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 2, 3, *, 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
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.
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.
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.
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].
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.
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
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.
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
Бондур В.Г. Космический мониторинг природных пожаров в России в условиях аномальной жары 2010 г. // Исследование Земли из космоса. 2011. № 3. С. 3‒13.
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
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
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
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.
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
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.
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
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
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
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
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
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.
Инструменты
Доклады Российской академии наук. Науки о Земле