Analysis of the dynamics of lake thermokarst activation for the period 1966-2021 (using the example of a swampy area of the Yana-Indigirka Lowland)

Full Text

Введение

В настоящее время изучению развития криогенных процессов в зоне распространения многолетнемерзлых пород уделяется особое внимание, за последнее десятилетие отмечается активизация термокарстовых процессов, приводящих к изменению ландшафтного облика территорий.

Изучению озерно-термокарстовых ландшафтов и их закономерностей посвящено множество работ, они исследовались такими авторами, как Викторов А.С. с соавт. (2021), Арэ Ф.Э. (1974), Романовский Н.Н. (1961) и др. Большое количество исследований направлено на выявление закономерностей развития термокарста и его динамики, например, количественная оценка изменений термокарстовых озер на севере полуострова Сьюард Аляски (Jones B.M. et al., 2011) за 1951, 1978 и 2006 годы показала, что увеличилось количество водных объектов площадью более 0.1 га, однако общая площадь озер уменьшилась, причем большинство спущенных озер расширилось в результате деградации вечной мерзлоты на поверхности.

Исследование (Grosse, Guido, 2008) характеристик распределений термокарстовых озер в едомных отложениях на севере Сибири показало сильное различие распределений по регионам, так как они находятся под влиянием общей гидрологической и геоморфологической ситуаций. Эти же результаты подтверждаются Брыскиной Н.А., Полищук Ю.А. (2016), которые на основе дистанционных исследований динамики термокарстовых озер за 1973–2013 гг. в Арктической зоне Западной Сибири установили отличия динамики в разных ландшафтных зонах. В зоне арктической тундры Западной Сибири в среднем проявляется тенденция роста суммарной площади озер, в субарктической тундре – тенденция ее сокращения, а в зоне лесотундры особенностей изменения площадей озер во времени не выявлено.

Кирпотин С.Н. с соавт. (2008) изучали динамику термокарстовых озер в различных ландшафтно-геоботанических условиях, показав, что протекающие в криолитозоне термокарстовые процессы имеют широтную специфику: озера в зоне сплошной вечной мерзлоты увеличивают свои площади, а в зоне прерывистой вечной мерзлоты сокращают их. На основе сравнения разновременных снимков с 1970-х по 2000 гг. Кравцовой В.И. (2021) были исследованы 39 участков в шести районах криолитозоны России. Была выявлена динамика термокарстовых озер, которая показала уменьшение площади одних озер на 2.9% и увеличение других на 1.2%, уменьшение озер обусловлено спуском эрозионной сетью, который может быть вызван двумя причинами: расширением борта озера до начала вершины эрозионного вреза и пяточной эрозией вреза водотока в сторону борта озера.

Исследование динамики численности и площади озер на о. Юкон за период 1951 по 2007 (Lantz T.C., Turner K.W., 2015) показало, что общая площадь озер сократилась на 6000 га (при изначальной площади озер в 121981 га), но при этом возникло 323 новых озера, что явилось, прежде всего, следствием быстрого и постоянного осушения 38 крупных озер, которые распались на множество остаточных водоемов. Частота осушения озер увеличилась более чем в 5 раз за последние десятилетия. Полищук Ю.М. (2017) по снимкам Landsat-8 оценил численность термокарстовых озер в зоне сплошной и прерывистой вечной мерзлоты Западно-Сибирской низменности за 2013 и 2014 гг. На территории 105 млн га средняя площадь озерного покрытия составляет 5.69 % территории. Небольшие озера (0.5–1.0 га) составляют около трети общего числа озер криолитозоны Западно-Сибирской низменности, однако площадь их зеркала не превышает 2.9% от общей площади озер.

