Здравствуйте, уважаемые читатели!
С Вами Николай Барановский.
Этот выпуск создан при поддержке научного проекта Российского фонда фундаментальных исследований номер 17-29-05093.
Сегодня я бы хотел продолжить нашу тему лесных пожаров. Этот выпуск посвящен системам прогнозирования лесной пожарной опасности.
Сначала рассмотрим Канадскую и американскую методики прогноза лесной пожарной опасности.
Канадская лесная служба (Canadian forest service) имеет более чем 75-летнюю историю научных исследований. Лесные пожары являются значительным фактором формирования лесных экосистем Канады. Каждый год в этой стране происходит около 10000 пожаров. Выгорают лесные территории на площади 2.5 млн га. Число пожаров и выгоревшая площадь варьируется от года к году.
Канадская система Canadian Forest Fire Danger Rating System (CFFDRS) состоит из двух основных подсистем (модулей) – Canadian Forest Fire Weather Index (FWI) System и Canadian Forest Fire Behavior Prediction (FBP) System. Два других элемента (fuel muisture systemи Canadian Forest Fire Occurrence Prediction(FOP) System) не разработаны для всей территории страны, но существуют региональные версии данных систем.
Канадская методика прогнозирования лесной пожарной опасности построена на основе анализа большого количества статистических данных, по которым составлены таблицы зависимости пожарной опасности от различных факторов. В рамках первой подсистемы FWIпрогнозируется влагосодержание ЛГМ в зависимости от погодных условий, а в рамках FBP– поведение очага пожара для различных лесных фитоценозов.
FFMC - численное значение, характеризующее соответствующую влажность подстилки и запаса ЛГМ.
DMC - численное значение, характеризующее среднюю убыль влажности органического слоя на средней глубине. Этот показатель является индикатором расхода влаги в среднем слое ЛГМ и древесных материалах среднего размера.
DC - численное значение, характеризующее соответствующую среднюю влажность глубоко и плотно уложенного органического слоя. Этот показатель является важной характеристикой эффектов сезонного высушивания ЛГМ и тления в глубине слоя ЛГМ и больших бревен.
ISI - численное значение, характеризующее ожидаемую скорость распространения пожара. Он объединяет действие ветра и параметра FFMC на скорость распространения пожара без учета влияния количества ЛГМ.
BUI - численное значение общего количества ЛГМ, пригодных для горения, которое объединяет DMC и DC.
FWI - численное значение интенсивности пожара, которое является совокупностью ISI и BUI. Этот показатель используется как общий индекс пожарной опасности в лесах Канады.
Значение FWI вычисляется через FFMC, DMC, DC по формулам представленным в руководстве пользователя.
Система характеризует пожарную опасность в целом на расчетной площади, то есть на десятках и сотнях тысяч гектаров. Эта методика достаточно точно предсказывает пожарную опасность, так как построена на основе статистических данных о лесных пожарах за период более 20 лет.
В последнее время для описания суточного изменения индекса пожарной опасности используется аппарат цепей Маркова. Цепь Маркова первого порядка с mсостояниями может быть охарактеризована матрицей вероятностей перехода состояний P. Pijесть вероятность того, что система будет завтра в состоянии j, если сегодня это есть состояние i. Цепь Маркова порядка rесть цепь, для которой условное вероятностное распределение состояний системы завтра зависит от состояний системы в течении rпредшествующих дней.
Известны результаты всестороннего статистического анализа достоверности использования моделей Маркова для системы оценки пожарной опасности, основанного на 26 летней последовательности хронологических погодных данных, наблюдавшихся на 15 метеостанциях Онтарио. Было показано, что можно моделировать подневные изменения в значениях FWI в пределах каждого подсезона как цепь Маркова порядка 1.
В США в 1972 г. была разработана методика определения пожарной опасности на разных лесных территориях. Эта система успешно прошла испытания от Флориды до Аляски и от штата Мэн до Калифорнии.
Логическая структура системы представляет собой абстрактную модель влияния различных факторов и условий на процесс возникновения и распространения пожаров.
