Оценки характеристик вертикального распределения выбросов от лесных пожаров на основе спутниковой информации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.30, кандидат физико-математических наук Ермакова, Татьяна Сергеевна

• Ермакова, Татьяна Сергеевна
• кандидат физико-математических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Ермакова, Татьяна Сергеевна

Введение

Список обозначений

1 Современные исследования вертикального распределения 12 выбросов в атмосферу от лесных пожаров и подъема дымовой струи

1.1 Мониторинг пожаров из космоса

1.2 Определение высоты выбросов в современных моделях

2 Постановка задачи, декомпозиция

3 Разработка нового полуэмпирического метода оценки подъема 24 дымовой струи от лесных пожаров

3.1 Методология

3.1.1 Комплект глобальных спутниковых наблюдений

3.1.2 Создание комплекта модельных оценок метеорологических 28 характеристик в районе пожара

3.2 Полуэмпирическая формула для расчета высоты подъема 31 дымовой струи

3.2.1 Высота пограничного слоя и радиационная мощность пожара - 31 определяющие характеристики в определении высоты выбросов

3.2.2 Частота Бранта-Вайсала, как характеристика устойчивости 32 атмосферы выше пограничного слоя.

3.3 Общий вид зависимости. Физическое обоснование пределов для 32 определения коэффициентов

3.4 Идентификация параметров для расчета подъема примесей от 36 лесных пожаров

3.4.1 Статистические модели задачи идентификации и оптимальные методы

3.4.2 Оптимальные значения коэффициентов по различным 40 статистическим моделям шума

3.4.3 Качество идентификации параметров

3.4.4 Идентификация параметров для пожарных случаев с высотами 44 выбросов выше пограничного слоя. Качество идентификации.

3.5 Выводы к третьей главе

4 Сравнение новой методики с существующими подходами

4.1 Выбор методик для сравнения

4.1.1 Формулы Бриггс-1969, Бриггс-1984, ОНД

4.1.2 Модель BUOYANT

4.2 Методика сравнительного анализа

4.3 Результаты сравнения

4.4 Выводы к четвертой главе

5 Оценка характерного вертикального распределения выбросов от 68 лесных пожаров в глобальном масштабе

5.1 Постоновка задачи. Методология

5.2 Входные данные

5.3 Оценки характеристик вертикального распределения выбросов 72 от лесных пожаров

5.4 Выводы к пятой главе 76 Заключение 77 Список использованных источников

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оценки характеристик вертикального распределения выбросов от лесных пожаров на основе спутниковой информации»

Актуальность работы

Пожар является одним из самых серьёзных факторов, способных изменить облик ландшафта, а также культурной среды. Эти изменения могут быть очень глубокими, по сути катастрофическими, а могут быть началом или предпосылкой нового цикла развития ландшафта. Выбросы от пожаров также вносят серьезный вклад в глобальный цикл различных газовых примесей и аэрозолей.

Пожары, применяемые для расчистки территории в сельском хозяйстве, а также лесные пожары, вызванные поджогами и молнией, играют важную роль в экосистеме Земли. Лесные пожары являются не только бедствием для населения, но и важным фактором локальной, региональной и даже глобальной экодинамики, что проявляется, например, в обусловленных пожарами выбросах в атмосферу парниковых газов и аэрозоля. Согласно имеющимся оценкам, около 30 % тропосферного озона, окиси углерода и углекислого газа, содержащихся в атмосфере, обусловлено вкладом лесных пожаров. Лесные пожары влияют на цикл углерода и могут быть фактором, ограничивающим ассимиляцию углерода в биосфере. С другой стороны, пожары стимулируют расширение биоразнообразия в экосистемах. В связи с тем, что пожары являются источниками аэрозолей и загрязнителями воздуха, они также влияют на региональное качество воздуха, погоду и климат.

Высота подъема выбросов от пожаров является определяющим фактором продолжительности атмосферного цикла, трансформации и влияния на перемещение загрязняющих воздух веществ. Попадание выбросов от лесных пожаров в стратосферу означает их долгое присутствие в воздухе и как следствие существенное влияние на изменение климата; при попадании в верхние слои тропосферы происходят изменения в химическом составе атмосферы; локально выбросы от пожаров отрицательно влияют на качество воздуха.

