CC BY
47
□ □
УДК 551.5 (571.56)
М.С. Васильев, С.А. Васильева, B.C. Соловьев, В.И. Козлов
ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПИРОГЕННЫХ СОБЫТИЙ И ОБЛАЧНОГО ПОКРОВА В ЯКУТИИ (1997-2005 гг.) ПО ДАННЫМ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
Картина пространственно-временной динамики лесных пожаров и облачного покрова в Северо-Азиатском регионе, помимо локальных факторов, в определенной степени обусловлена солнечно-земными связями. По данным радиометра AVHRR/NOAA, проанализирована пространственно-временная динамика лесных пожаров и облачного покрова за последние 8 лет в широтном диапазоне 40-74° с. ш. Показано, что на фазе максимума 23-го цикла солнечной активности наблюдается тенденция смещения лесных пожаров к северу и степени плотности облачного покрова с севера и юга к зоне 56-66° с. ш., что может быть объяснено широтным смещением траекторий атлантических циклонов, определяющих погоду от Европы до 140-го меридиана в Северной Азии.
Введение
На территории России ежегодно лесными пожарами уничтожаются огромные площади лесных массивов. При этом наносится урон экономике, уничтожается деловая древесина, происходит нарушение лесных экосистем. В результате лесных пожаров в атмосферу выбрасывается огромное количество продуктов горения - аэрозольных частиц и «парниковых» газов. В основном, степень пожароопасности лесов зависит от количества атмосферных осадков (влажности), температуры и грозовой активности, косвенным показателем осадков и грозовой активности может служить облачность. Благодаря спутниковым системам наблюдения появилась возможность вести мониторинг облачного покрова и лесных пожаров на всей территории наблюдения, а не только в отдельных пунктах.
Атмосферные осадки на севере Азиатского континента, в целом, определяются переносом влаги циклонами с Северной Атлантики и морей Северного Ледовитого океана. Влагосодержание проникающих в бассейн р. Лены циклонов значительно понижается при прохождении Средне-Сибирского плато, определяющего орографию междуречья Енисея и Лены. Общий тренд в многолетнем ходе годовых сумм осадков за последние 50 лет, как показывают данные, любезно предоставленные Якутской базой авиационной охраны лесов, имеет отрицательный характер [1].
Известно, что изменения циркуляции атмосферы, исследованные на протяжении нескольких веков, связаны с уровнем солнечной активности [2]. Вариации циркуляции наблюдаются как в ходе 11-летнего цикла солнечной активности, так и в более короткие временные периоды. Многие авторы отмечают изменение приземного атмосферного давления и высоты геопотенциальных поверхностей после геомагнитных возмущений или солнечных вспышек, сопровождающихся всплесками солнечных космических лучей (СКЛ) [2]. Это показывают и
наблюдения за изменением облачного покрова и числа грозовых разрядов в период Форбуш-понижений интенсивности галактических космических лучей и всплесков СКЛ [3].
Исторические данные [4] свидетельствуют о том, что в эпохи повышенной солнечной активности давление в области затропического максимума повышается, а в высоких широтах - падает, что приводит к смещению траекторий циклонов к полюсу. В работе [5] приведены результаты, подтверждающие зависимость путей циклонов в северо-восточной Атлантике и Европе от фазы солнечного цикла. В эпоху солнечного максимума «северный» путь атлантических циклонов сдвигается к югу, в то время как «южный» путь сдвигается к северу, причем амплитуда вариаций составляет примерно 10° широты.
Автор работы [4] приводит доказательства того, что основные особенности структуры атмосферной циркуляции в Северной Азии до 140° в.д. (устойчивые области пониженного давления и антициклоны) также смещаются к северу в период повышенной солнечной активности, а в эпоху слабой активности Солнца имеют более южное расположение. Широтная зависимость вариаций суммарной радиации, то есть облачности, в 11-летнем цикле солнечной активности в работе [6] объясняется широтным смещением траекторий атмосферных циклонов.
Методика
С 1995 г. в ИКФИА СО РАН на базе отечественной приемной станции СКАНОР ведутся работы по тематике ДЗЗ. По данным сканирующего радиометра AVHRR/ NOAA [7], организована система оперативного мониторинга паводковой и лесопожарной обстановки, облачности, зон техногенного загрязнения и т.д. [8-10].
