У лабораторії моніторингу лісових екосистем проводяться дослідження і адаптація різних підходів до оцінки ймовірності виникнення лісових пожеж. Метою досліджень є розробка методів оцінки ймовірності виникнення лісових пожеж стосовно масштабу всієї країни (федеральний рівень) і окремих її регіонів (федеральні округи і суб'єкти РФ). Вивчено, адаптовані і апробовані такі алгоритми як детермінованою-імовірнісний підхід і застосування закону Пуассона розподілу дискретної випадкової величини.

1. Використання детерминированно-імовірнісного підходу

Математична модель визначення ймовірності виникнення лісових пожеж

Для оцінки ймовірності виникнення пожежі використовувалася детерминированно-імовірнісна методика Томського державного університету, враховує крім погодних умов вплив людини на можливість загорянь в лісі і ймовірність загоряння лісових горючих матеріалів внаслідок природних явищ (Гришин, Філька, 2005; Кузнецов, Барановський, 2009).

Згідно з методикою ймовірність виникнення пожежі визначають три складові - антропогенна, природна і ймовірність через метеоумови (Барановський та ін., 2003). Антропогенне і природна складові обчислюються як добуток відповідних апріорних ймовірностей (1).

Pj = Σ [Pij (A) * Pij (FF / A) + Pij (M) * Pij (FF / M)] * Pij (C) (1)

P (A) - ймовірність антропогенного навантаження;

P (FF / A) - ймовірність виникнення пожежі від антропогенного навантаження;

P (M) - ймовірність блискавичного розряду;

P (FF / M) - ймовірність виникнення пожежі від блискавичного розряду.

Апріорні ймовірності таких показників як антропогенне навантаження, виникнення пожежі внаслідок антропогенного навантаження, ймовірність блискавичного розряду і виникнення лісової пожежі від блискавичного розряду відповідно до методики визначаються через частоту подій (2).

Pij (A) = N а / nпс Pij (M) = N м / nпс (2)

Pij (FF / A) = Nпа / Nкп Pij (FF / M) = Nпм / Nкп

Nа - число днів в періоді з антропогенним навантаженням;

Nпа - число пожеж від антропогенного навантаження;

Nм - кількість днів з молніевимі розрядами;

Nпм - число пожеж від блискавичних розрядів;

Nпс - загальне число днів в періоді пожежонебезпечного сезону (ПС);

Nкп - загальне число пожеж в періоді.

Для знаходження ймовірності пожежі через метеоумови замість фізико-математичної моделі, яка описує час сушіння лісових горючих матеріалів, використовувалася статистична оцінка граничних значень індексів пожежної небезпеки (ІПО), при яких починають виникати лісові пожежі. Цей підхід обраний через відсутність на федеральному рівні фактичних даних, що дозволяють налаштувати параметри фізико-математичної моделі для різних лісорослинних умов Росії (Подільська та ін., 2011). Оцінку імовірності виникнення пожежі через метеоумови:

P (C) ≈ ІПОтекущій / ІПОкрітіческій (3)

ІПОтекущій - значення індексу пожежної небезпеки в кожен день пожежонебезпечного сезону;

ІПОкрітіческій - значення ІПО, починаючи з якого можливе виникнення пожежі.

P (C) = 1, якщо ІПОтекущій ≥ ІПОкрітіческій.

Принципова схема роботи методу

Схема відображає вихідні дані, основні операції над ними і отримані результати. Як видно зі схеми склад баз даних, якими володіє інформаційна система дистанційного моніторингу (ІСДМ Рослесхоз), розширюється за рахунок створення БД ймовірностей виникнення пожеж, що включає антропогенну, природну складову і ймовірність через метеоумови. В БД містяться таблиці значень ймовірностей для поточного року, які будуть використовуватися для розрахунків ймовірності в наступному році. Таким чином, реалізується щорічне оновлення значень ймовірності.

результати

Отримані за допомогою модифікованого детерминированно-імовірнісного підходу оцінки ймовірності виникнення пожеж на територію всієї Росії порівнювалися з фактичної горимо лісів в 2010 році. В результаті порівняння 73.5% лісових пожеж спрогнозовано з різним ступенем ймовірності, з яких 48.2% відповідали ймовірності більш 0.8. Однак в окремі дні пожежонебезпечного сезону кількість пожеж, для яких не була дана оцінка ймовірності їх виникнення, досягала 40%. Це пов'язано в основному з відсутністю даних по пожежам за попередній багаторічний період спостереження.

2. Використання закону Пуассона розподілу дискретної випадкової величини

Досліджувалася можливість застосування закону Пуассона для оцінки ймовірності виникнення лісових пожеж для двох часових інтервалів визначення середнього числа пожеж в день: сезон (весна, літо і осінь) і декада (10 днів). Вибір закону Пуассона обумовлений тим, що завдання знаходження ймовірності виникнення пожеж задовольняє всім умовам його застосування:

• число випробувань велике;
• ймовірність появи події в кожному випробуванні дуже мала;
• події відбуваються незалежно один від одного;
• події відбуваються з постійною інтенсивністю в однакових проміжках часу (період оцінки) або на однакових відрізках простору (осередки регулярної мережі).