Ряд исследований посвящен изучению изменения площади и численности озер под воздействием потепления климата, например, в работе J.M. Karlsson et al. (2014) на основе спутниковых снимков результаты выявили колебания общей площади и количества озер с течением времени: большинство озер появлялось и исчезало в течение трех различных периодов времени (1973, 1987–1988 и 2007–2009 гг.). Farquharson et al. (2019) показали, что в Канадской Арктике за 2003 по 2016 года в период аномально теплых лет средние индексы таяния оказались на 150–200% выше нормы за 1979–2000 года, что привело к опусканию поверхности до 90 см за 12 лет наблюдений. Значительное сокращение площади озер (Jennifer K. Roach, 2013) с большей вероятностью происходило в выжженных районах, на хорошо дренированных почвах и дальше от рек, что указывает на деградацию вечной мерзлоты после пожаров в связи с потеплением климата, и усилению осушения озер.

Как один из наиболее динамичных и заозеренных участков распространения термокарстовых озер Яно-Индигирская низменность изучалась рядом ученых. Например, Кравцова В.И. (2009), Кравцова В.И. с соавт. (2016) отмечают на этой территории достаточно густую сеть термокарстовых озер крупного размера, для которых характерно преимущественно увеличение площади. Также термокарст в низовьях реки Индигирки изучался Говорушко С.М. (1977), Говорушко С.М, Втюрин Б.И. (2012), Мухин Н.И. (1974). Несмотря на многочисленные работы, анализ динамики численности и площади озер и возможная связь динамики с изменением климата требует дальнейших изучений.

Целью исследования являлся анализ динамики термокарстовых озер и оценка их количественных характеристик по материалам космической съемки, а также связи динамики термокарстовых озер с климатическими изменениями.

Материалы и методы

Исследуемый участок эрозионно-термокарстовой равнины на территории Яно-Индигирской низменности расположен в 10-ти километрах от села Русское Устье Аллаиховского улуса и Русско-Устьинской протоки в низовьях реки Индигирки (рис. 1). Участок находится в зоне арктических пустынь и тундры с распространением сплошной вечной мерзлоты мощностью до 500 м со средними годовыми температурами ниже –9°С и льдистостью до 80% (Ершов Э.Д. с соавт., 1989). Климат района суровый, зимний период длится с сентября по май со средней температурой в январе –38°С. Лето пасмурное и холодное, средние температуры июля +5°С, +7°С. В течение года выпадает не более 150–250 мм осадков.

 

Рис. 1. Расположение участка исследования.

 

Участок находится в зоне сплошного залегания многолетнемерзлых пород, с повсеместно развитыми аласами (хасыреями) и котловинами, заполненными озерами. Поверхность участка сложена преимущественно озерно-болотными, озерными и озерно-аллювиальными отложениями. Основную поверхность слагают озерно-болотные отложения lbIV₁. Они приурочены к площадям развития отложений едомного надгоризонта верхнего неоплейстоцена, являясь результатом термокарстовой переработки последних. Мелкие котловины и центральные части древних аласов сложены преимущественно тонкослоистыми ленточноподобными глинами, алевритами, насыщенными растительными остатками, включая торф, реже торфяниками. Содержат ледяные жилы мощностью до 1.5 м. Характерной особенностью их является частое отсутствие в разрезах собственно аласной фации, что, возможно, служит доказательством незавершенности процесса осадконакопления.

Методика исследования включала в себя измерения площади озер по космическим снимкам за разные периоды времени (рис. 2).

 

Рис. 2. Пример оцифрованных контуров озера за разные сроки наблюдения.

 

Использовались снимки Corona за 1966 и 1976 года (5.7 м/пикс и 0.9 м/пикс), Landsat-7 за 1999 и 2007 года (15 м/пикс), Sentinel-2 за 2013 и 2021 года (10 м/пикс), а также высокодетальный снимок WorldView-2 за 2019 год. Таким образом, наблюдения велись в следующие периоды:

1. с 1967 по 1976 (разница 10 лет);
2. с 1976 по 1999 (разница 23 года);
3. с 1999 по 2007 (разница 8 лет);
4. с 2007 по 2013 (разница 6 лет);
5. с 2013 по 2021 (разница 8 лет).

Точность измерений площади озера и его динамики зависела от разрешения спутниковых снимков. Наиболее сильные погрешности оцениваются в 15–20 м при использовании снимков с разрешением 15 м/пикс (1999 г., 2007 г. и 2013 г.), на которых мелкие озера практически не различимы, а границы озер размыты. Для снимков Corona за 1966 и 1976 года, а также для снимков 2021 года, погрешность измерений оценивается 5–5.7 м (рис. 3).

