Способ определения риска загрязнения воздушного бассейна москвы продуктами горения, образующимися при торфяных пожарах
Владельцы патента RU 2716582:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова Российской академии наук" (RU)
Изобретение относится к области способов определения риска природных катастроф, связанных с широкомасштабными погодно-климатическими аномалиями, и предназначено для определения риска загрязнения воздушного бассейна Москвы продуктами горения, образующимися при торфяных пожарах. Способ состоит в том, что по метеорологическим данным, без создания специализированной сети наблюдений, определяется доля площади торфяных болот на территории, окружающей Москву (с 54-й по 58-ю широту и с 32-й по 42-ю долготу), где из-за снижения влажности торфа возникают условия для его возгорания, и затем уровень риска загрязнения воздушного бассейна Москвы определяется как высокий, если больше 75% болот находятся в пожароопасном состоянии, как выше среднего, если более 50-75% болот находятся в пожароопасном состоянии, как ниже среднего, если более 25-50% болот находятся в пожароопасном состоянии, и как низкий, если менее 25% болот находятся в пожароопасном состоянии. 1 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Предлагаемое изобретение относится к области способов определения риска природных катастроф, связанных с широкомасштабными погодно-климатическими аномалиями, конкретнее, к способам определения риска опасных природных явлений значительного масштаба, в результате которых может возникать угроза жизни и здоровью людей. К опасным природным явлениям такого рода относятся торфяные пожары. При торфяных пожарах в течение длительного периода времени в атмосферу выбрасывается большое количество загрязняющих веществ, неблагоприятно воздействующих на здоровье людей, [1-3], которые могут переноситься на большие расстояния [4] и создавать угрозу для здоровья жителей городов. Проблема определения риска загрязнения воздушного бассейна продуктами горения, образующимися при торфяных пожарах, особенно острой является для Москвы: во-первых, из-за заболоченности территории, окружающей Москву, а во-вторых, из-за большого количества людей, здоровье которых окажется под угрозой при неблагоприятном сочетании метеорологических условий.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известные технические решения, предлагаемые для обнаружения ситуаций, дальнейшее развитие которых может привести к возникновению торфяного пожара, предполагают создание сети наблюдений. В комплексной системе мониторинга и защиты торфяников от возгорания, защищенной в 2011 году патентом на полезную модель, [5], предлагается покрывать торфяник сетью измерительных скважин с датчиками уровня грунтовых вод и измерительных штанг с датчиками температуры. В способе мониторинга торфяников для защиты от возгорания, защищенном патентом на изобретение в 2017 году, [6], предлагается определять пожарную опасность торфяной залежи «бесконтактно», с помощью квадрокоптеров, на основе измерений температуры и влажности воздуха на двух уровнях высоты. Общим недостатком этих технических решений является неоправданно высокий уровень расходов, связанных с созданием и эксплуатацией сети наблюдений.
Технический результат предлагаемого нами изобретения заключается в определении риска загрязнения воздушного бассейна Москвы продуктами горения, образующимися при торфяных пожарах, без создания специализированной сети наблюдений.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для достижения искомого технического результата нами были учтены следующие обстоятельства, создающие предпосылки для новых технологических решений:
1. Появление в открытом доступе оперативных данных (near-real-time data) о состоянии атмосферы с достаточно высоким пространственным разрешением и глобальным покрытием [7].
2. Публикация в открытой печати метода для расчета доли площади водосбора, где условия увлажнения соответствуют условиям, необходимым для накопления торфяных отложений [8].
Искомый технический результат достигается тем, что доля площади болот, находящихся в пожароопасном состоянии, Iƒ, определяется по метеоданным в период между первым марта текущего года и датой определения пожарной опасности (в дальнейшем именуемый расчетным периодом):
где ƒP,0 - доля площади водосбора, где при нормальных климатических условиях, условия увлажнения соответствуют условиям, необходимым для накопления торфяных отложений; ƒP - доля площади водосбора, где при аномальных климатических условиях, условия увлажнения соответствуют условиям, необходимым для накопления торфяных отложений:
ƒP,0=min[1; max [1-(1-ƒP,0)(WPE0/WPE); 0]]
где WPE0 - избыточное увлажнение при нормальных климатических условиях за расчетный период, определяемое как разность между осадками и испарением:
WPE0=Р0 - 0.7Е0
где Р0 - количество осадков, а Е0 - испаряемость за расчетный период при нормальных климатических условиях, a WPE - избыточное увлажнение при аномальных климатических условиях за расчетный период.
Так как непосредственными причинами торфяных пожаров являются случайные события, такие, как неосторожное обращение с огнем или удар молнии, пожароопасное состояние далеко не всегда заканчивается торфяным пожаром. Тем не менее, есть основания полагать, что чем больше торфяников находятся в пожароопасном состоянии, тем больше вероятность возникновения торфяного пожара на территории, окружающей Москву, и, соответственно, тем выше риск загрязнения воздушного бассейна Москвы продуктами горения, образующимися при торфяных пожарах. Поэтому риск определяется как высокий, если больше 75% болот находятся в пожароопасном состоянии, как выше среднего, если более 50-75% болот находятся в пожароопасном состоянии, как ниже среднего, если более 25-50% болот находятся в пожароопасном состоянии, и как низкий, если менее 25% болот находятся в пожароопасном состоянии.
