Спутниковые наблюдения задымлений от тростниковых пожаров на Нижней Волге

Ландшафтные пожары являются важным фактором динамики состояния экосистем, условий жизни населения, а также источниками выбросов в атмосферу парниковых газов. В нашей стране огромное внимание уделяется проблеме лесных пожаров, в том числе, вопросам их мониторинга. Ежегодно огонь проходит миллионы гектаров лесов, а дым от лесных пожаров накрывает на порядок большие площади. В то же время в наземных экосистемах степной и пустынной зоны природные пожары являются регулярным явлением как в зональных, так и в интразональных пойменных ландшафтах. Практически ежегодно отмечаются факты задымления городов юга России из-за сжигания пожнивных остатков в их окрестностях. При этом из-за небольшого объёма сгорающей биомассы задымление от травяных палов выражено намного меньше по сравнению с верховыми лесными и торфяными пожарами. Исключением являются тростниковые пожары в поймах и дельтах южных рек, например, Волги в её нижнем течении.

Ежегодный прирост растительной массы тростниковых зарослей в дельте Волги может достигать 5–7 т/га сухого вещества. При многолетнем накоплении мортмассы могут происходить очень крупные пожары площадью 10–20 тыс. га и более. Также нередко отмечаются ежегодные возгорания на одних и тех же участках с последующим восстановлением тростниковой растительности после весенних пожаров в течение вегетационного сезона.

Рисунок 1 — Спутниковые изображения дымовых шлейфов на Нижней Волге: MODIS Terra, 11.10.2021, 11:35 (а), MODIS Aqua, 11.10.2021, 13:25 (б), TROPOMI Sentinel 5p UV Aerosol Index, 11.10.2021, 12:35 (в), TROPOMI Sentinel 5p концентрация CO (моль/м²), 11.10.2021, 12:35 (г); время UTC+3; красная линия — государственная граница РФ

Как правило, в дельте Волги от задымлений воздуха страдают населённые пункты в радиусе 100–150 км от очага горения. Но в отдельных случаях складываются условия, когда дымовой шлейф распространяется на намного протяжённые расстояния. Так, 11 октября 2021 г. наблюдался шлейф рекордной протяжённости почти в 700 км и площадью более 50 тыс. км²: от восточной части дельты Волги (с. Курмангазы (Ганюшкино) в Атырауской обл. Казахстана) до центральной части Ростовской обл. Дым был зафиксирован метеостанцией в Волгограде на расстоянии почти в 500 км от источника (рисунок 1). Ранее дымовые шлейфы протяжённостью до 150–200 км фиксировались в сентябре-октябре 2015 и 2019 гг. При этом очаги горения были расположены также в восточной части дельты в Атырауской обл. или в авандельте. За период 2001–2020 гг. в дельте Волги выгорело около 80 % территории, из которых почти половина горела три и более раз. Ежегодно здесь отмечается более тысячи пожаров средней площадью 150–200 га. Тем не менее, дымовые шлейфы протяжённостью в несколько сотен километров отмечаются редко.

Целью работы является анализ условий многолетних и сезонных особенностей горения в дельте Волги с использованием спутниковых изображений MODIS, TROPOMI, данных детектирования активного горения (тепловых аномалий) FIRMS. Исследование основано на архиве данных детектирования активного горения по данным MODIS. Очаги активного горения охватывают пройденную огнем территорию лишь частично. По этой причине определение выгоревших площадей на каждую дату основывалось на создании полигонов Вороного вокруг каждого очага горения внутри границы пожара, которая было выделена визуально по данным Sentinel-2 и Landsat-7,  8. На основе атрибутивных данных очагов активного горения были получены значения FRP (Fire radiative power) и величина разрешения пикселей MODIS и VIIRS (scan и track — размеры пикселей в километрах по долготе и широте соответственно). Анализ тенденций многолетней и сезонной динамики выполнялся по данным MODIS (разрешение 1000 м), для анализа распространения пожара в 2021 г. использовались также данные VIIRS (разрешение 375 м). Сенсор MODIS имеет разрешение около 1 км в тепловых каналах при съёмке в надир, при отклонении от надира разрешение снижается. Для компенсации влияния различных размеров пикселей на измерения величины FRP, а также для обеспечения сопоставимости этой величины по данным MODIS и VIIRS было проведено нормирование FRP на площадь пикселя с получением показателя FRPS. Многолетняя динамика FRPS анализировалась по данным MODIS.

Рисуно 2 — Многолетняя динамика количества очагов активного горения MODIS по диапазонам FRPS (широкие столбцы — весна, узкие — лето – осень) (а); среднемноголетнее количество очагов активного горения MODIS по диапазонам FRPS и среднемноголетние значения FRPS по месяцам (б)

Интенсивность пожара может быть выражена через мощность потока энергии излучения FRP, данные о которой содержатся в составе информационных продуктов детектирования очагов активного горения. Этот показатель широко используется при анализе ландшафтных пожаров и их последствий. В дельте Волги около 85 % фиксируемых очагов горения имеют FRPS до 50 МВт (рисунок 2), максимальное значение 1,7 тыс. МВт было зафиксировано 2 октября 2010 г. Наибольшее задымление отмечается при больших площадях пожаров и высокой интенсивности горения растительности с высокой долей вегетирующих побегов. Для большинства пожаров с интенсивным выделением дыма характерно наличие очагов горения с FRPS более 500–1000 МВт/км². Например, 9 октября 2021 г. были отмечены очаги с FRPS 670 МВт/км², а в сентябре 2019 г. — 1500–1600 МВт/км².

