Возможности космических технологий при оценке и управлении рисками чрезвычайных ситуаций в Санкт-Петербурге

В.И. Горный, А.В. Киселев, С.Г. Крицук, Г.М. Неробелов, М.С. Седеева, А.А. Тронин
НИЦЭБ РАН

Последние десятилетия характеризуются впечатляющим прогрессом космических технологий дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). На орбиты выведено большое количество спутников, оборудованных разнообразными системами построения изображений земной поверхности во всем спектре электромагнитных волн. В регулярном режиме готовятся глобальные карты дистанционно измеренных характеристик поверхностей суши, океана и атмосферы. Реализован онлайн-доступ к архивам материалов многолетнего спутникового мониторинга. Это расширило возможности применения материалов ДЗЗ при решении практических задач, в том числе возникающих в управлении городским хозяйством Санкт-Петербурга.

Спутниковый мониторинг риска перегрева поверхности городской среды и роста смертности населения под влиянием потепления климата

По результатам многолетних тепловых космических съемок Санкт-Петербурга спутниками Landsat построена карта риска (вероятности) размягчения битума в дорожном покрытии [1] (рис. 1). Знание риска перегрева поверхности асфальта (рис. 1А) позволяет оценить периодичность случаев размягчения асфальта и, соответственно, транспортного коллапса в городе. Так в местах, где риск равен 33% (см. рис. 1А), перегрев дорожного покрытия с вероятностью 0,99 будет наступать один раз в 12 лет, а при риске в 85% – уже раз в три года. Эти цифры позволяют принимать управленческие решения, сравнивая соотношение экономических потерь от транспортного коллапса, вызванного перегревом асфальта, и затрат на замену дорожного покрытия термостойкими марками.

Карты риска перегрева городской среды, с учетом многолетних статистических данных системы здравоохранения, позволяют строить карты риска смерти жителей города от перегрева окружающей среды выше температуры биоклиматического комфорта (рис. 1В). Для города в целом математическое ожидание количества преждевременных смертей от перегрева летом 2017 года оценено в 223 случая, что соответствует ущербу не менее чем в ~500 млн руб/год. При этом наибольший риск смертности от перегрева отмечен в производственных зонах (1 на рис. 1В), а минимальный – в рекреационных зонах и зонах жилой застройки пятиэтажками 60-х годов прошлого века (3 на рис. 1В), где с момента их возведения сформировалась богатая растительность. В районах же современной застройки (2 на рис. 1В) этот риск  выше, т. к. при строительстве растительность уничтожается. Поэтому при принятии управленческого решения (капитальный ремонт или реновация пятиэтажек) необходимо оценивать экономические потери в течение последующих 30–40 лет (пока не вырастут новые деревья) от дополнительных смертей из-за перегрева окружающей среды.

Спутниковое измерение теплофизических свойств поверхности городской среды Санкт-Петербурга [2] вместе с математическим моделированием позволило разработать рекомендации по управлению риском перегрева поверхности городской среды (рис. 2). Предложено при текущих ремонтах осветлять поверхности города путем применения специальных красок для крыш домов и нового дорожного покрытия. Преимуществом этого метода является  его энергоэффективность, т. к. наиболее дешевым способом снижается температура окружающей среды без непосредственных затрат электроэнергии, как, например, в системах климат-контроля.

Риск загрязнения атмосферы города экотоксикантами

Повышение в атмосфере города концентраций токсичных газов, таких как диоксид серы и диоксид азота, угрожает ростом респираторных заболеваний. Особенно опасны такие загрязнения в условиях перегрева городской среды. Поэтому необходимо иметь достоверную информацию о качестве воздуха. Для этого созданы специализированные спутники мониторинга концентраций экотоксикантов в атмосфере, такие, например, как AURA [3] (рис. 3) и Sentinel 5 [4].

Рис. 3 иллюстрирует эффективность магистрального направления в космических технологиях – комплексирование  данных ДЗЗ с результатами математического моделирования. Так, карта на рис. 3А позволяет в многолетнем плане оценить риск загрязнения атмосферы Санкт-Петербурга диоксидом серы как низкий по сравнению с Мурманской областью или Республикой Коми. Математическое же моделирование (рис. 3Б) дает возможность с дискретностью в 6 мин прогнозировать распределение диоксида серы в приземном слое воздуха и сравнить его с мгновенными разовыми значениями предельных допустимых концентраций в атмосфере городов ПДКМР =500 мкг/м3 [8].

Такой прогноз может обеспечить своевременное предупреждение населения с целью принятия мер, снижающих риск негативного воздействия повышенных концентраций экотоксикантов на здоровье человека.

Мониторинг территорий, затапливаемых невскими наводнениями

Одной из серьезных угроз для экономики и экологической безопасности населения Санкт-Петербурга являются невские наводнения. Несмотря на наличие Комплекса защитных сооружений (КЗС) остается риск затопления низин. При этом из-за сложной формы поверхности нагонной волны применение математического моделирования с использованием детальных цифровых моделей рельефа земной поверхности не до конца решает задачу оценки затопляемых площадей. Применение методов ДЗЗ для картирования затопленных территорий ограничивалось невозможностью проведения съемок в условиях многоярусной облачности мощных циклонов, вызывающих наводнения. Проблема разрешилась с ростом доступности материалов радиолокационных съемок спутниками Sentinel-1, позволяющими получать изображения подстилающей поверхности в условиях сплошной облачности (рис. 4).

