Мониторинг природных пожаров в Сибири: динамика горимости в современном климате, пространственно-временные закономерности, характеристики и прогнозы

Обобщены результаты более чем 20-летнего периода 
наблюдений за пожарами на территории Сибири спутниковыми средствами. Представлены методы сбора, обработки и калибровки данных о пожарах, получаемых 
дистанционно, геопространственный анализ горимости 
лесов Сибири, технология оценки энергетических характеристик активных зон пожаров, многолетние данные 
и тренды прямых пожарных эмиссий углерода, а также 
прогностические сценарии пожароопасных сезонов и 
динамики пожарных режимов в условиях наблюдаемых 
климатических изменений.

Е. И. Пономарев, В. И. Харук, Е. Г. Швецов

МОНИТОРИНГ ПРИРОДНЫХ  ПОЖАРОВ
В  СИБИРИ: ДИНАМИКА  ГОРИМОСТИ  
В  СОВРЕМЕННОМ  КЛИМАТЕ,
ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ 
ЗАКОНОМЕРНОСТИ,
ХАРАКТЕРИСТИКИ  И  ПРОГНОЗЫ

Е. И. Пономарев, В. И. Харук, Е. Г. Швецов

МОНИТОРИНГ ПРИРОДНЫХ  ПОЖАРОВ В  СИБИРИ: ДИНАМИКА  ГОРИМОСТИ   
В СОВРЕМЕННОМ  КЛИМАТЕ, ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ, 
ХАРАКТЕРИСТИКИ  И  ПРОГНОЗЫ

Оглавление 
 

1 

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
Институт леса им. В. Н. Сукачева  
Сибирского отделения Российской академии наук – 
обособленное подразделение ФИЦ КНЦ СО РАН 
 
 
 
 
 
Е. И. Пономарев, В. И. Харук, Е. Г. Швецов 
 
 
 
МОНИТОРИНГ ПРИРОДНЫХ  ПОЖАРОВ 
В  СИБИРИ: ДИНАМИКА  ГОРИМОСТИ   
В  СОВРЕМЕННОМ  КЛИМАТЕ, 
ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ  
ЗАКОНОМЕРНОСТИ, 
ХАРАКТЕРИСТИКИ  И  ПРОГНОЗЫ 
 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2019 

Оглавление 
 

2 

УДК 614.841.42-047.36(571.1/5) 
ББК 43.488 
        П563 
 
Р е ц е н з е н т ы: 
П. А. Цветков, доктор биологических наук, заведующий лабораторией лесной пирологии ИЛ СО РАН; 
В. А. Иванов, доктор сельскохозяйственных наук, профессор, заведующий кафедрой лесоводства СибГАУ;  
С. В. Верховец, кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник лаборатории лесной пирологии ИЛ СО РАН 
 
 
Пономарев, Е. И. 
П563           Мониторинг природных пожаров в Сибири: динамика горимости в современном климате, пространственно-временные закономерности,  характеристики и прогнозы : монография / Е. И. Пономарев, 
В. И. Харук, Е. Г. Швецов. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2019. – 
220 с. 
ISBN 978-5-7638-4111-4 
 
Обобщены результаты более чем 20-летнего периода наблюдений за пожарами на территории Сибири спутниковыми средствами. Представлены методы сбора, обработки и калибровки данных о пожарах, получаемых дистанционно, геопространственный анализ горимости лесов Сибири, технология оценки 
энергетических характеристик активных зон пожаров, многолетние данные 
и тренды прямых пожарных эмиссий углерода, а также прогностические сценарии пожароопасных сезонов и динамики пожарных режимов в условиях наблюдаемых климатических изменений. 
Предназначена широкому кругу ученых и специалистов в области глобальных изменений биосферы и климата, экологии, мониторинга состояния природных ресурсов и окружающей среды, охраны лесов от пожаров, геоинформатики, 
математического моделирования природных процессов, а также преподавателям, 
аспирантам и студентам биологического, экологического и лесохозяйственного 
направлений. 
 
