Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2020, T. 495, № 2, стр. 61-66

Космический мониторинг природных пожаров и эмиссий в атмосферу продуктов горения на территории России: связь с атмосферными блокированиями

Академик РАН И. И. Мохов 23*, академик РАН В. Г. Бондур 1, С. А. Ситнов 2, О. С. Воронова 1

1 Научно-исследовательский институт аэрокосмического мониторинга “АЭРОКОСМОС”
Москва, Россия

2 Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова Российской академии наук
Москва, Россия

3 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова
Москва, Россия

* E-mail: mokhov@ifaran.ru

Поступила в редакцию 09.10.2020
После доработки 12.10.2020
Принята к публикации 12.10.2020

Полный текст (PDF)

Аннотация

С использованием спутниковых данных и данных реанализа получены оценки значимой связи площадей природных пожаров и вызванных ими эмиссий в воздушную среду продуктов горения с атмосферными блокированиями на территории России за период времени с 2001 по 2019 г. Установлено, что вклад в дисперсию межгодовых изменений площадей пожаров и потоков продуктов горения в атмосферу, связанный с атмосферными блокированиями, может достигать и даже превышать 40%. Выявлена тенденция увеличения плотности эмиссий продуктов горения в атмосферу, в том числе углекислого и угарного газов, а также мелкодисперсного аэрозоля, на фоне общего уменьшения площадей природных пожаров в первое 20-летие XXI века. При этом обнаружено уменьшение соотношения эмиссий угарного газа и мелкодисперсного аэрозоля.

Ключевые слова: космический мониторинг, дистанционное зондирование, природные пожары, пирогенные эмиссии, атмосферные блокирования, климатические изменения

ВВЕДЕНИЕ

Современные глобальные климатические изменения сопровождаются сильными региональными температурными, циркуляционными и гидрологическими аномалиями. В числе наиболее опасных последствий изменений климата ‒ засухи и пожары. Природные пожары, в том числе лесные, степные, торфяные, оказывают значительное влияние на состояние региональных экосистем и биоразнообразие. Они существенно увеличивают содержание в атмосфере связанных с продуктами горения примесей с серьезными экологическими последствиями, негативным влиянием на здоровье населения [1, 2]. Для мониторинга и анализа последствий природных пожаров, особенно на больших территориях, наиболее эффективно использование космических методов и технологий [3‒6].

Глобальное потепление климата увеличивает риск формирования природных пожаров, в том числе в российских регионах. В частности, формированию природных пожаров на фоне температурного роста способствует тенденция уменьшения осадков в пожароопасные сезоны в среднеширотных российских регионах [7]. Длительные погодно-климатические аномалии, характеризующиеся засушливыми условиями летних сезонов в средних широтах и повышенной пожароопасностью, связаны с блокирующими антициклонами (блокингами) в тропосфере [8‒10]. Влияние блокингов проявляется в региональных аномалиях с возможными значительными различиями метеорологических условий в сопредельных регионах и значительной межгодовой изменчивости. При этом существенно, что, согласно модельным оценкам, глобальное потепление приводит к увеличению вероятности более длительных атмосферных блокирований [9, 10].

В настоящем сообщении на основании данных спутникового зондирования и данных реанализа оценивается связь природных пожаров и вызываемых ими пирогенных эмиссий примесей в воздушную среду с атмосферными блокированиями на территории России.

ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДАННЫЕ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

При анализе использовались данные дистанционного зондирования, подробная информация о которых представлена в работе [11]. Для определения площадей природных пожаров на территории Российской Федерации и связанных с ними эмиссий в атмосферу газовых и аэрозольных примесей за период времени с 2001 по 2019 г. использовались подходы, описанные в работах [3‒6]. Площади пожаров оценивалась по ежедневным данным MOD14 с пространственным разрешением 1 км [12] для пожароопасных сезонов с апреля по октябрь [11]. При этом учитывался преобладающий тип почвенно-растительного покрова по данным MCD12Q1 v. 6 (MODIS Land Cover Type 500 m) согласно [13]. Всего на территории России было выделено 13 типов почвенно-растительного покрова, включая 4 класса лесного покрова, 4 класса кустарниковой, степной и луговой растительности, 2 класса сельхозугодий, 3 класса территорий, не покрытых растительностью. С использованием спутниковых данных о пожарах и данных о типах почвенно-растительного покрова оценивались объемы связанных с пожарами эмиссий в атмосферу газовых примесей (CO2, CO, СН4, NO, NO2) и мелкодисперсных аэрозолей (PM2.5) для российских регионов [4, 5]. Ключевой вклад в эмиссии в атмосферу продуктов сгорания биомассы в результате природных пожаров связан с углеродсодержащими газовыми компонентами, в том числе CO и CO2 [4].

В работе [11] были обновлены значения эмиссионных коэффициентов, соответствующие различным типам сгораемой растительности при определении общей эмиссии в атмосферу различных продуктов горения. Оценка объемов эмиссий осуществлялась согласно [14] с учетом поправок [4, 6].

Наряду со спутниковыми данными для анализа региональных особенностей атмосферной циркуляции, в частности режимов блокирования (блокингов) зональной циркуляции в тропосфере средних широт, использовались данные NCEP/NCAR реанализа (http://www.esrl.noaa.gov). Условия формирования атмосферных блокингов определялись аналогично [15].

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ АНАЛИЗ

Межгодовые изменения площадей природных пожаров для территории России, нормированных на многолетнее среднее значение для периода 2001‒2019 гг., представлены на рис. 1. Анализ рис. 1 показывает, что для суммарных за год площадей пожаров, обнаруженных по результатам космического мониторинга с апреля по октябрь, на фоне значительной межгодовой изменчивости проявляется тенденция уменьшения на 3.6% в год (при коэффициенте корреляции r = 0.62 и среднеквадратическом отклонении ±2.3%/год) в течение последних двух десятилетий ‒ с начала XXI века. Средняя для периода 2001‒2019 гг. площадь ежегодных пожаров в России, оцененная по данным работы [11], равнялась 200.8 тыс. км2. При этом в 2003 г. площадь пожаров была примерно в 1.8 раза больше, а в 2013 и 2017 г. составляла только около 0.6 средней величины.

Рис. 1.

Межгодовые изменения значений площадей российских пожаров, нормированных на средние значения для периода 2001‒2019 гг. Прямая характеризует линейный тренд, пунктиром отмечены его 95%-ные доверительные интервалы.

Отмеченная тенденция уменьшения общей площади российских пожаров сопровождается общим уменьшением суммарных эмиссий в атмосферу продуктов горения, в том числе СО2, СО, СН4, NO, NO2, PM2.5. При этом проявляется рост плотности (на единицу площади) пирогенных эмиссий.

На рис. 2 представлены межгодовые изменения нормированных плотностей эмиссий СО2 (а) и PM2.5 (б), а также отношения эмиссий СО и PM2.5 (в). Рисунок 2а характеризует средние для пожароопасных сезонов с апреля по октябрь изменения плотности эмиссий СО2, нормированной на среднее значение (1.8 кг/м2) для периода 2001‒2019 гг., полученное по данным работы [11]. Согласно рис. 2а, проявляется тенденция увеличения средней плотности эмиссий СО2 на 1.5%/год (при коэффициенте корреляции r = 0.61). При этом отмечена значительная межгодовая изменчивость с уменьшением до 20% (в 2008 г.) и увеличением до 30% (в 2016 г.) относительно средней величины.

Рис. 2.

Межгодовые изменения плотности эмиссий СО2 (а) и PM2.5 (б), а также отношения эмиссий СО и PM2.5 (в). Все величины нормированы на средние значения для периода 2001‒2019 гг. Прямые характеризуют соответствующие линейные тренды, пунктиром отмечены их 95%-ные доверительные интервалы.

На рис. 2б представлены соответствующие изменения плотности эмиссий мелкодисперсного аэрозоля, характеризуемого величиной PM2.5, нормированной на среднее значение (11 г/м2) для периода 2001‒2019 г., полученное по данным работы [11]. Анализ данных, представленных на рис. 2б, показывает, что отмечается тенденция увеличения средней плотности эмиссий мелкодисперсного аэрозоля на 2.5%/год (при коэффициенте корреляции r = 0.66) на фоне существенной межгодовой изменчивости с уменьшением до 30% (в 2005 и 2007 г.) и увеличением до 40% (в 2016 г.) относительно средней величины.

