Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2020, T. 492, № 1, стр. 99-106

ВВЕДЕНИЕ

Природные пожары являются одними из наиболее опасных последствий изменений климата. С ними связаны сильные региональные биосферные изменения, изменения альбедо подстилающей поверхности, гидрологического и радиационного баланса, углеродного обмена между атмосферой и наземными экосистемами [1–3]. В результате природных пожаров в атмосферу выбрасывается большое количество продуктов горения, в том числе аэрозольных частиц, углеродсодержащих (СО, СО₂) и других малых газовых компонент [2–5]. Следует отметить, что в общем количестве лесных пожаров на планете доминируют пожары, происходящие на территории Северной Евразии [2–6], хотя их интенсивность в североамериканских лесах в среднем выше, чем в евразийских [7].

На фоне глобальных климатических изменений последних десятилетий проявляются сильные региональные температурные, циркуляционные и гидрологические аномалии, которые вызывают, в том числе, мощные пожары такие, например, как летом 2019 г. в Сибири [6] или летом 2010 г. в европейской части территории России [8]. На основе расчетов с использованием региональной климатической модели [1] был оценен риск лесных пожаров для российских регионов с учетом потенциально возможных изменений климата в XXI веке. Формированию режимов пожаров способствует то, что в теплые месяцы года, в частности в среднеширотных регионах Северной Евразии, с ростом температуры уменьшается в целом общее количество осадков [9]. Длительные аномалии, характеризующиеся засушливыми условиями летних сезонов в средних широтах, связаны с блокирующими антициклонами (блокингами) в тропосфере. Показано, что при общем потеплении может заметно увеличиваться роль атмосферных блокингов, способствующих формированию природных пожаров [10].

В сообщении представлены результаты анализа аномальных сибирских пожаров, происходивших летом 2019 г., на фоне тенденций климатических изменений для последних двух десятилетий (2000–2019 гг.) с использованием данных дистанционного зондирования из космоса, а также данных наземных наблюдений и реанализа для оценки соответствующих региональных погодно-климатических особенностей.

РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА ОСОБЕННОСТЕЙ ПРИРОДНЫХ ПОЖАРОВ И ИХ ПОСЛЕДСТВИЙ

Площади, пройденные лесными пожарами (Burned Area Products), определялись по данным космического мониторинга, с использованием системы, созданной в НИИ “Аэрокосмос” [2–5, 8]. По спутниковым данным MODIS (MOD14) оценивались объемы эмиссий малых газовых компонент и мелкодисперсных аэрозолей (РМ2.5) от природных пожаров. Для этого использовался модифицированный метод Сейлера-Крутцена с учетом корректирующего коэффициента для уточнения значений площадей территорий, пройденных огнем, плотности распределения биомассы на данной площади, а также доли сгоревшей биомассы [2–5, 11].

Кроме того, по спутниковым данным анализировались количество и радиационная мощность пожаров в период с ноября 2000 г. по октябрь 2019 г. с достоверностью диагностирования пожара не ниже 80%. Для этого использовались данные MODIS с пространственным разрешением 1 × 1 км (Active Fire Products, С6, L2), полученные системой FIRMS (Fire Information for Resource Management System, https://earthdata.nasa.gov), которые обрабатывались по стандартному алгоритму [12]. Привлекались также данные NCEP/NCAR реанализа (http://www.esrl.noaa.gov) с пространственным разрешением 2.5° × 2.5°, доступные на 17 уровнях в атмосфере.

На рис. 1 представлено пространственное распределение пожаров в Северной Евразии в июле 2019 г. c характеристикой радиационной мощности пожаров (РМП). Согласно рис. 1, летом 2019 г. здесь доминировали сибирские пожары. Например, всего на территории с координатами (50°–75° с.ш., 60°–140° в.д.) в июле 2019 г. по спутниковым данным было детектировано около 29 тыс. очагов горения с суммарной радиационной мощностью около 3 ТВт. Средняя РМП в этот месяц превышала 100 МВт, а медианная РМП – 50 МВт. Пожары максимальной интенсивности выявлены 8 июля в Нижнем Приангарье (59° с.ш., 98° в.д.) с РМП около 3.6 ГВт) и 24 июля на юго-западе Якутии (63° с.ш., 117° в.д.) с РМП, составлявшей более 3.5 ГВт).

Рис. 1.

Пространственное распределение пожаров в июле 2019 г. по данным MODIS/Terra. Размер символа, обозначающего пожар, зависит от радиационной мощности пожара (РМП).

На рис. 2 приведены полученные по космическим данным нормированные на средние значения за период с 2001 г. по 2019 г. изменения величины площадей пожаров в Сибирском федеральном округе, а также оценки связанных с ними нормированных суммарных объемов эмиссий углеродсодержащих примесей СО, СО₂ и мелкодисперсных аэрозолей PM2.5 и их плотностей на единицу площади пожаров (см. также [6]). Для периода времени с 2001 по 2019 г. площади природных пожаров в Сибирском федеральном округе составляли в среднем 69.5 тыс. км². Суммарные годовые объемы эмиссий при этом составляли в среднем 8.1 млн т СО, 141.6 млн т СО₂ и 1.0 млн т аэрозоля PM2.5. Соответствующие средние значения плотности эмиссий на единицу площади пожаров превышали 110 т на км² для СО, 2 тыс. т на км² для СО₂ и около 14 т на км² для аэрозоля PM2.5.

Рис. 2.

Нормированные на средние значения для периода 2001–2019 гг. значения площади природных пожаров в Сибирском федеральном округе, а также связанные с ними нормированные суммарные эмиссии (пунктир) и плотности эмиссий (сплошные кривые) СО, СО₂ и PM2.5 на единицу площади пожаров.

Согласно рис. 2, в последнее десятилетие в Сибирском федеральном округе проявляется общее увеличение плотности эмиссий в атмосферу углеродсодержащих примесей СО, СО₂ и аэрозолей PM2.5, связанных с пожарами. При этом заметных тенденций изменений площадей природных пожаров в этом регионе и суммарных за год объ-емов эмиссий в атмосферу примесей, связанных с пожарами, не отмечено, кроме рекордного 2003 г. Это подтверждает вывод, сделанный в [2], о преимущественном вкладе в объемы эмиссий вредных примесей, связанных с пожарами, происходящими в бореальных лесах Сибири.

На рис. 3. представлены полученные по космическим данным нормированные на средние значения для периода 2001–2019 гг. величины площадей природных пожаров, происходивших на территории Иркутской области в июле 2019 г. и связанных с ними нормированных суммарных объемов эмиссий СО₂ и плотностей эмиссий СО₂ на единицу площади пожаров. По результатам анализа данных дистанционного зондирования из космоса для 20-летнего периода времени (2001–2019 гг.) средняя площадь природных пожаров в Иркутской области в июле составляла в среднем 2.6 тыс. км². При этом средние суммарные объемы эмиссий составляли здесь 646 тыс. т СО, 9.7 млн. т СО₂ и 83 тыс. т аэрозоля PM2.5. Соответствующие средние значения плотностей эмиссий на единицу площади пожаров с 2001 по 2019 г. в этом регионе составили около 200 т на км² для СО, более 3 тыс. т на км² для СО₂ и около 25 т на км² для аэрозолей.

Рис. 3.

Нормированные на средние значения для периода 2001–2019 гг. значения площадей природных пожаров в Иркутской области в июле, а также связанные с ними нормированные суммарные эмиссии (пунктир) и плотности эмиссий (сплошные кривые) СО₂ на единицу площади пожаров.

В то же время в июле 2019 г. в Иркутской области выявлены рекордные значения площадей природных пожаров (11.1 тыс. км²) и связанных с ними объемов эмиссий примесей в атмосферу, в том числе СО₂ (более 46 млн т), СО (более 3 млн т) и аэрозоля PM2.5 (около 400 тыс. т). Площадь природных пожаров в этом регионе в июле 2019 г. более чем в 4 раза превышала среднее значение для периода 2001–2019 гг. А соответствующие суммарные объемы эмиссий СО, СО₂ и аэрозоля в июле 2019 г. почти в 5 раз превышали средние значения для периода 2001–2019 гг.

Средняя за год площадь природных пожаров в Иркутской области для пожароопасного периода с апреля по октябрь с 2001 по 2019 г. составила около 11 тыс. км². Соответствующие средние значения суммарных эмиссий составляли около 2 млн. т СО, около 34 млн. т СО₂ и чуть меньше 300 тыс. т аэрозоля (PM2.5). Средние значения плотности эмиссий на единицу площади пожаров составляли около 170 т на км² для СО, около 3 тыс. т на км² для СО₂ и более 20 т на км² для аэрозоля PM2.5.

В целом за 2019 г. площадь природных пожаров в Иркутской области почти вдвое превышала среднее значение для периода 2001–2019 гг., но при этом была в 1.5 раза меньше, чем в рекордных 2003 и 2006 г. Соответствующие суммарные эмиссии СО, СО₂ и аэрозоля PM2.5 в 2019 г. в 2.5 раза превышали средние значения для периода 2001–2019 гг., тем не менее были заметно меньше, чем в рекордных 2003 и 2006 г.

