Значение физических особенностей в распространении лесных пожаров на Дальнем Востоке России

Значение физических особенностей в распространении лесных пожаров на Дальнем Востоке России

Лесные пожары представляют собой постоянную и усиливающуюся природную опасность на Дальнем Востоке России, обширном регионе, простирающемся от озера Байкал на восток до Тихого океана и от арктической тундры на юг до границ с Китаем и Монголией. Каждый год миллионы гектаров сжигают, высвобождая огромное количество углерода, уничтожая лесные ресурсы, угрожая поселениям и ухудшая качество воздуха через международные границы. В то время как источники возгорания - как молния, так и человеческая деятельность - инициируют эти пожары, скорость, направление, интенсивность и конечная степень распространения лесных пожаров регулируются физическими особенностями ландшафта. Терренс, растительность, гидрология и характеристики почвы не просто влияют на поведение огня; они определяют его. Для землеустроителей, экологов и аварийных служб, работающих в этом отдаленном и логистически сложном регионе, подробное понимание этих физических средств контроля не является обязательным - это основа, на которой должны быть построены эффективные стратегии предотвращения, готовности и подавления.

Топография и территория

Из всех физических особенностей, которые формируют поведение лесных пожаров, топография является одной из самых непосредственных и мощных. Российский Дальний Восток - это пейзаж драматического рельефа, содержащий прочные горные системы Сихотэ-Алина, Верхоянского хребта, Станового хребта и вулканического нагорья Камчатки. Возвышение, крутизна склона, аспект склона (направление, обращенное к склону), и конфигурация долин и хребтов каждый оказывает различное управление распространением огня.

Градиенты высоты и температуры

Поднятие непосредственно изменяет температуру воздуха, атмосферное давление и доступность кислорода, все из которых влияют на эффективность сгорания. На российском Дальнем Востоке долины и бассейны с более низким уровнем подъёма обычно испытывают более высокие дневные температуры и более низкую относительную влажность, создавая условия, способствующие сушке топлива и быстрому воспламенению. По мере увеличения высоты температура падает, а вегетационный период сокращается, что ограничивает накопление тонких видов топлива, таких как травы и помет кустарников. Однако эта связь не является линейной. Склоны среднего подъёма, часто называемые «тепловым поясом», могут испытывать более экстремальное поведение огня, чем долины ниже или пики выше. Эти склоны получают интенсивное солнечное излучение, проливают холодный воздух ночью, и часто поддерживают плотные стенды сильно воспламеняющихся хвойных пород, таких как лиственница и сосна. Пожары, которые воспламеняются на более низких высотах, могут мчаться в гору в эти зоны среднего склона, где предварительно нагретое топливо и более крутые градиенты объединяются для производства быстр

Склонность к стремлению и скорость распространения огня

Крутота склона, пожалуй, является единственной наиболее важной топографической переменной, влияющей на скорость распространения огня. По мере того, как огонь движется вверх, пламя наклоняется ближе к несгоревшей растительности впереди, предварительно нагревая и сушая эти виды топлива через излучение и конвекцию. Даже скромное увеличение склона может удвоить или утроить скорость распространения по сравнению с плоской местностью. На крутых склонах, распространенных в диапазонах Сихотэ-Алина и Камчатки, не являются необычными, скорости распространения огня могут стать экстремальными, подавляя усилия по подавлению в течение нескольких минут. И наоборот, огонь, движущийся вниз по склону, распространяется медленнее, потому что пламя наклоняется от несгоревшего топлива, уменьшая предварительное нагревание. Пожарные на Дальнем Востоке России должны учитывать эту асимметрию; огонь, который кажется управляемым на вершине хребта, может взорваться по интенсивности, как только он начинает двигаться вниз в крутой дренаж, где сквозняки и эффекты ченнелинга еще больше ускоряют распространение.