Все ЛГМ разделены на 9 типичных моделей. В системе предполагается отдельно охраняемую территорию делить на однородные в физико-географическом отношении части, каждая из которых должна быть приравняна к одной из 9 моделей. Для каждой отдельно взятой площади строится оценка пожарной опасности. Итоговая оценка пожарной опасности использует большое количество таблиц и поправок, полученных на основе эмпирических данных.
Известно, что текущее влагосодержание ЛГМ всех классов тесно связано с влагосодержанием ЛГМ 2-го класса. Его определяют или по специальным стандартным брускам из древесины или с помощью таблиц по метеорологическим наблюдениям. Например, предварительно оценивают состояние погоды, температуру и относительную влажность воздуха на 13 часов (расчетный момент времени). Затем по специальной таблице определяют влагосодержание ЛГМ 2-го класса. Следующим этапом является определение влагосодержания ЛГМ первого и третьего классов. Это также выполняется по таблицам, дифференцированным применительно к моделям ЛГМ. В качестве входных параметров необходимо иметь кодированную оценку состояния погоды, температуру и относительную влажность воздуха. Следует отметить, что система поправок позволяет учесть не только высыхание, но и увлажнение ЛГМ.
Второй этап – учет режима погоды, тесно связан с первым. Третьим этапом расчета пожарной опасности является экспертная оценка вероятности возникновения пожаров и ряда других характеристик пожарной опасности. Существует таблица, в которой объединены фактический уровень активности молний предшествующего дня и экспертно прогнозируемый уровень на начавшийся день, используется для оценки возникновения пожаров от молний.
Опасность возникновения пожаров по вине людей прогнозируется на основе трех показателей: класс сезонной опасности, особый показатель источников опасности, уровень дневной активности источников опасности.
Класс сезонной опасности – это сравнительная оценка пожарной опасности на расчетной территории по сравнению с опасностью на соседних площадях. Он определяется по данным о пожарах за последние 5 – 10 лет, с учетом их максимального числа в отдельные месяцы. Количественно выражается в безразмерных единицах от 0 до 10.
Особый показатель источника опасности – оценка значения источника в общей совокупности источников опасности по вине людей. Он вычисляется как доля от общего числа лесных пожаров в данном месяце, приходящаяся на рассматриваемый источник опасности.
Уровень дневной активности источника устанавливается ежедневно как экспертная оценка по пятибальной шкале. Возможен учет восприимчивости ЛГМ к данному источнику в текущий момент. Показатель активности отражает недельную, месячную и сезонную неравномерность появления отдельных источников опасности на расчетной площади (дни отдыха, период отпусков, сезон сжигания порубочных остатков и т.д.).
Общая опасность определяется как сумма показателей опасности от молний и по вине людей. В системе принято, что во всех случаях, когда сумма показателей превышает 100 баллов, принимать число 100. Решен вопрос относительно неравномерности появления источников опасности во времени. Для детальной оценки пожарной опасности важно знать также ежедневное наиболее вероятное распределение источников опасности по территории.
На четвертом этапе в системе оцениваются показатели воспламенения, скорости распространения кромки пожара, высвобождения энергии. На пятом этапе оценивается показатель частоты возникновения пожаров (выражается по стобальной шкале) через общую опасность и показатель воспламенения.
Показатель частоты возникновения пожаров позволяет оценить уровень опасности возникновения пожаров не конкретизируя их число. Индекс пожарной опасности объединяет показатель скорости распространения пожаров и показатель высвобождения энергии (определяется по таблице, характеризует объем усилий, необходимых для сдерживания пожара в условиях данной конкретной модели ЛГМ, измеряется от 0 до 12 единиц).
Показатель пожарной нагрузки характеризует общие усилия, необходимые для сдерживания всех пожаров, возникающих на расчетной площади за расчетное время.
Применение системы возможно и за пределами США в сходных по климату и растительности условиях. Выражение показателей пожарной опасности выполнено в безразмерных величинах. Безразмерные показатели построены на шкалах различной дробности (стобальные, двенадцатибальные, пятибальные).