Рекомендована к изданию ученым советом Института экологии и географии Сибирского федерального университета и ученым советом Федерального исследовательского центра «Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук» 
 
Электронный вариант издания см.: 
http://catalog.sfu-kras.ru 
УДК 614.841.42-047.36(571.1/5) 
ББК 43.488  
 
ISBN 978-5-7638-4111-4                                                           © Сибирский федеральный  
                                                                                                         университет, 2019 

Оглавление 
 

3 

 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ПРЕДИСЛОВИЕ .................................................................................................. 5 
 
ВВЕДЕНИЕ .......................................................................................................... 8 
 
Г л а в а  1.  ДИСТАНЦИОННЫЕ  ДАННЫЕ   
                     В МОНИТОРИНГЕ  ПОЖАРОВ  В  СИБИРИ   
                      НА  РУБЕЖЕ  КОНЦА  XX – начала XXI века ....................... 12 
1.1. Развитие системы спутникового мониторинга ................. 12 
1.2. Зона ответственности  
       системы спутникового мониторинга ................................. 17 
1.3. Характеристики пожаров в базе данных ........................... 21 
 
Г л а в а  2.  ВАЛИДАЦИЯ  ДАННЫХ  ДИСТАНЦИОННОГО  
                     МОНИТОРИНГА  ПРИРОДНЫХ  ПОЖАРОВ ........................ 37 
2.1. Вероятностный алгоритм обнаружения пожаров ............. 37 
2.2. Детектирование активной зоны пожара ............................ 52 
2.3. Обработка результатов детектирования пожаров ............ 63 
2.4. Геометрическое преобразование полигонов пожаров ..... 68 
2.5. Валидация данных о площадях пожаров ........................... 69 
 
Г л а в а  3.  ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННАЯ  ГОРИМОСТЬ  
                     ЛИСТВЕННИЧНИКОВ  ЦЕНТРАЛЬНОЙ  СИБИРИ ............. 76 
3.1. Лиственничные леса Сибири .............................................. 76 
3.2. Район исследований и данных о пожарах ......................... 78 
3.3. Пространственно-временные закономерности  
       горимости лиственничников Сибири ................................ 81  
 
Г л а в а  4.  ДИНАМИКА  И  ТРЕНДЫ  МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ  
                     АНОМАЛИЙ  И  ГОРИМОСТЬ  ЛЕСОВ  СИБИРИ ................ 89 
4.1. Пожары в меняющемся климате ........................................ 89 
4.2. Регион и исходные данные о пожарах ............................... 90 
4.3. Тренды метеорологических показателях .......................... 93 
4.4. Связь метеорологических показателей  
       и горимости .......................................................................... 98 
 

Оглавление 
 

4 

Г л а в а  5.  ПОЖАРЫ  В  АЛТАЕ-САЯНСКОМ  РЕГИОНЕ:  
                     ЛАНДШАФТНО-ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ  
                      ПРИУРОЧЕННОСТЬ ................................................................ 104 
5.1. Особенности пожарных режимов  
        в Алтае-Саянском регионе ............................................... 104 
5.2. Характеристика Алтае-Саянского региона ..................... 106 
5.3. Характеристика горимости региона ................................ 109 
5.4. Нелесные пожары АСР и юга Сибири ............................. 119 
 
Г л а в а  6.  ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ  ХАРАКТЕРИСТИКИ  ПОЖАРОВ  
                     В  ЛЕСАХ  СИБИРИ  И  МЕТОДЫ   
                      ИХ  ДИСТАНЦИОННОЙ  РЕГИСТРАЦИИ ......................... 126 
6.1. Дистанционная регистрация  
       мощности теплоизлучения ................................................ 126 
6.2. Оценка степени нарушенности растительности ............. 134 
6.3. Критерии классификации пожара  
       экстремальной интенсивности ......................................... 137 
6.4. Учет интенсивности при оценки пожарных эмиссий .... 143 
6.5. Прямые пожарные эмиссии в Сибири ............................. 148 
 
Г л а в а  7.  ПРОГНОСТИЧЕСКИЕ  СЦЕНАРИИ  РАЗВИТИЯ  
                    ПОЖАРООПАСНОЙ  ОБСТАНОВКИ  
                      В  ОТДЕЛЬНЫХ  РЕГИОНАХ  СИБИРИ .............................. 159 
7.1. Обусловленность динамики пожаров в Сибири ............. 159 
7.2. Анализ повторяемости пожаров в лесах Сибири ........... 161 
 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ  .............................................................................................. 177 
 
