Исследование последствий сильных шквалов и смерчей в Пермском крае с применением данных ДЗЗ
Шихов А.Н., географический факультет Пермского государственного университета.
Введение
Смерчи и сильные шквалы относятся к числу опасных метеорологических явлений (ОЯ), способных повлечь значительный материальный ущерб. Как и все конвективные явления, смерчи и шквалы имеют локальный характер, и часто не фиксируются наблюдательной сетью, поэтому получение дополнительной объективной информации о них остается весьма актуальным. В первую очередь это касается смерчей (в связи с из малой предсказуемостью и особой разрушительной силой). Каждый подтвержденный факт прохождения смерча в Уральском регионе представляет определенный научный интерес, прежде всего для определения величины риска их возникновения.
За период с 1981 по 2012 гг., в Пермском крае наблюдалось не менее 59 случаев шквалов со скоростью ветра ≥ 24 м/с. Из них 36 случаев были зафиксированы сетью метеостанций и гидропостов. Не менее 23 случаев шквалов, нанесших материальный ущерб, не были отмечены наблюдательной сетью. Кроме того, подтверждено не менее трех случаев смерчей, которые нанесли ущерб, но также не были зафиксированы метеостанциями.
- 29.06.1993 г. в Большесосновском районе прошел смерч со скоростью ветра 31 м/с (по косвенным оценкам). В результаты были повреждены крыши домов, линии связи и электропередач, десятки га леса. 4 человека получили травмы.
- 24.05.2007 г. смерч (со скоростью ветра 31-33 м/с) наблюдался в с. Русский Сарс. Были частично разрушены кровли административных зданий и жилых домов, ущерб составил 494 т.р.
- 30.08.2008 г. смерч прошел через дачный кооператив Алешиха в Краснокамском районе края, факт смерча подтвержден видеозаписью очевидцев. В результате были повреждены дачные домики, отключалась электроэнергия, повалены деревья и опоры ЛЭП, повален лес на площади 60 га.
Одним из основных видов ущерба от шквалов и смерчей в лесной зоне Европейской России и Урала, являются массовые ветровалы, ущерб от которых часто превышает ущерб от лесных пожаров. Ниже в таблице 1 приведены данные о нескольких случаях шквалов и смерчей на Европейской территории России в период 2007-2012 г., в результате которых был нанесен ущерб лесным ресурсам. Исходя из этих данных, можно утверждать, что массовые сплошные ветровалы на больших площадях обычно связаны с особо сильными шквалами ≥ 28 м/с, или со смерчами.
Дата ОЯ | Место наблюдения ОЯ | Характеричтика ОЯ | Данные о ветровалах |
01.06.2007 г. | Башкортостан (Бирский, Дюртюлинский районы) | Шквал 30 м/с (МС Бирск), смерч | Площадь ветровала 8 тыс. га |
13.06.2010 г. | Костромская, Ивановская области | Шквалы ≥28 м/с | Площадь ветровала 4,9 тыс. га |
27.06.2010 г. | Костромская, Ярославская области | Шквалы 25-32 м/с (МС Нюксеница) | Длина ветровала 280 км, ширина до 30-40 км |
30.07.2010 г. | Приозерский район Ленинградской области | Шквал 30 м/с (МС Сосново) | Площадь ветровала 50 тыс. га |
18.07.2012 г. | Пермский край | Шквалы 24-28 м/с | Площадь ветровала более 8 тыс. га |
Таблица 1. Некоторые случаи сильных шквалов, приведших к массовым ветровалам в лесах Европейской России
Ветровалы (прежде всего сплошные) эффективно дешифрируются по разновременным космическим снимкам среднего и высокого разрешения [9, 13, 14]. Таким образом, существует возможность применения данных ДЗЗ в качестве источника актуальной и достоверной информации для выявления случаев прохождения смерчей и сильных шквалов, и оценки их повторяемости в регионах с высокой залесенностью.
В данной работе рассмотрены методы и представлены предварительные результаты выявления и анализа случаев сильных шквалов и смерчей на территории Пермского края, в период с 2001 по 2012 гг., выполненного на основе дешифрирования участков массовых ветровалов по данным ДЗЗ.