Рассмотрим критерий Нестерова. В лесной пирологии используется термин “лесопожарная зрелость”, под которым понимается такое состояние, при котором процесс горения может распространяться по всему участку леса. Это состояние определяется эмпирическим путем разведения костра из 1 кг относительно сухих ЛГМ и результатами последующего наблюдения за возникшим от очага загорания низовым лесным пожаром. Очевидно, что лесопожарная зрелость участка определяется не только влагосодержанием ЛГМ, но и параметрами состояния среды (температурой и влажностью воздуха), а также скоростью ветра. Степень пожарной опасности, обусловленная пожарной зрелостью лесного участка, в лесной пирологии определяется с помощью индекса горимости Нестерова, размерность которого К2. Он связывает температуры воздуха и точки росы в 13‑15 ч местного времени для текущего дня в К, а также коэффициент учета осадков. Как показали исследования, вероятность возникновения лесного пожара и его интенсивность возрастают с увеличением комплексного показателя.
Данная методика в настоящее время используется на всей территории России в качестве официально принятого нормативного документа. В 1999 году принят ГОСТ Р 22.1.09-99 “Мониторинг и прогнозирование лесных пожаров. Общие требования”, который используется по настоящее время. Данный стандарт основан на комплексном метеорологическом показателе, который был разработан еще в первой половине ХХ столетия Нестеровым.
Рассмотрим Европейскую систему прогноза лесной пожарной опасности. На территории ряда государств Южной Европы применялись различные методы прогноза лесной пожарной опасности, а именно: Французский метод. Для расчета требуются ежедневные показатели температуры воздуха, относительной влажности, облачности, скорости ветра и начальное значение содержания влаги в почве. Итальянский метод. Требуются ежедневные средние величины температуры воздуха, относительной влажности, скорости ветра, количества осадков и освещенности солнцем. Португальский метод является модифицированной версией критерия Нестерова. Этот индекс образуется из ежедневного и совокупного индекса, который является взвешенной суммой ежедневных индексов предшествующих дней. Вес зависит от количества осадков. Для оценки требуются температура воздуха и относительная влажность в 12:00. Скорость ветра и направление принимаются во внимание на заключительной стадии классификации, в соответствие с местными условиями. Испанский метод оценивает вероятность возникновения пожара по температуре воздуха и относительной влажности в 12:00. Это единственный метод, который не использует совокупные величины за предшествующие дни.
Все методы представляют численный индекс, который растет с увеличением опасных условий. В большинстве случаев это число переводится в шкалу пожарной опасности с 3-5 уровнями для практических целей. Указанные выше методы оценки пожарной опасности, в основе которых лежат метеорологические факторы, были протестированы, используя статистические данные за период 3-9 лет для ежедневного числа пожаров и выгоревшей площади. Кроме методов, принятых во Франции, Италии, Португалии и Испании, в сравнительный анализ был включен и Канадский метод.
Каждая научно-исследовательская группа работала со статистическими и метеорологическими данными из своей страны. Для каждой области имелись ежедневные значения числа пожаров и выгоревшей площади. Однако эти показатели зависят не только от метеорологических, но и от других факторов, особенно антропогенной нагрузки, поэтому считалось, что эти дополнительные факторы не оказывают взаимного влияния.
Чтобы результаты, полученные различными методами, были сравнимы, использована общая шкала для индексов опасности. Эта шкала в диапазоне от 0 до 100 принималась во всех методах, используя уравнение для нормализации каждого индекса.
Используя это уравнение величины модифицированного и стандартного индексов опасности группировались в 10 классов, ограниченных соответственно 0-10, 10-20 … 90-100, как и все другие связанные параметры.
