Помощь студентам в учебе
ПРОЦЕССЫ ТЕРМОДЕНУДАЦИИ В КРИОЛИТОЗОНЕ И ИХ ИНДИКАЦИЯ ПО РАСТВОРЕННОМУ ОРГАНИЧЕСКОМУ ВЕЩЕСТВУ
|
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 5
ВВЕДЕНИЕ 6
ГЛАВА 1. ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА РАБОТ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
МОНИТОРИНГА ТЕРМОДЕНУДАЦИИ 14
1.1. Характеристика района работ 15
1.1.1. Геокриологические условия ключевого участка 15
1.1.2. Криолитологическое строение ключевого участка 18
1.1.3. Снежный покров ключевого участка 22
1.1.4. Характеристика озер ключевого участка 24
1.1.5. Характеристика водосборных бассейнов озер ключевого участка 25
1.2. Характеристика термоцирков ключевого участка 25
1.2.1. Термоденудация как процесс образования термоцирков 25
1.2.2. Криолитологическое строение термоцирков 29
1.3. Возможность индикации процесса термоденудации по состоянию озерной воды (постановка задачи) 31
ГЛАВА 2. Комплекс полевых, лабораторных и дистанционных методов изучения окрашенного растворенного органического вещества в озерах Ямала 34
2.1. Полевые и лабораторные методы изучения окрашенного растворенного органического вещества 34
2.1.1. ОРОВ: природа, характеристика, свойства 34
2.1.2. Методика опробования, первичной подготовки и хранения образцов 36
2.1.3. Измерение ОРОВ в лабораторных условиях 40
2.1.4. Измерение концентрации взвешенных веществ в лабораторных условиях . 42
2.1.5. Измерение концентрации РОУ в лабораторных условиях 43
2.1.6. Результаты опробования озер на ключевом участке Центрального Ямала .. 43
2.2. Дистанционные методы изучения ОРОВ 46
2.2.1. Методы определения ОРОВ на основе анализа космических снимков 46
2.2.2. Обработка ДДЗ и подготовка к анализу 46
2.2.3. Результаты оценки ОРОВ по космическим снимкам 49
2.3. Пространственная изменчивость ОРОВ в озерах 53
2.4. Сравнение полученных данных ОРОВ с другими регионами 57
ГЛАВА 3. Параметры, влияющие на концентрацию ОРОВ в озерах Ямала 62
3.1. Зависимость концентрации ОРОВ от объема воды в озере 62
3.1.1. Батиметрические исследования озер Ямала 62
3.1.2. Методика картографирования дна озер на ключевом участке 64
3.1.3. Обработка результатов измерений, построение батиметрических карт 65
3.1.4. Расчет объема воды в озерах и анализ связи с концентрацией ОРОВ 69
3.2. Выделение водосборных бассейнов на основе ЦМР 70
3.3. Картографирование растительности с применением ДДЗ 71
3.3.1. Обработка снимка SPOT5 71
3.3.2. Расчет вегетационных индексов с использованием данных SPOT5 71
3.3.3. Автоматизированное выделение кустарниковой растительности с
использованием радарных снимков ALOS PALSAR 72
3.4. Анализ распределения снежного покрова 74
3.4.1. Моделирование распределения снежного покрова на основе ГИС 75
3.4.2. Моделирование водного эквивалента снежного покрова и валидация
результатов моделирования 83
3.4.3. Расчет снегозапасов в форме водного эквивалента для водосборных
бассейнов 88
3.5. Структура базы геоданных для обработки полевых, лабораторных и
дистанционных материалов 88
3.5.1. Источники данных (типы, источники) 90
3.5.2. Структура базы геоданных 91
3.5.3. Сетевая ГИС в приложении к БГД 95
ГЛАВА 4. Теоретическая (описательная) модель активности термоденудации на основе статистической модели источников ОРОВ в озерной воде 100
4.1. Статистическая модель влияния основных параметров на концентрацию ОРОВ в озерах Ямала 100
4.2. Методика выявления активности термоденудации с применением ДДЗ 103
4.2.1. Активизация и динамика термоцирков 103
4.2.2. Влияние процессов термоденудации на концентрацию ОРОВ в озерах 108
ВЫВОДЫ 118
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 123
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 146
ПРИЛОЖЕНИЯ 152
Приложение 2.1 152
Приложение 2.2 154
Приложение 2.3 156
Приложение 2.4 157
Приложение 2.5 158
Приложение 3.1 174
Приложение 3.2 175
Приложение 3.3
ВВЕДЕНИЕ 6
ГЛАВА 1. ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА РАБОТ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
МОНИТОРИНГА ТЕРМОДЕНУДАЦИИ 14
1.1. Характеристика района работ 15
1.1.1. Геокриологические условия ключевого участка 15
1.1.2. Криолитологическое строение ключевого участка 18
1.1.3. Снежный покров ключевого участка 22
1.1.4. Характеристика озер ключевого участка 24
1.1.5. Характеристика водосборных бассейнов озер ключевого участка 25
1.2. Характеристика термоцирков ключевого участка 25
1.2.1. Термоденудация как процесс образования термоцирков 25
1.2.2. Криолитологическое строение термоцирков 29
1.3. Возможность индикации процесса термоденудации по состоянию озерной воды (постановка задачи) 31
ГЛАВА 2. Комплекс полевых, лабораторных и дистанционных методов изучения окрашенного растворенного органического вещества в озерах Ямала 34
2.1. Полевые и лабораторные методы изучения окрашенного растворенного органического вещества 34
2.1.1. ОРОВ: природа, характеристика, свойства 34
2.1.2. Методика опробования, первичной подготовки и хранения образцов 36
2.1.3. Измерение ОРОВ в лабораторных условиях 40
2.1.4. Измерение концентрации взвешенных веществ в лабораторных условиях . 42
2.1.5. Измерение концентрации РОУ в лабораторных условиях 43
2.1.6. Результаты опробования озер на ключевом участке Центрального Ямала .. 43
2.2. Дистанционные методы изучения ОРОВ 46
2.2.1. Методы определения ОРОВ на основе анализа космических снимков 46
2.2.2. Обработка ДДЗ и подготовка к анализу 46
2.2.3. Результаты оценки ОРОВ по космическим снимкам 49