ВОЗМОЖНОСТЬ РЕАЛИЗАЦИИ
Возможность реализации предлагаемого способа продемонстрирована на исторических данных о среднемесячных значениях температуры воздуха и атмосферных осадков в период 2001-2010 гг., а также в 1992 и 1972 году в клетках географической сетки координат 30-минутного разрешения, а также по данным о доле площади болот в клетках географической сетки координат 6-минутного разрешения. На Фиг. 1 показаны результаты определения риска загрязнения воздушного бассейна Москвы на 1 августа соответствующего года. Заштрихованные столбцы соответствуют тем годам, когда риск загрязнения воздушного бассейна Москвы был определен как высокий. То, что в эти годы наблюдалось заметное задымление воздушного бассейна Москвы [9-10], демонстрирует возможность реализации предлагаемого способа для определения риска загрязнения воздушного бассейна Москвы продуктами горения, образующимися при торфяных пожарах.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Johnston, F.H., Henderson, S.B., Chen, Y., Randerson, J.T., Marlier, M., DeFries, R.S., Kinney, P., Bowman, D.M.J.S., Brauer, M., 2012. Estimated global mortality attributable to smoke from landscape fires. Environ. Health Perspect. 120, 695-701. https://doi.org/10.1289/ehp.1104422
2. Kim, Y.H., Tong, H., Daniels, M., Boykin, E., Krantz, Q.T., McGee, J., Hays, M., Kovalcik, K., Dye, J.A., Gilmour, M.I., 2014. Cardiopulmonary toxicity of peat wildfire particulate matter and the predictive utility of precision cut lung slices. Part. Fibre Toxicol. 11. https://doi.org/10.1186/1743-8977-11-29
3. Rappold, A.G., Stone, S.L., Cascio, W.E., Neas, L.M., Kilaru, V.J., Carraway, M.S., Szykman, J.J., Ising, A., Cleve, W.E., Meredith, J.T., Vaughan-Batten, H., Deyneka, L., Devlin, R.B., 2011. Peat bog wildfire smoke exposure in rural North Carolina is associated with cardiopulmonary emergency department visits assessed through syndromic surveillance. Environ. Health Perspect. 119, 1415-1420. https://doi.org/10.1289/ehp.1003206
4. Golitsyn, G.S., Gorchakov, G.I., Grechko, E.I., Semoutnikova, E.G., Rakitin, V.S., Fokeeva, E.V., Karpov, A.V., Kurbatov, G.A., Baikova, E.S., Safrygina, T.P., 2012. Extreme carbon monoxide pollution of the atmospheric boundary layer in Moscow region in the summer of 2010. Dokl. Earth Sci. 441, 1666-1672. https://doi.org/10.1134/S1028334X11120014
5. Евграфов A.B., Щербаков П.С., Климахин В.Ю. Комплексная система мониторинга и защиты торфяников от возгорания // Официальный бюллетень «Изобретения. Полезные модели», №20, RU 106542 U1 (от 20.07.2011), 2011.
6. Каплан Б.Ю. Способ мониторинга торфяников для защиты от возгорания // Официальный бюллетень «Изобретения. Полезные модели», №20, RU 2625706 C1 (от 18.07.2017), 2017.
7. Eskes H.J. et al. Validation report of the CAMS near-real-time global atmospheric composition service: December 2016 - February 2017 // Copernicus Atmosphere Monitoring Service Report, 2017, CAMS84_2015SC2_D84.1.1.7_2017DJF_v1.pdf
8. Alexandrov, G.A., Brovkin, V.A., Kleinen, T. 2016. The influence of climate on peatland extent in Western Siberia since the Last Glacial Maximum. Scientific Reports, 6:24784, DOI: 10.1038/srep24784 1. [www.nature.com/articles/srep24784]
9. Elansky N.F. et al. Gas composition of the surface air in Moscow during the extreme summer of 2010 // Dokl. Earth Sci. 2011. Vol. 437, №1. P. 357-362.
10. Elansky N.F. et al. Gaseous admixtures in the atmosphere over Moscow during the 2010 summer // Izv. Atmos. Ocean. Phys. 2011. Vol. 47, №6. P. 672-681.
Способ определения риска загрязнения воздушного бассейна Москвы продуктами горения, образующимися при торфяных пожарах, в котором доля площади болот, находящихся в пожароопасном состоянии, определяется по метеоданным в период между первым марта текущего года и датой определения риска, которые подставляются в формулу, выведенную из модели задержанного дренажа, и на основе полученного значения доли площади болот, находящихся в пожароопасном состоянии на территории, окружающей Москву, определяют класс риска (высокий, выше среднего, ниже среднего или низкий) загрязнения воздушного бассейна Москвы продуктами горения, образующимися при торфяных пожарах.