Аналогичная тенденция роста проявляется для изменений плотности эмиссий угарного газа, нормированной на среднее значение (94 г/м2) для периода 2001‒2019 гг. [11], на 2.0% в год (при коэффициенте корреляции r = 0.66) на фоне существенной межгодовой изменчивости. При этом отмечается тенденция уменьшения отношения плотностей плотностей эмиссий угарного газа и мелкодисперсного аэрозоля (рис. 2в) на 2.5% в год (при коэффициенте корреляции r = 0.66).

Риск природных пожаров существенно возрастает в теплые сезоны в условиях блокирующих антициклонов, что проявляется в межгодовой изменчивости площадей пожаров и связанных с ними эмиссий в атмосферу продуктов сгорания. На рис. 3 представлены межгодовые изменения числа блоко-дней на территории России в пожарные периоды с апреля по октябрь, нормированных на средние значения для периода 2001‒2019 гг. Блокинговая активность в российских регионах характеризуется высокой межгодовой изменчивостью. Общая длительность атмосферных блокирований на территории России в рекордном по площади пожаров 2003 г. в полтора раза превышала среднюю для периода 2001‒2019 гг., а в 2004 г. была в два раза меньше средней. При этом общая площадь пожаров в 2003 г. (365.5 тыс. км2) была в 2.2 больше, чем в 2004 г. (165.7 тыс. км2) [6, 11]. Общая длительность атмосферных блокирований в пожароопасный сезон в 2017 г. существенно понижалась – примерно на треть относительно среднего уровня. При этом в 2017 г. была отмечена минимальная площадь российских пожаров (на 40% меньше средней величины) [11].

Рис. 3.

Межгодовые изменения числа блоко-дней для территории России, нормированных на средние значения для периода 2001‒2019 гг.

На рис. 4а представлена зависимость общей за год площади природных пожаров на территории России от числа блоко-дней во время пожаров. Результаты анализа линейной регрессии показывают, что при увеличении числа блоко-дней на 10% площадь пожаров возрастает примерно на 8%, т.е. на 16 тыс. км2. При этом с линейной зависимостью от общей длительности атмосферных блокирований в теплые сезоны связано 39% межгодовой дисперсии общей площади российских пожаров.

Рис. 4.

Зависимость от числа блоко-дней нормированных значений общих за год площадей природных пожаров на территории России (а) и связанных с ними общих за год эмиссий в атмосферу СО2 (б), СО (в) и PM2.5 (г). Все величины нормированы на средние значения для периода 2001‒2019 гг. Прямые соответствуют линейным регрессиям.

На рис. 4 представлены также зависимости от общего числа блоко-дней в пожароопасные сезоны общих эмиссий продуктов горения, в том числе СО2 (б), СО (в) и мелкодисперсного аэрозоля PM2.5 (г). Согласно результатам анализа линейных регрессий (см. рис. 4), при увеличении числа блоко-дней на 10% общие эмиссии в атмосферу СО2, СО и мелкодисперсного аэрозоля возрастают примерно на 9%. При этом с линейной зависимостью от общей длительности атмосферных блокирований на территории России в теплые сезоны связано 39% межгодовой дисперсии общей площади пожаров, 46% межгодовой дисперсии общей эмиссии в атмосферу СО2, 42% межгодовой дисперсии общей эмиссии в атмосферу СО и 43% межгодовой дисперсии общей эмиссии в атмосферу мелкодисперсного аэрозоля.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученные результаты свидетельствуют о значимой прямой прямой связи площадей природных пожаров на территории России и вызванных ими эмиссий в атмосферу продуктов горения с атмосферными блокированиями.

Согласно результатам анализа данных дистанционного зондирования и данных реанализа для периода 2001‒2019 гг., вклад в дисперсию межгодовых изменений площадей пожаров и потоков в атмосферу продуктов горения на территории России, связанных с атмосферными блокированиями, может достигать и даже превышать 40%.

На фоне общего уменьшения площадей природных пожаров в первом 20-летии XXI века выявлена тенденция увеличения плотности эмиссий в атмосферу продуктов горения, в том числе углеродсодержащих газовых примесей СО2, СО и мелкодисперсного аэрозоля PM2.5, а также СН4, NO, NO2. При этом отмечена тенденция уменьшения отношения плотностей эмиссий угарного газа и аэрозоля PM2.5.

В развитии полученных результатов для территории России в целом необходим дальнейший более детальный анализ региональных и внутрисезонных особенностей связи природных пожаров и их последствий с блокинговой активностью в атмосфере.