СПИСОК  СОКРАЩЕНИЙ ............................................................................ 179 
 
СПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ .............................................................................. 182 
 
ПРИЛОЖЕНИЕ ............................................................................................... 199

Предисловие 
 

5 

 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
 
В настоящей монографии «Мониторинг природных пожаров в Сибири: 
динамика горимости в современном климате, пространственно-временные 
закономерности,  характеристики и прогнозы» авторы обобщили результаты более чем 20-летнего периода инструментальных наблюдений пожаров 
на территории Сибири. В основе лежит информация, полученная при тематической обработке данных спутниковых съемок NOAA/AVHRR за период 
1995–2007 гг. и Terra/MODIS – 2007–2018 гг. Многолетние сведения о параметрах пожаров были представлены в формате геоинформационного 
банка данных. Весь комплекс работ выполнен в Институте леса им. В. Н. Сукачева СО РАН – обособленном подразделении Федерального исследовательского центра «Красноярский научный центр СО РАН». 
В работе представлены результаты обработки спутниковой информации и подходы к тематической интерпретации полученных данных. 
Анализируются следующие аспекты проблемы. 
В главе 1 обсуждаются результаты мониторинга пожаров в Сибири 
спутниковыми средствами, проводимого в Институте леса СО РАН более 
20 лет. Показаны структура и наполнение базы данных пожаров в формате 
векторных полигональных покрытий. Обсуждается классификация пожаров по площадям, в том числе сделан акцент на доли экстремально больших пожаров в общей статистике горимости лесов. 
В главе 2 представлены методы обработки и калибровки данных 
о пожарах, получаемых дистанционно; в частности, обсуждаются разработанные методы геоинформационного анализа и преобразования полигонов 
пожаров, а также регистрируемых площадей пожаров. Количественно показано, что применение разработанного подхода позволяет на 29–42 % 
снижать число ошибок при оценке площадей пожаров на современном 
этапе технологического обеспечения процесса.  
В главе 3 приведены результаты анализа горимости лиственничников Центральной Сибири, выполненного на основе данных спутникового 
мониторинга пожаров и материалов наземных обследований. Дано количественное описание тренда возрастания частоты и площадей пожаров, показана 
значимая корреляционная связь горимости, длительности пожароопасного 
сезона и величины межпожарных интервалов с широтным градиентом инсоляции. 

Предисловие 
 

6 

В главе 4 многолетняя динамика горимости лесов Сибири рассмотрена в ключе наблюдаемых климатических изменений. Для этого дополнительно восстановлен более чем 100-летний ряд значений температурных 
аномалий и аномалий индекса засушливости (SPEI)  для территории Сибири и отдельных регионов. Даны оценки скорости изменения температуры и 
SPEI за последние 20 лет в сравнении с 90-летним периодом (1901–1990). 
Показана значимая корреляционная связь динамики частоты пожаров и горимости лесов Сибири с метеорологическими аномалиями. 
В главе 5 обсуждаются закономерности распределения природных  
пожаров, в том числе лесных и нелесных, в Алтае-Саянском регионе 
с привязкой к границам ландшафтных категорий, природным зонам, высотным поясам и формам профиля рельефа. Результаты позволили актуализировать современное состояние вопроса о горимости региона, основываясь на данных о пожарах с высокой степенью информационноатрибутивного наполнения. 
В главе 6 описаны результаты адаптации методик дистанционной 
оценки мощности теплоизлучения от активной зоны горения применительно к мониторингу пожаров в лесах Сибири. Предложен подход к классификации пожаров по энергетическим характеристикам в различные моменты регистрации активной зоны горения. Разработан критерий оперативного детектирования пожаров экстремально высокой интенсивности 
и/или верховой стадии горения. Показано, что дистанционные оценки 
мощности теплоизлучения согласуются с результатами классификации 
степени пожарного воздействия на участки, пройденные огнем. Впервые 
инструментально зафиксирована доля лесных пожаров Сибири с экстремальными энергетическими параметрами на уровне 5,5  1,2 %. Показано, 
что суммарная площадь лесов, пройденных пожарами высокой интенсивности, включая верховые, составляет не менее 8,5 % от среднегодовой,         
а в отдельные годы (например, 2009, 2010, экстремальный сезон 2012 г.) – 
достигала значений 15–25 %. 
В главе 7 проанализирована повторяемость пожаров в Сибири с использованием кластерной сети. Выявлены зоны, в которых   регулярный 
дефицит влагообеспеченности формирует условия возникновения и повторения экстремальных пожарных режимов. На основе анализа метеорологической информации и восстановленных данных о ПВ-1 предложены четыре типа модельных сценариев динамики пожарной опасности с оценкой 
вероятности их реализации, периодичности повторения и соответствующего уровня горимости на уровне субрегионов Сибири. 
 