Тепловые и дымовые выбросы обширных лесных пожаров меняют динамику атмосферы, процессы циркуляции воздушных масс и, тем самым, погодные условия в отдельных регионах. Интенсивная и длительная задымленность от лесных пожаров создают серьезные угрозы для здоровья населения.

При лесных пожарах наиболее токсичными являются оксид и диоксид углерода, углеводороды, аммиак, частицы дыма. Годовое выделение аммиака при лесных пожарах составляет от 0.5 до 12 млн. т, окиси углерода — 80 млн. т, твердых аэрозолей - от 35 до 60 млн. т [1].

Существующие системы мониторинга пожаров и оперативного прогнозирования часто содержат крайне грубые оценки высоты подъема дымовой струи [2]. Абсолютная ошибка вычисления может составлять несколько километров.

Целью диссертационного исследования является решение проблемы оценки высоты выбросов от лесных пожаров в глобальном масштабе, основанной на интегральных характеристиках основных физических процессов и данных дистанционного зондирования.

Для выполнения поставленной цели в диссертационной работе сформулированы и решены следующие задачи:

• создание комплекта модельных оценок метеорологических характеристик в районе пожара;

• разработка нового полуэмпирического метода оценки высоты подъема дымовой струи от лесных пожаров;

• идентификация параметров нового метода расчета высоты подъема примесей от лесных пожаров;

• оценка эффективности нового метода в сравнении с существующими методологиями оценки высоты подъема дымовой струи от высокотемпературных источников в приложении к лесным пожарам;

• долгопериодное моделирование вертикального распределения выбросов от лесных пожаров в глобальном масштабе.

Методы исследования

Для решения задач исследования' использовались методы статистического анализа спутниковых и модельных данных, идентификации нелинейных математических моделей, математического моделирования подъема перегретой дымовой струи, теория подобия пограничного слоя атмосферы. Создана система автоматизированной обработки данных спутникового мониторинга пожаров в глобальном масштабе. Использовались одномерная модель по подъему перегретой струи дыма от пожара BUOYANT [3], и метеорологический препроцессор модели^ переноса SILAM (System for Integrated modeLling of Atmospheric coMposition) [4].

Проведено математическое моделирование для получения оценки характерного вертикального распределения выбросов от лесных пожаров в глобальном масштабе.

Положения и результаты, выносимые на защиту

• метод расчета высоты подъема дымовой струи от лесного пожара, использующий данные спутникового мониторинга и расчеты численных моделей прогноза погоды;

• результаты анализа качества нового метода расчета высоты подъема выбросов от лесных пожаров и его сравнения с существующими подходами;

• глобальная база данных по характерному распределению выбросов от лесных пожаров, построенная на результатах долгосрочного моделирования подъема дымовой струи.

Научная новизна

В процессе анализа проблемы, разработки нового метода, его сравнения с существующими подходами и применения для создания глобальных оценок вертикального профиля выбросов были получены следующие новые научные результаты:

• Разработан новый метод оценки высоты выброса от лесного пожара, пригодный для оперативного мониторинга и основанный на спутниковых характеристиках пожара и модельных оценках метеорологической ситуации.

• Показана взаимосвязь нового метода с существующими подходами.

• Продемонстрирована более высокая оправдываемость расчетов высоты подъема дымовой струи новым методом в сравнении с другими подходами.

• Продемонстрирована доминирующая роль интегральных параметров атмосферы и пожара, таких как высота пограничного слоя атмосферы, и мощность пожара, в определении высоты подъема дымовой струи.

• Впервые получены оценки характерного профиля распределения выбросов от пожаров в глобальном масштабе.

Обоснованность и достоверность результатов

Сравнение с контрольным комплектом данных, сравнение с другими методами, согласованность с оценками, полученными в независимых исследованиях, подтверждают обоснованность и достоверность результатов работы.

Теоретическая и практическая значимость работы

Теоретическая значимость заключается в том, что впервые продемонстрировано различие вклада наиболее важных физических процессов в подъем выбросов от лесных пожаров по сравнению с подъемом выбросов от индустриальных источников. Отмечена также взаимосвязь механизмов глубокой конвекции и подъема дыма от пожара. Разработана новая методология, ориентированная на расчет подъема струи от лесных пожаров, учитывающая эту специфику.

Научный интерес также представляет обзор существующих моделей, методик и формул, адаптированных и применимых для расчета высоты выбросов от лесных пожаров.

Практическую ценность представляет созданная в процессе работы глобальная база данных по высотам выбросов от лесных пожаров. Также может быть рекомендовано к использованию среднее распределение высот выбросов от лесных пожаров.

Внедрение новой методологии расчета подъема дымовой струи в System for Integrated modeling of Atmospheric coMposition (SILAM) позволит проводить оперативный расчет высот выбросов от лесных пожаров в реальном времени. И как следствие, становится возможным прогнозирование влияния выбросов от лесных пожаров на обще-экологическую обстановку.

Аппробация работы и публикации

Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались:

• на рабочих семинарах в Финском метеорологическом университете (январь,2010; сентябрь, 2010; апрель, 2011).

• Annual symposium EU FP-7 МАСС (Monitoring of atmospheric composition and climate), Utreght (май, 2011)

• Joint-Workshop Global Emission Inventory Activity (GEIA) and EU FP-7 PEGASOS project (июнь, 2011)

По теме диссертации опубликовано 3 работы: одна в отвечествнном и две в зарубежном журнале. Объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти основных глав и заключения. Объем работы 90 страниц, в том числе 10 рисунков и 2 таблицы. Список цитируемой литературы содержит 100 наименований.

Заключение диссертации по теме «Метеорология, климатология, агрометеорология», Ермакова, Татьяна Сергеевна

4.4 Выводы к главе 4

При проведении сравнения результатов расчетов высоты выбросов от лесных пожаров по существующим методиках с разработанной методикой, положительные тенденции говорят в пользу последней. Сравнение было проведено, как по ряду статистических параметров, так и при помощи графиков для большей наглядности. Физические процессы в случае с лесными пожарами и газовыми трубами существенно отличаются, в связи, с чем существующие методики были адаптированы, насколько это возможно к ситуациям с лесными пожарами.

Столь низкие показатели прогнозируемости у существующих методик обоснованы несколькими очевидными факторами. Большинство представленных методик разрабатывалось не для ситуаций с лесными пожарами, а для расчета высоты выбросов из заводских и фабричных труб в атмосферу.

Показатели прогнозируемости выбросов на одномерной модели BUOYANT не столь плохи. Однако необходимость использования ряда метеорологических характеристик и характеристик источника, которые не возможно получить напрямую, дает большой процент случаев, когда определение высоты выбросов невозможно. По этой же причине данную модель невозможно использовать в оперативных целях.

Продемонстирована сезонная изменчивость интенсивности и высоты выбросов. Минимальное количество пожаров в северном полушарии наблюдается зимой, в южном — осенью. Во все времена года во всех полушариях возможны выбросы, достигающие 4 км.

Заключение

Разработан новый метод оценки высоты выброса от лесного пожара, основанный на спутниковых характеристиках пожара и модельных оценках метеорологической ситуации во время горения. Эффективность данного метода позволяет применять его для оперативного мониторинга. К преимуществам разработанного метода можно отнести простоту рассматриваемой физической модели и высокую точность расчетов, а также возможность использования его как блока в системе ассимиляции пожарных данных, с последующим определением характерных вертикальных профилей аэрозоля.

Показана взаимосвязь нового метода с существующими подходами. Наиболее близкой физической моделью является описание GAPE - систем глубокой конвекции. Физические процессы в случае с лесными пожарами и индустриальными источниками существенно отличаются, что- определнным образом ограничивает возможности применения? соответствующих методов к лесным пожарам. Тем не менее; формально эти мотоды могут быть записаны! в переменных описывающих пожары. Это показано в-работе для нескольких наиболее часто используемых методов - Г. Бриггса и ОНД-86.

Продемонстрирована более высокая оправдываемость расчетов высоты подъема дымовой струи новым методом в сравнении с другими подходами. Продемонстрирована доминирующая роль интегральных параметров атмосферы и пожара, таких как высота пограничного слоя атмосферы и мощность пожара, в определении высоты подъема дымовой струи.

Впервые получены оценки характерного профиля распределения выбросов от пожаров в глобальном масштабе. Построены карты распределения максимально возможных высот выбросов по всему земному шару, а также вертикальный профиль респределения массы выбросов для 2001 и 2008 годов. Продемонстирована сезонная изменчивость интенсивности лесных пожаров и высоты выбросов от них.

77

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Ермакова, Татьяна Сергеевна, 2011 год

1. Зайченко О.В. Разработка методов оценки воздействия лесного пожара на воздушную среду населенных территорий Текст.: автореферат дис. канд. техн. наук / О.В: Зайченко.-Владивосток, 2005—19 с.

2. Nikmo J. A hybrid plume model for local-scale atmospheric dispersion Text. / Nikmo, J., J.-P. Tuovinen, J. Kukkonen, and I. Valkama // Atmospheric Environment.-l999:-№ 33.-P.4389 4399.

3. Sofiev M. A dispersion modelling system SILAM and,its evaluation against ETEX data Text. / M. Sofiev, P. Siljamo, I: Valkama, M. Ilvonen, J. Kukkonen, // Atmospheric Environment-2006.-№ 40-P.674 685.

4. Kaiser, J-W. Global Assimilation of Wildfire Emissions for GEMS Text. / J.W. Kaiser, M.G. Schultz, M: Sofiev, J. Flemming, S. Serrar, O. Boucher, A. Hollingsworth // ECMWF—2005.

5. Spichtinger N. Satellite detection of a continental-scale plume of nitrogen oxides from boreal forest-fires Text. / N. Spichtinger, M. Wenig, P. James, T. Wagner, U. Piatt, and A. Stohl // Geophysical Research Letters-2001-№ 28-P. 4579-4582.

6. Stohl A. An intercomparison of results from three trajectory models Text. / A. Stohl, L. Haimberger, M. Scheele and H. Wernli // Journal of Applied Meteorology.-2001.-№ 8.-P. 127-135.

7. Andreae M.O. Emission of trace gases and aerosols from biomass burning Text. / M.O. Andreae and P. Merlet // Global Biogeochemical Cycles-2001.-№ 15.-P. 955-995.

8. Forster P. Phylogenetic star contraction applied to Asian and Papuan mtDNA evolution Text. / P. Forster, A. Torroni, C. Renfrew and A. Röhl // Molecular Biology and Evolution.-2001.-№ 18.-P. 1864-1881.

9. Stock В.J. Biomass consumption and behavior of wildland fires in boreal, temperature, and tropical ecosystems Text. / B.J. Stocks, J.B. Kaufman // Records of Biomass Burning and Global Change. 1998. № 51. P. 169 188

10. Климова Е.Г. Численные эксперименты по оценке эмиссии метана на основе системы усвоения данных о пассивной примеси в атмосфере Северного полушария Текст. / Е.Г. Климова, Н.В. Киланова // Оптика атмосферы и океана. 2006. Т. 11. С. 961 964.

11. Boschetti L. Lessons to be learned from the comparison of three satellite-derived biomass burning products Text. / L. Boschetti, H.D. Eva, P.A. Brivio and J.M. Gregoir // Geophysical Research Letters.-2004.-L21501.

12. Ванкевич P.E. Сравнение результатов вычисления высоты подъема струи дыма от лесных пожаров по полуэмпирическим формулам и одномерной модели BUOYANT Текст. / P.E. Ванкевич, Т.С. Ермакова, М. А. Софиев // Ученые записки. 2011. —№ 19. С. 61 — 70.

13. Qu J. J. Active Fire Monitoring and Fire Danger Potential Detecting from Space: A Review Text. / J. J. Qu, W. Wang, S. Dasgupta, and X. Hao // Frontiers in Earth Sciences-2006.—№ 2.-P. 479 486.

14. Flemming J. Emissions for GEMS (Biomass burning) Text. / J. Flemming // HALO discussion paper—2005.

15. Freitas, S. R. Impact of including the plume rise of vegetation fires in numerical simulations of associated atmospheric pollutants Text. / S.R. Freitas, K.M. Longo and M.O. Andreae // Geophysical Research Letters.-2006.-№ 33-L17808.

16. Liousse C.A global threedimensional model study of carbonaceous aerosols Text. / C. Liousse, J.E. Penner, C. Chuang, J J. Walton, H. Eddleman, and H. Cachier // Journal of Geophysical Research.-1996.-№ 101-P. 1941119432.

17. Lavoue D. Modeling of carbonaceous particles emitted by boreal and temperate wildfires at northern latitudes Text. / D. Lavoue, C. Liousse, H. Cachier, B.J. Stocks and J.G. Goldammer // Journal of Geophysical Research.— 2000.—№ 105.-P. 26871 -26890;

18. Leung F.-Y. T. Impacts of enhanced biomass burning in the boreal forests in 1998 on tropospheric chemistry and the sensitivity of model results to the injection height of emissions Text. / F.-Y. T. Leung, J.A. Logan, R. Park, E. Hyer,

19. Gielow and J. a Carvalho // Atmospheric Chemistry and Prysics.—2007.-№ 7—P. 3385-3398.

20. Gostintsev Y. A. Numerical modelling of convective flows above large; fires at various atmopsheric conditions Text. / Y.A. Gostintsev, N.P. Kopylov, A.M. Ryzhov and I.R. Khazanov // Fizika goreniya i vziyva.-1991.-№ 27.-P. 1017.

21. Clark T.L. A coupled atmosphere-fire model: convective feedback on fire-line dynamics conditions Text.;/T.E. Clark, M.A. Jenkins, J. Coen, D. Packham, // Journal of Applied Meteorology .-1996.-№ 35 .-P. 875- 901.

22. Haines D;A. Three types ofhorizontalvorticesvobserved^inwildland; mass and crown fires Text. / D.A. Clark Haines, M.C. Smith, // Journal of Climate and Applied Meteorology-1987.-№ 26.-P. 1624- 163 7.

23. Haines Donald A. Fire whirlwind formation over flat terrain Text. / Donald A. Haines, Gerald H. Updike// U.S. USDA Forest Service General TechicalReport—2002—№ 5 -P. 12.

24. Fromm M. Transport of forest fire smoke above the tropopause by supercell convection Text. / M. Fromm and R. Servranckx // Geophysical Research Letters.-2003.-№ 30.- 1542.

25. Folkins I. Biomass burning and deep convection in southeastern Asia: Results from ASHOE/MAESA Text. /1. Folkins, D. Baumgardner R. Chatfield,

26. Генихович E.JI. Определение коэффициента турбулентности по данным стандартных метеорологических наблюдений Текст. / E.JI. Генихович, Г.И. Осипова // Тр. ГГО. -1984.-№ 479.-Р. 62-69.

27. Groisman P.Ya. Assessing surface-atmosphere interactions using former Soviet Union standard meteorological network data. Part I: Method. Text. / P.Ya. Groisman and E.L. Genikhovich // Journal of Climate -1997.-№ Ю- P. 21542183.

28. Labonne M. Injection height of biomass burning aerosols as seen from a spaceborne lidar Text. / M. Labonne, F.-Ml Breon, and F. Chevallier // Geophys. Res. Lett. -2007.-№ 34.- GL029311.

29. Kahn R.A. Wildfire Smoke Injection Heights Two Perspectives from Space Text. / R.A. Kahn, Y. Chen, D.L. Nelson, F.-Y. Leung, Q. Li, D. J. Diner, and J.A. Logan // Geophys. Res. Lett. -2008.-№ 35.- GL032165.