2.3. Пространственная изменчивость ОРОВ в озерах 53
2.4. Сравнение полученных данных ОРОВ с другими регионами 57
ГЛАВА 3. Параметры, влияющие на концентрацию ОРОВ в озерах Ямала 62
3.1. Зависимость концентрации ОРОВ от объема воды в озере 62
3.1.1. Батиметрические исследования озер Ямала 62
3.1.2. Методика картографирования дна озер на ключевом участке 64
3.1.3. Обработка результатов измерений, построение батиметрических карт 65
3.1.4. Расчет объема воды в озерах и анализ связи с концентрацией ОРОВ 69
3.2. Выделение водосборных бассейнов на основе ЦМР 70
3.3. Картографирование растительности с применением ДДЗ 71
3.3.1. Обработка снимка SPOT5 71
3.3.2. Расчет вегетационных индексов с использованием данных SPOT5 71
3.3.3. Автоматизированное выделение кустарниковой растительности с
использованием радарных снимков ALOS PALSAR 72
3.4. Анализ распределения снежного покрова 74
3.4.1. Моделирование распределения снежного покрова на основе ГИС 75
3.4.2. Моделирование водного эквивалента снежного покрова и валидация
результатов моделирования 83
3.4.3. Расчет снегозапасов в форме водного эквивалента для водосборных
бассейнов 88
3.5. Структура базы геоданных для обработки полевых, лабораторных и
дистанционных материалов 88
3.5.1. Источники данных (типы, источники) 90
3.5.2. Структура базы геоданных 91
3.5.3. Сетевая ГИС в приложении к БГД 95
ГЛАВА 4. Теоретическая (описательная) модель активности термоденудации на основе статистической модели источников ОРОВ в озерной воде 100
4.1. Статистическая модель влияния основных параметров на концентрацию ОРОВ в озерах Ямала 100
4.2. Методика выявления активности термоденудации с применением ДДЗ 103
4.2.1. Активизация и динамика термоцирков 103
4.2.2. Влияние процессов термоденудации на концентрацию ОРОВ в озерах 108
ВЫВОДЫ 118
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 123
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 146
ПРИЛОЖЕНИЯ 152
Приложение 2.1 152
Приложение 2.2 154
Приложение 2.3 156
Приложение 2.4 157
Приложение 2.5 158
Приложение 3.1 174
Приложение 3.2 175
Приложение 3.3
Актуальность. Резкая активизация рельефообразующих криогенных процессов на полуострове Ямал последние годы ставит задачу поиска средств мониторинга этих процессов. Существующие методы непосредственного измерения в полевых условиях и сопоставления изображений на разновременных космических снимках осложнены высокой стоимостью как полевых работ, так и космических снимков высокого разрешения. Поиск относительно доступных методов наблюдения за активизацией криогенных процессов и других изменений поверхности представляется актуальной задачей.
Озера — это природные резервуары, в которых происходит аккумуляция вещества, сносимого с окружающих их водосборных бассейнов. В связи с этим мы рассматриваем озера Ямала как четкий индикатор изменений поверхности, связанных с активностью криогенных процессов и общей динамикой ландшафтов.
Один из компонентов озерной воды - растворенное органическое вещество (РОВ). Количество аллохтонного РОВ зависит как от относительно неизменных или мало меняющихся факторов (например, рельеф, растительность), так и от активно меняющихся, к которым в первую очередь относятся процессы термоденудации. РОВ характеризуется возможностью его изучения несколькими методами: полевыми, лабораторными, дистанционными, компьютерного моделирования. Применение комплекса различных методов позволяет использовать РОВ для количественной оценки динамики верхних горизонтов криолитозоны.
Активность термоденудациии и темпы формирования термоцирков являются геориском и дистанционный мониторинг этого процесса значительно облегчает задачу оценки и предотвращения этого риска. Целью работы является установление связи развития процессов термоденудации с концентрацией РОВ в озерной воде, а также влияния на этот показатель климатических флуктуаций, особенностей растительного покрова, геоморфологических условий и морфометрических характеристик озерных котловин и их водосборных бассейнов.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Характеристика термоцирков ключевого участка, их распространение и криолитологическое строение.
2. Совершенствование комплекса полевых, лабораторных и дистанционных методов изучения РОВ в озерах Ямала.
3. Создание методики картографирования водосборных бассейнов и распределения по площади мощности снежного покрова и его водного эквивалента путем усовершенствования цифровых моделей рельефа (ЦМР), построенных на основе радарной интерферометрии.
4. Разработка алгоритмов картографирования кустарниковой растительности по материалам дистанционного зондирования с калибровкой материалами полевой съемки.
5. Изучение факторов, влияющих на концентрацию РОВ в озерах Ямала, а именно: рельефа, растительности, снежного покрова, климатических флуктуаций, активности рельефообразующих криогенных процессов, с применением комплекса полевых, лабораторных и дистанционных методов, а также моделирования.
6. Разработка структуры и ведение базы геоданных для обработки результатов полевых, лабораторных и дистанционных исследований, которая легла в основу специализированной географической информационной системы (ГИС) исследуемого района.
7. Разработка статистической модели влияния исследованных природных факторов на концентрацию РОВ в озерах Ямала.
8. Оценка развития термоденудационных форм (термоцирков) во времени с момента образования, и изменение концентрации РОВ в озерах, береговая линия которых нарушена этими процессами.