Методы дешифрирования
Целью данного исследования было выявление массовых ветровалов, связанных с прохождением сильных шквалов и смерчей на территории Пермского края в период с 2001 по 2012 гг., по данным ДЗЗ среднего и высокого разрешения; определение дат шквалов и смерчей; анализ выявленных случаев.
В качестве исходных данных использованы космические снимки LANDSAT-5 TM и LANDSAT-7 ETM+ за период с 1999 по 2012 гг.; а также снимки высокого разрешения SPOT-4 и SPOT-5 за 2011-2012 гг. На основе снимков LANDSAT было выполнено выявление участков массовых сплошных ветровалов. Данные высокого разрешения использованы для уточнения контуров и пространственной структуры ветровалов, для верификации результатов дешифрирования снимков LANDSAT.
Выбор исходных данных и методов дешифрирования должен выполняться с учетом специфики решаемой задачи: для оперативного выявления крупных повреждений достаточно данных LANDSAT или UK-DMC2, для мониторинга ограниченной площади особо ценных лесов, с выявлением мелких контуров повреждений, может возникнуть необходимость заказа снимков сверхвысокого разрешения [1]. В данном случае необходимость выполнения анализа за 10-ти летний период времени предопределяет выбор данных среднего разрешения LANDSAT TM/ETM+.
Для дешифрирования были использованы малооблачные снимки LANDSAT TM/ETM+ за периоды 1999-2002 гг., 2006-2007 гг. и 2010-2012 гг. При выявлении ветровалов 2012 года возникли проблемы с получением качественных (безоблачных) данных на ряд участков территории. Дешифрирование ветровалов по снимкам LANDSAT TM/ETM+ проведено с использованием двух методик:
- Пороговая методика на основе разности коротковолнового вегетационного индекса, с предварительным созданием маски леса. Данная методика имеет высокую эффективность при сопоставлении разновременных снимков, с временным интервалом съемки не более 5 лет. Эффективность методики обусловлена тем, что при повреждении растительности, наряду со снижением фотосинтеза и уменьшением отражения в ближней инфракрасной (ИК) области спектра, происходит значительный рост отражательной способности в среднем ИК канале, связанный с уменьшением содержания влаги в листьях (хвое). Индекс SWVI рассчитывается по формуле: SWVI = (NIR-SWIR) / (NIR+SWIR). Где NIR – спектральная яркость в ближней ИК зоне, SWIR – спектральная яркость в коротковолновой ИК зоне. Для выявления ветровалов использовался пороговый критерий разности индекса SWVI (ΔSWVI), равный 1,5 стандартных отклонений. Предварительно с помощью неуправляемой классификации IZODATA создавалась маска лесов. Полученные результаты подвергались фильтрации по минимальному значению площади (0,5 га), и автоматически векторизовались.
- Создание мультивременных композитов из ближнего и среднего ИК каналов разновременных снимков, с последующей неуправляемой классификацией, и выделением классов изменений. Данная методика в ряде случаев дает менее надежные результаты (возможен пропуск объектов), однако она более эффективна для снимков с разностью в дате съемки более 5 лет, так как обеспечивает выявление изменений вне зависимости от их давности.
Предварительно, вышеописанные методики были протестированы для участка, на котором факт наличия массовых ветровалов был известен априорно. В качестве такого участка рассмотрена территория Бирского и Дюртюлинского районов Башкортостана, где 1 июня 2007 г. прошел сильный шквал (30 м/с по данным метеостанции Бирск), в результате которого были повреждены тысячи гектаров леса. Использованы снимки LANDSAT за июль 2006 и август 2007 г. На данном примере установлено, что методика, основанная на классификации мультивременных композитов, позволяет качественно выявлять только сплошные ветровалы, а по разности индекса SWVI удается определить также участки несплошного повреждения (имеющие значительную площадь). Пример применения методики выделения ветровалов по разности индекса SWVI приведен на рис. 1.