Рисунок 3 — (а) связь FRPS и скорости ветра по данным MODIS за 2001–2021 гг.; (б) динамика выгоревшей площади за сутки, среднесуточной скорости ветра и среднесуточного FRPS исследуемого пожара в октябре 2021 г.

В весенние месяцы нередки пожары с FRPS более 1000 МВт, тем не менее в это время протяжённых дымовых шлейфов не возникает. В среднем в весенний период в дельте Волги интенсивность горения ниже, чем летом и осенью. Также отличается направление связи между скоростью ветра и FRPS: летом и осенью мощность горения максимальна при умеренном ветре скоростью до 5–6 м/с, в то время как влияние ветра на FRPS весенних пожаров не выражено (рисунок 3). При усилении ветра FRPS пожаров летом и осенью резко снижается. Предположительно это может быть связано с наличием зелёной растительности летом и в начале осени, для возгорания которой требуется большая температура и, следовательно, относительно длительное горение ветоши, невозможное при быстром движении фронта пожара. При сильном ветре беглый огонь в меньшей степени повреждает зелёные побеги тростника, сгорает в основном мортмасса, выделяющая меньшее количество продуктов горения и водяного пара по сравнению с вегетирующей растительностью. Ранней весной вся растительная масса сухая, поэтому ветер способствует быстрому распространению фронта пожара.

Рисунок 4 — (а) многолетняя динамика суммы и среднего значения FRPS на тепловую аномалию по данным MODIS за 2001-2021 гг.; (б) сплошные линии — сумма FRPS, пунктир — средние значения FRPS) и среднегодовых расходов в створе Волгоградского гидроузла и максимальных уровней по гидрологическому посту в Астрахани

Горимость пойменных ландшафтов Нижней Волги, в том числе дельты, тесно связана с гидрологическими условиями. Установлено, что раннее, длительное и высокое половодье существенно снижает количество и площади пожаров не только в весенний период, но и летом и осенью. Величина FRPS пожаров также связана с гидрологическими условиями (рисунок 4). Коэффициент корреляции годовой суммы FRPS и среднего FRPS на один очаг активного горения со среднегодовыми расходами воды равен –0,73, а с максимальными уровнями половодья составил –0,76. При этом влияние максимальных уровней половодья наиболее выражено именно в летне-осенний период (r = –0,88 для суммы FRPS и –0,77 для среднего значения), весной же связь с уровнями воды отсутствует. Наибольшие задымления отмечались в 2015, 2019 и 2021 гг., когда и максимальные уровни половодья, и среднегодовые расходы имели наименьшие значения. Также эти годы характеризуются не только максимальными суммами FRPS, но и наибольшими значениями FRPS на один очаг активного горения: более 50 МВт/км². Это значение было достигнуто также осенью 2010 г., но общая сумма FRPS в тот год была намного ниже, что говорит о существенно меньшей площади горения. Это подтверждается и данными ранее опубликованных результатов исследований. Таким образом, можно констатировать, что условия для формирования протяжённых на сотни километров дымовых шлейфов складываются только в период летне-осенней межени маловодных лет. Таким образом, гидрологические изменения последних лет, направленные на снижение уровней половодья, потенциально способны приводить к интенсификации пожаров, в том числе в летне-осенний период.

Рисунок 5 ‒ Тепловые карты среднемноголетнего количества очагов активного горения в 10 км радиусе (слева) и среднемноголетних сумм FRPS (МВт/км²) очагов активного горения в 10 км радиусе (справа) за 2001-2021 гг. ; а, б — летние и осенние пожары, в, г — весенние пожары, д, е — все пожары

В условиях авандельты затруднено тушение пожаров, поскольку здесь отсутствуют дороги, движение противопожарных судов осложняется плотными зарослями водной растительности и малыми глубинами. По этим причинам огонь может практически беспрепятственно продвигаться до каспийского взморья. Для оценки пространственного распределения очагов активного горения в дельте Волги использовался реализованный в программной среде QGIS метод тепловых карт (карт интенсивности), показывающих плотность наблюдаемых точек в радиусе 10 км (рисунок 5). Также использовалось взвешивание по значениям FRPS, в этом случае рассчитывалось не количество точек в радиусе 10 км, а сумма их FRPS. Очаги активного горения достаточно равномерно распределены по дельте. Карта с взвешиванием по показателю FRP наглядно иллюстрирует расположение участков наибольшей интенсивности горения: передний край дельты и её восточная часть в Казахстане. При этом большая часть летних очагов горения расположена именно в Атырауской области Казахстана. Причины повышенной горимости этого участка преимущественно в летний период требуют дополнительного изучения.