Личный вклад автора. Работа выполнена при непосредственном участии автора в полевых и камеральных исследованиях. Автором отобрано
более 200 проб на содержание РОВ, растворенного органического углерода (РОУ), а также взвешенных веществ из 64 озер на стационаре «Васькины Дачи» (Центральный Ямал), а также на участке Новый Порт (Восточный Ямал) и Варандей (Ненецкий АО) для сравнения с данными по основной площадке на Центральном Ямале. Пробы воды проанализированы автором самостоятельно на специальном оборудовании в лаборатории им. Отто Шмидта, ААНИИ (2011-2015). Автором обработано 7 космических снимков от получения исходных материалов до получения продуктов в виде геоданных - слоев базы данных ГИС. Автор проводил геодезические измерения (2011, 2014) в целях детальной съемки местности, и геометрической коррекции данных дистанционного зондирования (ДДЗ), мониторинга процессов; батиметрические исследования (2012, 2014, 2015) для детального изучения дна термокарстовых озер (всего 19 озер); снегомерные наблюдения (2013) в целях установления закономерностей распределения снежного покрова в тундре. Результатом статистической обработки данных снегомерной съемки автором была построена модель распределения водного эквивалента снежного покрова на основе ГИС. Также автор принимал участие в работах по мониторингу сезонноталого слоя (СТС) и температуры пород (2011-2015) по программам Circumpolar Active Layer Monitoring (CALM) и Thermal State of Permafrost (TSP). Автор принимал активное участие в реализации совместного российско-австрийского проекта РФФИ «Комплексирование полевых и дистанционных методов мониторинга динамики поверхности и многолетнемерзлых пород на Ямале» 2013-2015, а также является главным исполнителем российско-германского проекта POLYAR (процесс транспорта органического вещества в озера Ямала) 2014-2016.
Научная новизна:
1. Определены количественные характеристики динамики термоденудационных форм рельефа (термоцирков) с применением космических съемок сверхвысокого разрешения, с калибровкой полевой тахеометрической и DGPS съемками форм рельефа.
2. Усовершенствован комплекс полевых, лабораторных и дистанционных методов изучения РОВ в озерах Ямала. Впервые в таком объеме и комбинации методы приложены к изучению озер как природных резервуаров, в которых происходит аккумуляция вещества, сносимого с окружающих их водосборных бассейнов. Одновременно комплекс методов применен к исследованию параметров криолитозоны и ландшафтов, являющихся и факторами, влияющими на РОВ, и объектами мониторинга.
3. Создана методика картографирования водосборных бассейнов озер и распределения по площади мощности снежного покрова и его водного эквивалента путем усовершенствования ЦМР, построенных на основе радарной интерферометрии, калиброванных наземной высокоточной тахеометрической съемкой.
4. Найдены алгоритмы картографирования кустарниковой растительности по материалам дистанционного зондирования с калибровкой материалами полевой съемки. Статистическими методами установлено, что растительность является одним из ведущих факторов изменения концентрации РОВ в озерной воде.
5. Разработана принципиально новая ГИС-ориентированная структура базы геоданных, которая позволила совмещать, накапливать и обрабатывать одновременно наборы разноплановых материалов полевых, лабораторных и дистанционных исследований, имеющих разное пространственное и временное разрешения, векторных и скалярных, для выявления и количественной оценки взаимодействия параметров природной среды.
6. Для исследования содержания органического вещества в озерах применен бассейновый подход анализа взаимодействия параметров природной среды. На этой основе разработана статистическая модель, позволившая количественно оценить влияние основных факторов, определяющих концентрацию РОВ в озерах Ямала. Установлено, что из 19 рассмотренных факторов, основными являются 5, к которым относятся (1) соотношение площадей озера и водосборного бассейна, (2) высота уреза воды озера, (3) количество снега в водосборном бассейне, (4) активность термоденудации, и (5) продуктивность растительного покрова. Достоверность модели R2=0,6.
7. Определена роль процессов термоденудации в изменении состояния озер. Образование термоцирков и криогенных оползней приводит к заметному увеличению концентрации ОРОВ в озерах, которая, в дальнейшем, уменьшается вместе с затуханием самого процесса термоденудации.
Практическая значимость. Использование методики обработки дистанционных материалов существенно сокращает затраты на мониторинг опасных криогенных процессов. Полученные в результате исследований база данных, статистические модели и сведения о пространственной дифференциации факторов природной среды, влияющих на активизацию опасных криогенных процессов и на формирование и динамику температурного поля пород, могут быть использованы при планировании и проектировании в районах освоения севера Западной Сибири и других равнинных районах Арктики.
Основные защищаемые положения:
1. Климатические изменения и связанная с этим активизация опасных криогенных процессов приводят к значительному увеличению концентрации РОВ аллохтонного происхождения в озерах Ямала. Пик повышения концентрации наблюдается в первый год после активизации процесса термоденудации в водосборном бассейне конкретного озера и затухает во времени.
2. Факторами, определяющими концентрацию РОВ для совокупности исследованных озер Ямала, как показал расширенный регрессионный анализ, являются: 1) соотношение площадей озера и водосборного бассейна (доля 26,8%), 2) высота уреза воды озера (доля 26%), 3) количество снега в водосборном бассейне (доля 26%), 4) активность термоденудации (доля 12,8%, в массив данных вошли как пораженные термоденудацией, так и не пораженные озера), 5) продуктивность растительного покрова (доля 6,6%). Для конкретного озера доля термоденудации может быть выше или ниже в зависимости от пораженности берегов этим процессом. В озерах с берегами, пораженными термоденудацией, содержание РОВ в 2-3 раза выше, чем в озерах со стабильными берегами.
3. Методика картографирования водосборных бассейнов и распределения по площади мощности снежного покрова и его водного эквивалента путем усовершенствования ЦМР, построенных на основе радарной интерферометрии, калиброванных наземной высокоточной тахеометрической съемкой с использованием автоматических процедур и экспертных оценок.