Полученные в результате автоматизированного дешифрирования векторные контуры классов изменений включают вырубки, гари, ветровалы, и некоторое количество ложных объектов (соответствующих, как правило, нелесным участкам). Для определения причины повреждения, отделения ветровалов от других нарушений (вырубок, пожаров), спектральных признаков недостаточно. Необходимо учитывать геометрическую форму и текстуру объекта. Отделение ветровалов от вырубок и гарей выполнялось вручную, по характерным признакам. Таким характерным признаком ветровалов является значительная протяженность и отсутствия прямых углов (типичных для вырубок). Длина полосы ветровала, как правило, превышает ширину в 3-10 раз (у ветровалов связанных со шквалами), или в 20-50 раз (у ветровалов, связанных со смерчами).
Рис. 1. Применение индекса ΔSWVI для выявления ветровала
.
Для верификации результатов и уточнения контуров ветровалов использованы панхроматические снимки SPOT-5 (пространственное разрешение 2,5 м), а также данные SPOT-4 (пространственное разрешение 10 и 20 м) за 2011 и 2012 гг. По снимкам высокого разрешения также была определена степень повреждения растительности на ветровалах.
Визуальный анализ снимков высокого разрешения позволяет (с определенной долей вероятности) установить, с каким опасным явлением (шквалом или смерчем), связано появление ветровала. Смерчевые ветровалы характеризуются рядом отличительных черт, которые перечислены ниже, и проиллюстрированы на рис. 2.
- Длина ветровала L обычно превышает максимальную ширину M более чем в 15-20 раз.
- Преобладает сплошной характер повреждения растительности.
- Полоса повреждений растительности в начальной части вектора ветровала, как правило, расширяется, фрагментарное повреждение переходит в сплошное. В конечной части вектора ветровала снова появляются участки фрагментарных повреждений.
- Направление вектора смерчевого ветровала может изменяться (в пределах 15-20°), в связи с изменением траектории движения смерча.
Для ветровалов, связанных со шквалами типично сочетание нескольких крупных и большого числа мелких контуров повреждения растительности, мозаичность (особенно в зоне ослабления шквала). Крупные участки сплошного ветровала чаще расположены в его начальной части.
Рис. 2. Ветровал на территории Гайнского района, связанный с прохождением смерча 07.06.2009 г.
.
Результаты и их обсуждение
Всего на территории Пермского края и в сопредельных районах Республики Коми выявлено 16 участков массовых ветровалов (произошедших в период с 2001 по 2012 гг.) на общей площади более 11,5 тыс. га. Из них 5 участков связаны с сильным шквалом 18 июля 2012 г., и 6 – со смерчами и шквалами 7 июня 2009 г. Пространственное распределение участков массовых ветровалов показано на рисунке 3. В таблице 2 приведены основные геометрические характеристики участков ветровалов. Большинство участков массовых сплошных ветровалов расположены в северных районах Пермского края, где сохранились значительные площади спелых и перестойных хвойных лесов, подверженных вывалу при сильных ветрах.
Значительный интерес представляет определение даты, когда наблюдались сильные шквалы и смерчи, приведшие к образованию ветровалов. Однако в ряде случаев определить дату опасного явления не представляется возможным, по причине локального характера шквалов и смерчей, и низкой плотности населения. С использованием космических снимков LANDSAT TM/ETM+ для каждого случая ветровала был установлен временной диапазон его появления (с точностью от нескольких дней до нескольких месяцев). Был выполнен анализ данных наземных метеорологических наблюдений, сведений об ОЯ и нанесенном ими ущербе, данных МРЛ, за определенные периоды времени. По результатам такого анализа были установлены даты большинства ветровалов, а также подтверждены факты прохождения смерчей в Пермском крае 07.06.2009 г. и 30.08.2008 г.