Анализ результатов показал, что Канадский метод имеет самые лучшие эксплуатационные качества в летних условиях, за исключением области Savona. Хотя испанский метод имеет большой эффект в определении как количества пожаров, так и выгоревшей площади, но он на втором месте по разделению дней с пожарами и без пожаров. Португальский метод работает хорошо зимой и довольно хорошо летом во всем наборе областей. Французский и итальянский методы дают хорошие результаты, но оба эти метода выдают завышенное число дней с очень высокими величинами пожарной опасности. Интересно то, что испанский метод дал сравнительно хорошие результаты в зимних условиях, но очень слабо работает в летних условиях. Итальянский метод, хотя и был разработан для зимних условий, показал лучшие результаты в Savona и весьма скромные в других случаях. Французский метод дал наихудшие результаты в зимних условиях и имел довольно умеренное выполнение в летних условиях. Таким образом, Канадский метод и модифицированный метод Нестерова показали наилучшие общие эксплуатационные качества.
Далее была разработана так называемая Европейская система – European Forest Fire Risk Forecasting System (EFFRFS), которая применялась на территории Южной Европы. Основу системы составили методы, разработанные в Италии, Франции, Испании, Португалии и канадский метод. Известные ранее методы применялись в совокупности. По каждому индексу приводились карты для всей Южной Европы. В настоящее время применяется модификация Европейской системы, которая дополнительно учитывает данные со спутников и называется European Forest Fire Information System (EFFIS), ядро которой составляет канадский индекс.
Это основные широко используемые системы прогноза лесной пожарной опасности.
Следите за новыми выпусками и Вы узнаете больше об исследованиях по прогнозированию лесных пожаров и их экологических последствий.
Следует отметить, что при подготовке этого выпуска были использованы следующие литературные источники:
ГОСТ Р 22.1.09-99 “Мониторинг и прогнозирование лесных пожаров. Общие требования”
Коровин Г.Н., Покрывайло В.Д., Гришман З.М. и др. Основные направления развития и совершенствования системы оценки и прогноза пожарной опасности // Лесные пожары и борьба с ними. Л.: ЛенНИИЛХ, 1986. С. 18 – 31.
Курбатский Н.П., Костырина Т.В. Национальная система расчета пожарной опасности США // Сб. «Обнаружение и анализ лесных пожаров». Красноярск: ИлиД СО АН СССР, 1977. С. 38 – 90.
Назаров А.А., Терпугов А.Ф. Теория вероятностей и случайных процессов: Учебное пособие. – Томск: Изд-во НТЛ. 2006. 204 С.
Нестеров В.Г. Горимость леса и методы ее определения. М.; Л.: Гослесбумиздат, 1949. 76 С.
Нестеров В.Г., Гриценко М.В., Шатулина Т.А. Использование температуры точки росы при расчете показателя горимости леса // Метеорология и гидрология, 1968.
Camia A., Barbosa P., Amatulli G., San-Miguel-Ayanz J. Fire Danger Rating in the European Forest Fire Information System (EFFIS): Current developments // Forest Ecology and Management. 2006. Vol. 234. Supplement 1. P. S20.
Canadian Forest Fire Danger Rating System / B.J. Stocks, M.E. Alexander, R.S. McAlpine at all. – Canadian Forestry service, 1987. – 500 P.
Deeming J.E., Burgan K.E., Cohen J.D. The national fire-danger rating system. Ogden, Utah: USDA Forest Service, General Technical report. INT-39. 1978. 66 P.
Lee B.S., Alexander M.E., Hawkes B.C., Lynham T.J., Stocks B.J., Englefield P. Information systems in support of wildland fire management decidion making in Canada // Computers and Electronics in Agriculture. 2002. Vol. 37. N 1-2. P. 185 – 198.
Martell D.L. A Markov Chain Model of Day to Day Changes in the Canadian Forest Fire Weather Index // International Journal of Wildland Fire. 1999. Vol. 9. N 4. P. 265 – 273.
Viegas D. X., Bovio G., Ferreira A., Nosenzo A., Sol B. Comparative Study of Various Methods of Fire Danger Evaluation in Southern Europe // International Journal of Wildland Fire. 2000. Vol. 9. N 4. P. 235 – 246