Аспект слоупа и влажность топлива

Направление, в котором склон обращен к поверхности, определяет, сколько солнечного излучения он получает, что, в свою очередь, диктует содержание влаги в топливе, загрузку топлива и тип растительности. По всему российскому Дальнему Востоку склоны, обращенные к югу и юго-западу, получают самый прямой солнечный свет, особенно в течение долгих светлых часов бореального лета. Эти склоны теплее раньше весной, сначала теряют снежный покров и высыхают быстрее. Они, как правило, поддерживают более ксерическую (приспособленную к засухе) растительность - пастбища, открытые лиственничные леса и кустарники - которые лечат в начале сезона пожара и легко переносят огонь. Северо- и северо-восточные склоны, напротив, сохраняют снег позже, остаются более холодными и влажными в течение лета и обычно поддерживают более плотные, более мезические леса с более высоким содержанием влаги в топливе. Эти затененные склоны могут действовать как естественные пожары в умеренных условиях, но в течение засухи или при экстремальной пожарной погоде, даже эти влажные склоны могут

Долины, Риджес и Каннелинг ветра

Конфигурация долин и линий хребта производит местные ветровые модели, которые могут резко изменить поведение огня. На российском Дальнем Востоке глубокие речные долины - такие как те из рек Амур, Зея и Лена - действуют как естественные ветровые коридоры. Суточные горные ветры развиваются как наклоны тепла в течение дня, рисуя воздушный наклон и вверх по долине и поворачиваются ночью, когда прохладный воздух стекает вниз по склону в днище долины. Эти предсказуемые ветровые сдвиги могут привести к тому, что огонь распространится вверх по склону во второй половине дня, затем обратное направление в течение ночи, что потенциально может привести к фланговым или даже поддерживающим пожарам, которые станут головными пожарами, когда направление ветра изменяется. Риджлины также могут производить вихри на стороне лии и создавать турбулентные нисходящие потоки на стороне нисходящего ветра, обнаруживая огонь впереди основного фронта. В сложной местности эти топографические эффекты подавляют синоптические ветровые модели, делая прогнозирование поведения огня исключительно трудным без цифровых моделей возвышения с высоким разрешением и местных

Растительность и покрытие земли

Растительность является топливом, которое питает лесные пожары, и физические характеристики этой растительности - ее тип, структура, преемственность, содержание влаги и пространственное расположение - являются основными детерминантами потенциала распространения огня. Российский Дальний Восток охватывает широкий градиент зон растительности, от сибирской тайги на севере, через смешанные хвойно-широколиственные леса на юге, до обширных лугов и кустарников Амурской области и тундры арктического побережья. Каждое сообщество растительности представляет собой отчетливый профиль поведения огня.

Хвойные леса: лиственница, сосна и ель

Доминирующий тип леса на большей части российского Дальнего Востока - это лиственница, состоящая в основном из Larix gmelinii и Larix cajanderi .Larch - лиственная хвойная листва - она опускает свои иглы каждую осень - и ее тонкая, смолистая листва очень легковоспламеняется, когда сухая. Весной, до появления новых игл, лесной пол покрыт сухой, отвержденной травой и прошлогодним игловым пометом, создавая непрерывный тонкий топливный слой, который быстро переносит поверхностный огонь. По мере того, как сезон прогрессирует и листы навеса становятся затененными и влажными, но сосновые масла (низко висящие ветви и подземные кустарники) могут позволить поверхностным огням перейти к кронным огням. Сосновые леса, особенно Pinus sylvestris, стоят на песча

Грассленды и Шрубленды

Поля и кустарники Дальнего Востока России, особенно в Амурской области, равнина Зея-Бурея и степные зоны вдоль китайской границы, являются одними из самых пожароопасных ландшафтов на Земле. В этих экосистемах преобладают высокие травы, такие как Calamagrostis epigejos и ]Miscanthus , наряду с кустарниками, такими как Ledum palustre (Ledum palustre) (Ledum palustre) [[Ledum palustre]] (Ledum palustre] [«Ледум палустра»] (Ledum palustre]) (Ledum palustre] (Ledum palustre]) (Ledum palustre] (Ledum palustre]) (Ledum palustre] (

Преемственность топлива и ландшафтная фрагментация

Преемственность топлива — горизонтальное и вертикальное расположение горючего материала — напрямую определяет, как далеко и как быстро может распространяться огонь. В неповрежденных, отдаленных ландшафтах Дальнего Востока России преемственность топлива часто чрезвычайно высока. Обширные участки лиственничного леса тянутся непрерывно на сотни километров, с небольшим количеством природных пожаров, таких как реки, озера или обнажения пород. Когда эти непрерывные виды топлива высыхают под воздействием погодных систем высокого давления, одно молниеносное воспламенение может привести к пожару, который растет до десятков тысяч гектаров в течение нескольких недель. Однако не все ландшафты равномерно непрерывны. Человеческая инфраструктура — дороги, поселения, сельскохозяйственные поля и лесозаготовки — создает фрагментацию, которая может либо препятствовать, либо ускорять распространение огня. Узкие линейные особенности, такие как лесозаготовки, могут не остановить огонь, и если они ограничены вылеченной травой или лесозаготовками, они могут фактически служить векторами для распространения. И наоборот, большие площади интенсивного сельского хозяйства или водоемов могут выступать в качестве эффективных барьеров, при условии, что пожарная погода не