На спутнике установлен пятиканальный радиометр AVHRR. Ширина полосы обзора составляет 2800 км, разрешение на местности 1 км.
Канал 1 AVHRR измеряет отраженное солнечное из-
лучение в спектральном диапазоне максимального потока солнечной энергии.
Канал 2 измеряет излучение в ближнем инфракрасном диапазоне.
Каналы 3 и дополнительный 3 а измеряют как собственное, так и отраженное солнечное излучение.
Каналы 4 и 5 измеряют излучение вблизи максимума потока энергии от поверхности различных объектов на Земле.
Облачность, снежный покров и водная поверхность имеют большую отражающую способность в видимом диапазоне, чем в ближнем ИК. Обнаженная почва без растительности и различные породы примерно одинаково отражаются в 1-ми 2-м каналах. Растительность хорошо поглощает излучение в видимом диапазоне и хуже в ближнем инфракрасном. Поэтому альбедо в первом канале у растительности меньше, чем во втором. При обработке показаний с различных каналов, производится выделение интересующих объектов: лесных пожаров, гарей, облачности и т.д.
Для исследования картины распределения и динамики лесных пожаров территория Якутии была разделена на три широтные зоны: «южную» - 56-62° (8пожю), «центральную» - 62-68° (8 ) и «северную» - 68-72° (8 ).
1 ^ пож.ц/ А ^ 4 пож.с/
Причем северная граница северной зоны соответствует границе перехода лесотундры в тундру. Обнаружение очагов лесных пожаров, по данным АУНРИЖОАА, прово-
дилось автоматизированным многоступенчатым алгоритмом детектирования очагов пожаров [11].
Облачность определялась для трех широтных зон: «южная» зона - 40-56° (8о6лю), «центральная» зона - 5666° (8о6лц), «северная» зона - 66-74° (8о6лс). Из каждого пролета выделялись данные по покрытию земной поверхности облачностью и открытых участков для каждой из трех зон. Облачность в каждой зоне рассчитывалась как отношение (в процентах) площади, занятой облачностью к общей площади зоны. Значения облачности усреднялись за сутки. Измерения проводились с мая по сентябрь, так как в зимние месяцы трудно выделить облачность на фоне снега. Для рассмотрения динамики распределения облачности взято отношение значений облачности центральной зоны к облачности южной (8 _ /8 _ ) и облачности
4 оол.ц. оол.ю/
центральной зоны к облачности северной (8 _ /8 _ ),
А А 4 оол.ц. оол.с/7
усредненных по годам.
Результаты
Пример обработанного спутникового «снимка» пожаров на территории Республики Саха (Якутия) представ-леннарис. 1.
На этом рисунке представлены спутниковые снимки левобережья р. Лены в районе г. Якутска, полученные на приемном комплексе СКАНОР 16 августа 2002 г. (а) и 16 сентября 2002 г. (б) со спутников МОАА. Снимки приведены в картографической проекции и ориентированы по
(а) (б)
Рис. 1. Спутниковые снимки лесопожарной обстановки (а) 2002 г. и образовавшихся после пожаров гарей (б)
сторонам света: верх - север, справа - восток. В центральной части левого рисунка наблюдаются плотные дымовые шлейфы от крупномасштабных лесных пожаров. На правом рисунке, полученном спустя месяц, отчетливо наблюдаются многочисленные гари, образовавшиеся в результате летних пожаров 2002 г.
Пример спутникового «снимка» облачности территории РС (Я) показан на рис. 2. Видно, что на северо-западе Якутии и в верховьях р. Индигирки наблюдается плотная облачность. Чистое небо над Олекминским улусом и в низовьях рек Яны, Индигирки и Колымы. В районе г. Якутска - переменная облачность.
Рис. 2. Снимок облачности над Якутией 08.10.2005 08.15 местного времени, полученный со спутника ЫОАА12
На рис. 3 показана карта распределения лесных пожаров в 2002 г. В этом году наблюдался максимум лесных пожаров за период с 1997 г. по 2005 г. По данным спутникового мониторинга были построены интегральные карты распределения облачного покрова и пироген-ных событий за этот период.