Район обнаружения ветровала | Дата ОЯ | Тип ОЯ | Площадь ветровала, га | Длина ветровала, км | Наибольшая ширина, км | Площадь самого крупного участка, га | Направление, град |
---|---|---|---|---|---|---|---|
Косинский | 18.07.2012 г. | Шквал | 770 | 18 | 5,5 | 71 | 360 |
Красновишерский, Чердынский | 18.07.2012 г. | Шквал | 2622 | 47 | 17 | 148 | 10 |
Кочевский, Юрлинский | 18.07.2012 г. | Шквал | 3374 | 85 | 19 | 133 | 350 |
Гайнский | 18.07.2012 г. | Шквал | 907 | 20 | 11,5 | 45 | 345 |
Юрлинский | 07.06.2009 г. | Смерч | 141 | 14 | 0,3 | 30 | 25 |
Краснокамский | 30.08.2008 г. | Смерч | 60 | 5 | 0,2 | 41 | 70 |
Чердынский, вблизи пос. Чепечанка | От 29.08.2005 до 20.06.2006 г. | Смерч | 126 | 14 | 0,25 | 108 | 60 |
Красновишерский, вблизи пос. Вая | 18.07.2012 г. | Шквал | 594 | 18 | 6,5 | 123 | 25 |
Республика Коми | 07.06.2009 г. | Смерч | 593 | 20 | 0,7 | 446 | 30 |
Республика Коми | 07.06.2009 г. | Смерч | 445 | 18 | 0,6 | 286 | 30 |
Гайнский, 10 км к ЮВ от пос. Лель | 07.06.2009 г. | Смерч | 124 | 8 | 0,3 | 78 | 15 |
Гайнский | 07.06.2009 г. | Смерч | 1263 | 42 | 0,6 | 178 | 30 |
Гайнский | От 30.04.2005 до 20.06.2006 г. | Шквал | 117 | 5 | 0,6 | 80 | 25 |
Горнозаводский, заповедник "Басеги" | 09.08.2003 г. | Шквал | 449 | 13,7 | 0,9 | 385 | 40 |
Гайнский, 2 км к СВ от пос. Лель | 07.06.2009 г. | Шквал | 51 | 3,5 | 0,3 | 18 | 20 |
Гайнский, 25 км к СВ от пос. Керосс | От 08.08.2004 до 26.07.2005 | Смерч | 227 | 16 | 0,3 | 51 | 20 |
Табл. 2. Геометрические характеристики участков массовых ветровалов, выявленных по разновременным космическим снимкам
Рис. 3. Пространственное распределение участков массовых сплошных ветровалов на территории Предуралья, выявленных за период 2001-2012 гг.
.
При сопоставлении данных о сильных шквалах и смерчах, наблюдавшихся в Пермском крае в период с 2001 по 2012 гг., с полученными данными о расположении ветровалов, установлено, что в большинстве случаев шквалы на территории края не приводят к массовому повреждению лесных массивов. Однако при выполнении подобного сопоставления необходимо учитывать низкую залесенность южных и западных районов края, а также отсутствие на данной территории крупных массивов спелых и перестойных хвойных насаждений. В результате ветровалы в этих районах могут не наблюдаться даже при прохождении особо сильных шквалов.
Выводы
В результате проведенного исследования выявлены участки массовых сплошных ветровалов на территории Пермского края и сопредельных районов Республики Коми, среди которых 8 участков, вероятно, связаны с прохождением смерчей. Выполнено сопоставление полученных данных о ветровалах с данными об опасных явлениях погоды. Установлено, что в большинстве случаев локальные сильные шквалы, наблюдающиеся на территории Пермского края, не приводят к массовым ветровалам в лесах. Подтверждены случаи смерчей в Пермском крае 07.06.2009 г, и 30.08.2008 г.
Описание слоя ветровалов, выявленных на территории Пермского края
Формат данных: ESRI SHAPE
Система координат: географическая, WGS1984 Описание структуры атрибутивных данных
Название поля | Содержание |
---|---|
Scene1 | Идентификатор снимка, использованного при сопоставлении, на котором данный объект отсутствует |
Scene2 | Идентификатор сцены Landsat, по которой выявлен данный объект |
DATA_SPOT4 | Дата снимка SPOT4, использованного для анализа |
DATA_SPOT5 | Дата снимка SPOT5, использованного для анализа |
Phen_type | Дата смерча или шквала, с которым связано появление ветровала |
Phen_Type | Тип явления (шквал или смерч) |
Литература
1. Крылов А.М., Владимирова Н.А. Дистанционный мониторинг состояния лесов по данным космический съемки // Геоматика, 2011, № 3. С. 53-58.