Динамика влажности топлива

Содержание влаги в топливе является единственным наиболее важным свойством топлива, контролирующим вероятность воспламенения и скорость распространения огня. На российском Дальнем Востоке влажность топлива следует сильной сезонной структуре. В апреле и мае происходит насыщение леса лесом, но по мере того, как лето прогрессирует, и регион попадает под влияние Сибирского высокого, длительные периоды ясного неба, низкой влажности и теплых температур высыхают мелкие виды топлива. Содержание влаги в мертвых тонких видах топлива (травы, помёт, ветки диаметром менее 6 мм) может опускаться ниже 5 процентов по весу во время этих сухих периодов, в этот момент любой источник воспламенения будет производить быстрое распространение. Живое топливо — листва деревьев и кустарников — также высыхает во время засухи, хотя они обычно поддерживают более высокие уровни влаги. Когда влажность живого топлива падает ниже 100 процентов, листва хвойного дерева становится способной поддерживать короновый огонь. Изменение климата удлиняет сезон пожаров на российском Дальнем Востоке, с более ранним таянием снег

Климат и физические особенности

Взаимодействие регионального климата и местных физических особенностей создает специфические условия пожарной погоды, которые приводят к экстремальным пожарным событиям. На российском Дальнем Востоке доминирующим климатическим рисунком является Сибирский высокий, полупостоянный антициклон, который приносит холодные, сухие условия зимой и в некоторые годы сохраняется весной и в начале лета. Когда Сибирский высокий укрепляется и смещается на юг, он блокирует вторжение влажного тихоокеанского воздуха, что приводит к продолжительной засухе. Этот синоптический масштабный рисунок затем модулируется местной топографией для создания условий, которые могут либо подавлять, либо усиливать распространение лесных пожаров.

Преобладающие ветры и топографический ченнелинг

Преобладающее направление ветра на Дальнем Востоке России в сезон пожаров с северо-запада, обусловленное Сибирским максимумом. Эти ветры могут быть сильными и порывистыми, особенно в весенние месяцы, когда градиенты давления крутые. Поскольку эти ветры сталкиваются с горными хребтами, они проходят через низкие проходы и речные долины, ускоряясь в сужениях и создавая зоны интенсивной турбулентности. Ветры в нижнем направлении крупных хребтов, таких как Верхоянский хребет, могут развиваться на стороне лии, нагреваясь и высыхая, когда они спускаются в долины. Эти ветры могут быстро снижать относительную влажность до менее 10 процентов, создавая условия, которые поддерживают устойчивый рост пожара. Прогнозирование этих топографических эффектов ветра требует моделирования высокого разрешения, которого не хватает многим местным метеорологическим службам, делая прогнозирование поведения огня в сложной местности по своей природе неопределенным.

Сезонные и дневные модели

Огневая активность на Дальнем Востоке России следует за отчетливым суточным циклом, который сильно формируется рельефом. Огонь обычно достигает пиков в начале и середине дня, когда солнечное отопление наибольшее, относительная влажность самая низкая, а ветры на верхушке самые сильные. По мере захода солнца температура падает, влажность восстанавливается, а в течение этого ночного периода скорость распространения огня снижается, а восстановление относительной влажности может даже погасить пожары, горящие в легких топливах. Однако в глубоких долинах и на крутых склонах это суточное восстановление может быть неполным. Значительный рост пожара часто происходит в конце дня и ранние вечерние часы в этих топографических условиях, а большие плюмовые пожары могут создавать свои собственные ветры, которые полностью перекрывают суточную картину.