АНАЛИЗ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ В СИБИРИ ЛЕТОМ 2019 ГОДА

С использованием данных наземных наблюдений и реанализа исследованы погодно-климатические особенности в регионах Северной Евразии. На рис. 4 приведены пространственные распределения поля геопотенциала на уровне 500 гПа над территорией Северной Евразии для различных периодов летом 2019 г. Анализ рис. 4 свидетельствует о проявлениях атмосферного блокирования западного переноса в тропосфере. При этом в течение продолжительного времени над Сибирью устанавливался блокирующий антициклон с положительными аномалиями геопотенциала. В области влияния блокирующего антициклона отмечалась высокая температура без осадков, способствующая возникновению интенсивных природных пожаров [6]. Для сопредельных регионов отмечались отрицательные аномалии геопотенциала с циклоническим режимом. Граница антициклонического и циклонического режимов проходила, в частности, через Иркутскую область.

Рис. 4.

Особенности поля геопотенциала на уровне 500 гПа над Северной Евразией летом 2019 г.: (а) 26 июня – 2 июля, (б) 16–20 июля, (в) 6–10 августа.

В условиях блокирования высок риск аномальных региональных осадков. Именно это привело в конце июня 2019 г. к наводнению в Иркутской области, часть которой была в области пониженного давления. Вторая волна наводнения в Иркутской области была отмечена в конце июля 2019 г. При этом в другой части области – в области повышенного давления – отмечались аномальные пожары.

Контрастные антициклонический и циклонический режимы в сопредельных регионах проявились в период времени с 16 по 20 июля 2019 г. (рис. 4б). Расположение антициклона к северу от циклона способствовало уменьшению меридионального градиента давления, который в умеренных широтах направлен в среднем к югу. При этом зональный перенос с запада на восток в тропосфере средних широт, определяемый геострофическим балансом силы Кориолиса и градиента давления, ослабевает.

Режим атмосферного блокирования с отсутствием зонального переноса в летние месяцы способствует формированию контрастных региональных погодно-климатических аномалий, характеризующихся засухами, приводящими к пожарам, и наводнениями на смежных территориях. Режимы блокирования западного потока в тропосфере средних широт могут формироваться комбинацией блокирующего антициклона с одним (блокирование дипольного типа) или двумя (омега-блокирование) сопредельными циклонами.

Следует отметить, что 2019 г. начался в фазе Эль-Ниньо со значимыми положительными аномалиями в экваториальных широтах Тихого океана. С явлениями Эль-Ниньо связаны сильнейшие межгодовые вариации среднегодовой глобальной температуры у поверхности. В подобные годы глобальная температура у поверхности обычно выше, чем в нейтральные годы – годы без формирования Эль-Ниньо.

Летние месяцы июнь и июль 2019 г. отмечались как самые теплые для Земли в целом за время инструментальных наблюдений. Эффекты Эль-Ниньо отмечаются и в погодно-климатических аномалиях, которые связаны с атмосферными блокированиями [13]. Эффекты явлений Эль-Ниньо существенно различаются в различных регионах, в том числе на территории Российской Федерации. Так, лето 2019 г. выделилось холодным режимом в европейской части России и высокой пожарной активностью в регионах Восточной Сибири, которые характеризуются сильной внутригодовой и межгодовой изменчивостью количества и радиационной мощности пожаров (см., например, [5–7]).

Формирование режимов с блокированием зонального переноса в тропосфере с чередованием положительных и отрицательных аномалий давления в атмосфере и температуры в сопредельных регионах можно объяснить стационированием в тропосфере средних широт волн Россби, распространяющихся с востока на запад, в зональном геострофическом потоке с запада на восток. Возникновение режимов атмосферного блокирования зависит от изменений глобального климата, в том числе от климатических вариаций, связанных с процессами Эль-Ниньо [13, 14]. При этом повторяемость атмосферного блокирования летом над азиатской частью территории России (и западной частью Тихого океана) выше в годы, начинающиеся в фазе Эль-Ниньо, как 2019 год.

К началу 2019 г. положительные аномалии температуры отмечались и в центральной, и в восточной части экваториального Тихого океана. Наибольшая вероятность экстремально высокой приповерхностной температуры и засухи в весенне-летние месяцы в регионах европейской части территории России – для лет, начинающихся в фазе Эль-Ниньо и заканчивающихся в фазе Ла-Нинья – с отрицательными аномалиями температуры в экваториальных широтах Тихого океана [14]. Так было, например, в 2010 г., когда в июле-августе в европейской части территории России была аномальная жара и бушевали сильнейшие пожары [8]. В то же время для ряда регионов в азиатской части России (без Дальнего Востока) это происходит при фазе Эль-Ниньо с начала до конца года. Так было, например, в 2015 г.

