1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Лесоведение
  4. № 2, 2021

Лесоведение, 2021, № 2, стр. 115-122

Спутниковая оценка гибели древостоев от пожаров по данным о сезонном распределении пройденной огнем площади

С. А. Барталев a, b, *, Ф. В. Стыценко a, b

a Институт космических исследований РАН
117997 Москва, ул. Профсоюзная, 84/32, Россия

b Центр по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН
117997 Москва, ул. Профсоюзная, 84/32, Россия

* E-mail: bartalev@d902.iki.rssi.ru

Поступила в редакцию 17.08.2020
После доработки 16.10.2020
Принята к публикации 08.12.2020

Полный текст (PDF)

Аннотация

В работе представлены результаты оценки летальности пожаров (доли площади погибших лесов по отношению к общей их площади, затронутой огнем) в лесах России за период 2006–2019 гг. по данным спутниковых наблюдений. Установленная зависимость вероятности пирогенной гибели лесов от времени возникновения и действия огня в течение сезона позволяет рассматривать фактор сезонного распределения площади пожаров в числе информативных предикторов их летальности. Предложенный в статье индекс сезонной летальности лесных пожаров SFLI (Seasonal Fire Lethality Index) позволяет оценивать масштабы пирогенной гибели лесов России на основе получаемой по результатам спутникового мониторинга информации о распределении пройденной огнем площади в течение пожароопасного сезона. Полученные результаты демонстрируют наличие линейной взаимосвязи величины предложенного индекса со значениями показателя летальности лесных пожаров. При этом коэффициент детерминации связи между двумя вышеупомянутыми характеристиками достигает своего максимума (R2 = 0.80) 19 июля, что обусловливает выбор этой календарной даты в качестве кульминационного дня летальности лесных пожаров. Соответствующее этой календарной дате линейное уравнение регрессионной связи между характеристиками летальности воздействия пожаров на леса России обеспечивает возможность ее ежегодной дистанционной оценки со среднеквадратической погрешностью ±10.5%. Для оценки летальности лесных пожаров на основе предложенного метода характерны минимальные требования к входным данным, включающим в себя лишь информацию о распределении пройденной огнем площади лесов в течение пожароопасного сезона, что делает возможным его оперативное применение в масштабах страны. Полученные результаты могут иметь непосредственное практическое значение для оптимизации режимов охраны лесов России от пожаров с учетом их потенциальной летальности.

Ключевые слова: лесные пожары, пирогенная гибель лесов, мониторинг лесных пожаров, дистанционное зондирование, индекс сезонной летальности лесных пожаров.

Пожары являются наиболее мощным фактором деструктивного воздействия на леса России и проявляют в настоящее время выраженные тенденции нарастания площади их пирогенных повреждений и гибели (Барталев и др., 2015; Пономарев и др., 2017; Харук, Пономарев, 2020), предположительно связываемые, в том числе, с изменениями климата (Швиденко, Щепащенко, 2013). Благодаря использованию с конца прошлого века спутниковых данных дистанционного зондирования Земли для мониторинга лесных пожаров России, особенности их географического и сезонного распределения, межгодовая изменчивость числа возникающих очагов горения и пройденной огнем площади к настоящему времени достаточно хорошо изучены (Лупян и др., 2017). Получившие развитие в последние годы методы дистанционной оценки пирогенных повреждений лесов позволили сформировать ежегодно обновляемые многолетние ряды данных о характеристиках их постпожарных усыханий и гибели в масштабах страны (Стыценко и др., 2013). Это, в свою очередь, открыло широкие возможности исследования пространственно-временных особенностей пирогенных повреждений лесов России, в том числе во взаимосвязи с их породной структурой и другими характеристиками (Барталев и др., 2015, 2017).

Проведенные исследования позволили, в частности, установить, что площадь ежегодно погибающих от пожаров лесов России характеризуется многократной изменчивостью (Барталев и др., 2015). При этом для среднемноголетних функций распределения площади лесных пожаров в течение пожароопасного сезона характерно наличие выраженных пиков горимости в весенний и летний периоды года (Лупян и др., 2017). В то же время выявлено, что среднемноголетняя вероятность пирогенной гибели лесов характеризуется выраженным сезонным распределением с достижением максимума в летний период, в то время как весенним и осенним пожарам соответствуют многократно более низкие уровни повреждений (Барталев и др., 2015, 2017). Установление указанных закономерностей стимулирует дальнейшие исследования влияния сезонного распределения пройденной огнем площади лесов на степень их повреждения и гибели.