120 132
Рис. 3. Карта распределения лесных пожаров в 2002 г.
Вариации пирогенных событий и облачного покрова по годам показаны на рис. 4.
90
г? «о
а 70
| 60 ВТ
| 50
V©
I 40
о 30 в
о 20 ^ 10 о
1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005
-о- Полная облачность Высокая облачность = © Низкая облачность —в—Площадь пожаров
Рис. 4. Межгодовые вариации облачного покрова и площадей пожаров
Сравнение карты распределения лесных пожаров с картой атмосферных осадков показывает хорошее совпадение участков с высокой концентрацией пожаров с участками со среднегодовым количеством осадков менее 200250 мм. Обращает на себя внимание совпадение участков с высокой концентрацией пожаров, с повышенной плотностью распределения населения в этих районах Якутии. Таким образом, при учете лесопожарной обстановки необходимо учитывать, как используемые показатели температуры и осадков, так и антропогенные факторы: плотность населения, сбор ягод и грибов, охотничий сезон, туризм и т.д.
Мониторинг облачности проводился с 8 до 20 ч. Процент территории, покрытый облачностью, минимален в июле для всех широтных зон. С апреля по июль облачность падает, а с августа по октябрь её значение возрастает, что приводит к соответствующему изменению влажности лесного покрова и изменению пожарной опасности. Этим обстоятельством и годовым ходом температуры, достигающим максимума в июле, объясняется наблюдаемый сезонный ход пожаров. Степень плотности облачного покрова повышается с увеличением широты (рис. 5).
Для фаз солнечной активности широтная зависимость плотности облачного покрова подчиняется линейному закону:
- для максимума У=0,2112Х+12,395 с достоверностью Я2 = 0,9;
- для минимума У=0,1123Х+16,96 с достоверностью Я2 = 0,6
60000 50000 I
Ев
2
40000
о
в.
30000 I
о
с
20000 ч
С5
э
10000 | о
Рис. 5. Широтный профиль облачности
Рис. 6 иллюстрирует отмечаемый нами факт, что при переходе от фазы минимума к фазе максимума 23-го цикла солнечной активности в рассматриваемом регионе наблюдается смещение облачного покрова с северных и южных широт к центральным. Межгодовые вариации отношения площадей пожаров в центральной и южной широтных зонах представлены на рис. 7.
1,2 1 1,15 -1Д -
*1,05 -
0)
в 1 о 0,95 -0,9 -
0,85 -
0,8-------
1996
140
120
100
80
60
40
20
О
Годы
1998 2000 2002 2004
а Облачность центр, зоны /облачность сев. зоны * Облачность цент, зоны / облачность юж. зоны .■.Солнечная активность
---аппроксимация (Облачность центр. з./Облачность сев. з.)
---аппроксимация (Облачность центр. з./Облачность юж. з. )
Рис. 6. Межгодовые вариации отношения плотности облачного покрова для трех широтных зон
Рис. 7. Межгодовые вариации отношения площадей пожаров в центральной и южной широтных зонах
Наблюдается смещение плотности пожаров за рассмотренные годы с южной зоны к центральной и квази-двухлетний цикл этого смещения. В северной зоне плотность пожаров в десятки раз меньше плотности пожаров в центральной и южной зонах, что объясняется лесотундровой растительностью северной зоны, заболоченностью этой зоны, малой плотностью населения и широтным падением грозовой активности.
Имеется ряд работ, посвященных изучению вариаций облачного покрова земли при изменениях интенсивности космических лучей [6, 13]. Эти исследования выявили влияния длиннопериодных и короткопериодных вариаций солнечной активности на состояние нижней атмосферы, погоду и климат. Упомянутые исследования проводились по данным метеостанций. Спутниковые наблюдения, по сравнению с наземными методами визуальной оценки облачности по 10-балльной шкале в пунктах расположения метеостанций, позволяют практически мгновенно рассчитать количественную карту облачности на большом пространстве.
По данным спутников NOAA рассмотрено изменение облачного покрова над Северной Азией во время Форбуш-понижений интенсивности космических лучей за 2000 г.
