Использование спутниковой съемки и метеорологической информации в моделировании распространения газовых эмиссий от лесных пожаров

Работа посвящена численному моделированию переноса и трансформации дымовых аэрозолей, выделяемых при массовых лесных пожарах и создающих обстановку чрезвычайного задымления местности. Эта работа актуальна и несет практическую значимость. Результаты могут быть использованы при расчетах полетов спасательной авиации и принятии решений в условиях кризисных ситуаций.
Представлена методика восстановления значений концентрации газовых составляющих на примере СО2 в узлах сетки заданного региона по данным о лесных пожарах и метеорологической информации. Двуокись углерода имеет самый большой относительный вклад в антропогенный парниковый эффект (60%). Поступление этой примеси в атмосферу происходит в результате пиролиза древесины и подстилающей поверхности при горении бореальных лесов, большая часть которых сосредоточена в азиатской части России.
Для восстановления концентрации СО2 в заданном регионе была использована модель оценки эмиссий газовых примесей по данным о сгоревшей биомассе. Модели расхода горючих материалов в общем случае включают эмпирические коэффициенты для прогнозирования относительных объемов тления и горения для различных условий горения. Использование спутниковых данных о выгоревшей территории позволяет сделать более точные оценки эмиссий углерода от лесных пожаров. При расчете по модели необходима информация по расходу горючего материала, которая зависит от выгоревшей территории, количества горючих материалов на единицу площади, а также характеристик и состояния горючих материалов. Количество горючего материала, в действительности сгоревшего при пожаре, зависит от запаса и состояния топлива, его типа, климатических и метеорологических факторов, а также интенсивности пожара.
Распространение аэрозоля, вызванного массовыми лесными пожарами, рассчитывается с помощью крупномасштабной модели переноса трассера с использованием обратных траекторий.
Для восстановления значений концентрации вдоль траекторий используется процедура усвоения данных. Алгоритм восстановления значений концентрации основан на совместном учете математической модели и данных наблюдений для описания пространственно - временной картины распределения исследуемых полей. В качестве данных наблюдений берутся значения эмиссии СО2 в зонах пожара, вычисленные с помощью модели оценки эмиссий газовых примесей по данным о сгоревшей биомассе.
Усвоение данных проводится на основе цикла «прогноз-анализ», при этом под анализом данных понимается интерполяция наблюдений в заданную точку. Шаг «анализа» производится в момент времени, в котором есть данные о пожарах, таким образом, что вклады эмиссии от отдельных близлежащих пожаров суммируются для оценки концентрации вдоль траектории частицы. Полученное значение является начальным для вычисления следующего шага «прогноза».
Численные эксперименты проводилась на примере пожаров 2002 г. на территории Республики Саха (Якутия) и 2006 г., имевших место на территориях Красноярского края и Иркутской области.
В качестве источника данных дистанционного зондирования были использованы материалы спутниковых съемок низкого и среднего пространственного разрешения NOAA/AVRR/TOVS и Terra/MODIS на территории Восточной Сибири, республик Саха (Якутия) и Тыва.
Результаты расчетов сравнивались с данными спутникового зондирования зон массовых лесных пожаров, на которых можно проследить динамику дымовых шлейфов. Была использована программа приема изображений облачности с космических аппаратов NOAA в формате Analog Picture Transmission (APT) с последующей тематической обработкой.
Комплексный анализ спутниковых снимков, метеорологических данных и результатов численного моделирования переноса примеси показал, что предложенная методика позволяет получать качественную картину распространения СО2 в заданном регионе.
Для восстановления более мелкомасштабной структуры концентрации и учета динамики мезомасштабных процессов, протекающих в атмосфере заданного региона, начата работа по использованию данной методике прогнозов полей ветра по модели WRF.
По модели WRF были получены поля ветра и температуры в заданном регионе с разрешением 18 км.
Таким образом, применен ансамблевый подход для расчета распространения газовых примесей от массовых лесных пожаров для заданного региона с применением метеорологических данных и спутниковой информации о пожарах.
Предложенные модели могут быть использованы также при изучении влияния аэрозолей на окружающую среду районов, расположенных вблизи источников вредных выбросов, таких как лесные пожары, промышленные выбросы, а также на загрязнение экологически уязвимых зон Арктики.