 

Рис. 3. Пример различия в разрешении снимков: а ‒ снимок Corona 1966 г. с разрешением 5.7 м/пикс; б ‒ снимок Landsat-7 2007 г. с разрешением 15 м/пикс; в ‒ снимок 2021 г. с разрешением 10 м/пикс.

 

Помимо космических снимков была использована цифровая модель рельефа ArcticDEM (2 м/пикс) для анализа поверхности участка и определения характеристик рельефа. Анализ динамики площадей озер строился на основе классификации озер и аласов, включающей шесть классов для озер и два класса для аласов, представленных в таблице 1.

 

Таблица 1. Классификация озер и аласов

Классы	Описание	Пример
Классификация озер
1	Остаточное озеро внутри аласа в результате высыхания или сливания его эрозионной деятельностью
2	Типичное термокарстовое озеро вне аласа
3	Вторично образовавшееся озеро внутри аласа
4	Сливающиеся озера вне аласа
5	Большое термокарстовое озеро округлой формы внутри аласа
Классификация озер
6	Сливающиеся озера внутри аласа
Классификация аласов
1	Самостоятельный алас, у которого выделяются границы
2	Несколько слившихся аласов

 

Анализ температур строился на основе климатических данных Global Surface Temperature Analysis (NOAA Global Temp) за 1956–2022 года.

Результаты

Анализ рельефа

Анализ современного рельефа показал, что выбранный участок можно разделить на три части с высотами 5 м н.у.м., 12 м н.у.м., 40 м н.у.м. Выделенные части имеют схожую ландшафтную структуру, но при этом, видимо, имеют различные стадии проработки термокарстовыми процессами (рис. 4). Можно предположить, что высоты зоны уровня 3 (40 м н.у.м.) соответствуют исходной поверхности. Зона 2 (12 н.у.м.) проработана термокарстовым процессом и прошла около 8 стадий полного развития аласов по всей территории. Зона 1 (5 м н.у.м.) проработана термокарстовым процессом и прошла около 10 стадий полного развития аласов по всей территории.

 

Рис. 4. а ‒ уровни рельефа участка; б ‒ профили рельефа.

 

Озера и аласы имеют среднюю глубину до 3 м и не имеют особой связи с порядком водотока. Таким образом, как озеро, так и алас могут оказываться как на истоке водотока, так и на среднем его течении (рис. 5).

 

Рис. 5. Распределение аласов по порядку водотоков.

 

Состояние озер на 2021 год

Выбранный участок имеет площадь 4124.99 км², по современному состоянию на нем выявлено 2485 озер общей площадью 949.4 км², что составляет 23% от площади участка. Также на участке выделено 303 аласа площадью 2590.9 км² (62.8% от площади участка). Большинство озер относятся к классу 3 (вторично образовавшееся озеро внутри аласа), наименьшее количество озер принадлежит классам слившихся озер внутри и вне аласов.

Статистическая обработка данных по площадям озер показала, что озера за 2021 год классов 5 и 6 подчиняются логнормальному распределению. Гамма-распределению соответствуют озера только класса 3 (табл. 2).

 

Таблица 2. Статистическая обработка данных по площадям озер

Классы	Логнормальное распределение	Гамма распределение
1	-	-
2	-	-
3	-	0.17755
4	-	-
5	0.07954	-
6	0.03068	-

 

Динамика озер

Динамика площадей и количества термокарстовых озер имеет разнонаправленный характер, то есть за весь временной период наблюдалось как увеличение площади одних озер, так и уменьшение других, а также появление новых озер и одновременно полное осушение других. На рис. 6 показано схематичное изображение динамики термокарстового процесса. На первом этапе (a) происходит увеличение площади озера, затем береговая линия постепенно доходит до эрозионного вреза (водотока) (b), и начинается этап спуска озера (c). Внутри образовавшегося аласа появляется новое озеро (e), которое увеличивается в размерах и может выходить за пределы старого аласа (f).