Был проведен анализ вариаций плотности облачного покрова в зависимости от изменения плотности космических лучей методом наложения эпох, когда в день начала Форбуш-понижения среднесуточный AE-индекс не превышал 300 нТл (18 событий) и при AE>300 нТл (12 событий). За нулевой день t=0 был взят первый день начала Форбуш-понижений. Использовались данные нейтронного монитора ст. Москва [http://helios.izmiran.rssi.ru/ cosray/events00.htm] и Института космофизических исследований и аэрономии СО РАН [http://www.ysn.ru/ipm/ neutron_ykt.htm].
На графиках рис. 8 (а, б) видно, что при AE<300 нТл (а) после начала Форбуш-понижений облачность слегка уменьшается (недостоверно), но, в основном наблюдается возрастание относительно дней до Форбуш-пониже-ния. Существует временное различие в вариациях облачности на разных широтах. При AE>300 нТл (б) после Форбуш-понижения наблюдается уменьшение облачности во всех широтных зонах, как и в работе С.В. Верете-ненко и М. И. Пудовкина [6].
Более детально поведение плотности облачного покрова рассматриваемого региона в зависимости от плотности потока космических лучей показано на примере случая Форбуш-понижения галактических космических лучей (ГКЛ), имевших место 21 мая 2000 г. Форбуш-по-нижение составляло 3%.
Рис. 8. Вариации общей облачности над Северно-Азиатским регионом во время Форбуш-понижений при значении индекса авроральной активности АЕ<300 нТл и АЕ>300 нТл
Данные по плотности потока ГКЛ и облачного покрова для рассматриваемого региона и выделенных в нем трех широтных зон 21 мая 2000 г. представлены на рис. 9.
Рис 9. Вариации общей облачности всего региона и плотности потока ГКЛ 21 мая 2000 г.
Коэффициент корреляции ме^ду плотностью потока космических лучей и полной облачностью всего региона для этого случая: R= -0,68. Это указывает на антикорреляцию степени облачного покрытия Северо-Азиатско-го региона с плотностью потока ГКЛ, принимая во внимание усредненные данные по всем Форбуш-понижени-ям, представленными на рис. 8 (а) при АЕ<300 нТл. Однако наблюдаемое нами уменьшение облачности после начала Форбуш-понижения, соответствующее выводам работы С.В. Веретененко и М.И. Пудовкина [6], очень мало, а последующее повышение облачности на 3-5 сутки, видное на графиках, приведенных в этой работе [6], но не упомянутое в ней, превосходит погрешности. Для
АЕ>300 нТл (рис. 8 (б) наблюдается понижение облачности после начала Форбуш-понижения интенсивности космических лучей. Что соответствует положительной корреляции.
На рис. 10 показаны вариации общей облачности в трех широтных зонах 21 мая 2000 года. Из графика видно, что в северной зоне рост плотности облачного покрова начинается сразу после начала Форбуш-понижения, и максимум плотности наблюдается через сутки. Через двое суток после начала Форбуш-понижения начинается рост облачности в центральной и южной зоне. Максимум облачности в южной зоне наступает на четвертые, а в центральной - на пятые сутки. На наш взгляд, продолжение роста облачности до пятых суток после начала Форбуш-понижения и его более мягкий спад можно объяснить широтным смещением облачности с северной и южной зон к центральной.
Рис. 10. Вариации общей облачности трех широтных зон и вариация плотности потока ГКЛ 21 мая 2000 г.
Нами были рассмотрены отношения плотности облачности в центральной зоне к плотности облачности северной и южной зон. Причем из отношений были вычтены средние значения на временном интервале эпохи (1929 мая 2000 г). Эти преобразованные отношения характеризуют сдвиг облачности с севера и юга к центру (рис. 11).
Рис. 11. Отношения облачности в широтных зонах с вычетом средних значений на интервале эпохи
Из рис. 11 видно, что сдвиг облачности с севера к центру начался на третьи сутки после начала Фор-буш-понижения, а с юга к центру на четвертые сутки. Этим можно объяснить более мягкий спад облачности после максимума в центральной зоне. Реакция плотности облачного покрытия на Форбуш-понижение ГКЛ для разных широтных зон несколько смещена по времени.