30. Stull R.B. An introduction to boundary layer meteorology, Kluwer Academic Publishers Text. / R.B. Stull // Kluwer Academic Publishers —1998.

31. Sofiev M. Evaluation of injection height of smoke from wild-land fires using remote sensing data Text. / M. Sofiev, T. Ermakova, R. Vankevich // Atmospheric Chemistry and Physics -2011.-№ 11 27937-27966.

32. Seinfield J.H. From air pollution to climate change Text. / J. H. Seinfield and S. N. Pandis // Atmospheric Chemistry and Physics —2006 — 2nd ed.

33. Huber P.J. Robust statistics Text. / P J. Huber // New York: John Wiley and Sons.

34. Briggs G.A. Plume Rise Text. / G.A. Briggs // Atomic Energy Commission Critical Review Series -1969.-№ 25075 81.

35. Briggs G.A. Plume rise and buoyancy effects Text. / G.A. Briggs // Atmospheric science and power production -1984.- US Department of Energy — 855.

36. Методика расчета концентраций в. атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. ОНД-86

37. Martin D. Near- and intermediate-field dispersion from strongly buoyant sources Text. / D. Martin, D.M. Webber, S.J. Jones, B.Y. Underwood, G.A. Tickle, and S.A. Ramsdale // Final Report -1997.- AEAT/1388;

38. Agnes Lim Computation of atmospheric water vapour map from MODIS data,for cloud-free pixels ? Text. / Agnes Lim, Chew Wai Chang, Soo Chin Liew, and Leong Keong Kwoh // Proceedings of the 23rd Asian Conference on Remote Sensing —2002.-№ 210.

39. Lim, A. Computation of subpixel fire temperature with MODIS data Text. / A. Lim, S. C. Liew, К. H. Lim, and L. K. Kwoh // 22nd Asian Conference on Remote Sensing, Asian Association of Remote Sensing —2001.

40. Число грозовых разрядов на землю (на 1 км в год): Карта //Справочник по опасным природным явлениям в республиках, краях и областях Российской Федерации. СПб., 1997. 566 с.

41. Андреев Ю.А. Социально-психологические аспекты рекреационных посещений леса и возникновение пожаров. /Ю.А. Андреев, Г.Ф. Ларченко. //Лесные пожары и борьба с ними М.: ВНИИ ПО, 1987. С. 251-263:

42. Lobert J. M. Emissions from the combustion process in vegetation, in: Fire in the environment: The ecological, atmospheric and climatic importance of vegetation;fires pextjf/ JlMl Eobert andlJi Warnatz // John Wiley and Sons Ltd. -1993.-20536.

43. Ichoku C. Global characterization of biomass-buming patterns using satellite measurements of fire radiative energy Text. / C. Ichoku, L. Giglio, M. J. Wooster, and L. Remner // Remote Sens. Environ. -2008.-№ 112. 267-324.

44. Zhang X. Temporal and spatial variability in biomass burned areas across the USA derived from the GOES fire product Text. / X. Zhang and S. Kondragunta II Remote Sens. Environ. -2008.-№ 112.- 2886-2897.

45. Pu R. Development and analysis of a 12-year daily 1-km forest fire dataset across North America from NOAA/AVHRR Text. / R; Pu, Z. Li, P. Gong, I. Csiszar, R. Fraser, W.-M. Hao, S. Kondragunt, and F. Weng //Remote Sens. Environ. -2007.-№ 108.- 198-208.

46. Stocks B.J. Large forest fires in Canada, 1959-1997 Text. / B.J. Stocks, J.A. Mason, J.B. Todd, E.M. Bosch, B.M. Wotton, B.D. Amiro, M.D. Flannigan, K.G. Hirsch, K.A. Logan, D.L. Martell, and W.R. Skinner // J. Geophys. Res. -2003 .-№ 108.-8149.

47. Flannigan M. Climate change and forest fires Text. / M. Flannigan, B. Stocks, and B.Wotton // Sci. Tot. Env. -2000.-№ 262 221-229.