Введение, главы 1, 7 написаны Е. И. Пономаревым, главы  3, 4 –              
Е. И. Пономаревым и В. И. Харуком, главы 5, 6 – Е. И. Пономаревым,             

Предисловие 
 

7 

В.  И. Харуком, Е. Г. Швецовым, глава 2 и раздел «Приложение» подготовлены Е. И. Пономаревым и Е. Г. Швецовым.  
Авторы выражают благодарность коллегам из Института леса            
им. В. Н. Сукачева СО РАН: доктору сельскохозяйственных наук Э. Н. Валендику, доктору биологических наук Г. А. Ивановой, доктору сельскохозяйственных наук В. А. Иванову, доктору биологических наук Д. И. Назимовой, доктору биологических наук П. А. Цветкову, кандидату биологических наук М. Л. Двинской, кандидату биологических наук Т. В. Пономаревой, кандидату физико-математических наук К. Ю. Литвинцеву за ценные 
советы, консультации и помощь в анализе, обработке и подготовке материалов, а также студентам и магистрантам Сибирского федерального университета (СФУ) Ю. О. Усатой, А. С. Скоробогатовой, А. Ю. Захаровой, 
Н.Д. Якимову, которые внесли вклад в обработку данных. 
Результаты, представленные в главах 3–5 настоящего издания, были 
получены при финансовой поддержке. Российского научного фонда 
в 2014–2016 гг. (проект № 14-24-00112 «Воздействие изменений климата 
на ареал, породный состав, продуктивность, жизненное состояние и горимость горных лесов Алтае-Саянского региона»), исследования, представленные в главах 6–7, выполнены в 2017–2018 гг. при частичной поддержке 
РФФИ (проект № 18-05-00432); РФФИ, правительства Красноярского края, 
Краевого фонда науки (2017–2018) – проект № 17-41-240475 «Разработка 
математической модели для количественной оценки эмиссии углерода при 
пожарах в лесах Сибири на основе дистанционных инструментальных измерений»; РФФИ в 2017–2019 – проект №  17-04-00589 «Радиометрический метод количественного анализа структурной организации почвы»; 
РФФИ, правительства Красноярского края, Краевого фонда науки в 2018–
2019 – проект № 18-41-242003 «Моделирование и спутниковый мониторинг эффектов от тепловых аномалий подстилающей поверхности в сезонно-талом слое почв криолитозоны Сибири». 
Обработка спутниковых данных и геопространственный анализ пожаров 
Сибири в 2009–2013 гг. выполнялись при поддержке научной программы 
NASA, the Land Cover Land Use Change (LCLUC) № 08-LCLUC08-2-0003. 
В работе по теме использованы технические возможности приемных 
комплексов Центра коллективного пользования и Единого регионального 
центра ДЗ Федерального исследовательского центра «Красноярский научный центр СО РАН» (г. Красноярск), объединяющего комплексы приема 
и обработки спутниковой информации ФИЦ КНЦ СО РАН, МЧС и Сибирского федерального университета. 

