Моделирование развития лесных пожаров с учетом пятнистых возгораний
DOI:
https://doi.org/10.37482/0536-1036-2025-5-55-67Ключевые слова:
пятнистые пожары, мониторинг пожароопасности, математическое моделирование, прогнозирование лесных пожаров, социально-экономические риски, экологические риски, конвекция, конвективная турбулентностьАннотация
Лесные пожары ежегодно уничтожают миллионы гектаров леса, нанося урон экосистемам, воздействуя на состояние приземного и пограничного слоев воздуха, обусловливая тем самым существенные экологические риски. Так, лесные пожары 2023 г., охватив площадь 28,6 млн га, стали причиной гибели почти 0,71 % лесных массивов поверхности Земли. В связи с чем прогнозирование параметров развития интенсивных лесных пожаров является актуальной задачей. Современные математические модели, описывающие течение лесных пожаров, не учитывают роль конвективного фактора. Отсутствие возможности принимать во внимание тепловую конвекцию может приводить к существенному искажению моделируемых параметров процесса, препятствуя эффективной защите населения и объектов экономики от огня. Цель исследования – обсуждение возможностей уточнения уравнений математических моделей развития лесных пожаров для разработки мер по снижению социально-экономических рисков для населения. Использованы работы П.М. Матвеева, Н.П. Курбатского, С.В. Пузача, Д.Л. Лайхтмана, А.С. Гаврилова. В числе примененных авторами методов: литературные, аналитико-статистические, аналитико-графические, методы математического моделирования. Обосновано введение параметра турбулентности в уравнение прогностической модели. Показана необходимость дополнения 1-слойной модели уравнениями 2-го слоя, характеризующими развитие пожара в нестационарном приземном слое. Доказана статистическая сходимость результатов расчетов модели, содержащей уточнение по сравнению с классическим уравнением модели Р. Ротермела. Полученные уточненные уравнения модели позволят эффективно рассчитывать параметры пятнистых и интенсивных верховых пожаров в пределах лесных экосистем. Введение коэффициента турбулентности в прогностическое уравнение дало возможность выявить наибольшие отклонения в вычисленных высотах эллипса – предполагаемой формы распространения огня. Уточненное уравнение модели позволит существенно скорректировать размеры данного отрезка эллипса на основе учета развивающихся вертикальных конвективных потоков, способствующих трансформации низового лесного пожара в интенсивный верховой. Дальнейший научный поиск в этом направлении поможет разрабатывать действенные меры по снижению социально-экономических рисков, связанных с лесными пожарами.
Скачивания
Библиографические ссылки
Абаимов А.П., Прокушкин С.Г., Суховольский В.Г., Овчинникова Т.М. Оценка и прогноз послепожарного состояния лиственницы Гмелина на мерзлотных почвах Средней Сибири // Лесоведение. 2004. No 2. С. 3–11. Abaimov A.P., Prokushkin S.G., Sukhovol’skii V.G., Ovchinnikova T.M. Assessment and Forecast of Post-Fire Condition of Gmelin Larch on Permafrost Soils of Central Siberia. Lesovedenie = Russian Journal of Forest Science, 2004, no. 2, pp. 3–11. (In Russ.).