В качестве характеристики степени деструктивного воздействия пожаров на леса введем показатель их летальности, определяемый долей площади погибших лесов по отношению к их общей затронутой огнем площади. При этом площадь погибших от пожаров лесов определяется на основе спутниковых измерений показателя их средневзвешенной категории состояния (СКС), значения которого зависят от степени дефолиации и дехромации составляющих насаждения деревьев (Стыценко и др., 2013). В соответствии с принятыми в лесном хозяйстве критериями (Руководство …, 2007), на основе дистанционно измеренных значений показателя СКС выделяются следующие категории состояния лесов: здоровые и ослабленные (≤2.5), сильно ослабленное (2.5–3.5), усыхающее (3.5–4.5), погибшие (≥4.5). С учетом отсроченных во времени процессов постпожарных усыханий лесов при прогнозировании характеристик летальности пожаров на основе дистанционных измерений СКС, проведенных сразу после воздействия огня, целесообразно объединение категорий усыхающих и погибших лесов.

Анализ результатов, полученных с использованием разработанных ранее методов оценки пройденной огнем площади и степени пирогенного повреждения лесов на основе данных дистанционного зондирования спутниковой системой MODIS (Барталев и др., 2012, 2015; Стыценко и др., 2013), показывает, что в период 2006–2019 гг. динамика летальности пожаров в лесах России характеризуется диапазоном изменений от 27.5 до 67.5%, с достижением минимального и максимального значений в 2008 и 2014 гг. соответственно (рис. 1). При этом отмечается наличие положительного тренда летальности лесных пожаров со средним ежегодным приростом около 2%, а значение этого показателя в 2019 г. составило 66.9%, вплотную приблизившись к абсолютному его максимуму за охваченный спутниковыми наблюдениями период 2006–2019 гг.

Рис. 1.

Динамика летальности пожаров в лесах России в период 2006–2019 гг. 1 – тренд многолетних изменений показателя летальности.

Анализ результатов обработки многолетних данных спутниковых наблюдений выявил наличие выраженной зависимости летальности лесных пожаров от времени их возникновения и действия в течение сезона (рис. 2), позволяя рассматривать фактор сезонного распределения пройденной огнем площади в числе информативных предикторов пирогенной гибели лесов (Барталев и др., 2015). При этом, как уже отмечалось выше, летний период пожароопасного сезона характеризуется наиболее высокими значениями летальности лесных пожаров с достижением максимума показателя в июле. Одновременно следует отметить, что, отличаясь абсолютными значениями среднемноголетней вероятности пирогенной гибели, леса с преобладанием различных древесных пород преимущественно демонстрируют сходную по общей направленности сезонную динамику летальности пожаров, включая близкое время достижения ее максимума (Барталев и др., 2017).

Рис. 2.

Среднемноголетнее сезонное распределение летальности пожаров в лесах России, в том числе для различных групп древесных пород. 1 – темнохвойный лес, 2 – светлохвойный лес, 3 – лиственный лес, 4 – хвойный листопадный лес, 5 – смешанный лес, 6 – все леса.

Наличие закономерностей сезонного распределения вероятности пирогенной гибели лесов дает возможность прогнозирования на этой основе уровня летальности пожаров в зависимости от времени их возникновения и действия (Барталев и др., 2017). Настоящая статья посвящена развитию подходов к оперативному прогнозированию и экспресс-оценке пирогенной гибели лесов на основе данных спутниковой оценки сезонного распределения площади пожаров.

МЕТОД ОЦЕНКИ ЛЕТАЛЬНОСТИ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ

Созданная на основе результатов спутниковых наблюдений спектрорадиометром MODIS база геопространственных данных о пройденных огнем территориях и пирогенных повреждениях лесов (Барталев и др., 2012, 2015, 2017; Стыценко и др., 2013) охватывает всю территорию России за период 2006–2019 гг. и ежегодно обновляется. Наличие продолжительного временного ряда данных создает основу для исследований закономерностей пирогенной гибели лесов и разработки новых подходов к ее оценке на основе комплексирования данных дистанционных наблюдений со статистическими и эвристическими моделями.