Достоверность и аппробация работы. Данные, полученные в ходе работы над диссертацией, являются достоверными, поскольку получены с учетом общепринятых стандартов, а также опыта предыдущих исследователей. Лабораторные исследования проведены в сертифицированной лаборатории на поверенном оборудовании, перед использованием которого всегда проводилась калибровка. Данные, полученные из материалов космической съемки были сопоставлены с накопленным массивом полевых данных. ДДЗ проходили необходимые процедуры коррекции (геометрическая, радиометрическая, атмосферная). Батиметрические данные подкреплены результатами измерений глубин при помощи лота. Модели калибровались данными наземных наблюдений. Основные результаты докладывались на следующих международных и общероссийских конференциях: 1) 2012-02 ESA DUE Permafrost workshop (Potsdam, Germany); 2) 2012-05 12thInternational Circumpolar Remote Sensing Symposium (Levi, Finland); 3) 2012-06 Десятая международная конференция по мерзлотоведению (Салехард, Россия); 4) 2013-06 Геокриологическое картографирование (Москва, Россия); 5) 2013-09 Earth Cryology XXI century (Pushchino, Russia); 6) 2013-10 Современные и прогнозируемые изменения природных условий в высоких широтах (Сочи, Россия); 7) 2013-10 AK Permafrost (Salzburg, Austria); 8) 2014-02 ESA DUE Permafrost workshop (Frascati, Italy); 9) 2014-06 European Conference on Permafrost 4 (Evora, Portugal); 10) 2014-06 REKLIM conference (Berlin, Germany); 11) 2014-12 Arctic Change 2014 (Ottawa, Canada); 12) 2015-04 Arctic Science Summit Week 2015 (Toyama, Japan); 13) 2015-05 36thInternational Symposium Remote Sensing of Environment (Berlin, Germany); 2015-07 IV Всероссийский научный молодежный форум геокриологов, посвященный 200-летию со дня рождения академика А.Ф. Миддендорфа (Якутск, Россия); 14) 2016-01 Arctic Frontiers 2016 (Tromso, Norway).
Результаты работы опубликованы в 4 рецензируемых статьях, 2 из которых в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 2 - в изданиях, включенных в список цитирования Scopus, 1 - в издании, включенном в список цитирования Web of Science.
Структура диссертации:
Диссертация состоит из Введения, четырех глав и Выводов. Она изложена на 176 страницах, сопровождается 19 таблицами, 51 иллюстрацией и 8 приложениями. Список литературы включает 181 наименование.
Благодарности:
Автор выражает благодарность своему научному руководителю д.г-м.н. Марине Оскаровне Лейбман и научному консультанту к.г.-м.н. Артему Валерьевичу Хомутову за помощь в подготовке диссертации и за ценнейшие советы по теме исследования, за помощь в разработке структуры диссертации, сотрудникам Института криосферы Земли СО РАН Дамиру Раисовичу Мулланурову и к.г.н. Ксении Алексеевне Ермохиной за помощь в сборе полевых данных на Центральном Ямале, к.т.н. Анатолию Анатольевичу Губарькову (ТюмГНГУ) за помощь в сборе данных на площадках Новый Порт и Варандей, а также за ценные советы по теме работы. Автор выражает благодарность научному сотруднику Института полярных и морских
исследования им. Альфреда Вегенера доктору Биргит Хайм за помощь в сборе полевых данных и их обработке, обработке ДДЗ, доктору Аннетт Бартч и Барбаре Уидхельм за помощь в обработке радарных снимков и подготовке ЦМР. Отдельную благодарность автор выражает коллективу лаборатории им. Отто Шмидта (ААНИИ) к.г.н. Ирине Викторовне Федоровой, к.х.н. Елене Дмитриевне Добротиной, Татьяне Викторовне Скороспеховой, Антонине Александровне Четверовой, Наталье Константиновне Шумской и Людмиле Владимировне Королевой за помощь в обработке проб воды.
Озера — это природные резервуары, в которых происходит аккумуляция вещества, сносимого с окружающих их водосборных бассейнов. В связи с этим мы рассматриваем озера Ямала как четкий индикатор изменений поверхности, связанных с активностью криогенных процессов и общей динамикой ландшафтов.
Один из компонентов озерной воды - растворенное органическое вещество (РОВ). Количество аллохтонного РОВ зависит как от относительно неизменных или мало меняющихся факторов (например, рельеф, растительность), так и от активно меняющихся, к которым в первую очередь относятся процессы термоденудации. РОВ характеризуется возможностью его изучения несколькими методами: полевыми, лабораторными, дистанционными, компьютерного моделирования. Применение комплекса различных методов позволяет использовать РОВ для количественной оценки динамики верхних горизонтов криолитозоны.
Активность термоденудациии и темпы формирования термоцирков являются геориском и дистанционный мониторинг этого процесса значительно облегчает задачу оценки и предотвращения этого риска. Целью работы является установление связи развития процессов термоденудации с концентрацией РОВ в озерной воде, а также влияния на этот показатель климатических флуктуаций, особенностей растительного покрова, геоморфологических условий и морфометрических характеристик озерных котловин и их водосборных бассейнов.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Характеристика термоцирков ключевого участка, их распространение и криолитологическое строение.
2. Совершенствование комплекса полевых, лабораторных и дистанционных методов изучения РОВ в озерах Ямала.
3. Создание методики картографирования водосборных бассейнов и распределения по площади мощности снежного покрова и его водного эквивалента путем усовершенствования цифровых моделей рельефа (ЦМР), построенных на основе радарной интерферометрии.
4. Разработка алгоритмов картографирования кустарниковой растительности по материалам дистанционного зондирования с калибровкой материалами полевой съемки.
5. Изучение факторов, влияющих на концентрацию РОВ в озерах Ямала, а именно: рельефа, растительности, снежного покрова, климатических флуктуаций, активности рельефообразующих криогенных процессов, с применением комплекса полевых, лабораторных и дистанционных методов, а также моделирования.
6. Разработка структуры и ведение базы геоданных для обработки результатов полевых, лабораторных и дистанционных исследований, которая легла в основу специализированной географической информационной системы (ГИС) исследуемого района.
7. Разработка статистической модели влияния исследованных природных факторов на концентрацию РОВ в озерах Ямала.
8. Оценка развития термоденудационных форм (термоцирков) во времени с момента образования, и изменение концентрации РОВ в озерах, береговая линия которых нарушена этими процессами.