Отношения облачности в широтных зонах для усредненных 12 событий Форбуш-понижений при АЕ>300 нТл показано на рис. 12. Наблюдается широтное смещение реакции плотности облачного покрова на изменение плотности потока КЛ по времени с северной и южной зон к центральной. Вывод о широтном смещении находится в соответствии с выводами работ А.Л. Морозовой иМ.И. Пудовкина [2] по наблюдениям, основанным на данных метеостанций в Северной Евразии за предыдущий нашим спутниковым наблюдениям тридцатилетней период. Выявлена корреляция степени облачного покрова Северо-Азиатского региона с плотностью потока галактических космических лучей (при Форбуш-понижениях более 3% и антикорреляция при более слабых Форбуш-понижениях. Однако наблюдаемая нами антикорреляция потоков ГКЛ и облачности не подтверждает выводы работы об экранировке эффекта нижней облачностью [6], что может быть следствием летнего периода наших наблюдений в отличие от зимних наблюдений этой работы и низким порогом нашего отбора Форбуш-понижений (>1%) с АЕ меньше 300 нТл. Таким образом, незначительное уменьшение плотности облачного покрова во время Форбуш-понижений ГКЛ для летнего периода при «слабых» Форбуш-понижениях [6] меньшей вероятностью наземных наблюдений изменений облачности верхнего яруса не подтверждается спутниковыми наблюдениями и требует иного объяснения.
Рис. 12. Отношения облачности в широтных зонах для усредненных 12 событий Форбуш-понижений при АЕ>300 нТл. Нулевой день - начало Форбуш-понижений космических лучей
Широтное смещение облачности наблюдалось и в Европе [12]. Таким образом, при переходе от фазы минимума к фазе максимума солнечной активности на территории Европы и Северной Азии наблюдается смещение облачного покрова с северных и южных широт к центральным, что может быть объяснено широтным смещением путей западных циклонов в зависимости от солнечной активности.
Литература
1. Соловьев B.C., Козлов В.И. Пространственно-временная динамика лесных пожаров // Наука и образование, 2005. Т. 37. № 1. С 67-73.
2. Морозова А.Л., ПудовшнМ.И. Климат Центральной Европы XVI-XX вв. и вариации солнечной активности // Геомагнетизм и аэрономия. 2000.Т. 40. № 6. С. 68-75.
3. Solovyev V.S., Kozlov V.I. The Disastrous Forest Fires in the Yakutia // Proceedings of the 1st International Conference on Hydrology and Water Resources in Asia Pacific Region (APHW2003), Kyoto, Japan, 13-15 March, 2003, P. 222-224.
4. Абросов B.H. Гетерохронность периодов повышенного увлажнения гумидной и аридной зон // Известия ВГО. 1962. № 4. С. 325-328.
5. Tinsley B.A. The solar cycle and the QBO influences on latitude of storm tracks in the North Atlantic // Geophysical Research Letters.1988. V. 15. № 5. P. 409-415.
6. Веретененко С.В., Пудовкин М.И. Широтная зависимость эффектов солнечной активности в вариациях прихода суммарной радиации // Геомагнетизм и аэрономия. 1999. Т. 39. № 6. С. 131-134.
7. The TIROS-N/NOAAA-G satellite Series // NOAA Technical Memorandum NESS’95. Washington D.C., 1978. 75 p.
8. Solovyev V.S., Shuts M.M. Remote Sensing Of The Environment In Northern Siberia // Research Reports of IHOS, Nagoya, Japan, March 1997, N3, p. 82-84.
9. Соловьев B.C., ЛиходедА.Н. Экологический мониторинг окружающей среды по спутниковым данным // Наука и образование. № 1 (17). 2000. C. 100-103.
10. Solovyev V.S. Vasilyev E.K., Solovyeva N.M. Satellite monitoring of forest fire in the territory of Yakutia and the evaluation
of their consequences // Proceedings of international conference “The role of permafrost ecosystems in global climate change”, Yakutsk, May 3-5, 2000 - Yakutsk Scientific Center Publishing House, 2001.
