Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2021, T. 500, № 2, стр. 216-222

ВВЕДЕНИЕ

Природные пожары существенно влияют на состояние региональных экосистем и биоразнообразие, угрожают населенным пунктам и объектам инфраструктуры [1, 2]. Они являются важным источником поступления вредных газовых примесей и аэрозолей в атмосферу, угрожая здоровью населения и оказывая влияние на климат планеты [2–7]. Для оперативного обнаружения и анализа последствий природных пожаров, особенно на больших и труднодоступных территориях, наиболее эффективно использование космических методов и технологий [1–3, 5–10]. Развитие и практическое использование методов спутникового мониторинга пожаров и их последствий создало технологическую основу для качественного повышения уровня достоверности информации об этих опасных природных процессах на огромной территории России [2, 3, 6, 7] и ее отдельных регионов [1, 5, 8], а также на территориях других стран [9–12].

В настоящей работе приводятся результаты космического мониторинга изменчивости пространственно-временных распределений количества и площадей природных пожаров, а также вызываемых ими объемов эмиссий углеродсодержащих газовых примесей (CO, CO₂) и мелкодисперсных аэрозолей (PM2.5) для территории Российской Федерации и ее отдельных регионов в пожароопасные периоды с апреля по октябрь за 20 лет с 2001 по 2020 г.

ОСОБЕННОСТИ МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДАННЫЕ

Мониторинг природных пожаров и выявление изменений границ площадей, пройденных огнем, осуществлялись по методике, описанной в работах [2, 7, 9]. Данные о площадях, пройденных огнем в результате природных пожаров на исследуемых территориях, были получены с помощью спектрорадиометров MODIS, установленных на спутниках Terra и Aqua. В качестве основного использовался продукт MOD14 2-го уровня обработки с пространственным разрешением 1 км [13]. Данные обрабатывались за пожароопасный период с апреля по октябрь, характерный для России, в период времени с 2001 по 2020 г. В процессе обработки учитывалась фактически выгоревшая территория за год без учета повторяемости горения одного и того же участка для пожароопасного сезона. Анализ полученных значений площадей, пройденных огнем, осуществлялся путем нормализации данных с использованием среднеквадратического отклонения данных текущего года по сравнению с данными других лет в период с 2001 по 2020 г.

Для оценки объемов эмиссий малых газовых компонент и аэрозолей от природных пожаров был применен модифицированный метод Сейлера-Крутцена [14], который учитывает площади, пройденные огнем, с введением поправочного коэффициента, полученного по данным более высокого пространственного разрешения [2, 7], а также плотность распределения биомассы на данной площади и долю сгоревшей биомассы. В настоящем исследовании была проведена оценка объемов эмиссий малых газовых компонент (CO, CO₂) и мелкодисперсных аэрозолей (РМ2.5) от природных пожаров в пожароопасный период для интервала времени с 2001 по 2020 г.

В ходе проведения исследований была проведена оценка ежегодной динамики плотностей и площадей природных пожаров, а также обусловленных ими объемов эмиссий для всей территории Российской Федерации и четырех ее крупных регионов: Европейской части России (ЕЧР), а также Уральского федерального округа (УрФО), Сибирского федерального округа (СФО) и Дальневосточного федерального округа (ДФО). Это позволило оценить вклад каждого региона в общие объемы выбросов углеродсодержащих газов (CO, CO₂) и мелкодисперсных аэрозолей (PM2.5) на территории Российской Федерации.

ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ АНАЛИЗ

При проведении исследований на основании результатов космического мониторинга были получены данные о распределениях площадей природных пожаров и обусловленных ими объемов эмиссий CO, CO₂ и PM2.5 для территорий Российской Федерации, осуществлена нормализация значений с использованием среднеквадратического отклонения данных текущего года по сравнению с данными других лет в период с 2001 по 2020 г. (рис. 1).

Рис. 1.

Нормализованные значения ежегодных площадей природных пожаров и связанных с ними суммарных объ-емов эмиссий CO, CO₂ и PM2.5 на территории Российской Федерации для периода времени с 2001 по 2020 г. Прямая характеризует линейный тренд, пунктирной линией отмечены нормализованные значения площадей, пройденных огнем, гистограммой показаны нормализованные значения ежегодных объемов эмиссий CO, CO₂ и PM2.5.