Личный вклад автора. Работа выполнена при непосредственном участии автора в полевых и камеральных исследованиях. Автором отобрано
более 200 проб на содержание РОВ, растворенного органического углерода (РОУ), а также взвешенных веществ из 64 озер на стационаре «Васькины Дачи» (Центральный Ямал), а также на участке Новый Порт (Восточный Ямал) и Варандей (Ненецкий АО) для сравнения с данными по основной площадке на Центральном Ямале. Пробы воды проанализированы автором самостоятельно на специальном оборудовании в лаборатории им. Отто Шмидта, ААНИИ (2011-2015). Автором обработано 7 космических снимков от получения исходных материалов до получения продуктов в виде геоданных - слоев базы данных ГИС. Автор проводил геодезические измерения (2011, 2014) в целях детальной съемки местности, и геометрической коррекции данных дистанционного зондирования (ДДЗ), мониторинга процессов; батиметрические исследования (2012, 2014, 2015) для детального изучения дна термокарстовых озер (всего 19 озер); снегомерные наблюдения (2013) в целях установления закономерностей распределения снежного покрова в тундре. Результатом статистической обработки данных снегомерной съемки автором была построена модель распределения водного эквивалента снежного покрова на основе ГИС. Также автор принимал участие в работах по мониторингу сезонноталого слоя (СТС) и температуры пород (2011-2015) по программам Circumpolar Active Layer Monitoring (CALM) и Thermal State of Permafrost (TSP). Автор принимал активное участие в реализации совместного российско-австрийского проекта РФФИ «Комплексирование полевых и дистанционных методов мониторинга динамики поверхности и многолетнемерзлых пород на Ямале» 2013-2015, а также является главным исполнителем российско-германского проекта POLYAR (процесс транспорта органического вещества в озера Ямала) 2014-2016.
Научная новизна:
1. Определены количественные характеристики динамики термоденудационных форм рельефа (термоцирков) с применением космических съемок сверхвысокого разрешения, с калибровкой полевой тахеометрической и DGPS съемками форм рельефа.
2. Усовершенствован комплекс полевых, лабораторных и дистанционных методов изучения РОВ в озерах Ямала. Впервые в таком объеме и комбинации методы приложены к изучению озер как природных резервуаров, в которых происходит аккумуляция вещества, сносимого с окружающих их водосборных бассейнов. Одновременно комплекс методов применен к исследованию параметров криолитозоны и ландшафтов, являющихся и факторами, влияющими на РОВ, и объектами мониторинга.
3. Создана методика картографирования водосборных бассейнов озер и распределения по площади мощности снежного покрова и его водного эквивалента путем усовершенствования ЦМР, построенных на основе радарной интерферометрии, калиброванных наземной высокоточной тахеометрической съемкой.
4. Найдены алгоритмы картографирования кустарниковой растительности по материалам дистанционного зондирования с калибровкой материалами полевой съемки. Статистическими методами установлено, что растительность является одним из ведущих факторов изменения концентрации РОВ в озерной воде.
5. Разработана принципиально новая ГИС-ориентированная структура базы геоданных, которая позволила совмещать, накапливать и обрабатывать одновременно наборы разноплановых материалов полевых, лабораторных и дистанционных исследований, имеющих разное пространственное и временное разрешения, векторных и скалярных, для выявления и количественной оценки взаимодействия параметров природной среды.
6. Для исследования содержания органического вещества в озерах применен бассейновый подход анализа взаимодействия параметров природной среды. На этой основе разработана статистическая модель, позволившая количественно оценить влияние основных факторов, определяющих концентрацию РОВ в озерах Ямала. Установлено, что из 19 рассмотренных факторов, основными являются 5, к которым относятся (1) соотношение площадей озера и водосборного бассейна, (2) высота уреза воды озера, (3) количество снега в водосборном бассейне, (4) активность термоденудации, и (5) продуктивность растительного покрова. Достоверность модели R2=0,6.
7. Определена роль процессов термоденудации в изменении состояния озер. Образование термоцирков и криогенных оползней приводит к заметному увеличению концентрации ОРОВ в озерах, которая, в дальнейшем, уменьшается вместе с затуханием самого процесса термоденудации.
Практическая значимость. Использование методики обработки дистанционных материалов существенно сокращает затраты на мониторинг опасных криогенных процессов. Полученные в результате исследований база данных, статистические модели и сведения о пространственной дифференциации факторов природной среды, влияющих на активизацию опасных криогенных процессов и на формирование и динамику температурного поля пород, могут быть использованы при планировании и проектировании в районах освоения севера Западной Сибири и других равнинных районах Арктики.
Основные защищаемые положения:
1. Климатические изменения и связанная с этим активизация опасных криогенных процессов приводят к значительному увеличению концентрации РОВ аллохтонного происхождения в озерах Ямала. Пик повышения концентрации наблюдается в первый год после активизации процесса термоденудации в водосборном бассейне конкретного озера и затухает во времени.
2. Факторами, определяющими концентрацию РОВ для совокупности исследованных озер Ямала, как показал расширенный регрессионный анализ, являются: 1) соотношение площадей озера и водосборного бассейна (доля 26,8%), 2) высота уреза воды озера (доля 26%), 3) количество снега в водосборном бассейне (доля 26%), 4) активность термоденудации (доля 12,8%, в массив данных вошли как пораженные термоденудацией, так и не пораженные озера), 5) продуктивность растительного покрова (доля 6,6%). Для конкретного озера доля термоденудации может быть выше или ниже в зависимости от пораженности берегов этим процессом. В озерах с берегами, пораженными термоденудацией, содержание РОВ в 2-3 раза выше, чем в озерах со стабильными берегами.
3. Методика картографирования водосборных бассейнов и распределения по площади мощности снежного покрова и его водного эквивалента путем усовершенствования ЦМР, построенных на основе радарной интерферометрии, калиброванных наземной высокоточной тахеометрической съемкой с использованием автоматических процедур и экспертных оценок.
