Курсовая работа: Cреднесрочный прогноз степени пожарной опасности в лесах по метеорологическим условиям

Cреднесрочный прогноз степени пожарной опасности в лесах по метеорологическим условиям

Общие положения

Лесные пожары остаются одним из самых мощных природных катастрофических явлений. Обеспечению своевременной и эффективной подготовки людей и техники к тушению пожаров во многом способствуют знания ожидаемой степени пожарной опасности с разной заблаговременностью. Разработкой и уточнением критериев, отражающих вероятность возникновения пожаров, человечество занимается почти столетие. Однако создать показатель, идеально соответствующий фактически возникающим пожарам, не удается, во-первых, по причине многообразия условий, присущих возникновению огненной стихии, и сочетаний различных факторов, включая антропогенный, во-вторых, из-за недостатка и большой дискретности начальных данных наблюдений различных природных параметров. Большие возможности для решения последней проблемы заложены в привлечении данных спутникового зондирования атмосферы и отражения характеристик подстилающей поверхности в разных режимах.

В настоящее время исследования в этой области интенсивно ведутся за рубежом и в отдельных центрах России, включая Западно-Сибирский региональный центр приема и обработки спутниковой информации (ЗапСибРЦПОД). В ЗапСибРЦПОД отрабатываются и уточняются различные алгоритмы обнаружения точек возгорания. Одной из решаемых проблем при этом является отсечение ложных точек при отражении сигналов от воды, облачности и других подобных объектов.

Метеорологические условия относятся к одним из главных факторов вероятности пожаров в природе. Количественным отражением данной вероятности, официально принятым в России, является комплексный показатель пожароопасности (КПО) по метеорологическим условиям /2/, разработанный В.Г.Нестеровым еще в сороковые годы прошлого столетия и применяемый на практике до сих пор, в некоторых регионах с небольшими модификациями.

В ГУ «Сиб НИГМИ» было проведено исследование (исполнители М.Я. Здерева, М.В. Виноградова), в рамках которого определена степень соответствия принятых в гидрометеорологической службе показателей фактической пожарной обстановке на территории Новосибирской области, создана модификация индекса пожароопасности и выполнена ее оценка.

1. Анализ фактических показателей пожарной опасности по территории Новосибирской области

метеорологический пожарный опасность новосибирский

Показатель Нестерова (КПОн) отражает баланс иссушающих и увлажняющих факторов соотношением:

(1)

Где Т - температура воздуха

Td - температура точки росы

n - число дней с осадками.

За факт выпадения осадков принимаются любые значения, начиная с 3 мм за 24 ч, осадки меньше 3 мм не учитываются.

Указанный показатель пожарной опасности может изменяться от одного до нескольких тысяч градусов, а в периоды устойчивой сухой и жаркой погоды превышать 10000. Для характеристики степени пожарной опасности (ПО) весь диапазон значений делится на пять интервалов - классов. Существует стандартное распределение классов по интервалам /2/, однако на данном этапе могут вноситься поправки, разработанные с учетом сезонных особенностей и характера лесных горючих материалов. Для Новосибирской области действуют поправки, представленные Главным управлением охраны и защиты леса и утвержденные Министерством лесного хозяйства РСФСР в 1976г. (таблица 1).

Таблица 1. Шкала пожарной опасности в лесу по условиям погоды с учетом поправок для Новосибирской области

Предложенная Нестеровым эмпирическая формула (1) не до конца удовлетворяет потребителей главным образом из-за достаточно грубого учета осадков. Так, обнуление показателя при разовом выпадении осадков около 3мм после продолжительного периода без дождей не будет отражать сохранившуюся реальную угрозу пожаров, и, наоборот, длительный период с пасмурной погодой и слабыми осадками снижает вероятность возникновения стихии. В связи с этим показатель пожарной опасности (ПО) постоянно подвергается модификациям, оставляя неизменным саму идею оценки накопленной засушливости. В данной работе для сравнения произведен параллельный расчет еще двух индексов.

Самым распространенным уточнением КПОн является корректировка накопленной суммы дефицита влаги коэффициентом, зависящим от количества осадков:

(2)

где коэффициент Kr получен эмпирически для разных градаций осадков.

В рекомендациях для лесов Хабаровского края /4/ определен уровень значений показателя ПО для его сбрасывания в зависимости от количества выпавших осадков - чем больше значение КПОн, тем большее количество осадков требуется для его обнуления. В этой же методике предложен вариант учета скоростей ветра поправочным коэффициентом (КПОн3).

Эти три варианта и были испытаны на пожароопасном сезоне 2006 года (с 23 апреля по 1 октября). Для расчетов привлечены метеорологические данные по 30 станциям Новосибирской области. В качестве сведений о фактических пожарах выступают определенные по методике ЗапСибРЦПОД вероятные точки возгорания.Анализ проведен для случаев с наличием спутниковых снимков, по 112 суток для каждой станции или 3360 случаев в сумме по области.

Полученные за расчетный период фактические значения КПОн, КПОн2 и КПОн3 переведены в классы ПО, при этом для первого индекса переход произведен по утвержденной шкале для Новосибирской области (таблица 1), для второго - по ГОСТУ, для третьего - по авторской шкале, которая отличается градациями для 4 и 5 классов.