В результате анализа полученных данных (рис. 1) выявлена тенденция к снижению ежегодных площадей природных пожаров на территории России, однако ежегодные объемы эмиссий CO, CO₂ и PM2.5 при этом остаются достаточно высокими. Это вероятно связано с тем, что после 2010 г. значительные площади, пройденные огнем, были выявлены на территории СФО и ДФО, где основная доля выгораний приходится на леса (81%) [8].

На рис. 2 представлен результат нормализации значений площадей природных пожаров, зафиксированных в период с 2001 по 2020 г. на территории крупных регионов Российской Федерации: ЕЧР, УрФО, СФО и ДФО.

Рис. 2.

Значения ежегодных площадей природных пожаров на территориях крупных регионов Российской Федерации (ЕЧР, УрФО, СФО, ДФО), нормализованные значения площадей, пройденных огнем, с использованием среднеквадратического отклонения данных текущего года по сравнению с данными других лет в период с 2001 по 2020 г.

Анализ представленных на рис. 2 нормализованных значений площадей природных пожаров для 20-летнего периода времени показывает, что  по результатам космического мониторинга выявлена явно выраженная тенденция к их уменьшению для территорий ЕЧР и УрФО. Для территории СФО прослеживается постепенное снижение площадей, пройденных огнем. В то же время динамика колебаний площадей территорий, пройденных огнем, для территории ДФО (рис. 2) носит циклический характер то понижаясь, то увеличиваясь с примерной периодичностью в 10 лет (2002 и 2003 г., затем 2011 и 2012 г., далее 2019 и 2020 г.). Это подтверждают и данные работы [15].

В табл. 1 представлены удельные ежегодные плотности очагов природных пожаров (количество очагов, отнесенное к общей площади региона, шт./км²), обнаруженных из космоса, для исследуемых регионов Российской Федерации в период времени с 2001 по 2020 г.

Из анализа табл. 1 следует, что наибольшее количество очагов природных пожаров на единицу площади было выявлено в 2003 г. в СФО, когда их удельная плотность составила 63.5 × 10^–3 шт./км². Для территории ЕЧР выявлен характерный максимум в 2006 г. (42.5 × 10^–3 шт./км²). В УрФО наибольшая удельная плотность очагов природных пожаров была обнаружена в 2012 г. и составила 39.6 × 10^–3 шт./км². Для территории ДФО максимумы плотности очагов приходятся на 2003, 2012 и 2020 г.

Кроме того, по полученным среднемесячным значениям площадей природных пожаров [15] было проанализировано их процентное распределение на территории крупных регионов (ЕЧР, УрФО, СФО, ДФО) относительно общероссийских в период апрель-октябрь с 2001 по 2020 г. (рис. 3).

Рис. 3.

Распределение площадей природных пожаров, зафиксированных на территории крупных регионов России с 2001 по 2020 г. (в период апрель-май) и представленных в процентном соотношении относительно общероссийских.

Из анализа табл. 1 следует, что наибольшее количество очагов природных пожаров на единицу площади было выявлено в 2003 г. в СФО, когда их удельная плотность составила 63.5 × 10^–3 шт./км². Для территории ЕЧР выявлен характерный максимум в 2006 г. (42.5 × 10^–3 шт./км²). В УрФО наибольшая удельная плотность очагов природных пожаров была обнаружена в 2012 г. и составила 39.6 × 10^–3 шт./км². Для территории ДФО максимумы плотности очагов приходятся на 2003, 2012 и 2020 г.

В эти месяцы доля пожаров составляла за 20-летний период 60% и более от общероссийских (рис. 3). Значительная доля природных пожаров приходилась на территорию ДФО в летние месяцы (июнь, июль, август), а также в октябре. Максимальная доля пожаров, приходящаяся на территорию ДФО, зафиксирована в 2020 г. 88% – в июне, 76% – в июле и 65% – в августе, а также в октябре 2016 г. (71%).

На основании анализа ежегодных оценок объемов эмиссий углеродосодержащих примесей и мелкодисперсных аэрозолей, связанных с природными пожарами, полученных с использованием данных космического мониторинга, был исследован вклад каждого региона с оценкой изменений за 20 лет.

На рис. 4 представлен вклад регионов ЕЧР, УрФО, СФО и ДФО в общероссийские объемы эмиссий СО, СО₂ и PM2.5, обусловленные природными пожарами, в пожароопасные периоды с 2001 по 2020 г.