Андреева Е.С., Сергеева Г.А., Богданова И.В. Уточнение модели низового лесного пожара с учетом конвективной турбулентности // Безопасность техногенных и природных систем. 2025. Т. 9, No 1. С. 14–21. Andreeva E.S., Sergeeva G.A., Bogdanova I.V. Refinement of the Ground Forest Fire Model Taking into Account Convective Turbulence. Bezopasnost’ tekhnogennykh i prirodnykh sistem = Safety of Technogenic and Natural Systems, 2025, vol. 9, no. 1, pp. 14–21. (In Russ.). https://doi.org/10.23947/2541-9129-2025-9-1-14-21
Анойкин Р.К. Анализ математических моделей, используемых для прогнозирования низовых лесных пожаров // Технологии гражданской безопасности. 2020. Т. 17, No 2 (64). С. 58–60. Anoikin R.K. Analysis of Mathematical Models Used for Forest Ground Fires Forecasting. Tekhnologii grazhdanskoj bezopasnosti = Civil Security Technology, 2020, vol. 17, no. 2 (64), pp. 58–60. (In Russ.). https://doi.org/10.54234/CST.19968493.2020.17.2.64.10.58
Баровик Д.В., Таранчук В.Б. Алгоритмические основы построения компьютерной модели прогноза распространения лесных пожаров // Вестн. Полоцк. гос. ун-та. Сер. С: Фундаментальн. науки. Информат. 2011. No 12. С. 51–56. Barovik D.V., Taranchuk V.B. Algorithmic Fundamentals of Computer Model for Forest Fires Prediction. Vestnik Polotskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya C: Fundamental’nye nauki. Informatika = Vestnik of Polotsk State University. Part C. Fundamental Sciences, 2011, no. 12, pp. 51–56. (In Russ.).
Будыко М.И. Тепловой баланс земной поверхности. Л.: Гидрометеоиздат, 1956. 255 с. Budyko M.I. Heat Balance of the Earth’s Surface. Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1956. 255 p. (In. Russ.).
Василенко С.В., Гаврилов А.С., Липовицкая И.Н., Мханна А. Метод климатологического анализа вертикальной структуры атмосферного пограничного слоя с использованием численной модели // Уч. зап. Рос. гос. гидрометеорол. ун-та. 2006. No 2. С. 53–64. Vasilenko S.V., Gavrilov A.S., Lipovitskaya I.N., Mkhanna A. A Method of Climatological Analysis of the Vertical Structure of the Atmospheric Boundary Layer Using a Numerical Model. Uchenye zapiski Rossijskogo gosudarstvennogo gidrometeorologicheskogo universiteta = Proceedings of the Russian State Hydrometeorological University, 2006, no. 2, pp. 53–64. (In Russ.).
Возникновение лесных пожаров: сб. ст. / под ред. Н.П. Курбатского. М.: Наука, 1964. 57 с. The Occurrence of Forest Fires: Collection of Articles. Ed. by N.P. Kurbatskij. Moscow, Nauka Publ., 1964. 57 p. (In Russ.).
Гаврилов А.С. О строении пограничного слоя атмосферы над поверхностью с произвольными свойствами шероховатости // Метеорол. и гидрол. 1973. No 12. С. 35–42. Gavrilov A.S. On the Structure of the Atmospheric Boundary Layer above the Surface with Arbitrary Roughness Properties. Meteorologiya i gidrologiya = Russian Meteorology and Hydrology, 1973, no. 12, pp. 35–42. (In Russ.).
Гаврилов А.С., Мханна А., Харченко Е.В. Верификация модели атмосферного пограничного слоя применительно к задачам прогноза загрязнения атмосферы от очагов лесных пожаров // Уч. зап. Рос. гос. гидрометеорол. ун-та. 2013. No 32. С. 119–129. Gavrilov A.S., Mhanna A., Kharchenko E.V. Verification of the Model of Atmospheric Boundary Layer Applied to the Problem Prediction of Air Pollution from Forest Fires. Uchenye zapiski Rossijskogo gosudarstvennogo gidrometeorologicheskogo universiteta = Proceedings of the Russian State Hydrometeorological University, 2013, no. 32, pp. 119–129. (In Russ.).
Гаврилов А.С., Петров Ю.С. Оценка точности определения турбулентных потоков по стандартным гидрометеорологическим измерениям над морем // Метеорол. и гидрол. 1981. No 4. С. 52–59. Gavrilov A.S., Petrov Yu.S. Assessment of the Accuracy of Turbulent Flow Determination Using Standard Hydrometeorological Measurements over the Sea. Meteorologiya i gidrologiya = Russian Meteorology and Hydrology, 1981, no. 4, pp. 52–59. (In Russ.).