В общем случае прямая оценка летальности лесных пожаров i-го года может быть получена на основе следующего очевидного выражения:

$F{{L}_{i}} = M{{A}_{i}} \times BA_{i}^{{ - 1}},$
где FLi – показатель летальности лесных пожаров; BAi – площадь лесных пожаров; MAi – площадь погибших от пожаров лесов.

Однако в силу того, что прямая дистанционная оценка площади пирогенной гибели лесов выполняется, как правило, со значительным (до нескольких месяцев) временным лагом (Барталев и др., 2017), для решения оперативных и прогностических задач возможно использование оценок летальности, получаемых на основе следующего выражения:

(2)
$F{{L}_{i}} = BA_{i}^{{ - 1}}\sum\limits_j {\sum\limits_t {\left( {P{{F}_{j}}\left( t \right) \times B{{A}_{{ij}}}\left( t \right)} \right)} } ,$

где BAij(t) – площадь пожаров i-го года, действовавших в лесах j-й группы пород в календарный день t; PDj(t) – распределение вероятности гибели лесов от пожаров, действовавших в лесах j-й группы пород в календарный день t.

В отличие от метода оценки летальности пожаров на основе выражения (1), основанный на использовании формулы (2) подход может применяться в оперативном режиме, предполагая предварительное установление на основе исторических данных среднемноголетнего сезонного распределения вероятностей пирогенной гибели лесов (Барталев и др., 2017). При этом, в силу зависимости вероятности пирогенной гибели лесов от их породного состава, при использовании выражения (2) необходим учет этого фактора, как при анализе исторических данных, так и при оценке летальности пожаров в текущем пожароопасном сезоне. Необходимость учета породного состава лесов при определении летальности пожаров, в свою очередь, повышает требования к составу входных данных, а также может служить источником дополнительных погрешностей в значениях получаемых оценок.

Для снижения уровня зависимости оперативных оценок пирогенной гибели лесов от входных данных в настоящей работе предложен эвристический индекс сезонной летальности пожаров SFLIi (Seasonal Fire Lethality Index), вычисляемый следующим образом:

(3)
$SFL{{I}_{i}} = BA_{i}^{{ - 1}}\sum\limits_t {\left| {t - t{\text{*}}} \right| \times B{{A}_{i}}\left( t \right)} ,$

где BAi(t) – площадь лесных пожаров i-го года, действовавших в календарный день t; t* – кульминационный день летальности пожаров, соответствующий календарному дню, при котором достигается максимум критерия корреляции между значениями SFLIi и FLi.

Из выражения (3) следует, что индекс SFLIi может интерпретироваться как взвешенное на площадь пожаров среднее отстояние времени их действия от кульминационного дня, а для его оперативной оценки требуется лишь информация о сезонном распределении площади лесных пожаров и предварительно установленное значение постоянной t*.

АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

Анализ сезонных распределений площади лесных пожаров на территории России (рис. 3) свидетельствует об их существенных межгодовых отличиях, выражающихся, в частности, в наличии в различные годы от одного до нескольких пиков горимости с разным временем их появления и относительным вкладом в пройденную огнем площадь.

Рис. 3.

Сезонные распределения площади поврежденных пожарами и погибших лесов на территории России в 2006–2019 гг. а – 2006 г., б – 2007 г., в – 2008 г., г – 2009 г., д – 2010 г., е – 2011 г., ж – 2012 г., з – 2013 г., и – 2014 г., к ‒ 2015 г., л – 2016 г., м – 2017 г., н – 2018 г., о – 2019 г.; 1 – пройденные огнем площади, 2 – погибшие леса; 3 – доля погибших лесов; DOYmax – сезонный максимум вероятности пирогенной гибели лесов.