Достоверность и аппробация работы. Данные, полученные в ходе работы над диссертацией, являются достоверными, поскольку получены с учетом общепринятых стандартов, а также опыта предыдущих исследователей. Лабораторные исследования проведены в сертифицированной лаборатории на поверенном оборудовании, перед использованием которого всегда проводилась калибровка. Данные, полученные из материалов космической съемки были сопоставлены с накопленным массивом полевых данных. ДДЗ проходили необходимые процедуры коррекции (геометрическая, радиометрическая, атмосферная). Батиметрические данные подкреплены результатами измерений глубин при помощи лота. Модели калибровались данными наземных наблюдений. Основные результаты докладывались на следующих международных и общероссийских конференциях: 1) 2012-02 ESA DUE Permafrost workshop (Potsdam, Germany); 2) 2012-05 12thInternational Circumpolar Remote Sensing Symposium (Levi, Finland); 3) 2012-06 Десятая международная конференция по мерзлотоведению (Салехард, Россия); 4) 2013-06 Геокриологическое картографирование (Москва, Россия); 5) 2013-09 Earth Cryology XXI century (Pushchino, Russia); 6) 2013-10 Современные и прогнозируемые изменения природных условий в высоких широтах (Сочи, Россия); 7) 2013-10 AK Permafrost (Salzburg, Austria); 8) 2014-02 ESA DUE Permafrost workshop (Frascati, Italy); 9) 2014-06 European Conference on Permafrost 4 (Evora, Portugal); 10) 2014-06 REKLIM conference (Berlin, Germany); 11) 2014-12 Arctic Change 2014 (Ottawa, Canada); 12) 2015-04 Arctic Science Summit Week 2015 (Toyama, Japan); 13) 2015-05 36thInternational Symposium Remote Sensing of Environment (Berlin, Germany); 2015-07 IV Всероссийский научный молодежный форум геокриологов, посвященный 200-летию со дня рождения академика А.Ф. Миддендорфа (Якутск, Россия); 14) 2016-01 Arctic Frontiers 2016 (Tromso, Norway).
Результаты работы опубликованы в 4 рецензируемых статьях, 2 из которых в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 2 - в изданиях, включенных в список цитирования Scopus, 1 - в издании, включенном в список цитирования Web of Science.
Структура диссертации:
Диссертация состоит из Введения, четырех глав и Выводов. Она изложена на 176 страницах, сопровождается 19 таблицами, 51 иллюстрацией и 8 приложениями. Список литературы включает 181 наименование.
Благодарности:
Автор выражает благодарность своему научному руководителю д.г-м.н. Марине Оскаровне Лейбман и научному консультанту к.г.-м.н. Артему Валерьевичу Хомутову за помощь в подготовке диссертации и за ценнейшие советы по теме исследования, за помощь в разработке структуры диссертации, сотрудникам Института криосферы Земли СО РАН Дамиру Раисовичу Мулланурову и к.г.н. Ксении Алексеевне Ермохиной за помощь в сборе полевых данных на Центральном Ямале, к.т.н. Анатолию Анатольевичу Губарькову (ТюмГНГУ) за помощь в сборе данных на площадках Новый Порт и Варандей, а также за ценные советы по теме работы. Автор выражает благодарность научному сотруднику Института полярных и морских
исследования им. Альфреда Вегенера доктору Биргит Хайм за помощь в сборе полевых данных и их обработке, обработке ДДЗ, доктору Аннетт Бартч и Барбаре Уидхельм за помощь в обработке радарных снимков и подготовке ЦМР. Отдельную благодарность автор выражает коллективу лаборатории им. Отто Шмидта (ААНИИ) к.г.н. Ирине Викторовне Федоровой, к.х.н. Елене Дмитриевне Добротиной, Татьяне Викторовне Скороспеховой, Антонине Александровне Четверовой, Наталье Константиновне Шумской и Людмиле Владимировне Королевой за помощь в обработке проб воды.
Комплексирование методов исследования позволило создать новые оригинальные методики и получить результаты оценки активизации такого опасного криогенного процесса, как термоденудация, его развития во времени, разработать методы интерпретации этого процесса по данным дистанционного зондирования Земли в разных диапазонах длин волн. Удалось связать активизацию термоденудации с количеством органического вещества, обнаруживаемого в озерах как лабораторными, так и дистанционными методами. Увязав полевые и лабораторные данные об активности термоденудации с количеством органического вещества, интерпретируемого на космоснимках, автор предложил методику контроля за термоденудацией с использованием дистанционных данных.
В работе установлены связи концентрации растворенного органического вещества в озерной воде с активностью процессов термоденудации. Выявлено, что в озерах, береговая зона которых нарушена активными термоцирками, концентрация окрашенного растворенного органического вещества может быть в 2-3 и даже более раз выше, чем в озерах с ненарушенными берегами. Залежи торфа, обнаруженные в обнажениях на Центральном Ямале, служат значительным источником аллохтонного органического вещества, которое попадает в озерную воду после образования термоцирков и криогенных оползней. Измерение концентрации растворенного органического вещества в водной вытяжке из торфяной залежи одного из термоцирков показало очень высокие значения (243 мг/л) при средней концентрации этого параметра в озерной воде 3-5 мг/л. Количественно показано, что в период после 2012 года, когда произошло массовое образование термоцирков, в озерах наблюдались более низкие значения спектрального уклона кривой абсорбции окрашенного растворенного органического вещества, что является показателем дополнительного притока аллохтонного органического вещества, ранее находившегося в захороненном мерзлом состоянии.
Установлено, что изменение концентрации окрашенного растворенного органического вещества в озерах с термоцирками, наряду с увеличением концентрации взвешенного вещества, являются хорошими индикаторами динамики ландшафтов. Эти индикаторы могут быть использованы для анализа текущих изменений в Арктике по данным дистанционного зондирования.
Применение усовершенствованного комплекса полевых, лабораторных и дистанционных методов изучения органического вещества в озерах Ямала позволило проследить также межгодовую изменчивость параметра окрашенное растворенное органическое вещество и провести сравнение этой изменчивости с климатическими флуктуациями. Увеличение температуры воздуха, и, связанное с этим увеличение глубины сезонного протаивания, приводит к высвобождению органического вещества из более глубоких слоев и увеличению концентрации окрашенного растворенного органического вещества даже в тех озерах, берега которых не нарушены термоденудацией, однако, не более, чем на 20-30%, то есть, в заметной, но значительно меньшей степени, чем активные береговые процессы.