Для 2019 г., начавшегося в фазе Эль-Ниньо, к августу произошел переход к нейтральной фазе с ее продлением до конца года. Для подобных фазовых переходов оценена повышенная вероятность режима засух в ряде азиатских регионов [14]. Как и в 2019 г., при аналогичном фазовом переходе в 2003 г. также была аномальная жара в Западной Европе и очень высокая пожарная активность в Восточной Сибири, в частности к северу от Байкала.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

С использованием космических данных выявлена тенденция увеличения плотности эмиссий в атмосферу вредных примесей, в том числе СО, СО₂ и аэрозоля PM2.5, связанных с крупномасштабными пожарами в Сибирском федеральном округе, на фоне региональных и глобальных изменений последних двух десятилетий. При этом заметных тенденций изменений площадей природных пожаров в этом регионе и суммарных за год объемов эмиссий в атмосферу примесей, связанных с пожарами, не отмечено.

Анализ данных космического мониторинга показал, что для периода времени с 2001 по 2019 г. площади природных пожаров в Сибирском федеральном округе составляли в среднем 69.5 тыс. км². Суммарные годовые объемы эмиссий при этом составляли в среднем 8.1 млн. т СО, 141.6 млн т СО₂ и 1.0 млн т аэрозоля PM2.5. Соответствующие средние значения плотности эмиссий на единицу площади пожаров превышали 110 т на км² для СО, 2 тыс. т на км² для СО₂ и около 14 т на км² для аэрозоля PM2.5.

В целом летом 2019 г. на территории Северной Евразии доминировали сибирские пожары. Всего на территории с координатами (50°–75° с.ш., 60°–140° в.д.) в июле 2019 г. по спутниковым данным было детектировано около 29 тыс. очагов горения с суммарной радиационной мощностью около 3 ТВт. Средняя РМП в этот месяц превышала 100 МВт, а медианная РМП – 50 МВт. Пожары максимальной интенсивности отмечались 8 июля в Нижнем Приангарье (59° с.ш., 98° в.д.) с РМП около 3.6 ГВт) и 24 июля на юго-западе Якутии (63° с.ш., 117° в.д.) с РМП, составлявшей более 3.5 ГВт).

Аномальные природные пожары с рекордными площадями, пройденными огнем, и связанными с ними эмиссиями вредных примесей в атмосферу, в том числе СО₂ (более 46 млн. т), СО (более 3 млн. т) и аэрозоля PM2.5 (около 400 тыс. т) выявлены в Иркутской области в июле 2019 г. Установлено, что средняя за год площадь природных пожаров в этом регионе с апреля по октябрь для периода 2001–2019 гг. составляла около 11 тыс. км². Соответствующие средние значения суммарных эмиссий около 2 млн. т СО, около 34 млн. т СО₂ и несколько меньше 300 тыс. т аэрозоля (PM2.5). Средние значения плотности эмиссий на единицу площади пожаров в этом регионе составили около 170 т на км² для СО, около 3 тыс. т на км² для СО₂ и более 20 т на км² для аэрозоля (PM2.5). В 2019 г. площадь природных пожаров в целом за год почти вдвое превышала среднее значение для периода 2001–2019 гг., но при этом была в полтора раза меньше, чем в рекордном 2003 г. Соответствующие суммарные эмиссии СО, СО₂ и аэрозоля в 2019 г. в 2.5 раза превышали средние значения для периода 2001–2019 гг.; тем не менее были заметно меньше, чем в рекордных 2003 и 2006 г. В июле 2019 г. площади природных пожаров в Иркутской области более чем в 4 раза превышали среднее значение для периода 2001–2019 гг., а связанные с ними суммарные объемы эмиссий СО, СО₂ и аэрозоля PM2.5 в июле 2019 г. почти в 5 раз превышали их средние значения для периода 2001–2019 гг.

С использованием данных наземных наблюдений и реанализа исследованы региональные погодно-климатические особенности в Сибири в 2019 г. с проявлением атмосферных блокирований, способствующих формированию экстремальных режимов природных пожаров и наводнений в сопредельных регионах.

Согласно модельным оценкам, при продолжении глобального потепления следует ожидать усиления блокинговой активности в атмосфере, в частности над континентальными регионами, что в сочетании с летними тенденциями иссушения во внутриконтинентальных среднеширотных регионах способствует увеличению вероятности природных пожаров и их негативных последствий. Возможно также усиление региональных эффектов в связи с тенденцией усиления и учащения квазициклических процессов типа Эль-Ниньо при глобальном потеплении [15].