Стосовно до задачі визначення ймовірності виникнення пожеж випробуванням є день, подією - виникнення пожежі.

Вихідні дані

Як об'єкт досліджень виступають осередки лісових пожеж, зареєстровані спектрорадіометра MODIS на супутниках TERRA і AQUA за період з 2006 по 2012 роки і що містяться в базах даних ІСДМ Рослесхоз. По кожному пожежі доступна інформація про географічні координати вогнища загоряння і датою виявлення.

Дослідження проводилися для двох часових інтервалів. Сезонний період застосовувався для визначення середнього числа пожеж в день на території Іркутської області, яка розташовується в Центральному Сибіру і характеризується різноманітними лісорослинними умовами, наземними і авіаційними рівнями охорони лісів від пожеж, а також зонами космічного моніторингу (Плотникова і ін., 2014 року).

Десятиденний інтервал застосовувався по всій території Російської Федерації для наближення оцінки ймовірності виникнення пожеж до фактичної горимо лісів різних регіонів протягом пожежонебезпечного сезону.

Другим інформаційним джерелом вихідних даних для проведення досліджень є дані метеоспостережень (температура повітря, опади, і ін.) І похідні від них класи пожежної небезпеки за умовами погоди. Часовий ряд даних метеоспостережень з усіх метеостанцій Федеральної служби по гідрометеорології та моніторингу навколишнього середовища (Росгідромет) доступний в ІСДМ з 2006 року.

Просторовими одиницями оцінки ймовірності виникнення пожеж розглядаються осередку регулярної мережі розміром 1 ° х 1 °.

Методика досліджень

Закон Пуассона є апроксимацією негативного біноміального закону розподілу дискретної випадкової величини (4):

(4)

Pm- ймовірність виникнення пожеж,

λ - параметр розподілу Пуассона,

m - число пожеж в день.

Параметр розподілу λ визначається як середнє число пожеж в день для кожного класу пожежної небезпеки (КПО). Обчислюється параметр λ в рамках тимчасового інтервалу оціночного періоду шляхом знаходження відносини числа виникли при певному КПО пожеж до числа днів того ж КПО. Знаходження середнього числа пожеж в день проводиться за всіма КПО, отже, для кожного класу пожежної небезпеки знаходиться своє значення ймовірності виникнення пожеж. Мінлива m моделюється як прогнозоване число пожеж в день (від нуля до нескінченності). Таким чином, за допомогою закону Пуассона обчислюється ймовірність виникнення того чи іншого числа пожеж в день.

Оцінка ймовірності виникнення лісових пожеж базується на ретроспективному статистичному аналізі багаторічних метеорологічних спостережень погоди і супутникових даних про пожежі. На малюнку наводиться блок-схема підготовки вихідних даних і розрахунку ймовірності виникнення пожеж. На основі підготовлених наборів даних розраховувався параметр λ і ймовірність виникнення лісової пожежі для кожного класу пожежної небезпеки. В результаті отримана база даних значень ймовірності одного і більше пожежі по осередках мережі для всіх КПО за весь період спостереження за пожежами з 2006 по 2012 роки.

Розраховані значення ймовірності виникнення одного і більше пожежі використовуються для побудови щоденних карт розподілу ймовірностей на території Іркутської області (для регіональної системи моніторингу лісових пожеж суб'єкта) і всієї Росії (для інформаційної системи дистанційного моніторингу пожеж ІСДМ-Рослесхоз):

література:

1. Гришин А.М., Філька А.І. Прогноз виникнення і поширення лісових пожеж: Монографія. - Кемерово: Вид-во Практика, 2005. - 202 с.
2. Кузнецов Г.В., Барановський Н.В. Прогноз виникнення лісових пожеж та їх екологічних наслідків. Новосибірськ: Изд-во СО РАН, 2009. 301 с.
3. Барановський Н.В., Гришин А.М., Лоскутникова Т.П. Інформаційно-прогностична система визначення ймовірності виникнення лісових пожеж // Обчислювальні технології, 2003 № 2. С. 16-26.
4. Барановський Н.В. Математичне моделювання найбільш ймовірних сценаріїв і умов виникнення лісових пожеж // Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук. Томськ, 2007. 20 с.
5. Подільська А.С., Єршов Д.В., Шуляк П.П. Застосування методу оцінки ймовірності виникнення лісових пожеж в ІСДМ-Рослесхоз // Сучасні проблеми дистанційного зондування Землі з космосу. 2011. Т. 8. №1. С. 118-126.
6. Плотникова А.С., Єршов Д.В., Шуляк П.П. Використання закону Пуассона для оцінки ймовірності виникнення лісових пожеж на території Іркутської області // Регіональні проблеми дистанційного зондування Землі: матеріали міжнародної науч.конф. - Красноярськ: Сіб.федер. ун-т, 2014. С. 237-241.

Напрямок ведуть: Єршов Д.В. , Плотникова А.С. , Шуляк П.П.