Анализ применимости оптических данных дистанционного зондирования выявил некоторые ограничения этого метода для оценки концентрации окрашенного растворенного органического вещества в озерах Арктики. Было выявлено, что снимки, полученные в очень ветреную погоду, не могут адекватно отражать концентрацию окрашенного растворенного органического вещества в озерах, что связано с высокой степенью мутности воды, и, следовательно, с увеличением значений отраженной радиации в голубом и зеленом каналах.
Параметр окрашенное растворенное органическое вещество является показателем активности процессов на фоне климатических флуктуаций, но также зависит и от факторов окружающей среды. Проанализирована степень влияния геоморфологических условий, особенностей растительного и снежного покровов, морфометрических характеристик озерных котловин и их водосборных бассейнов на концентрацию окрашенного растворенного органического вещества. На основании данных батиметрических съемок 2012, 2014 и 2015 годов были рассчитаны объемы воды в 18 озерах и было выявлено, что концентрации окрашенного растворенного органического вещества в озерах мало зависит от объема воды в озерах (R2=0,3). Дополнительно было показано, что глубина небольших термокарстовых озер может превышать 23 метра, а среднее значение глубины может превышать 9 метров, что является новой информацией об озерах Ямала.
Разработана локальная цифровая модель рельефа, основанная на обработке данных как оптической, так и радарной космических съемок, калиброванная с применением топографических карт и наземной высокоточной тахеометрической съемки. На основе построенной цифровой модели рельефа были в автоматизированном режиме выделены полигоны 363 водосборных бассейнов озер. Построенная цифровая модель рельефа также легла в основу модели распределения снежного покрова как фактора формирования жидкого (термоэрозия) и твердого (перенос органики) поверхностного и подземного (в сезонноталом слое) стока. Модель может быть использована и для оценки пространственного распределения температурного поля пород, для которого снежный покров является основным фактором формирования.
Выявлено, что индекс кривизны поверхности, экспозиция склонов и наличие высокоствольных ивняков позволяют наиболее полно описывать характер распределения снежного покрова в тундре. На основании найденной статистической зависимости была построена карта снегозапасов ключевого участка, а также были рассчитаны запасы воды в снежном покрове для водосборных бассейнов 363 озер.
ГИС-ориентированная структура базы геоданных позволила совмещать, накапливать и обрабатывать одновременно наборы разноплановых материалов полевых, лабораторных и дистанционных исследований, имеющих разное пространственное и временное разрешения, векторных и скалярных, для выявления и количественной оценки взаимодействия параметров географической среды. База геоданных полигона «Васькины Дачи» состоит из 11 векторных наборов пространственных данных с более чем 80000 объектов геометрии, а также растровыми данными и метаданными. База геоданных является основой для WebGIS “Ямал”, служащей для визуализации геоданных и их распространения среди потенциальных пользователей. База геоданных является основой для моделирования на основе ГИС и осуществления пространственного анализа, структурирования и накапливания материала о природных объектах в цифровом виде. Исследование взаимодействия множественных параметров природной среды стало возможно только в результате структурирования накопленных материалов в рамках созданной базы геоданных, а также при применении бассейнового подхода. Именно бассейновый подход, положенный в основу анализа совокупности пространственных (наземных и дистанционных) и лабораторных данных, наряду с использованием комплекса полевых, лабораторных и дистанционных методов, позволил исследовать взаимодействия параметров природной среды.
На основе изученных параметров, разработана статистическая модель, позволившая количественно оценить влияние основных факторов, определяющих концентрацию растворенного органического вещества в озерах Ямала. Доказано, что из рассмотренных 19 факторов основными являются 5, к которым относятся (1) соотношение площадей озера и водосборного бассейна, (2) высота уреза воды озера, (3) количество снега в водосборном бассейне, (4) активность термоденудации, и (5) продуктивность растительного покрова. Точность модели R2=0,6.
Разработан метод мониторинга термоденудационных форм рельефа (термоцирков) с применением космических съемок сверхвысокого разрешения, с калибровкой полевой тахеометрической и DGPS съемками исследуемых форм рельефа. Активность термоденудациии, динамика термоцирков являются геориском и дистанционный мониторинг этих процессов значительно облегчается применением космических снимков. Инструментальными измерениями за отступанием бровки термоцирков установлено, что скорость прироста их площади на начальном этапе активизации термоденудации в подавляющем большинстве случаев максимальна. Прирост площади термоцирка в первый год активизации процесса превышает 100% от общей площади при возникновении новых форм и 50% при ре-активизации временно стабилизировавшихся «классических» термоцирков, развивающихся по пластовым льдам. Прирост для термоцирков с сочетанием вытаивания пластового и повторно-жильного льда также близок к 50% от общей площади. Максимальное отступание может достигать 25-30 м/год при средних значениях 15 м/год.
На основе данных измерений концентрации окрашенного растворенного органического вещества за несколько лет, было также установлено, что имеет место снижение средней концентрации вместе с развитием термоденудационных форм.
В работе установлены связи концентрации растворенного органического вещества в озерной воде с активностью процессов термоденудации. Выявлено, что в озерах, береговая зона которых нарушена активными термоцирками, концентрация окрашенного растворенного органического вещества может быть в 2-3 и даже более раз выше, чем в озерах с ненарушенными берегами. Залежи торфа, обнаруженные в обнажениях на Центральном Ямале, служат значительным источником аллохтонного органического вещества, которое попадает в озерную воду после образования термоцирков и криогенных оползней. Измерение концентрации растворенного органического вещества в водной вытяжке из торфяной залежи одного из термоцирков показало очень высокие значения (243 мг/л) при средней концентрации этого параметра в озерной воде 3-5 мг/л. Количественно показано, что в период после 2012 года, когда произошло массовое образование термоцирков, в озерах наблюдались более низкие значения спектрального уклона кривой абсорбции окрашенного растворенного органического вещества, что является показателем дополнительного притока аллохтонного органического вещества, ранее находившегося в захороненном мерзлом состоянии.
Установлено, что изменение концентрации окрашенного растворенного органического вещества в озерах с термоцирками, наряду с увеличением концентрации взвешенного вещества, являются хорошими индикаторами динамики ландшафтов. Эти индикаторы могут быть использованы для анализа текущих изменений в Арктике по данным дистанционного зондирования.
Применение усовершенствованного комплекса полевых, лабораторных и дистанционных методов изучения органического вещества в озерах Ямала позволило проследить также межгодовую изменчивость параметра окрашенное растворенное органическое вещество и провести сравнение этой изменчивости с климатическими флуктуациями. Увеличение температуры воздуха, и, связанное с этим увеличение глубины сезонного протаивания, приводит к высвобождению органического вещества из более глубоких слоев и увеличению концентрации окрашенного растворенного органического вещества даже в тех озерах, берега которых не нарушены термоденудацией, однако, не более, чем на 20-30%, то есть, в заметной, но значительно меньшей степени, чем активные береговые процессы.
Анализ применимости оптических данных дистанционного зондирования выявил некоторые ограничения этого метода для оценки концентрации окрашенного растворенного органического вещества в озерах Арктики. Было выявлено, что снимки, полученные в очень ветреную погоду, не могут адекватно отражать концентрацию окрашенного растворенного органического вещества в озерах, что связано с высокой степенью мутности воды, и, следовательно, с увеличением значений отраженной радиации в голубом и зеленом каналах.
Параметр окрашенное растворенное органическое вещество является показателем активности процессов на фоне климатических флуктуаций, но также зависит и от факторов окружающей среды. Проанализирована степень влияния геоморфологических условий, особенностей растительного и снежного покровов, морфометрических характеристик озерных котловин и их водосборных бассейнов на концентрацию окрашенного растворенного органического вещества. На основании данных батиметрических съемок 2012, 2014 и 2015 годов были рассчитаны объемы воды в 18 озерах и было выявлено, что концентрации окрашенного растворенного органического вещества в озерах мало зависит от объема воды в озерах (R2=0,3). Дополнительно было показано, что глубина небольших термокарстовых озер может превышать 23 метра, а среднее значение глубины может превышать 9 метров, что является новой информацией об озерах Ямала.
Разработана локальная цифровая модель рельефа, основанная на обработке данных как оптической, так и радарной космических съемок, калиброванная с применением топографических карт и наземной высокоточной тахеометрической съемки. На основе построенной цифровой модели рельефа были в автоматизированном режиме выделены полигоны 363 водосборных бассейнов озер. Построенная цифровая модель рельефа также легла в основу модели распределения снежного покрова как фактора формирования жидкого (термоэрозия) и твердого (перенос органики) поверхностного и подземного (в сезонноталом слое) стока. Модель может быть использована и для оценки пространственного распределения температурного поля пород, для которого снежный покров является основным фактором формирования.
Выявлено, что индекс кривизны поверхности, экспозиция склонов и наличие высокоствольных ивняков позволяют наиболее полно описывать характер распределения снежного покрова в тундре. На основании найденной статистической зависимости была построена карта снегозапасов ключевого участка, а также были рассчитаны запасы воды в снежном покрове для водосборных бассейнов 363 озер.
ГИС-ориентированная структура базы геоданных позволила совмещать, накапливать и обрабатывать одновременно наборы разноплановых материалов полевых, лабораторных и дистанционных исследований, имеющих разное пространственное и временное разрешения, векторных и скалярных, для выявления и количественной оценки взаимодействия параметров географической среды. База геоданных полигона «Васькины Дачи» состоит из 11 векторных наборов пространственных данных с более чем 80000 объектов геометрии, а также растровыми данными и метаданными. База геоданных является основой для WebGIS “Ямал”, служащей для визуализации геоданных и их распространения среди потенциальных пользователей. База геоданных является основой для моделирования на основе ГИС и осуществления пространственного анализа, структурирования и накапливания материала о природных объектах в цифровом виде. Исследование взаимодействия множественных параметров природной среды стало возможно только в результате структурирования накопленных материалов в рамках созданной базы геоданных, а также при применении бассейнового подхода. Именно бассейновый подход, положенный в основу анализа совокупности пространственных (наземных и дистанционных) и лабораторных данных, наряду с использованием комплекса полевых, лабораторных и дистанционных методов, позволил исследовать взаимодействия параметров природной среды.
На основе изученных параметров, разработана статистическая модель, позволившая количественно оценить влияние основных факторов, определяющих концентрацию растворенного органического вещества в озерах Ямала. Доказано, что из рассмотренных 19 факторов основными являются 5, к которым относятся (1) соотношение площадей озера и водосборного бассейна, (2) высота уреза воды озера, (3) количество снега в водосборном бассейне, (4) активность термоденудации, и (5) продуктивность растительного покрова. Точность модели R2=0,6.
Разработан метод мониторинга термоденудационных форм рельефа (термоцирков) с применением космических съемок сверхвысокого разрешения, с калибровкой полевой тахеометрической и DGPS съемками исследуемых форм рельефа. Активность термоденудациии, динамика термоцирков являются геориском и дистанционный мониторинг этих процессов значительно облегчается применением космических снимков. Инструментальными измерениями за отступанием бровки термоцирков установлено, что скорость прироста их площади на начальном этапе активизации термоденудации в подавляющем большинстве случаев максимальна. Прирост площади термоцирка в первый год активизации процесса превышает 100% от общей площади при возникновении новых форм и 50% при ре-активизации временно стабилизировавшихся «классических» термоцирков, развивающихся по пластовым льдам. Прирост для термоцирков с сочетанием вытаивания пластового и повторно-жильного льда также близок к 50% от общей площади. Максимальное отступание может достигать 25-30 м/год при средних значениях 15 м/год.
На основе данных измерений концентрации окрашенного растворенного органического вещества за несколько лет, было также установлено, что имеет место снижение средней концентрации вместе с развитием термоденудационных форм.