Исследование путей переноса дымового аэрозоля от лесных пожаров на основе спутниковой информации и моделирования

Возникающие лесные пожары в различных местах земного шара в настоящее время привлекают к себе особое внимание не только как природные бедствия, приносящие огромный экономический ущерб, но и как фактор динамики экосистем.

Лесные пожары являются мощным генератором большого количества аэрозольных частиц, которые, поступая в атмосферу, значительно меняют ее оптические (видимость, светорассеяние), радиационные (температурные эффекты), термодинамические (ядра конденсации в процессах облако- и осадкообразования) и экологические (загрязнение воздуха) характеристики. Прямое воздействие дымового аэрозоля заключается в понижении прозрачности атмосферы, что приводит к изменению температуры подстилающей поверхности и большому количеству вторичных эффектов, таких как изменение характера воздушных циркуляций [1, 2].

На продолжительность атмосферного цикла, трансформацию и перенос продуктов горения влияет высота подъема дымовой струи от пожаров, так как при горении биомассы выде- ляется большое количество тепла, которое создает сильные вертикальные потоки [2]. Эти вертикальные потоки значительно влияют на распределение малых газовых и аэрозольных примесей через их прямой и быстрый перенос в свободную тропосферу, а иногда и в стратосферу. Территория, покрываемая дымовыми шлейфами от лесных пожаров, больше в десятки и сотни раз, чем площадь горения. В частности, вынос аэрозоля и газов в тропосферу означает их долгое присутствие в атмосфере Земли. Наличие продуктов горения в верхних слоях тропосферы приводит к изменениям химического состава атмосферы. Таким образом, выбросы от пожаров отрицательно влияют на качество приземного воздуха и, как следствие, на здоровье населения.

Для исследования влияния лесных пожаров на локальную и региональную экодинамику необходимо развитие систем наблюдений (при особом внимании к метеорологическому, ли-дарному и спутниковому дистанционному зондированию) и численного моделирования переноса атмосферного аэрозоля.

В данной статье представлены результаты исследований переноса воздушных масс с использованием моделей HYSPLIT, NAAPS и данных космического зондирования CALIPSO в период лесных пожаров (июнь-июль 2016 г.) в Байкальском регионе и г. Улан-Удэ.

Методы и результаты исследования

В настоящее время современные методы дистанционного зондирования и космического мониторинга позволяют более полно исследовать распространение, структуру и динамику дымовых загрязнителей, а также осаждение на подстилающую поверхность [1].

В июле 2016 г. наблюдалась сильная дымовая завеса в приземном слое атмосферы в Байкальском регионе, хотя количество очагов пожаров зафиксировано значительно меньше по сравнению с предыдущим 2015 г., когда была охвачена лесными и торфяными пожарами почти вся территория Республики Бурятия.

Для выявления причин дымового задымления приземного слоя атмосферы в регионе оз. Байкал проведен анализ источников выбросов аэрозоля по картам распределения пожаров на основе спутниковых наблюдений MODIS (FIRMS) и . Выявлено, что большинство очагов возгорания лесных пожаров в 2016 г. наблюдалось в Иркутской области, Красноярском крае и Ямало-Ненецком округе (рис. 1).

Более детальную картину типа аэрозолей и его пространственного распределения дают результаты измерений вертикальных профилей параметров взвешенных частиц лидаром «CALIOP» космического базирования на спутнике «CALIPSO». Алгоритмы обработки данных зондирования космическим лидаром в комплексе с фото- и радиометрическими измерениями с борта спутника «CALIPSO» позволяют проводить условную классификацию по качественному типу аэрозоля. Пространственный разрез вертикальной толщи атмосферы в единицах ослабленного обратного рассеяния аэрозолем показал, что в этот период над Байкальским регионом наблюдалось однородное заполнение дымовым аэрозолем толщи атмосферы до высоты 2 км.

Рисунок 1 – Карта распределения лесных пожаров (10-20 июля 2016 г.)

С использованием траекторной модели реанализа NCEP/NCAR HYSPLIT и архивных метеорологических данных (архив GDAS) [3] проведены исследования характера движения воздушных масс и основных направлений переноса дымового аэрозоля в Байкальском регионе. Рассчитаны прямые и обратные траектории движения воздушных масс в пограничном слое атмосферы за июнь-июль 2016 г. с учетом их вертикальных перемещений. Для построения траекторий заданы географические координаты ст. Боярский (юго-восточное побережье оз. Байкал) и г. Улан-Удэ, а также координаты основных очагов возгорания. Траектории движения воздушных масс рассчитывались с продолжительностью 5 сут (120 ч) и шагом 6 ч на высотах 30, 100, 500 и 1000 м, отражающих в наибольшей степени перенос примесей регионального и межрегионального масштаба. В результате расчета обратных траекторий движения воздушных масс установлено, что занос воздушных масс в Байкальский регион в июле 2016 г. осуществлялся в основном из Красноярского края и Ямало-Ненецкого округа, где наблюдались сильные пожары (рис. 2). Выявлено преобладание северо-западного и северного заноса воздушных масс в исследуемый регион.

Для исследования распределения доминирующих компонентов аэрозоля (сульфатный аэрозоль, пыль, дымы) над Байкальским регионом использована глобальная аэрозольная модель NAAPS (Navy Aerosol Analysis and Prediction System). Анализ карт распределения аэрозоля NAAPS подтверждает, что основной вклад в оптическую толщу атмосферы над Байкалом и г. Улан-Удэ в июне-июле 2016 г. вносил дымовой аэрозоль. Кроме того, по данным лидара CALIOP, в июне перенос дымового аэрозоля в регионе осуществлялся выше приземного слоя, на высотах от 2 до 5 км над уровнем моря.

Следует отметить, что в начале июня при общем северо-западном заносе дымового аэрозоля наблюдалось влияние местных локальных очагов пожаров на качество атмосферы в г. Улан-Удэ. Так, например, при крупном пожаре 4 июня 2016 г. в пос. Северомуйск, расположенном на севере Республики Бурятия, по результатам экспериментальных расчетов прямых траекторий выноса воздушных масс с очага пожара установлено, что вынос дымового аэрозоля осуществлялся в юго-западном направлении в сторону г. Улан-Удэ на высотах 100 и 500 м и в юго-восточном направлении на высотах 1000 и 1500 м (рис. 3). Данный факт также подтверждается данными глобальной аэрозольной модели NAAPS.

Рисунок 2 – Обратные траектории движения воздушных масс на высотах 100, 1000 и 1500 м

Рисунок 3 – Траектории выноса воздушных масс на высотах 100 и 500 м (Северомуйск, 06-11.07.2016)

Заключение

• 1.    По экспериментальным расчетам траекторной модели реанализа NCEP/NCAR HYSPLIT выявлено, что в начале июня 2016 г. при общем северо-западном заносе дымового аэрозоля наблюдалось влияние местных локальных очагов пожаров на качество атмосферы в г. Улан-Удэ. Установлено, что в июне перенос дымового аэрозоля в регионе осуществлялся выше приземного слоя, на высотах от 2 до 5 км над уровнем моря, по данным лидара «CALIOP» и глобальной аэрозольной модели NAAPS.

• 2.    В результате расчета обратных траекторий движения воздушных масс установлено, что занос воздушных масс в Байкальский регион в июле 2016 г. осуществлялся в основном из Красноярского края и Ямало-Ненецкого округа, где наблюдались сильные пожары. Пространственный разрез вертикальной толщи атмосферы в единицах ослабленного обратного рассеяния аэрозолем показал, что в этот период над Байкальским регионом наблюдалось однородное заполнение дымовым аэрозолем толщи атмосферы до высоты 2 км.

Работа выполнена при финансовой поддержке проекта № 10.3.5 и проекта РФФИ № 15-4504027 р_сибирь_а.