 

Рис. 6. Схематичное изображение процесса осушения и увеличения термокарстового озера.

 

Результаты исследования демонстрируют общее увеличение площадей озер за весь срок наблюдения на 21%. В 1999 и 2013 годах площади озер увеличились на 3.1 % и 20% соответственно, при этом в 1976 году отмечается небольшое уменьшение на 0.2%, в 2007 на 0.3% и в 2021 на 0.5% (рис. 7). Площади аласов при этом практически не меняются.

 

Рис. 7. Общая динамика озер, км². Оранжевым цветом показано уменьшение площади, синим цветом – увеличение.

 

Также выявлена динамика площадей озер отдельно по классам (рис. 8).

 

Рис. 8. Изменение площадей озер (км², разница с предыдущим периодом), а ‒ класс 1, б ‒ класс 2, в ‒ класс 3, г ‒ класс 4, д ‒ класс 5, е ‒ класс 6.

 

У озер класса 1 наблюдается уменьшение площадей за весь период наблюдений. Озера класса 2 увеличиваются, начиная с 1999 года, но в 2021 наблюдается небольшое снижение. У озер класса 3 наблюдается рост в 1976 и 2007, в остальные года происходит уменьшение площади.

Озера класса 4 испытывают очень небольшие изменения, практически не меняются.

Площади озер класса 5 испытывают разнонаправленную динамику, уменьшение до 1999 года, затем увеличение. Для площадей озер класса 6 характерно постоянное увеличение площадей озер, кроме 1976 и 2007 годов, при этом эти озера имеют наибольшую площадь в пределах участка.

Количество озер в общей сумме к 2021 году выросло на 90. Появление новых озер отмечается у класса 2 и 3, когда за 1999 год появилось 40 озер класса 3 и 5 озер класса 2. Также наблюдается постоянное увеличение количества озер класса 1, что показывает осушение озер других классов и превращение их в остаточные озера внутри аласов. По количеству аласы также практически остаются без изменений, было отмечено появление новых аласов в 1976, 2013 и 2021 годах, что говорит об осушении некоторых озер и уменьшение суммарной площади.

Анализ климатических данных

Был проведен анализ климатических данных за период 1956–2022 гг. За 66-летний период наблюдений они показывают характерные аномалии температур на территории исследуемого участка (рис. 9).

 

Рис. 9. Климатические данные за 66-летний период: зима (остальные сезоны года имеют аналогичный тренд).

 

В зимние периоды наблюдались теплые зимы за 1996 и 2006, с 2010 года начиналось повышение температуры с максимальной отметкой в +4°С. В летний период аномально холодные температуры зафиксированы за 1979, 1984 и 1996 года, с 2010 года началось повышение температуры, которое продолжается в настоящее время.

Таким образом, для периодов наблюдений зафиксированы следующие аномалии (табл. 3).

 

Таблица 3. Аномалии, зафиксированные в периоды наблюдений

№	Период (гг)	Продолж. (лет)	Теплые зимы (шт/год)	Теплые лета (шт/год)
1	1967–1976	10	0.3	0.5
2	1976–1999	23	0.3	0.3
3	1999–2007	8	0.4	0.5
4	2007–2013	6	0.66	0.66
5	2013–2021	8	0.875	0.625

 

В таблице показана частота положительных отклонений температур за зимний и летний сезоны, которая рассчитывается как количество встречающихся за трехмесячный период положительных отклонений за выбранные отрезки времени с 1967 по 2021 гг.

Анализ частоты теплых зим и теплого лета показывает, что их количество начинает расти с 1999 года. Была проанализирована зависимость изменения площади озер от накопленных отклонений температур. Графики показывают в целом схожий рисунок, когда идет постепенное и постоянное увеличение летних температур с 1956 года и заметное увеличение осенних и зимних температур после 1999 года, что коррелирует с ростом площадей озер также после 1999 года (рис. 10).

 

Рис. 10. Зависимость изменения площадей озер от изменения накопленных отклонений температур по сезонам.