Введение 
 

8 

 
ВВЕДЕНИЕ 
 
 
Пожары растительности для России являются одной из наиболее 
опасных и распространенных чрезвычайных ситуаций. Только в азиатской 
части России ежегодно пожарам растительности подвергается территория 
от 5 до 17 млн га (Determining effects..., 2002; AVHRR-derived…, 2004; 
Влияние природных пожаров…, 2011). Нередко последствия от лесных и 
степных пожаров сопровождаются существенным экологическим и материальным ущербом. Так, например, в 2015 г. в Хакасии и Забайкалье произошли массовые лесные и степные пожары, в результате которых пострадали населенные пункты и инфраструктура, имелись человеческие жертвы. 
Природные пожары, кроме прямого ущерба, заключающегося в повреждении или уничтожении лесов, хозяйственных объектов, жилых 
строений, могут косвенно стать источником еще более серьезных техногенных катастроф. Особо возросло понимание угрозы, которую несут в себе природные пожары для объектов такого рода, после ряда событий, происшедших в нашей стране и за рубежом (Нововоронежская АЭС, 2001 г.; 
ядерный комплекс Ханфорд, 2000 г.).  
Природные пожары, в том числе в лесах Сибири, являются одним из 
значимых факторов, влияющих на процессы планетарного масштаба. Начиная с конца XX столетия в циркумбореальной зоне в целом отмечаются 
рост температуры, изменение режима выпадения осадков, увеличение длительности засушливых периодов. Климатические изменения способны 
сыграть роль природного триггера в целом ряде процессов, в том числе 
существенно повлиять на динамику горимости лесов, зоны лесостепи 
и степи. Так, на российские бореальные леса приходится около 25 % глобальной наземной биомассы и, возможно, еще больший процент глобальных наземных запасов углерода (Alexeyev, Birdsey, 1998). Тем не менее 
данных по поведению и последствиям пожаров в этих лесах очень немного, и они часто противоречивы. Последние исследования показывают, что 
воздействие пожаров в бореальных регионах на глобальный баланс углерода сильно недооценивается и что потенциально это воздействие будет 
претерпевать очень значительные изменения в связи с изменениями климата и систем пожароуправления (Global wildland..., 2013; Stocks, Hartley, 
1995). Ожидается также, что  повышение температур в бореальных районах будет значительнее, чем в среднем на планете, и риск увеличения 

Введение 
 

9 

частоты пожаров в связи с изменениями климата в России выше, чем, например, в сходных условиях Канады (A comparison..., 2013; Global 
wildland..., 2013; Швиденко, Щепащенко, 2013). Изменение климата и увеличение частоты пожаров в бореальных лесах вызовет такое возрастание 
чистого СО2, которое приведет к возможности положительной обратной 
связи с глобальными температурами и к значительным последствиям для 
экосистем. Поэтому необходимо более глубокое понимание динамики пожарных процессов и их влияния на процессы, определяющие цикл углерода, 
и на состояние  бореальных лесов. 
В целях минимизации экологических, социальных и экономических 
последствий от природных пожаров необходимо иметь системные знания 
и представления о формировании условий для экстремальных пожарных 
режимов, прогнозировании развития природных пожаров и эмиссии продуктов горения, динамике горимости в условиях меняющегося климата, 
постпирогенной динамике и трансформациях растительных сообществ, 
почв и экосистем, прогностических оценках глобального бюджета углерода, 
природных, техно- и антропогенных факторах формирования рисков и последствий пожаров растительности.  
Сложность решения проблем природных пожаров связана в том числе 
и с трудностями прогнозирования развития природных пожаров ввиду 
сложности и разномасштабности физико-химических процессов, разнообразия растительных горючих материалов (РГМ), влияния метеорологических 
факторов, отсутствия полноты начальных и граничных данных. В частности, 
такая важнейшая задача, как разработка методов численного моделирования пожаров и пожарных рисков, решается не один десяток лет во всем 
мире, но остается актуальной и сегодня. 
Решение данной проблемы возможно только в рамках комплексной 
работы, объединяющей междисциплинарные исследования по ряду направлений: численное математическое моделирование процессов горения 
и развития природных пожаров; проведение и анализ наземных долговременных экспериментов на стационарных пробных площадях (послепожарные участки); изучение пирогенной трансформации гидротермических  
режимов почв и биологических маркеров для территорий, нарушенных 
пожарами; лабораторное моделирование процессов горения растительных 
горючих материалов; получение новых данных о химии и о кинетике процессов, лежащих в основе возникновения и распространения природных 
пожаров; дистанционный мониторинг и геопространственный анализ           
горимости; анализ метеорологических факторов и динамики пожарной 
опасности в современных условиях; моделирование рисков социальных 
и экономических последствий.