Появление наиболее раннего (апрель–май) и отчетливо выраженного весеннего пика горимости, как, например, в 2007 и 2009 гг., объясняется пожарами, часто возникающими в лесах в результате неконтролируемых палов сухой травы, осуществляемых преимущественно в сельскохозяйственных целях. Условия для проявления другого характерного пика горимости (июль–август, как, например, в 2006, 2010 и 2013 гг.), как правило, определяются сочетанием факторов летнего нарастания пожарной опасности в силу процессов высыхания природных горючих материалов при длительно сухой погоде, а также роста вероятности появления в лесах источников огня как следствие возрастающего присутствия людей и грозовой активности (Соловьев и др., 2010; Подольская и др., 2011). Для ряда лет (например, 2007 и 2009 гг.) характерна множественность пиков сезонного распределения площади пожаров, часто сопровождаемая их слиянием (например, 2012, 2015 и 2016 гг.), что, вероятно, вызвано чрезвычайно высоким уровнем горимости лесов. Минимальное и максимальное значения показателя летальности (2008 и 2014 гг.) приходятся на годы с наиболее выраженным преобладанием весенних и летних пожаров в структуре пройденной огнем площади леса соответственно.

Анализ ежегодных сезонных распределений вероятности пирогенной гибели лесов (рис. 3) показывает, что положения их максимумов (DOYmax) варьируют в диапазоне от 181- до 215-го календарного дня года. При этом максимум среднемноголетнего сезонного распределения вероятности пирогенной гибели лесов России приходится на 203-й календарный день года.

Метод оценки значения кульминационного дня летальности лесных пожаров основан на поиске максимума критерия корреляции между величинами индекса SFLIi и показателя FLi при задании различных значений t*. Рисунок 4 отражает зависимость коэффициента детерминации R2 между величинами SFLIi и FLi, рассчитанными по данным о пожарах в лесах России в период 2006–2019 гг. от выбора значения кульминационного дня t*.

Рис. 4.

Коэффициент детерминации R2 между значениями летальности лесных пожаров, вычисленными на основе выражения (1) и индекса SFLIi (выражение (3)) при выборе различных значений кульминационного дня t*.

При значении кульминационного дня t* = 200 (соответствует календарному дню 19 июля) достигается максимум указанной функции со значением коэффициента детерминации R2 = 0.80, свидетельствующим о достаточно хорошем приближении линейной зависимостью связи между различными показателями летальности лесных пожаров, что наглядно иллюстрируется рис. 5.

Рис. 5.

Аппроксимация линейной зависимостью взаимосвязи значений показателей летальности лесных пожаров SFLIi и FLi.

Быстрый рост значений коэффициента детерминации до достижения им максимума и относительно медленный последующий спад объясняются более весомым вкладом весенних и летних пожаров в ежегодно повреждаемую огнем площадь лесов России, а, следовательно, и их наибольшим влиянием на интегральный уровень летальности пожаров и значения индекса SFLIi. Медленный спад значений коэффициента детерминации после прохождения его функцией максимума отражает существенно меньший вклад в общую пройдённую огнем площадь и гибель лесов осенних пожаров при их большей (по сравнению с весенним пиком горимости) близости по времени к дате кульминации летальности лесных пожаров, что согласуется с приведенными на рис. 3 сезонными распределениями.

Выбор 19 июля в качестве значения t* приводит к следующей линейной зависимости между показателем летальности лесных пожаров и индексом SFLIi:

(4)
$F{{L}_{i}} = 0.99 - 0.0129 \times SFL{{I}_{i}}\left( {{{R}^{2}} = 0.80} \right),$

из которой следует, что теоретически при нулевом значении индекса SFLIi, т.е. при гипотетическом действии всех пожаров в день кульминации, их совокупная летальность составит 99% или, иными словами, с высокой вероятностью приведет к практически полной гибели лесов. При этом по мере роста индекса SFLIi величина показателя летальности лесных пожаров снижается, достигая нуля при значении SFLIi = 77 дней. Таким образом, исходя из этих оценок, можно предположить, что гибель лесов России от пожаров, действующих за пределами временного интервала от 4 мая до 4 октября, является крайне маловероятной. При этом для указанного набора данных среднеквадратическая погрешность определения доли погибших лесов на основе индекса SFLIi составила ±10.5%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ результатов обработки многолетних данных спутниковых наблюдений демонстрирует наличие зависимости вероятности пирогенной гибели лесов от времени возникновения и действия огня в течение сезона, позволяя рассматривать фактор сезонного распределения площади пожаров в числе информативных предикторов их летальности. Предложенный в настоящей статье новый индекс сезонной летальности лесных пожаров позволяет оценивать масштабы пирогенной гибели лесов России на основе информации о сезонном распределении пройденной огнем площади, получаемой по результатам спутникового мониторинга.