Гришин А.М., Пугачева П.В. Анализ действия лесных и степных пожаров на города и поселки и новая детерминированно-вероятностная модель прогноза пожарной опасности в населенных пунктах // Вестн. Томск. гос. ун-та. Математика и механика. 2009. No 3 (7). С. 99–108. Grishin A.M., Pugacheva P.V. Analysis of Impact of Forest and Steppe Fires on Cities and Villages and the New Determinate and Probability Model for Prediction of Fire Dangerous in Villages and Cities. Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo universiteta. Matematika i mekhanika, 2009, no. 3 (7), pp. 99–108. (In Russ.).
Карлин Л.Н., Ванкевич Р.Е., Тумановская С.М., Андреева Е.С., Ефимова Ю.В., Хаймина О.В., Клеванный К.А., Фрумин Г.Т., Еремина Т.Р., Ершова А.А. Гидрометеорологические риски. СПб.: Рос. гос. гидрометеорол. ун-т, 2008. 282 с. Karlin L.N., Vankevich R.E., Tumanovskaya S.M., Andreeva E.S., Efimova Yu.V., Khajmina O.V., Klevannyj K.A., Frumin G.T., Eremina T.R., Ershova A.A. Hydrometeorological Risks. St. Petersburg: Russian State Hydrometeorological University Publ., 2008. 282 p. (In Russ.).
Кулешов А.А., Мышецкая Е.Е. Математическое моделирование лесных пожаров с применением многопроцессорных ЭВМ // Математическое моделирование. 2009. Т. 1, No 5. С. 629–634. Kuleshov A.A., Myshetskaya E.E. Mathematical Simulation of Forest Fires Using Multiprocessor Computers. Matematicheskoe modelirovanie = Mathematical Models and Computer Simulations, 2009, vol. 1, pp. 629–634. https://doi.org/10.1134/S2070048209050093
Кулешов А.А., Мышецкая Е.Е., Якуш С.Е. Моделирование распространения лесных пожаров на основе модифицированной двумерной модели // Математическое моделирование. 2016. Т. 28, No 12. С. 20–32. Kuleshov A.A., Myshetskaya E.E., Yakush S.E. Numerical Simulation of Forest Fire Propagation Based on Modified Two-Dimensional Model. Matematicheskoe modelirovanie = Mathematical Models and Computer Simulations, 2017, vol. 9, pp. 437–447. https://doi.org/10.1134/S207004821704007X
Курбатский Н.П. Пожарная опасность в лесу и ее измерение по местным шкалам // Лесн. пожары и борьба с ними: сб. ст. / под ред. Н.П. Курбатского. М.: АН СССР, 1963. С. 5–30. Kurbatskij N.P. Fire Danger in the Forest and its Measurement on Local Scales. Lesnye pozhary i bor’ba s nimi: Collection of Articles. Ed. by N.P. Kurbatskij. Moscow, the USSR Academy of Sciences Publ., 1963, pp. 5–30. (In Russ.).
Лайхтман Д.Л., Шеметова Г.В. Нестационарный приземный слой. Резкое изменение турбулентного потока тепла // Некоторые вопросы физики атмосферы. Тр. Ленингр. Гидрометеорол. ин-та. 1974. Вып. 49. С. 12–18. Lajkhtman D.L., Shemetova G.V. Unsteady Surface Layer. Abrupt Change in Turbulent Heat Flux. Nekotorye voprosy fiziki atmosfery. Trudy Leningradskogo Gidrometeorologicheskogo instituta, 1974, iss. 49, pp. 12–18. (In Russ.).
Мартынов А.В., Греков В.В., Попова О.В. Комплект средств измерений для экспресс-анализа интумесцентной защиты огнезащиты на строительном объекте // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. 2021. No 3. С. 61–68. Martynov A.V., Grekov V.V., Popova O.V. Measuring Tool Kit for Express Analysis of Intumescent Fire Protection at a Construction Facility. Pozhary i chrezvychajnye situatsii: predotvrashchenie, likvidatsiya = Fires and Emergencies: Prevention, Elimination, 2021, no. 3, pp. 61–68. (In Russ.). https://doi.org/10.25257/FE.2021.3.61-68
Матвеев П.М. Вероятность пятнистых загораний при лесных пожарах // Вопросы лесной пирологии: сб. ст. / под ред. Н.П. Курбатского. Красноярск: Ин-т леса и древесины, 1975. С. 44–65. Matveev P.M. The Probability of Spot Fires during Forest Fires. Voprosy lesnoj pirologii: Collection of Articles. Ed. by N.P. Kurbatski. Krasnoyarsk, Institute of Forest and Wood Publ., 1975, pp. 44–65. (In Russ.).
Меднов А.О., Попова Е.С. Обеспечение пожарной безопасности на основе изучения особенностей развития пожаров и учета применяемых легковоспламеняющихся жидкостей // Тр. Ростов. гос. ун-та путей сообщения. 2017. No 3. С. 82–84. Mednov A.O., Popova E.S. Ensuring Fire Safety Based on Studying the Characteristics of Fire Development and Taking into Account the Flammable Liquids Used. Trudy Rostovskogo gosudarstvennogo universiteta putej soobscheniya, 2017, no. 3, pp. 82–84. (In Russ.).
Пузач С.В., Ле Т.А., Нгуен Т.Х. Пожарная опасность пятнистого возгорания при верховом лесном пожаре для объектов энергетики // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. 2018. No 2. С. 64–70. Puzach S.V., Le T.A., Nguyen T.H. Fire Hazard from Spotting Ignition at Crown Fires for Power Engineering Facilities. Pozhary i chrezvychajnye situatsii: predotvrashchenie, likvidatsiya = Fires and Emergencies: Prevention, Elimination, 2018, no. 2, pp. 64–70. (In Russ.). https://doi.org/10.25257/FE.2018.2.64-70
Софронов М.А., Волокитина А.В. Пирологическое районирование в таежной зоне. Новосибирск: Наука, 1990. 204 с. Sofronov M.A., Volokitina A.V. Pyrological Zoning in the Taiga Zone. Novosibirsk, Nauka Publ., 1990. 204 p. (In Russ.).
Abannikov V.N., Seroukhova O.S., Mkhanna A.I.N., Podgaiskii E.V. Assessing the Impact of Agrometeorological Conditions on the Yield of Grain and Leguminous Crops in European Russia. IOP conference Series: Earth and Environmental Science, 2022, vol. 1010, art. no. 012033. https://doi.org/10.1088/1755-1315/1010/1/012033
Adamyan V.L., Sergeeva G.A., Seferyan L.A., Gorlova N.Yu. Development of Technological Measures to Ensure the Safety of Production Facilities in Petrochemical Industry. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2021, vol. 1083, art. no. 012050. https://doi.org/10.1088/1757-899X/1083/1/012050
Andreeva E.S. The Possibilities of Using the Minimax Method to Diagnose the State of the Atmosphere. Journal of Atmospheric Science Research, 2023, vol. 6, iss. 2, pp. 42–49. https://doi.org/10.30564/jasr.v6i2.5519
Bogdanova I., Dymnikova O., Loskutnikova I. Analysis of the Noise Load from the Manufacturing Enterprise on the Territory of Residential Buildings Based on Complex Mathematical Model. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2020, vol. 1001, art. no. 012119. https://doi.org/10.1088/1757-899X/1001/1/012119
Denisov O., Andreeva E. An Innovative Approach to the Elimination of Combustion Foci at MSW Landfills (on the Example of the Rostov Region). E3S Web of Conferences, 2021, vol. 273, art. no. 04006. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202127304006
Rothermel R.C. A Mathematical Model for Predicting Fire Spread in Wildland Fuels. Ogden, Utah, U.S. Department of Agriculture, Intermountain Forest and Range Experiment Station, 1972, Research Paper INT-115. 40 p.
Загрузки
Опубликован
Как цитировать
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2025 Е.С. Андреева, И.В. Богданова, Г.А. Сергеева (Автор)
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