Зажигание молнии и климатический градиент

Распределение молниеносных возгораний по российскому Дальнему Востоку само контролируется физическими особенностями. Высоковысотная местность и открытые гребни с большей вероятностью будут испытывать сухие удары молнии — молнии без сопутствующих осадков — потому что штормы, которые формируются над горными районами, часто имеют высокие облачные основания, которые позволяют дождю испаряться до достижения земли. Северные и центральные районы российского Дальнего Востока, особенно в Республике Саха и Магаданской области, получают значительную долю своих ежегодных возгораний от молний. В этих отдаленных районах, где ресурсы обнаружения и подавления чрезвычайно ограничены, взаимодействие частоты молнии, состояния топлива и топографии определяет размер и тяжесть возникающих пожаров. По мере потепления климата ожидается увеличение частоты молниеносных возгораний, особенно в более высоких широтах, распространяя пожарный режим на районы, которые исторически испытывали редкое горение.

Почвенные и субстратные эффекты

Подстилающая почва и субстрат оказывают важное влияние на распространение лесных пожаров, которые часто упускаются из виду в пользу более заметных факторов, таких как растительность и погода.На Дальнем Востоке России, где распространены вечная мерзлота и органические почвы (торф), физические свойства грунта могут значительно влиять как на поведение огня, так и на его последствия.

Вечная мерзлота и дренаж

Вечная мерзлота выступает в качестве барьера для вертикального дренажа воды, сохраняя верхние слои почвы насыщенными во время весеннего таяния и начала лета. Эта высокая влажность почвы поддерживает пышный рост мхов, осадков и кустарников, которые могут нести поверхностный огонь. Однако по мере того, как сезон пожаров прогрессирует, и активный слой (верхний слой почвы, который оттаивает каждое лето) углубляется, эти органические поверхностные топлива высыхают, особенно на хорошо дренированных склонах, обращенных к югу. После того, как сухие, органические почвы - торф и душ - могут гореть медленно и глубоко, тлея в течение недель или даже месяцев. Тлеющее горение в органических почвах, как известно, трудно обнаружить и подавить, и это может возродить поверхностные пожары в последующие сухие периоды. На российском Дальнем Востоке торфяные пожары в районах вечной мерзлоты Саха и Чукотка являются растущей проблемой, поскольку они выделяют древние запасы углерода, которые были заморож

Текстура почвы и свойства топливной кровати

Текстура почвы влияет на тип и продуктивность растительности, что в свою очередь влияет на загрузку топлива.Сэнди, хорошо дренированные почвы в Амурской области поддерживают сухие, открытые леса с травяным подлеском, который быстро высыхает и легко переносит огонь. Богатые глиной почвы, напротив, дольше сохраняют влагу, поддерживая более плотные леса влажным подлеском, менее восприимчивым к огню. Подложка также влияет на глубину дна и помета. На скалистых, неглубоких почвах топливные пласты тонкие и прерывистые, что может ограничивать распространение огня. На глубоких органических почвах топливные пласты могут быть 30 сантиметров или более толстыми, обеспечивая достаточное топливо для устойчивого горения даже в умеренных условиях.

Водяные тела и пожары

В то время как российский Дальний Восток содержит некоторые из крупнейших рек и озер в мире - Лена, Амур, Енисей и Байкал - роль водных объектов как огненных разрывов более тонкая, чем может показаться. Большие реки могут остановить распространение огня, но они редко делают это надежно. Во время экстремального поведения огня пожары могут легко обнаружить через реки шириной в несколько сотен метров, особенно когда они движутся сильными ветрами и огонь горит в непрерывном хвойном пологе. Кроме того, речные долины часто поддерживают плотную прибрежную растительность - ивы, ольхи и высокие травы - которые могут быть очень легковоспламеняющимися при сухости, создавая непрерывный топливный мост через водоток. Озера и водохранилища являются более эффективными барьерами, особенно если они имеют минимальную береговую растительность, но их распределение по ландшафту является патчным. В обширных межфлювных зонах между крупными реками есть длинные участки без значительных водоемов, позволяя пожарам расти беспрепятственно.