Приведенные результаты обработки данных спутникового мониторинга пройденной огнем площади и пирогенной гибели лесов России за период 2006–2019 гг. демонстрируют наличие линейной взаимосвязи значений предложенного индекса с показателем летальности лесных пожаров, достигающей максимума коэффициента детерминации (R2 = 0.80) при значении кульминационного календарного дня летальности 19 июля. Получаемое при этом линейное уравнение регрессионной взаимосвязи между двумя показателями обеспечивает возможность дистанционной оценки летальности лесных пожаров со среднеквадратической погрешностью ±10.5%. Одновременно указанная взаимосвязь наглядно демонстрирует практически полную (99% пройденной огнем площади) гибель лесов от пожаров, возникающих и действующих в установленный нами календарный день кульминации их летальности. Анализ полученных результатов также свидетельствует о близкой к нулю вероятности гибели лесов России от пожаров, возникающих и действующих за пределами временного интервала “май–октябрь”.

Для спутниковой оценки летальности лесных пожаров на основе предложенного метода характерны минимальные требования к входным данным, включающим в себя лишь информацию о распределении пройденной огнем площади лесов в течение пожароопасного сезона, при возможности оперативного его применения в масштабах страны. Полученные результаты могут иметь непосредственное практическое значение для оптимизации режимов охраны лесов России от пожаров с учетом их потенциальной летальности.

Список литературы

  1. Барталев С.А., Стыценко Ф.В., Егоров В.А., Лупян Е.А. Спутниковая оценка гибели лесов России от пожаров // Лесоведение. 2015. № 2. С. 83–94.

  2. Барталев С.А., Стыценко Ф.В., Хвостиков С.А., Лупян Е.А. Методология мониторинга и прогнозирования пирогенной гибели лесов на основе данных спутниковых наблюдений // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2017. Т. 14. № 6. С. 176–193.

  3. Барталев С.А., Егоров В.А., Ефремов В.Ю., Лупян Е.А., Стыценко Ф.В., Флитман Е.В. Оценка площади пожаров на основе комплексирования спутниковых данных различного пространственного разрешения MODI-S и Landsat-TM/ETM+ // Там же. 2012. Т. 9. № 2. С. 9–27.

  4. Лупян Е.А., Барталев С.А., Балашов И.В., Егоров В.А., Ершов Д.В., Кобец Д.А., Сенько К.С., Стыценко Ф.В., Сычугов И.Г. Спутниковый мониторинг лесных пожаров в 21 веке на территории Российской Федерации (цифры и факты по данным детектирования активного горения) // Там же. 2017. Т. 14. № 6. С. 158–175.

  5. Подольская А.С., Ершов Д.В., Шуляк П.П. Применение метода оценки вероятности возникновения лесных пожаров в ИСДМ-Рослесхоз // Там же. 2011. Т. 8. № 1. С. 118–126.

  6. Пономарев Е.И., Харук В.И., Якимов Н.Д. Результаты и перспективы спутникового мониторинга природных пожаров Сибири // Сибирский лесной журн. 2017. № 5. С. 25–36.

  7. Руководство по проектированию, организации и ведению лесопатологического мониторинга. Утверждено приказом Рослесхоза от 29.12.2007№523 // Правовая система Консультант плюс, URL: http://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_129394 (дата обращения: 15.08.2020)

  8. Соловьев В.С., Козлов В.И., Каримов Р.Р., Васильев М.С. Комплексный мониторинг грозовой активности и лесных пожаров по данным наземных и спутниковых наблюдений // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2010. Т. 7. № 4. С. 218–222.

  9. Стыценко Ф.В., Барталев С.А., Егоров В.А., Лупян Е.А. Метод оценки степени повреждения лесов пожарами на основе спутниковых данных MODIS // Там же. 2013. Т. 10. № 1. С. 254–266.

  10. Харук В.И., Пономарев Е.И. Пожары и гари сибирской тайги // Наука из первых рук. 2020. № 2(87). С. 56–71.

  11. Швиденко А.З., Щепащенко Д.Г. Климатические изменения и лесные пожары в России // Лесоведение. 2013. № 5. С. 50–61.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска содержание выпуска

Лесоведение

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал