Studying the dynamics of thermokarst lakes in the West Siberian Arctic based on the analysis of time series of satellite measurements

Full Text

Введение

Повышение среднегодовой температуры земной поверхности в последние десятилетия приводит к деградации мерзлотных ландшафтов арктических территорий России, перспективных для хозяйственного освоения месторождений углеводородов в ближайшие годы. По оценке экспертов, потепление климата сопровождается ростом экономических и экологических ущербов предприятий российского нефтегазового комплекса, расположенных в зоне многолетней мерзлоты. Для разработки мероприятий по снижению ущербов необходимо изучение свойств мерзлотных ландшафтов в условиях глобального потепления. Наиболее чувствительными к температурным изменениям на территории многолетней мерзлоты оказываются термокарстовые озерные ландшафты.

Для дистанционного изучения геокриологических изменений на территориях многолетней мерзлоты по космическим снимкам в качестве индикаторов геокриологических изменений обычно используются термокарстовые озёра, хорошо дешифрируемые на космических изображениях. Традиционно в исследованиях динамики термокарстовых озер используют данные о свойствах озер, полученные в дистанционных исследованиях по снимкам Landsat (пространственное разрешение 30 м), по которым накоплены многолетние архивы, удобные для исследования многолетней динамики озер.

К настоящему времени обширные дистанционные исследования свойств озер в Арктической зоне проведены на территории Аляски, в Сибири, в Скандинавии и в других регионах [1–5], которые показали некоторые особенности динамики полей термокарстовых озер в различных северных регионах. Проведенные ранее исследования динамики озер Западной Сибири относятся к периоду 1973–2008 гг. [6]. Поэтому важной задачей современных исследований динамики озер в условиях климатических изменений на этой территории становится проведение дистанционных исследований, направленных на получение новых данных о динамике площадей озер с использованием спутниковых снимков последнего десятилетия.

В связи с изложенным выше, целью настоящей работы явилось дистанционное изучение динамики термокарстовых озер в Арктической зоне Западной Сибири с использованием спутниковых снимков Landsat, полученных в период 1985–2021 гг.

Результаты и обсуждение

Спутниковые измерения площадей термокарстовых озер в арктической зоне Западной Сибири в настоящей работе проводились на территории исследований на площади 627 тыс. км², на которой были выбраны 29 тестовых участков (ТУ). Схема расположения ТУ на территории исследований представлена на рисунке 1. Как видно на рисунке, исследуемая территория разделена на три однородных по природным условиям свойствам области, называемые далее, в соответствии с [7], арктическими экорегионами, к которым будем относить территории на полуостровах Ямал и Гыдан и в южной части Западно-Сибирской Арктики. Площадь первой из них составляет 99 тыс. км², площади второй и третьей – 160 и 368 тыс. км² соответственно.

 

Рисунок 1 – Карта размещения тестовых участков на исследуемой территории в арктической зоне Западной Сибири. Обозначено: 1 – Ямальская тундра, 2 – Гыданская тундра, 3 – южная часть Западно-Сибирской Арктики, 4 – местоположение тестовых участков

 

Приведём далее краткое описание природных условий исследуемой территории Западно-Сибирской Арктики (ЗСА) на основе [8]. Территории исследований на Ямале и Гыдане, расположенные в Ямало-Ненецком автономном округе в основном за Северным полярным кругом, находятся в зоне сплошного распространения мерзлоты. Поэтому здесь повсеместно распространена многолетняя мерзлота с множеством термокарстовых озёр и болот. На территории этих экорегионов преобладают арктические, мохово-лишайниковые и кустарничковые тундры, которые сменяются к югу лесотундровым редколесьем [8].

Протяженность исследованной территории на Ямале составляет около 700 км в направлении с севера на юг и 240 км с запада на восток, а в Гыданском экорегионе приблизительно 400 км в обоих направлениях. Поверхность в экорегионе Ямала равнинная (высота от 50 до 85 м) и подстилается в основном песчано-глинистыми, моренными и ледниковыми отложениями. А на Гыдане преобладают плоские заболоченные холмисто-моренные низменности и равнины, которые поднимаются к западу (Юрибейская возвышенность) и к югу (Танамская возвышенность) до 150 м в высоту.

Территория исследований в экорегионе южной части Западно-Сибирской Арктики (далее ЮгЗСА) имеет преимущественно равнинный характер и располагается в зонах прерывистой и островной мерзлоты с большой численностью термокарстовых озер. На севере этой территории преобладают ландшафты лиственничной лесотундры, переходящие к югу в северную тайгу.

Для проведения исследования использовались данные, полученные с космических аппаратов Landsat 4, 5, 7 и 8. При разрешающей способности спутниковых снимков этих аппаратов 30 м размер пикселя на снимках составляет 900 м², что позволяют достаточно уверенно дешифрировать озера с минимальными размерами приблизительно 0,5 га. Всего было использовано 688 космических снимков Landsat, в том числе 100 и 182 в экорегионах Ямала и Гыдана соответственно и 443 в экорегионе ЮгЗСА, полученных в период с 1985 по 2021 гг. Обработка космических снимков, проведенная с использованием стандартных средств геоинформационной системы QGIS 3.22 [9], была направлена на получение данных о площадях и количестве озер на исследуемой территории. Пространственный охват каждого снимка составляет приблизительно 10 тыс. км². Все снимки выбирались в достаточно короткий период летнего сезона (июль – август) для минимизации влияния сезонных колебаний уровня воды в озерах. В этот период на исследуемой территории исчезает ледовый покров на озерах, мешающий их выделению при автоматическом дешифрировании снимков.

В работе использовались снимки со спутника Landsat уровня обработки L1TP с разрешением 30 м. Определение озер на снимках производилось с использованием индекса NDWI [10], который рассчитывается путем комбинирования данных видимого и инфракрасного диапазонов по формуле:

$\text{NDWI }=\left(\frac{\text{green }-\text{ NIR}}{\text{green }+\text{ NIR}}+ \frac{\text{green }-\text{ SWIR}1}{\text{green }+\text{ SWIR}1}\right)\times \frac{1}{2}$ (1)

где green – 3-й канал Landsat 8 и 2-й канал Landsat 4, 5, 7;

       NIR – 5-й канал Landsat 8 и 4-й канал Landsat 4, 5, 7;

       SWIR1 – 6-й канал Landsat 8 и 5-й канал Landsat 4, 5, 7.

Процедура получения данных о пространственных характеристиках озер выполняется в виде последовательности этапов, представленных в виде схемы на рисунке 2. На схеме также показаны информационные ресурсы и программные средства, используемые при выполнении разных этапов. На территорию исследования сформирована коллекция безоблачных космических снимков Landsat 4, 5, 7, 8 за 36-летний период. Для каждого снимка производилась предварительная обработка, как указано в [11], рассчитывался индекс NDWI. В результате было получено новое растровое изображение (растр), каждая ячейка которого содержала значение индекса. Путём визуального анализа определялось пороговое значение индекса, позволяющее разделять водные объекты и объекты суши. С использованием порогового значения проводилась бинарная классификация растра, в ходе которой все значения, лежащие выше порогового (водные объекты), получали значение 1, а объекты ниже порогового уровня получали значение 0. В результате получался новый растр, ячейки которого содержали информацию только о водных объектах.

 

Рисунок 2 – Схема последовательности этапов обработки и анализа данных снимков Landsat

 

Попавшие в выборку реки и ручьи были удалены с использованием векторной маски, которая создавалась в процессе визуальной проверки данных. На каждом тестовом участке были рассчитаны число озер и их площади и выполнен экспорт в табличные данные.

Рассчитанные значения площади озер для каждого озера на всей территории исследования были применены в дальнейшем для формирования временных рядов усредненных (по всем тестовым участкам для каждого года исследования) значений площади озер, используемых далее для установления трендов динамики площади озер как в отдельных экорегионах, так и на всей территории исследования в Западно-Сибирской Арктике.

Временной ряд средних значений площадей озер аппроксимировался линейным уравнением вида:

$y =ax+b$ (2)

где y – средняя площадь озера (га); a – линейный коэффициент уравнения аппроксимации; x – время (годы); b – свободный член уравнения аппроксимации.

В таблице 1 дана общая характеристика проведенных исследований.

 

Таблица 1 – Общая характеристика проведенных исследований

Территория	Ямал	Гыдан	ЮгЗСА	ЗCА
Площадь, тыс. км2	99	160	368	627
Количество снимков, шт.	100	182	443	688
Суммарное число озёр, шт.	5 966	13 153	69 868	88 987
Количество ТУ, шт.	5	7	17	29

 

На рисунке 3 представлен в графическом виде временной ряд средних (по всем тестовым участкам за каждый год) значений площади озер на территории исследований в Западно-Сибирской Арктике, рассчитанных как отношение суммы средних (по тестовым участкам) площадей озер к общему числу ТУ, имевшихся в каждый конкретный год. Заметим, что число ТУ, для которых были получены безоблачные снимки, оказалось различным в разные годы из-за отсутствия (в периоды пасмурной погоды) таких снимков. В отдельные годы для некоторых ТУ вообще не удалось собрать безоблачные снимки, что проявилось в виде пропусков данных во временном ряде средних значений площадей озер, в частности в 2003–2005, 2008 и 2012 гг. (рисунок 3).

Как видно из рисунка 3, временной ряд средних значений площади озер показывает отрицательный линейный тренд, что иллюстрируется пунктирной линией на графике. Это демонстрирует тенденцию сокращения во времени площади озер в Западно-Сибирской Арктике в период 1985–2021 гг. Заметим, что эта же тенденция сокращения в среднем площадей озер на этой территории наблюдалась, по данным [6], и в более ранний период исследований 1973–2008 гг.

 

Рисунок 3 – График временного хода среднего значения площади озер на всей территории исследований в Арктической зоне Западной Сибири

 

Для изучения особенностей динамики площадей озер на территориях в разных экорегионах Западной Сибири на рисунке 4 представлены в графическом виде временные ряды данных о средней площади озер для трех разных экорегионов Западно-Сибирской Арктики. Аппроксимация временных рядов, проведенная в соответствии с (2), позволила определить линейные тренды изменений площади озер в разных экорегионах, отображаемые на рисунке 4 прямыми линиями (сплошной – для Ямала, крупной шриховкой – для южной части ЗСА, мелкой штриховкой – для Гыдана).

Как видно из рисунка 4, изменение средней площади озер на территориях всех трех экорегионов проявляет заметный отрицательный линейный тренд, как и на рисунке 3 для всей территории ЗСА. Найденные, согласно (2), коэффициенты уравнения аппроксимации для проанализированных в статье временных рядов представлены в таблице 2. Из сравнения данных рисунка 4 о площадях озер следует важный вывод о том, что в среднем более крупные по размерам озера располагаются на территории Ямала, а более мелкие – на Гыдане. Здесь следует заметить, что несмотря на расположение этих соседних территорий в одном широтном поясе, термокарстовые процессы в условиях современного глобального потепления климата протекают на разных территориях различным образом.

 

Рисунок 4 – График временного хода среднего значения площади озер в трех различных экорегионах Арктической зоны Западной Сибири

 

Таблица 2 – Величины коэффициентов уравнения аппроксимации (2) для временных рядов площади озер в разных экорегионах Западно-Сибирской Арктики

Территория	Ямал	Гыдан	Юг ЗСА	ЗCА
Линейный коэффициент a	-0,098	-0,020	-0,013	-0,034
Свободный член уравнения b	209,56	50,12	38,41	78,36

 

Анализ данных Таблицы 2 показывает, что озера Ямала имеют наибольшую величину коэффициента линейного тренда. Следовательно, можно сделать вывод о том, что термокарстовые озера Ямала проявляют более высокую временную динамику по сравнению с другими экорегионами ЗСА. В наглядном виде это демонстрируют углы наклона линий тренда к оси абсцисс, представленных на графике на рисунке 4. Этот результат можно интерпретировать как значительно более сильное проявление влияния потепления климата последних десятилетий на динамику озер на Ямале, чем на территории двух других экорегионов ЗСА.

Заключение и выводы

По результатам проведенных исследований динамики термокарстовых озер на основе анализа временных рядов их площадей показано, что в среднем площади озер на территории всех арктических экорегионов Западной Сибири сокращаются со временем, что является проявлением глобального потепления последних десятилетий.

Установлено, что в среднем более крупные по размерам озера располагаются на территории Ямала, а более мелкие – на Гыдане. Следовательно, несмотря на расположение этих соседних арктических территорий в одном широтном поясе, термокарстовые процессы в условиях воздействия климатических изменений протекают различным образом на разных арктических территориях. Однако объяснение этого факта требует дополнительных геокриологических исследований, что не входит в рамки данной публикации.

Проведенные исследования динамики термокарстовых озер в арктической зоне Западной Сибири показывают, что озера Ямала проявляют более высокий темп временных изменений (более высокую динамику) по сравнению с озерами Гыдана и южной части Западно-Сибирской Арктики. Этот результат можно интерпретировать как значительно более сильное проявление влияния потепления климата на динамику озер на Ямале, чем на территории других арктических экорегионов Западной Сибири.

Результаты исследований динамики площадей озер, полученные в статье, могут быть использованы в задачах оценки и прогноза динамики объемов эмиссии метана и углекислого газа из термокарстовых озер арктической зоны Западной Сибири в атмосферу, а также для оценки их вклада в глобальный парниковый эффект в условиях современных климатических изменений в Арктике.

About the authors

Yury M. Polishchuk

Ugra Research Institute of Information Technologies

Author for correspondence.
Email: yupolishchuk@gmail.com

Doctor in Physical and Mathematical Sciences, Professor Principal Researcher of the Space Service Center

Russian Federation, Khanty-Mansiysk

Matvey A. Kupriyanov

Ugra Research Institute of Information Technologies

Email: yupolishchuk@gmail.com

Chief Specialist of the Space Service Center

Russian Federation, Khanty-Mansiysk

References

Supplementary files