Spatial distribution of small thermokarst lakes of Western Siberia on imagies KH-7 and GeoEye-1

Abstract


The article presents the results of remote studies of small thermokarst lakes distribution in size and changes in their number and area. It uses satellite imageries of ultrahigh spatial resolution KH-7, 1963 year and the current images GeoEye-1. It was found that for 50 years the limnicity decreases and the reduction of the total area of lakes prevails over its growth. On the basis of statistical analysis of experimental data it is shown that the sizedistribution of small lakes corresponds to a power law.


Full Text

Введение

В настоящее время проводятся обширные исследования эмиссии парниковых газов в атмосферу из водных объектов в болотно-тундровых ландшафтах в северных широтах планеты. Мерзлота, являясь хранилищем законсервированного углерода в обширных мерзлых торфяных болотах севера Евразии и Америки, при потеплении климата может стать источником возникновения еще большего потепления при высвобождении парниковых газов [1]. По данным [2], наиболее активным источником эмиссии метана и углекислого газа в арктических и субарктических районах Западной Сибири являются малые термокарстовые озера с площадью менее 0,1-0,2 га.

Из-за своих малых размеров такие озера, как правило, не учитываются в прогнозных оценках их вклада в общий парниковый эффект. В этих условиях получение обоснованных прогнозов вклада эмиссии метана и углекислого газа из малых озер в зоне вечной мерзлоты под действием климатических изменений является важной задачей, решение которой должно быть основано на использовании экспериментальных данных о пространственном распределении термокарстовых озер по их размерам. Получение таких данных для территории Западной Сибири ввиду ее труднодоступности из-за высокой степени заболоченности невозможно без применения дистанционного зондирования поверхности Земли.

В настоящее время в дистанционных исследованияхраспределения озер преимущественно используются снимки среднего разрешения Landsat, не позволяющие дешифрировать малые озера. В [3] такие исследования малых термокарстовых озер проведены с применением снимков сверхвысокого разрешения. Однако в [3] не исследован вид закона распределения, что явилось основной целью данной работы на примере малых озер криолитозоны Западной Сибири.

Методы и данные

Для проведения исследований использованы снимки сверхвысокого разрешения с аппаратов Key Hole – 7 (KH-7) и GeoEye-1. Спутник KH-7 использовался в период 1963 – 1967 гг. в американской разведывательной программе «Gambit» [3], спутниковые снимки с разрешением 0,6 м были рассекречены и переданы в свободный доступ в 2002 г. Космический аппарат GeoEye-1, запущенный в 2008 году, обеспечивает ежедневное получение космических снимков также с разрешением 0,6 м.

Исследования проводились с использованием метода тестовых участков. На территории исследований в пределах зон прерывистой и островной мерзлоты Западной Сибири выбраны 6 тестовых участков (ТУ), схема расположения которых приведена на рис. 1, где показано, согласно [4], расположение зон прерывистого и островного распространения мерзлоты на территории Западной Сибири.

Как видно на рис. 1, исследованные ТУ располагаются в меридиональном направлении в диапазоне широт приблизительно от 61 до 65 град. с.ш. Участки ТУ-1 и ТУ-2 размещены в зоне прерывистой мерзлоты, остальные ТУ – в зоне островного распространения мерзлоты. Характеристика тестовых участков дана в табл. 1.

 

Таблица 1. Характеристика тестовых участков

Номер ТУ

Координаты

центра ТУ

Зона мерзлоты

Площадь участка, га

ТУ-1

70°56' 00''E 61°59'57''N

островная

796

ТУ-2

71°6'20''E 62°1'30''N

островная

2120

ТУ-3

72°14'16''E 64°58' 20''N

островная

1271

ТУ-4

71°33'36''E 63°18'37''N

островная прерывистая

389

ТУ-5

71°37'56''E 63°35'29''N

прерывистая

4176

ТУ-6

71°43'10''E 64°3'6''N

прерывистая

3890

 

 

Рис. 1. Карта-схема геокриологического районирования Западной Сибири с указанным местоположением тестовых участков

 

Материалы съемки со спутника KH-7 являются сканированными цифровыми копиями фотопленок, что затрудняет автоматическое дешифрирование снимков. Поэтому выделение озер на снимках проводилось вручную путем визуального дешифрирования. Минимальный размер озер, выделяемых по снимкам KH-7 и GeoEye-1, ограничивался величиной 100 м2 для всех тестовых участков для обеспечения сопоставимости и повышения достоверности результатов статистической обработки полученных данных.