Модифицированные человеком физические особенности

Деятельность человека все больше видоизменяла физические особенности ландшафта на Дальнем Востоке России, что имело значительные последствия для распространения лесных пожаров. Дороги, железные дороги, линии электропередач и трубопроводы создают линейные расчистки, которые могут служить как пожарными разломами, так и пожарными коридорами, в зависимости от управления. Сельскохозяйственные поля, особенно крупномасштабные зерновые и соевые поля Амурской области, создают обширные площади однородного топлива, которое быстро лечится после сбора урожая и может быстро нести огонь. Однако эти поля также выступают в качестве барьеров для распространения лесных пожаров, если они не содержат древесной растительности. Расширение лесозаготовительных и горных работ увеличило фрагментацию лесов, что может уменьшить распространение огня в больших масштабах, но может увеличить краевые эффекты и загрузку топлива в непосредственной близости от операций. Поселения и инфраструктура также вводят новые источники возгорания, особенно весной, когда жители сжигают траву и мусор, и эти человеческие пожары часто начинаются в ландшафтных особенностях, которые наиболее благоприятны для распространения, таких как склоны, выходящие на юг, долинные полы и с

Региональные тематические исследования

Сезон пожаров 2021 года в Республике Саха даёт наглядную иллюстрацию того, как физические особенности взаимодействуют для создания экстремального пожарного поведения.В течение июня и июля того же года упорная блокирующая система высокого давления создавала рекордные температуры и засуху по всей северо-восточной Сибири.Пожжи, воспламеняемые молниями в отдалённых нагорьях Верхоянского хребта, быстро распространялись по склонам в долинах рек Лена и Алдан, где они сталкивались с непрерывными лиственничными лесами с крайне низкой влажностью топлива.Сочетание крутого рельефа, сильных нисходящих ветров и непрерывных топливных пластов производило пожарное поведение, которое переполняло все усилия по подавлению.К концу сезона сгорело более 8 млн га, а дым от этих пожаров достиг Северного полюса впервые в истории наблюдений. Анализ спутниковых снимков этого события показывает, что крупнейшие пожары почти исключительно располагались на южных склонах и хребтовых позициях, подтверждая доминирующую роль топографии в контроле распространения огня в региональных масштабах.

Другой поучительный пример — Амурская область, где в пожарный сезон 2019 года наблюдалось обширное горение на лугах и смешанных лесах вдоль китайской границы. Здесь доминирующей физической особенностью, контролирующей распространение, была плоская к мягко прокатывающейся топографии равнины Зея-Бурея, которая позволяла пожарам беспрепятственно распространяться на десятки километров в любом направлении. Отсутствие топографического рельефа означало, что направление ветра и скорость были основными элементами управления огневым поведением, а непрерывное топливное ложе травы позволяло скорость распространения 30 километров в час или более при умеренных ветрах. Эти пожары неоднократно пересекали реку Амур в Китай, демонстрируя ограниченную способность даже крупной реки остановить распространение огня при выравнивании топлива и погодных условий.

Последствия управления

Понимание физических особенностей, которые контролируют распространение лесных пожаров, имеет прямые и практические последствия для управления пожарами на Дальнем Востоке России. Во-первых, оно информирует стратегическое управление топливом. Ресурсы для обработки топлива - предписанное сжигание, механическое истончение и строительство пожароопасных сооружений - чрезвычайно ограничены в этом обширном регионе. Деньги и усилия должны быть сосредоточены в местах, где взаимодействие топографии, растительности и погоды создает наибольшую опасность. Это включает в себя склоны на юге, прилегающие к поселениям, долинные доны с непрерывным травяным и кустарниковым топливом, и стороны липов крупных линий хребта, где сильные ветры на склоне. Во-вторых, это направляет тактику подавления. Пожарные должны быть обучены читать ландшафт и предвидеть, как пожар будет меняться при движении огня от одного типа местности к другому. Пожар, горящий на равнинных лугах, может быть доступен с методами прямой атаки, но тот же огонь, движущийся на крутом, южном склоне в непрерывном хвойном лесу, требует совершенно другой стратегии, обычно косвенной атаки

Наконец, понимание физических особенностей имеет важное значение для прогнозирования того, как пожарные режимы будут реагировать на изменение климата. По мере повышения температуры, таяния снега происходит раньше, а летняя засуха становится более частым и тяжелым, относительная важность топографического контроля за распространением огня может измениться. Некоторые районы, которые исторически были слишком влажными для сжигания - северные склоны, высокогорные участки и богатые вечной мерзлотой долины - могут стать более восприимчивыми к огню, расширяя область риска. И наоборот, районы, которые уже часто горят, могут стать настолько ограниченными топливом после повторных ожогов, что они переходят в нелесное состояние, изменяя режим пожара. Адаптивное управление на российском Дальнем Востоке потребует постоянного мониторинга этих изменений в масштабе ландшафта в сочетании с гибким планированием, которое учитывает постоянное влияние физического шаблона, который регулирует все поведение лесных пожаров.