 

Обсуждение

Исследование показывает, что в целом для озер всех классов характерно увеличение как площади, так и количества, начиная с 1999 года, при этом рост количества озер обусловлен появлением новых термокарстовых озер, без учета остаточных озер. Только для класса остаточных озер внутри аласа характерно уменьшение площади. Можно предположить, что для этих озер продолжается процесс осушения озера и превращения его в алас. При этом для вторичных, вновь появившихся озер внутри аласа фиксируется обратный процесс – слияния и развития озер. Таким образом, для некоторых аласов характерно развитие термокарста, а для некоторых продолжение процесса осушения озер.

Процесс появления новых аласов на территории не такой активный, всего за 55-летний период исследования было зафиксировано появление 4 новых аласа. Можно предположить, что один алас в среднем появляется раз в 14 лет. Однако, определение цикла образования аласов является более сложной задачей, исследование чередования влажных и засушливых периодов и изменчивости условий показывает вековые и внутривековые циклы, в которых усыхание озер повторяется в среднем раз в 150–180 лет (Босиков Н.П. с соавт., 2012). На исследуемом участке всего выделено 303 аласа.

Увеличение площади озер и увеличение частоты теплых зим и теплого лета характерно для периода после 1999 года. Для этого же периода характерно увеличение площадей озер для большинства классов. Результаты анализа, в целом подтверждают более ранние исследования изменения численности и площадей термокарстовых озер, например, (Кирпотин с соавт., 2008; Брыксина, Полищук, 2015) об общем увеличении численности озер под воздействием потепления климата и деградации вечной мерзлоты.

Анализ распределений термокарстовых озер за 2021 год показал логнормальное распределение для классов 5 и 6 и гамма-распределение для класса 3, что не противоречит исследованиям (Викторов с соавт, 2021; Викторов с соавт., 2015), в которых подтверждается, что для эрозионно-термокарстовых равнин характерно как логнормальное распределение, так и гамма-распределение.

Выводы

Полученные данные анализа позволяют сделать следующие выводы:

Для озер всех классов в целом характерно увеличение площадей, начиная с 1999 года. За весь период наблюдений появилось 90 новых озер. Для класса остаточных озер внутри аласа характерно уменьшение площади. Можно предположить, что для этих озер продолжается процесс осушения озер. Для вторичных, вновь появившихся озер внутри аласов фиксируется обратный процесс – слияния и увеличения площадей озер. Для некоторых аласов характерно развитие термокарста, а для некоторых продолжение процесса осушения озер.

Не выявлено связи появления аласа и порядка водотока. Алас может появиться как на водотоке низкого порядка, так и среднего порядка. Было выделено 3 зоны по высотным уровням. Для зоны 1 с минимальными высотными уровнями значительного роста озер не установлено. Для зон 2 и 3 среднего и высокого уровня – отмечается активный рост озер за последнее время. Процесс появления новых аласов на территории не такой активный, всего за 55-летний период исследования было зафиксировано появление 4 новых аласа.

Полученные данные динамических параметров озер и данные климатических наблюдений в целом коррелируют друг с другом. Максимум роста площадей озер отмечается после 1999 года, также растут аномалии зимних и летних температур

Площади озер класса 5 (большое озеро внутри аласа) и 6 (слившееся озеро внутри аласа) за 2021 соответствуют логнормальному распределению, класс 3 (вторичное озеро внутри аласа) соответствует гамма-распределению.

Источник финансирования

Исследование выполнено в рамках госзадания по теме № FMWM-2022-0010.

About the authors

T. V. Orlov

Sergeev Institute of Environmental Geoscience RAS (IEG RAS)

Author for correspondence.
Email: tim.orlov@gmail.com
Russian Federation, Moscow

V. V. Bondar

Sergeev Institute of Environmental Geoscience RAS (IEG RAS)

Email: tim.orlov@gmail.com
Russian Federation, Moscow

M. V. Arkhipova

Sergeev Institute of Environmental Geoscience RAS (IEG RAS)

Email: tim.orlov@gmail.com
Russian Federation, Moscow

References

Supplementary files