На основе полученных результатов измерения площадей этих озер по космическим снимкам и определения числа озер для каждого тестового участка были рассчитаны суммарная (общая) площадь озер (Sсум) на тестовом участке, плотность озер и заозеренность территории. Степень заозеренности территории определялась в виде, где So – площадь тестового участка, а плотность озер – как отношение , где n – число озер на тестовом участке.

Результаты и их обсуждение

Результаты расчетов рассматриваемых характеристик представлены в табл. 2, из которой видно, что тестовые участки значительно различаются по степени заозеренности, числу и суммарной площади озер.

Таблица 2. Результаты обработки снимков KH-7 и GeoEye-1

№ ТУ

Наимено вание спутника

Дата съемки

R, %

Кол-во озер

Общая пл. озер, га

Плотность озер, га-1

Степень заозерен ности, %

1

KH-7

08.09.1963

16,9

453

279,19

0,56

35,1

GeoEye-1

06.2013

609

326,41

0,76

40,9

2

KH-7

08.09.1963

-23,9

195

357,86

0,09

16,9

GeoEye-1

07.2013

556

272,19

0,26

12,8

3

KH-7

08.09.1963

-4,3

522

1158,25

0,41

91,1

GeoEye-1

07.2012

285

1108,69

0,22

87,2

4

KH-7

08.09.1963

-7,4

101

36,08

0,26

9,2

GeoEye-1

08.2012

227

33,41

0,58

8,6

5

KH-7

08.09.1963

-9,1

282

172,02

0,07

4,1

GeoEye-1

07.2010

635

156,41

0,15

3,7

6

KH-7

08.09.1963

-16,3

850

2432,79

2,18

62,5

GeoEye-1

07.2010

1416

2035,63

3,64

52,3

 

На основе полученных данных был проведен анализ изменения площадей термокарстовых озер во времени. Для этого на каждом из тестовых участков были рассчитаны суммарные площади озер в начальный (Sн) и конечный (Sк) годы наблюдений и определены относительные величины их изменения за период наблюдения по формуле:

(2)

Как видно из табл.2, на исследованной территории за прошедший 50-летний период при значительном росте численности озер в среднем наблюдается снижение площадей озер и степени заозеренности территории, что можно объяснить, в соответствии с [5], ускоренным образованием новых термокарстовых озер в условиях продолжающегося глобального потепления.

Изучены распределения озер по их размерам с использованием данных о числе озер и их площадях. На рис. 2 и 3 приведены графики семейства гистограмм распределения озер по площадям в двойном логарифмическом масштабе на 6 тестовых участках по снимкам KH-7 и GeoEye-1. Такое представление графиков в двойном логарифмическом масштабе удобно для проверки соответствия эмпирических распределений степенному закону распределения в виде

(1)

где k – относительное число озер в интервалах гистограмм, s – площадь водной поверхности озер, A, B – коэффициенты степенной функции.

Прологарифмировав левую и правую части уравнения (1) и вводя подстановки и , приведем (1) к виду:

(2)

Уравнение (2) демонстрирует линейную зависимость относительного числа озер от их площадей на графиках гистограмм, представленных в двойном логарифмическом масштабе. На рис. 2 и 3 приведены гистограммы распределения озер по площадям в двойном логарифмическом масштабе, полученные на всех ТУ по снимкам КН-7 и GeoEye-1 соответственно, которые допускают степенную аппроксимацию с достаточно высоким уровнем коэффициента детерминации.

 

Рис. 2. Распределение озер по размерам на разных ТУ по снимкам KH-7

 

Рис. 3. Распределение озер по размерам на разных ТУ по снимкам GeoEye

Как видно из рис. 2 и 3, несмотря на существенные различия в плотности озер и степени заозеренности территорий на разных ТУ (см. табл. 2), графики гистограмм распределений озер по их размерам на всех ТУ достаточно близки друг к другу, что свидетельствует о достаточно высокой степени близости эмпирических распределений малых термокарстовых озер на разных тестовых участках. Следовательно, можно принять, что распределение малых озер с площадями от 100 м2 до 1 га в зонах прерывистого и островного распространения мерзлоты Западной Сибири достаточно хорошо описывается степенной функцией, что подтверждает результаты исследований распределения малых озер в зоне мерзлоты Западной Сибири, полученные в [6] с использованием снимков другого космического аппарата QuickBird.