P. 178-180.
11. АбушенкоH.A., Алтынцев Д.А., МинькоН.П., Семенов С.М., Тащилин СА., Татарников А.В. Алгоритм обнаружения пожаров по многоспектральным данным прибора AVHRR // VI Международный симпозиум “Оптика атмосферы и океана”: Тезисы докладов, 1999. С. 69.
Работа поддержана грантом РФФИ 06-05-96021-р_восток_а.
12. H. Svensmark, E. Friis-Christensen. Variation of cosmic ray flux and global cloud coverage - a missing link in solar-climate relationships// Journal of Atmosphericand Solar-Terrestial Physics. 1997. Vol.59. No.11. P.1225-1232.
13. Thejll P., Morozova A. L., Pudovkin M. I. Variations of atmospheric pressure during solar proton events and Forbush decreases for different Latitudinal and synoptic zones. //International journal of geomagnetism and aeronomy. 2002 Vol. 3, NO.2. P. 181189.
M.S. Vasiliev, S.A. Vasilieva, VS. Solovyev, VI. Kozlov
Distribution of Pyrogenic Events and Cloudiness in Yakutia on Remote Sensing Data (1997-2005)
The article analyses the spatial-temporal dynamics of the forest fires and cloud conditions in the North-Asian region mostly determined by the Sun-Earth connection. This dynamics was being analyzed by an AVHRR/ NOAA radiometer during the last 8 years in the range of 40-74 degrees of northern latitude. There is a tendency of displacement of the forest fires to the north in the 23rd cycle of solar activity maximum phase. There is also a tendency of displacement of clouds to central latitude zone. This situation may be explained by latitudinal displacement of trajectories of the Atlantic cyclones in a maximum phase of solar activity which determines the weather from Europe to the 140th meridian in North Asia.
*r‘v‘v
УДК 523.165
A.B. Григорьев, C.A. Стародубцев, ИГ. Усоскин, К. Мурсула
ФЛУКТУАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ ПО ИЗМЕРЕНИЯМ НА КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТАХ В ЦИКЛЕ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ
Изучается поведение уровня флуктуаций космических лучей в цикле солнечной активности по измерениям на космических аппаратах IMP-8 в 1974-2001 и ACE в 1997-2003 гг. Для частиц космических лучей в широкой области энергий от 47 кэВ до 440 МэВ обнаружена доминирующая 11-летняя периодичность уровня флуктуаций. Однако в данных регистрации присутствуют две популяции частиц различного происхождения, имеющие разные динамики уровня флуктуаций космических лучей. В космические лучи низких энергий преобладающий вклад вносят частицы солнечного и/или межпланетного происхождения. Для них уровень флуктуаций изменяется в противофазе с циклом солнечной активности. Для высокоэнергичных галактических космических лучей, наоборот, уровень флуктуаций изменяется в фазе с солнечным циклом, что наблюдалось и ранее по данным нейтронных мониторов. В статье обсуждается возможный сценарий, объясняющий наблюдаемую энергетическую зависимость данного явления в цикле солнечной активности.
Введение
Поток космических лучей (КЛ), регистрируемый на борту многочисленных космических аппаратов (КА), охватывает широкую область энергий от десятков кэВ до сотен МэВ. Основную его часть (более 95%) составляют протоны КЛ. По происхождению эти частицы могут быть условно разделены на два класса. К первому классу относятся КЛ низких энергий (по порядку величины ниже 10 МэВ) - частицы гелиосферного происхождения - аномальный компонент КЛ, ускоренные во вспышечных процессах в короне Солнца, на фронтах МУВ и т.д. Ко второму - КЛ более высоких энергий, в основном, галактические КЛ. Однако в отдельные короткие периоды мощных
солнечных вспышек в него также вносят существенный вклад частицы солнечного происхождения. При этом соответственно природе частиц в регистрируемых на борту КА потоках КЛ по-разному проявляется и известная 11-летняя солнечная модуляция - низкоэнергичные КЛ изменяются в фазе с циклом солнечной активности (СА), а высокоэнергичные - обратно циклу.
Поскольку одним из основных факторов, определяющих вариации КЛ в межпланетном пространстве, является уровень возмущенности межпланетного магнитного поля (ММП), который известным образом меняется в 11-летнем цикле СА, то можно предположить, что спектр флуктуаций КЛ (вариаций с периодом от нескольких