Список литературы

  1. Швиденко А.З., Щепащенко Д.Г., Ваганов Е.А., Сухинин А.И., Максютов Ш.Ш., МкКалум И., Лаки-да И.П. Влияние природных пожаров в России 1998–2010 гг. на экосистемы и глобальный углеродный бюджет // ДАН. 2011. Т. 441. № 4. С. 544–548.

  2. Ситнов С.А., Мохов И.И. Сравнительный анализ характеристик пожаров в бореальных лесах Евразии и северной Америки по спутниковым данным // Исследования Земли из космоса. 2018. № 2. С. 21‒37. https://doi.org/10.7868/S0205961418020033

  3. Бондур В.Г. Космический мониторинг природных пожаров в России в условиях аномальной жары 2010 г. // Исследование Земли из космоса. 2011. № 3. С. 3‒13.

  4. Бондур В.Г. Космический мониторинг эмиссий малых газовых компонент и аэрозолей при природных пожарах в России // Исследование Земли из космоса. 2015. № 6. С. 21–35. https://doi.org/10.7868/S0205961415060032

  5. Бондур В.Г., Гинзбург А.С. Эмиссия углеродсодержащих газов и аэрозолей от природных пожаров на территории России по данным космического мониторинга // ДАН. 2016. Т. 466. № 4. С. 473‒477. https://doi.org/10.7868/S0869565216040186

  6. Бондур В.Г., Гордо К.А., Кладов В.Л. Пространственно-временные распределения площадей природных пожаров и эмиссий углеродсодержащих газов и аэрозолей на территории северной Евразии по данным космического мониторинга // Исследование Земли из космоса. 2016. № 6. С. 3‒20. https://doi.org/10.7868/S0205961416060105

  7. Мохов И.И., Чернокульский А.В., Школьник И.М. Региональные модельные оценки пожароопасности при глобальных изменениях климата // ДАН. 2006. Т. 411. № 6. С. 808‒811.

  8. Бондур В.Г., Мохов И.И., Воронова О.С., Ситнов С.А. Космический мониторинг сибирских пожаров и их последствий: особенности аномалий 2019 года и тенденции 20-летних изменений // ДАН. Науки о Земле. 2020. Т. 492. № 1. С. 99–106. https://doi.org/10.31857/S2686739720050047

  9. Мохов И.И., Тимажев А.В. Атмосферные блокирования и изменения их повторяемости в XXI веке по расчетам с ансамблем климатических моделей // Метеорология и гидрология. 2019. № 6. С. 5‒16.

  10. Мохов И.И. Российские климатические исследования в 2015–2018 гг. // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2020. Т. 56. № 4. С. 1‒21. https://doi.org/10.31857/S0002351520040069

  11. Бондур В.Г., Воронова О.С., Черепанова Е.В., Цидилина Е.В., Зима А.Л. Пространственно-временной анализ многолетних природных пожаров и эмиссий вредных газов и аэрозолей в России по космическим данным // Исследование Земли из космоса. 2020. № 4. С. 3‒17. https://doi.org/10.31857/S0205961420040028

  12. Giglio L., Schroeder W., Justice C.O. The Collection 6 MODIS Active Fire Detection Algorithm and Fire Products // Remote Sensing of Environment. V. 178. 1 June 2016. P. 31–41. https://doi.org/10.1016/j.rse.2016.02.054

  13. Friedl M.A., Sulla-Menashe D., Tan B., Schneider A., Ramankutty N., Sibley A., Huang X. MODIS Collection 5 Global Land Cover: Algorithm Refinements and Characterization of New Datasets // Remote Sensing of Environment. 2010. V. 114. P. 168–182. https://doi.org/10.1016/j.rse.2009.08.016

  14. Seiler W., Crutzen P.J. Estimates of Gross and Net Fluxes of Carbon between the Biosphere and Atmosphere from Biomass Burning // Clim. Change. 1980. V. 2. № 3. P. 207–247. https://doi.org/10.1007/BF00137988

  15. Tibaldi S., Molteni F. On the Operational Predictability of Blocking // Tellus. 1990. V. 42A. P. 343‒365. https://doi.org/10.1034/j.1600-0870.1990.t01-2-00003.x

Дополнительные материалы отсутствуют.