Работа поддержана в рамках проекта по договору с Минобрнауки РФ № 14. В25.31.0001 (BIO-CLIM-LAND) от 23.06.2013 г. и при поддержке гранта РФФИ по проекту 15-45-00075- р_урал_а

About the authors

Oksana A. Baysalyamova

Yugra State University

Author for correspondence.
Email: baev@itam.nsc.ru

Russian Federation, 16, Chehova street, Khanty-Mansiysk, 628012

Student

Alexander N. Bogdanov

Yugra State University

Email: Albo06@mail.ru

Russian Federation, 16, Chehova street, Khanty-Mansiysk, 628012

Master of ecology and landuse

Ildar N. Muratov

Yugra State University

Email: ildarmur@gmail.com

Russian Federation, 16, Chehova street, Khanty-Mansiysk, 628012

Student

Yury M. Polishchuk

Ugra Research Institute of Information Technologies

Email: yupolishchuk@gmail.com

Russian Federation, 151, Mira street, Khanty-Mansyisk, 628011

Doctor of physical and mathematical Sciences, Professor, Principal researcher of URIIT

Maria S. Snigireva

FGBU "PCF Rosreestr KHMAO-Yugra"

Email: maria.snigireva@yandex.ru

Russian Federation, Khanty-Mansyisk

Technician FGBU "PCF Rosreestr KHMAO-Yugra"

References

  1. Zimov, S. A., Voropaev, Y. V., Semiletov, I. P., Davidov, S. P., Prosiannikov, S. F., Chapin III, F. S., Chapin, M. C., Trumbore, S., Tyler, S. North Siberian lakes: a methane source fueled by Pleistocene Carbon // Science. – 1997. – Vol. 277. – P. 800–802.
  2. Pokrovsky, O. S., Shirokova, L. S., Kirpotin, S. N., Audry, S., Viers, J., Dupre, B. Effect of permafrost thawing on the organic carbon and metal speciation in thermokarst lakes of Western Siberia // Biogeosciences. – 2011. – Vol. 8. – P. 565–583. doi: 10.5194/bg-8-565-2011.
  3. Богданов, А. Н., Полищук, Ю. М. Дистанционное исследование пространственного распределения малых озер в зонах активного термокарста Западной Сибири // Вестник ЮГУ. – 2014. – Вып. 3. – С.11–14.
  4. Атлас СССР (Ред. Т.П.Сидоренкова). – М.: Главное управление геодезии и картографии при СМ СССР,1984. – 260 с.
  5. Брыксина, Н. А., Полищук, Ю. М. Анализ изменения численности термокарстовых озер в зоне мерзлоты Западной Сибири на основе космических снимков // Криосфера Земли, 2015. – Т. 19. – № 2. – С. 114–120.
  6. Полищук, Ю. М., Брыксина, Н. А., Полищук, В. Ю. Дистанционный анализ изменения числа и распределения по размерам малых термокарстовых озер криолитозоны Западной Сибири // Исследование Земли из космоса. – 2015. – № 3. – С. 34–42.

Supplementary files

Supplementary Files Action
1.
Fig. 1. Map-scheme of geocryological zoning of Western Siberia with the indicated location of test areas

Download (148KB) Indexing metadata
2.
Fig. 2. Distribution of lakes in sizes at different specifications according to KH-7 images

Download (56KB) Indexing metadata
3.
Fig. 3. Distribution of lakes in size at different specifications from GeoEye

Download (55KB) Indexing metadata

Statistics

Views

Abstract - 229

PDF (Russian) - 140

Cited-By


Article Metrics

Metrics Loading ...

PlumX


Copyright (c) 2015 Baysalyamova O.A., Bogdanov A.N., Muratov I.N., Polishchuk Y.M., Snigireva M.S.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies