.88

Е. Г. Швецов, А. И. Сухинин, Е. И. Пономарев

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ И ВРЕМЕННЫХ СООТНОШЕНИЙ МЕЖДУ МОЛНИЕВЫМИ РАЗРЯДАМИ И ЛЕСНЫМИ ПОЖАРАМИ НА ТЕРРИТОРИИ ВОСТОЧНОЙ СИБИРИ

Проанализированы пространственные и временные соотношения между молниевыми разрядами и лесными пожарами на территории Восточной Сибири за 2004 и 2005 гг. Разработан метод определения лесных пожаров, причиной которых могла стать молния, согласно данным дистанционного зондирования. Определены зависимости между числом пожаров, вызванных молниями, и географической широтой и месяцем в течение пожароопасного периода.

Самой распространенной природной причиной возникновения лесных пожаров является молния. Молниевые разряды ежегодно являются причиной 10% лесных пожаров на площади до 0,5 млн га. По статистике в отдельных регионах пожары от гроз могут составлять до 71% пожаров [1]. Особая опасность таких пожаров заключается в том, что во время грозы за короткий срок на большой площади возникает несколько десятков очагов горения. При этом, как отмечает Л. В. Столярчук и другие исследователи [2], даже единичные разряды молний «облако-земля» могут становиться причиной лесных пожаров. Часть лесных пожаров от молний обнаруживается в тот же или на другой день после грозы. Однако в случае выпадения осадков при грозе, пожар не может развиваться сразу, но возникающие при ударе молнии очаги тления могут оставаться длительное время необнаруженными, пока условия не станут благоприятными для перехода их в лесной пожар. При благоприятных погодных условиях такие пожары могут распространяться на большой территории. В ходе данного исследования были проанализированы пространственные и временные соотношения между молниевыми разрядами и пожарами, возникшими в течение пожароопасных сезонов 2002-2005 гг. на территории Восточной Сибири.

Область исследования. В качестве области исследований была выбрана территория Восточной Сибири (т. е. территория, расположенная между 49°-77°43/ с. ш. и 79°-165° в. д.). В северных областях Восточной Сибири, где плотность населения низкая, высока вероятность возникновения пожаров от молний.

Восточная Сибирь располагается в средних и частично высоких широтах северного полушария. Большую часть территории занимает высоко приподнятое и сильно расчлененное Средне-Сибирское плоскогорье. Поверхность Средне-Сибирского плоскогорья расположена на высоте в среднем 500-700 м (хотя отдельные вершины достигают 1 700 м). Значительные пространства на севере и западе Восточной Сибири, а также в бассейне Лены занимают низменности.

Климат Восточной Сибири резко континентальный. Разница между температурами самого холодного и самого теплого месяца в разных районах составляет от 40 до 65°, а в Восточной Якутии абсолютные амплитуды температур достигают 100°. Климатические условия в разных районах не одинаковы. Эти различия объясняются большой протяженностью территории с севера на юг и

ее разнообразным рельефом. Большое влияние рельеф оказывает и на распределение осадков. Количество осадков заметно уменьшается к востоку. Больше всего их на западных склонах Саян, Прибайкалья и в приенисейских районах Средне-Сибирского плоскогорья (до 500-800 мм). Меньше осадков выпадает к востоку, немного осадков (150-200 мм) получают и тундровые районы. До 75-80 % годовой суммы осадков приходится на теплый период года.

Территория Восточной Сибири занята преимущественно тайгой. Таежная зона простирается от границ лесотундры до границы с Монголией на пространстве около 5 млн кв. км, из которых 3 455 тыс. кв. км занято таежными лесами с общими запасами древесины более 38 млрд куб. м [3].

Данная территория имеет большое значение в хозяйственном и экологическом аспектах. В то же время она ежегодно подвергается воздействию лесных пожаров, что приводит к значительным повреждениям. В связи с этим противопожарный мониторинг данного района - чрезвычайно актуальная задача.

Методика исследования. Регистрация лесных пожаров производилась по данным, полученным с помощью радиометра AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer), размещенного на спутниках NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) за 2002-2005 гг. на приемной станции HRPT (high-resolution picture transmission), установленной в Институте леса им. В. Н. Сукачева. Такие показатели AVHRR, как пространственная разрешающая способность, спектральный диапазон (0,6-12 мкм, 5 каналов) и температурная чувствительность, периодичность поступления информации (4 ч), полоса обзора (2 400 км), поле обзора (Урал, Западная, Восточная Сибирь, Забайкалье, Западная Якутия), позволяют решать такие задачи мониторинга лесных пожаров, как обнаружение и оценка интенсивности лесных пожаров, оперативное определение влагосодержания лесных горючих материалов, картирование динамики очагов крупных пожаров, пространственная оценка оптико-физических параметров зоны задымления в условиях вспышки массовых пожаров и картирование и оценка состояния грозовой и ресурсной облачности [4]. Для данного исследования также использовалась информация наземной пеленгации грозовых разрядов за 2002-2005 гг. Для каждого грозового разряда в базе данных имеется информация по дате и времени разряда, а также географические координаты разряда. Приведем пример геоинформационного представления

обнаруженных пожаров и зафиксированных молниевых разрядов (рис. 1).

Было выполнено пространственное и временное совмещение обнаруженных лесных пожаров и зафиксированных грозовых разрядов. Пространственное совмещение было выполнено путем определения окружности с радиусом Я = 10 км, что связано с возможными невязками при обнаружении лесных пожаров дистанционными методами, и имеющей центр, совпадающий с центром пожара. В процессе моделирования производилось варьирование радиуса пространственной невязки в пределах от 5 до 20 км. Процент пожаров, причиной которых могла стать молния, по отношению к общему числу пожаров при различных значениях радиуса пространственной невязки приведен в табл. 1. При этом величина радиуса 10 км оказалась наиболее корректной с учетом погрешностей, возникающих при выполнении дистанционных измерений. Было определено количество молниевых разрядов, попадающих в границы данной окружности, и рассчитано расстояние между каждым из этих молниевых разрядов и центром пожара (рис. 2).

В некоторых источниках отмечено, что при загорании от молнии возможно достаточно длительное нахождение огня внутри лесного горючего материала в стадии тления, пока не наступят более благоприятные условия для его перехода в пламенное горение. Отмечается, что даже сильный дождь не всегда способен ликвидировать загорание, возникшее от молнии. Огонь остается незату-шенным внутри валежа и под пологом елей. Поэтому через несколько дней с наступлением сухой погоды может возникнуть пожар [5]. Очаги горения могут находиться в стадии скрытого горения в течение 5 суток после прохождения грозы [6]. В некоторых случаях этот период

скрытого горения может достигать 10 дней [1]. Поэтому проводился анализ молниевых разрядов за период 1-10 дней до даты обнаружения пожара.

Рис. 2. Пространственное совмещение пожара и молний

Влияние погодных условий на возникновение пожаров от гроз. Основное значение при возникновении пожара от молнии имеет предшествующая погода и влажность лесных горючих материалов перед грозой. Первостепенное значение в условиях, определяющих возможность возникновения и распространения пожаров от молний, имеет влажность горючих материалов, зависящая от погодных условий. По данным В. А. Иванова в 2004 г. для Красноярского Приангарья самое большое

Таблица 1

Доля пожаров, которые могли быть вызваны молниями, по отношению к общему числу пожаров при различных значениях радиуса пространственной невязки по данным 2005 г.

Радиус

5 8 10 15 20

Доля от общего числа пожаров (%) 4,22 6,95 8,39 11,21 12,54

количество пожаров от гроз (52 %) возникает при 3 и 4 классах пожарной опасности по условиям погоды, когда практически все лесные горючие материалы достигают состояния пожарной зрелости.

Был выполнен анализ зависимости числа пожаров, которые могли быть вызваны молниями от класса пожарной опасности и от числа зарегистрированных молний. При этом использовались данные за 2005 г., как наиболее полные из всех рассматриваемых периодов.

Максимальное число молний (почти 35 000) было зарегистрировано в Приангарье, при этом молния могла стать причиной 36 пожаров, что составляет примерно 30 % от общего числа обнаруженных пожаров. При этом степень пожарной опасности по условиям погоды была низкой. Большинство молний (более 60 %) регистрировалось при 0 или 1 классах пожарной опасности. В это же время большинство (более 80 %) пожаров, причиной которых могла стать молния, регистрировались при 3 классе пожарной опасности. При этом в течение нескольких дней до момента обнаружения пожара, который мог быть вызван грозой, имел место, главным образом, третий класс пожарной опасности по условиям погоды.

Основные результаты. Были рассмотрены пожары за 2002-2005 гг., зафиксированные на территории Восточной Сибири. Всего за этот период было зафиксировано более 40 000 пожаров. За этот же период средствами наземной пеленгации гроз над рассматриваемой территорией было зарегистрировано более 700 000 молний (табл. 2). При этом если максимум грозовой активности во все годы рассматриваемого периода приходился на июль, то максимальная пожарная активность была зафиксирована в мае.

При этом для 2002 и 2003 гг. отсутствуют данные по молниям за большую часть пожароопасного периода, в том числе за июнь и июль. Следует отметить, что именно на эти месяцы (июнь и июль) обычно приходится максимум грозовой активности, соответственно в июне, июле следует ожидать максимальное количество возгораний, вызванных молниями [7; 8]. В связи с этим два указанных года не рассматривались при анализе соотношений между пожарами и молниями. Полные данные по молниям

Данные по пожарам и

за пожароопасный период имеются только для 2005 г. Периоды, за которые отсутствуют данные по молниям за каждый рассматриваемый год, указаны в табл. 3.

В результате было определено, что молниевые разряды могли стать причиной 279 пожаров в 2004 г. и 1 155 пожаров в 2005 г.

Был проведен анализ распределения пожаров и молний во времени в течение пожароопасного периода. В литературе отмечается значительная сезонная изменчивость в распределении как пожаров, так и гроз. При этом указывается, что основное число пожаров регистрируется в конце весны (в мае), в то время как грозы регистрируются, главным образом, в летние месяцы (в основном в июле) (рис. 3).

В результате проведенного анализа было обнаружено, что максимум пожарной активности в рассматриваемый период приходится на апрель и май. В это же время максимум грозовой активности приходится на июль. В целом динамика распределения молний во времени в течение пожароопасного сезона соответствует данным, приводимым в литературных источниках. В 2005 г. наибольшее число пожаров, которые могли быть вызваны молниями, было зафиксировано в июле-августе. На эти же месяцы приходится и максимум грозовой активности в 2005 г., притом что количество пожаров в эти месяцы было примерно равным. В то же время по данным В. А. Иванова, за 1981-1986 гг для Енисейской равнины максимум пожаров от гроз приходился на третью декаду июня и начало июля, хотя в отдельные годы этот максимум может смещаться как на июнь, так и на август [8] (рис. 4).

Был проведен анализ распределения грозовой и пожарной активности по интервалам широты. В случае с лесными пожарами наблюдалось значительное сокращение числа пожаров с юга на север. Если на интервал широт 49-55° с. ш. приходится в среднем 65 % от общего числа зарегистрированных пожаров, то на широты 70-75° с. ш. приходится уже менее 0,1% пожаров, а на широтах 75-78° с. ш. пожары не регистрировались. В случае с молниями также наблюдается снижение их числа с возрастанием широты. При этом снижение числа мол-

Таблица 2

I за рассматриваемый период

Год

2002 2003 2004 2005

Число пожаров 15 427 5 459 13 761

Число молний 10 187 15 588 70 123 614 265

Таблица 3

Анализ наличия данных по молниям в базе данных

Год Месяц

Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь Октябрь Ноябрь

2002 Нет За 31 мая За 3 и 17-30 июня 1, 2, 8 июля 30, 31 августа До 16 сентября Нет Нет

2003 Нет Нет Нет 20-31 июля Есть 1-6, 13, 15, 16, 17, 22, 26 сентября 7, 8, 10, 11 октября Нет

2004 Нет После 15 мая Есть 1-13, 22, 23, 27-31 июля До 16 августа Нет Нет Нет

2005 После 26 апреля Есть Есть Есть Есть Есть Есть До 11 ноября

в")

Рис. 3. Распределение: а - общего числа пожаров по месяцам; б - числа молний по месяцам; в - числа пожаров по месяцам, причиной которых могла стать молния

в)

Рис. 4. Распределение: а -общего числа пожаров по интервалам широты; б - числа молний по интервалам широты; в - числа пожаров по интервалам широты, причиной которых могла стать молния

нии не так ярко выражено, как снижение числа пожаров с увеличением широты. На интервалах широт 49-55° с. ш. и 55-60°с. ш. наблюдалось примерно равное число молниИ 34,86 % и 35,63 % соответственно. Снижение грозо-воИ активности с ростом географической широты также отмечается и в некоторых источниках. В частности, у В. А. Иванова отмечено, что на границе тундры и лесотундры в Красноярском крае среднее число днеИ с грозоИ за пожароопасный период составляет 9-11, в то время как в центральных раИонах края таких днеИ уже составляет 20-25, а в Западных и Восточных Саянах наблюдается 30-35 днеИ с грозоИ за пожароопасный период [8]. При этом максимальное число пожаров, причиноИ которых могла стать гроза, приходится на интервал широт 55-60° с. ш.

При этом наблюдаются две области, в которые попадает наибольшее число пожаров. Это территория юга Сибири, расположенная примерно 50-60° с. ш. и 80-120° в. д. Восточнее этоИ области число обнаруженных пожаров резко снижается. ВтороИ областью, где наблюдается большое количество пожаров, вызванных молниями, является территория ЕнисеИскоИ равнины, расположенная 60-65° с. ш. и 79-88° в. д. На остальноИ части рассматри-ваемоИ территории количество пожаров, причиноИ которых могла стать молния, было незначительным (рис. 5).

Доля пожаров, причиноИ которых могли стать молнии, по отношению к общему числу пожаров составила 3,62, 11,16, 43,3, 21,73 % соответственно для интервалов широт 49-55° с. ш., 55-60° с. ш., 60-65° с. ш., 65-70° с. ш. для 2005 г., как года, за которыИ имеются наиболее пол-

ные данные. Наблюдается увеличение доли пожаров с возрастанием широты, т. е. в области северных широт, где более низкая плотность населения роль антропогенного фактора в возникновении пожаров снижается, а естественного фактора возрастает. Исключение здесь составил только самыИ северныИ широтныИ диапазон из тех, в которых были зафиксированы пожары.

Приведем распределение времени обнаружения пожаров со дня грозы (рис. 6). Сначала процент обнаруженных пожаров возрастает с увеличением интервала времени. Максимум обнаруженных пожаров приходится на 6и 7 дни после прохождения грозы. Далее число обнаруженных пожаров уменьшается. При этом за 7 днеИ со дня грозы обнаруживается примерно 81% пожаров. Малое число пожаров, обнаруженных в первые дни после прохождения грозы, можно объяснить тем, что во время прохождения грозы поверхность Земли закрыта облаками, что препятствует наблюдению пожаров из космоса. Также у спутниковых радиометров существует предел обнаружительноИ способности (для радиометра AVHRR он равен ~6 га) и пожарам необходимо время, чтобы достичь размеров, при которых они могут регистрироваться космическими средствами.

Таким образом, был проведен анализ пространственных и временных соотношениИ между молниевыми разрядами и лесными пожарами на территории ВосточноИ Сибири за 2004 и 2005 гг. Был разработан метод определения лесных пожаров, причиноИ которых могла стать

Рис. 5. Пространственное распределение пожаров от молниИ в 2004 и 2005 гг.

Рис. 6. Распределение числа обнаруженных пожаров по дням после регистрации молнии

молния, согласно данным дистанционного зондирования с использованием пространственных и временных соотношениИ между пожарами и молниями. Определены зависимости числа пожаров, вызванных молниями от географическоИ широты и времени. Было установлено, что наибольшее число пожаров от молниИ происходит в летние месяцы и в интервале широт 55-60°с. ш., что согласуется с данными литературных источников. Также большое количество пожаров от молниИ было зафиксировано на территории ЕнисеИскоИ равнины. Наибольшее число пожаров было обнаружено на 6-7 день после регистрации молнии. Большинство пожаров, причиноИ которых могла стать молния, было зарегистрировано при 3 классе пожарноИ опасности по условиям погоды.

Библиографический список

1. Иванов, В. А. Пожары от молниИ в лесах Красноярского Приангарья / В. А. Иванов, Н. А. Коршунов, П. М. Матвеев ; Сиб. гос. техн. ун-т. Красноярск, 2004. 132 с.

2. Столярчук, Л. В. Грозы, вызывающие лесные пожары / Л. В. Столярчук, В. А. Раков, А. Ю. Белая // Лесные пожары и борьба с ними : сб. науч. тр. Л. : ЛенНИИЛХ, 1989. 145 с.

3. СоветскиИ союз. Геогр. описание : в 22 т. Восточная Сибирь / отв. ред. С. В. Колиников, В. Ф, Павленок. М. : Мысль, 1969. 813 с.

4. Сухинин, А. И. Система космического мониторинга лесных пожаров в Красноярском крае / А.И. Сухинин // СибирскиИ экологическиИ журнал. 1996. Т. 3. № 1.

5. Листов, А. А. Лесные пожары от гроз в лесах Севера / А. А. Листов // Лесное хозяИство. 1967. N° 5. С. 38-40.

6. Иванов, В. А. Возникновение лесных пожаров от гроз на ЕнисеИскоИ равнине / В.А. Иванов // Лесные пожары и борьба с ними : сб. науч. тр. М. : ВНИИЛМ, 1988. 226 с.

7. Белая, А. Ю. ГрозовоИ пожарныИ максимум в Красноярском Приангарье / А. Ю. Белая, Л. В. Столярчук // Лесные пожары и борьба с ними : сб. науч. тр. Л. : Лен-НИИЛМ, 1986. 156 с.

8. Иванов, В. А. Грозоактивность и лесные пожары / В. А. Иванов // Лесные пожары и борьба с ними : сб. науч. тр. М. : ВНИИЛМ, 1987. 294 с.

E. G. Shvetsov, A. I. Sukhinin, E. I. Ponomarev

STUDY OF SPATIAL AND TEMPORAL CORRELATIONS BETWEEN LIGHTNING STRIKES AND FOREST FIRES IN EASTERN SIBERIA

Spatial and temporal correlation between fires during 2002-2005fire seasons and lightning strikes in Eastern Siberia is analyzed. A method for determination of lightning-caused fires using remote sensing data is developed. Ratios between the number of lightning-caused fires and latitude/month during fire season were developed.

Принята к печати в ноябре 2006 г.

УДК 621.314.222.6

Т. М. Чупак, А. Ю. Южанников ЧИСЛА ФИБОНАЧЧИ И ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

На определенном этапе развития электротехнических систем в их организации и функционировании проявляются ценологические свойства, которые описываются Н-распределениями. Идеальное (гармоничное) распределение видов в ценозе описывается пропорциями золотого сечения. Рассмотрены примеры проявления данных свойств при оценке состояния силовых трансформаторов.

Своевременная диагностика технического состояния силовых трансформаторов позволяет предупредить возникновение авариИных ситуациИ в электрическоИ системе. При этом значительно снижаются затраты на ремонты, появляется возможность оценки деИствительного состояния электрооборудования с определением запаса его работоспособности (что особенно актуально для оборудования, отработавшего более 25 лет).

Для решения вопросов дальнеИшеИ эксплуатации трансформаторов возникает необходимость анализа их деИствительного технического состояния, которое определяется целым рядом диагностируемых параметров, характеризующих состояние активноИ части, изоляции, ус-

троИства переключения ответвлениИ, вводов высокого напряжения, системы охлаждения ит.п. [1].

Переход от планово-предупредительных ремонтов к ремонтам по техническому состоянию предопределяет внедрение новых и развитие традиционных методов диагностики.

Комплексная диагностика начинается с данных хроматографического анализа растворенных в масле газов (ХАРГ), так как это испытание проводится наиболее регулярно (как минимум два раза в год) и наиболее «чутко» позволяет следить за процессами, происходящими в маслонаполненном оборудовании. На сегодняшниИ день этот метод является одним из основных и эффек-