Несмотря на то, что в момент съемки при закрытых затворах КЗС уровень воды превышал всего на 90 см уровень ординара, оказались затоплены береговые марши – участки с развитой прибрежно-морской растительностью, расположенные не только за КЗС, но и внутри Маркизовой лужи. Впервые проведенная спутниковая радиолокационная съемка невского наводнения [9] доказала эффективность даже при незначительных подъемах уровня воды в восточной части Финского залива. Учитывая же высокую повторяемость съемок спутником Sentinel-1 (1–2 суток), имеется реальная возможность космического мониторинга затопляемых наводнениями земель, что поможет принять дополнительные меры по управлению риском затопления экономически важных территорий.

Применение спутниковой радиолокационной интерферометрии при мониторинге сохранности объектов культурного наследия

В настоящее время на спутниках устанавливаются так называемые когерентные (голографические) радиолокаторы бокового обзора, измеряющие фазу отраженной от земной поверхности электромагнитной волны. Это позволяет при наличии большого количества повторных съемок, используя интерферометрический подход, измерять деформации земной поверхности в первые миллиметры. Эта технология нашла широкое применение при мониторинге угроз разрушения зданий и сооружений, в том числе в Санкт-Петербурге, по заказу Комитета по государственному контролю, использованию и охране памятников истории и культуры. Проверка технологии выполнена на примере размыва тоннеля метро (1974) в районе станции метро «Площадь Мужества» (рис 5А), подтвердившая ее высокую эффективность. Для всей зоны охраны культурного наследия на основе технологии спутниковой интерферометрии по постоянным отражателям была построена карта риска деформаций объектов культурного наследия, фрагмент которой приведен на рис. 5Б. Выявлено, что особенно высокой угрозой для сохранности зданий являются знакопеременные вертикальные деформации земной поверхности, возникающие под действием сезонных изменений глубины уровня грунтовых вод в слабых грунтах со сложным геологическим строением [10, 11].

Имеющийся в Санкт-Петербурге опыт применения космических методов ДЗЗ для решения практических задач городского хозяйства может быть использован как для подготовки нового Генерального плана нашего города, так и в рамках оперативного управления городским хозяйством в качестве средства поддержки системы принятия управленческих решений, направленных на снижение рисков здоровью населения и экономических потерь от чрезвычайных ситуаций.

Литература
1. Крицук С.Г., Горный В.И., Латыпов И.Ш, Павловский А.А., Тронин А.А. Спутниковое картирование риска перегрева поверхности городской среды (на примере Санкт-Петербурга) // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. Т. 16. №5. С. 34–44.
2. Горный В.И., Крицук С.Г., Латыпов И.Ш., Тронин А.А., Киселев А.В., Бровкина О.В., Филиппович В.Е., Станкевич С.А., Лубский Н.С. Теплофизические свойства поверхности городской среды (по результатам спутниковых съемок Санкт-Петербурга и Киева) // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2017. Т. 14. №3. С. 51–66.
3. Nickolay A. Krotkov, Mclinden C.A., Changchun Li, Lamsal L.N., Edward Celarier,
et. al. Aura OMI observations of regional SO 2 and NO 2 pollution changes from 2005 to 2014 // Atmospheric Chemistry and Physics, (2015).
4. https://ru.qwe.wiki/wiki/Sentinel-5_Precursor
5. Baklanov A., Smith Korsholm U., Nuterman R., Mahura A., Nielsen K. P., Sass B. H., Rasmussen A., Zakey A., Kaas E., Kurganskiy A., Sørensen B., and Gonzálezparicio, I.: Enviro-HIRLAM online integrated meteorology–chemistry modelling system: strategy,methodology, developments and applications (v7.2), Geosci. Model Dev., 10, 2971–2999, https://doi.org/10.5194/gmd10-2971-2017, 2017
6. Nerobelov G., Sedeeva M., Mahura A., Nuterman R., Mostamandi S., Smyshlyaev S. Online integrated modeling on regional scale in North-West Russia: evaluation of aerosols influence on meteorological parameters. Geography, Environment, Sustainability. 2018;11(2):73-83.
7. Неробелов Г., Седеева М., Махура А., Нутерман Р., Смышляев С. (2020): Enviro-HIRLAM modeling of atmospheric aerosols and pollution transport and feedbacks: North-West Russia and Northern Europe. Абстракт для  European Geosciences Union (EGU) General Assembly, 4–8 мая 2020, Вена, Австрия; Geophysical Research Abstracts. https://doi.org/10.5194/egusphere-egu2020-201
8. Состояние загрязнения атмосферы в городах на территории России за 2018 г. // Ежегодник. ФГБУ «ГГО». Санкт-Пербург, 2019. 251 C.
9. Горный В.И., Давидан Т.А., Киселев А.В., Крицук С.Г., Латыпов И.Ш., Павловский А.А., Тронин А.А. Радиолокационный спутниковый мониторинг невского наводнения 27 сентября 2018 г. // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019.  Т. 16. №1. С. 243–247.
10. Горный В.И., Крицук С.Г., Латыпов И.Ш., Оловянный А.Г., Тронин А.А. Знакопеременные вертикальные движения земной поверхности по данным радиолокационной космической съемки (на примере Санкт-Петербурга) // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2010 г. Т. 7. №2. С. 321–332.
11. Горный В.И., Крицук С.Г., Латыпов И.Ш., Оловянный А.Г., Петров С.Д., Тронин А.А. О механизме знакопеременных вертикальных движений поверхности городской среды (по результатам спутиковой радиолокационной интерферометрии) // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2014. Т. 11. №3. С. 129–139.

Главное фото: tass.ru