Рис. 4.

Распределение вкладов объемов эмиссий СО, CO₂, PM2.5, обусловленных природными пожарами на территориях ЕЧР (1), УрФО (2), СФО (3) и ДФО (4), в общероссийские объемы эмиссий в период с 2001 по 2020 г.

В результате анализа рис. 4 выявлено, что в 2010 г. вклад в эмиссии СО, СО₂ и PM2.5 для ЕЧР достигал 40% от суммарных объемов эмиссий для всей территории Российской Федерации, когда на этой территории происходили аномальные природные пожары [1]. Начиная с 2011 и до 2020 г. наблюдалось существенное снижение объемов эмиссий для территории ЕЧР до уровней 10–20% от общероссийских.

Вклад СФО в объемы эмиссий СО, СО₂ и PM2.5 был превалирующим в 2003, 2004, 2006–2008, 2011, 2012, 2014–2017, 2019 г., а в 2003, 2012, 2015, 2016 г. этот вклад достигал 60% от общероссийских.

Согласно рис. 4 наблюдалась постепенная тенденция к усилению роста влияния выбросов СО, CO₂, PM2.5 на территории ДФО, начиная с 2017 г. Максимальный вклад ДФО в общие объемы эмиссий был выявлен в 2020 г. и составил 65% от общероссийских.

Выявленный вклад в общероссийские объемы эмиссий от регионов СФО и ДФО (рис. 4) наглядно объясняет причину превышения значений объемов эмиссий, наблюдаемую после 2010 г. на рис. 1.

Таким образом, основываясь на представленных результатах, можно сделать вывод об эффективности использования спутниковых данных и применения различных методов и средств космического мониторинга для исследования динамики природных пожаров и оценки их последствий на различных территориях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Были проанализированы результаты космического мониторинга природных пожаров для территории Российской Федерации за период с 2001 по 2020 г. Проведенный анализ позволил выявить динамику пространственно-временных вариаций площадей территорий, пройденных огнем, и обусловленных ими объемов эмиссий углеродсодержащих газов (CO, CO₂) и аэрозоля (PM2.5) за прошедшие 20 лет для всей территории Российской Федерации и ее отдельных регионов. Выявлена тенденция уменьшения площадей природных пожаров на территории Российской Федерации, а также обнаружено превышение общих объемов эмиссий CO, CO₂ и PM2.5 в период с 2010 по 2020 г.

Согласно результатам анализа региональной динамики природных пожаров следует, что для территорий ЕЧР и УрФО прослеживается тенденция к снижению площадей выгоревших территорий после 2009 г. и 2012 г. соответственно. Для территории СФО наблюдается постепенное уменьшение площадей, пройденных огнем.

Цикличные распределения площадей природных пожаров характерны для территории ДФО, что, вероятно, связано с влиянием природных факторов, таких как блокирующие антициклоны, аномалии осадков, температуры. При этом максимальные значения площадей природных пожаров на территории СФО были выявлены в 2003 и 2012 г. Максимальные значения площадей природных пожаров на территории ДФО были выявлены в 2002, 2003, 2012 и 2020 г.

В ходе настоящего исследования была проведена оценка объемов эмиссий углеродсодержащих газов (CO, CO₂) и аэрозоля (PM2.5) на региональном уровне. Анализ полученных результатов показал, что наибольший вклад в ежегодные объемы выбросов вносят эмиссии, обусловленные природными пожарами, происходящими на территории СФО и ДФО. Вклад данных регионов в общие объемы эмиссий в отдельные годы достигал 65%, что обусловлено особенностями растительного покрова, значительные площади которого занимают лесные территории. Сгорание лесной биомассы в свою очередь приводит к большим объемам эмиссий, в сравнении с другими типами растительности.

Таким образом, исследование многолетней динамки природных пожаров на территории Российской Федерации позволило выявить тенденции пространственно-временных распределений площадей выгоревших территорий и объемов эмиссий, обусловленных сгоранием биомассы. Полученные результаты свидетельствует об эффективности применения описанного подхода и важности использования спутниковых данных для мониторинга природных пожаров и их последствий. Продолжением полученных результатов может стать дальнейший более детальный анализ региональных и внутрисезонных особенностей, связанных с возникновением природных пожаров, в том числе оценка взаимосвязи этих явлений с различными климатическими факторами.