При детальном рассмотрении испытываемого периода по дням классы КПОн и КПОн2 различаются преимущественно в пределах одной единицы, а вот комплексный показатель КПОн3 при достижении им больших значений указывает на выпадение значительных осадков (по замыслу автора), и поэтому отличается от остальных. Это же подтверждает суммарное распределение по классам по всем станциям области (рис.1a): варианты КПОн и КПОн2 имеют минимум числа случаев 5 класса ПО, тогда как КПОн3 - наоборот.

Рис. 1а

Авторами было рассмотрено распределение числа случаев по классам в ситуациях с отмеченными вероятными точками возгорания (440 случаев) (рис. 1b).

Рис. 1b

И в ситуациях с отсутствием пожаров согласно спутниковой информации (1900 случаев) (рис. 1c).

Рис. 1c

Поскольку наличие облачного покрова препятствует адекватному распознаванию ситуаций на подстилающей поверхности, дни с облачным покрытием более 50% исключены из анализа (1020 случаев).

Положительным моментом явилось то, что все три варианта лишь в 1,5-8% случаев показывают 1-2 класс при пожарах (таблица 2). Индексы КПОн и КПОн3 примерно одинаково отражали высокую степень ПО (в сумме 4 и 5 классы) при пожарах, однако КПОн3 завышали угрозу ПО и в спокойных ситуациях. Наиболее неудачным показателем пожарной обстановки в лесах Новосибирской области оказался индекс КПОн2, который примерно в 50% случаев показывает среднюю степень ПО как в ситуациях с пожарами, так и без них.

Таблица 2. Вероятность (%) классов ПО по разным индексам за период 2006 года при анализе ситуаций на территории Новосибирской области

Таким образом, по результатам сравнительного анализа для оценки угрозы пожаров в Новосибирской области можно использовать с небольшими поправками КПОн3, но наиболее близким к фактическим ситуациям является используемый в оперативной практике индекс Нестерова с учетом сезонных поправок при переводе в классы.

В ходе исследования был предложен еще один вариант модификации индекса Нестерова, в котором накопленная «засушливость» отражается суммой дефицита упругости насыщения водяного пара в атмосфере. Известно, что дефицит упругости насыщения связан с дефицитом точки росы психрометрической формулой на основании закона Дальтона о скорости испарения и закона охлаждения Ньютона:

(3)

Где E - упругость водяного пара;

E? - максимальная упругость водяного пара при температуре смоченного термометра (?);

P - атмосферное давление;

a - психрометрическая постоянная.

В показателе пожарной опасности по Нестерову более просто определяемая правая часть этой формулы нелинейно связывается с температурой воздуха произведением.

Поскольку индекс введен еще в сороковых годах прошлого столетия, то, по-видимому, более простой и удобный вариант учета дефицита влаги был обоснован отсутствием быстро действующей вычислительно техники.

На самом деле упругость насыщения имеет экспоненциальную, а не квадратическую зависимость от температуры. В метеорологии давно известны и используются достаточно точные параметрические выражения этой зависимости, например, эмпирическая формула Магнуса:

(4)

где Eo (6,1078 мб) - упругость насыщения при температуре To=273,15 (°K);

a и b - постоянные, которые определены для поверхностей воды и льда;

t - температура воздуха.

В уравнении Клаузиса-Клапейрона a и b определены на базе закона сохранения энергии при фазовых переходах:

(5)

Модифицированный индекс Нестерова при этом может представлять из себя разность упругостей насыщения при температуре точки росы и реальной температуре воздуха, накапливаемую за дни без осадков (количеством < 3мм):

(6)

Для перевода суммарного показателя КПОмн в принятые классы ПО авторами были получены соответствующие градации на опытных данных.

Сравнительные расчеты индексов КПОн и КПОмн в 2006 году показали полное их соответствие в весеннее-летний период: различия в среднем по месяцам с мая по сентябрь находились в пределах 1 - 5%. В октябре, когда уже подстилающая поверхность периодически покрывалась снегом, разница в показателях увеличилась до 18%, что говорит о необходимости более тонкого учета фазовых переходов влагосодержания. В частности, за счет использования дефицита упругости пара при переходах температуры воздуха через ноль. В целом за пожароопасный период показана правомерность использования модифицированного индекса. Этот вывод особенно важен при переходе к построению физико-статистической прогностической схемы для классов ПО.

2. Метод среднесрочного прогноза класса пожарной опасности

2.1 Направление исследования

В настоящее время в летний сезон оперативно- прогностические организации составляют прогнозы классов ПО на трое суток и месяц. Однако хорошей методической базы для подготовки и выпуска этих прогнозов не имеют. Поскольку прогностические поля приземной температуры точки росы отсутствуют, то в /7/ рекомендуется пользоваться графиком суточного нарастания показателя ПО в зависимости от температуры воздуха, заранее построенного для каждой станции и месяца. Трудоемкость этого метода не компенсируется повышением качества результата. К тому же большой вес имеют ошибки в прогнозах осадков по станциям. Поэтому на практике прогнозист оценивает тенденцию пожарной опасности субъективно, исходя из анализа ожидаемой синоптической ситуации, и выдает прогноз по относительно большой территории, перечисляя при необходимости несколько классов и используя допустимый термин "местами", не уточняя районы.