Введение описание объектов исследования

вестник Югорского государственного университета
2009 г. Выпуск 3 (14). С. 3–12
УДК 551.345:528.88
ИЗУЧЕНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ ИЗМЕНЕНИЙ
КЛИМАТИЧЕСКИХ И ТЕРМОКАРСТОВЫХ ПРОЦЕССОВ
В ЗОНАХ СПЛОШНОЙ И ПРЕРЫВИСТОЙ МЕРЗЛОТЫ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ
Н. А. Брыксина, В. Ю. Полищук, Ю. М. Полищук
Введение
Потепление климата, ставшее одной из наиболее значимых глобальных проблем современности, приводит на северных территориях к росту аварийности на трубопроводах и
других сооружениях нефтегазового комплекса [1, 2, 3]. Снижение прочности многолетнемёрзлых пород, вызываемое ускорением термокарстовых процессов под воздействием потепления, сопровождается ростом экономических и экологических ущербов на предприятиях
отечественного нефтегазового комплекса, так как согласно [4] большинство газовых месторождений и значительная часть месторождений нефти в Западной Сибири располагается в
зоне вечной мерзлоты. Разработка мероприятий по снижению ущербов нефтегазодобыващих предприятий требует проведения исследований динамики термокарстовых процессов
на территории вечной мерзлоты в условиях глобального потепления климата.
Поэтому изучение изменений термокарстовых процессов в зоне многолетней мерзлоты в
связи с глобальным потеплением, несомненно, является актуальной проблемой, решение которой вследствие высокой степени заболоченности и труднодоступности территории Западной Сибири невозможно без применения данных дистанционного зондирования поверхности Земли [5]. Анализ литературных источников по использованию данных дистанционного
зондирования в геокриологических исследованиях показал [6–10], что хорошо дешифрируемые на космических изображениях термокарстовые озёра и хасыреи (котловины спущенных
озёр), являются наиболее пригодными геоморфологическими индикаторами в дистанционных исследованиях криогенных изменений поверхности в условиях вечной мерзлоты.
Исследования изменений термокарста на севере Западной Сибири проводились Смитом с соавторами [9], Днепровской с соавторами [11], Кравцовой с соавторами [12, 13], Кирпотиным с соавторами [14–16] и др. Однако в этих работах взаимосвязь изменений климата
и термокарстовых процессов не рассматривалась. Целью настоящей работы явилось изучение взаимосвязи изменений площадей термокарстовых озер с изменениями климатических
показателей (температура и осадки) на основе анализа временных рядов климатических
параметров и площадей термокарстовых озер на территории многолетней мерзлоты в Западной Сибири.
Описание объектов исследования
На рис. 1 приведена карта-схема геокриологического зонирования территории Западной Сибири [17], на которой показано размещение тестовых участков (полигонов) в различных подзонах мерзлоты. При этом тестовые участки ТУ-9 – ТУ-16 располагаются в зоне
прерывистой мерзлоты, а ТУ-17 – ТУ-24 – в зоне сплошной мерзлоты.
3
Брыксина Н. А., Полищук В. Ю., Полищук Ю. М.
Рис. 1. Карта-схема расположения зон вечной мерзлоты на территории Западной Сибири
c обозначенными границами 24 тестовых участков
Термокарстовые озера, образующиеся в результате вытаивания подземных льдов различного генезиса, как правило, имеют характерную округлую, овально-удлиненную или
лопастную форму (рис. 2). На основе применения разновременных космических снимков
Landsat исследованы временные изменения площадей водной поверхности термокарстовых
озер, расположенных на различных тестовых участках. На каждом из этих участков определялось от нескольких сотен до нескольких тысяч термокарстовых озер различных размеров,
измерения площадей которых проводились с использованием средств геоинформационных
систем ERDAS Imagine 8.3 и ArcGis 9.2.
4
Изучение взаимосвязи изменений климатических и термокарстовых процессов
Рис. 2. Фрагмент космического снимка Landsat-7 (07.08.1999 г.)
с термокарстовыми озерами
Использованные в работе климатические данные получены в период 1973–2006 гг. на
12 метеостанциях, расположенных на территории сплошного и прерывистого распространения мерзлоты в Западной Сибири. Показатели климатического состояния территорий исследования включали данные о температуре и осадках в теплые месяцы года, в которых
среднемесячная температура была положительной величиной.
Методические вопросы исследования взаимосвязи изменений
климатических и геокриологических процессов
Идея анализа взаимосвязи климатических и геокриологических изменений в настоящей работе основана на сопоставлении линейных трендов (тенденций) изменения климатического и геокриологического состояния территории вечной мерзлоты Западной Сибири. Для определения трендов климатических изменений использованы временные ряды
температуры воздуха и осадков по данным сети метеостанций, полученных в последние
три десятилетия на исследуемой территории, а тренды изменений геокриологического
состояния определялись на основе анализа временных рядов площадей термокарстовых
озер, получаемых по материалам космической съемки в указанный период исследований
на этой территории.
На рис. 3 для иллюстрации приведен график временного хода среднелетней температуры
воздуха на метеостанции № 12 (координаты 64,92 град. с. ш.; 77,82 град. в. д.). Показанные
на графике точки представляют средние значения температуры, полученные усреднением
среднемесячных значений температуры, взятых в теплые месяцы каждого года. Сплошная
линия на графике рис. 3 отображает линейную аппроксимацию графика временного хода
(линейный тренд) уравнением вида:
Y = ax + b,
(1)
где a – линейный коэффициент уравнения аппроксимации; b – свободный член уравнения
аппроксимации; x – время (годы).
5
Брыксина Н. А., Полищук В. Ю., Полищук Ю. М.
Рис. 3. Временной ход среднелетней температуры воздуха на метеостанции № 12
в зоне прерывистой мерзлоты
Уравнение (1) описывает линию тренда (рис. 1) изменений температуры воздуха, наблюдаемых в указанный период времени на данной метеостанции. Положительный знак
коэффициента a показывает, что анализируемый показатель (в данном случае температура)
в исследуемый период времени в среднем возрастает, а отрицательное значение (знак «–»)
коэффициента a означает в среднем уменьшение анализируемого показателя в период времени наблюдений. Аналогичный анализ временных рядов проводился для климатических
показателей (среднелетней температуры и летней суммы осадков) для всех остальных метеостанций, а также для площадей термокарстовых озер на всех тестовых участках исследуемой территории. Результаты определения значений коэффициентов a по реальным данным
об изменениях среднелетней температуры на всех метеостанциях и изменениях площадей
термокарстовых озер на тестовых участках в различных зонах мерзлоты на исследуемой
территории приведены в следующем разделе.
Определенные изложенным выше способом значения коэффициентов a для климатических и геокриологических трендов могут использоваться для выявления взаимосвязи между
изменениями климатического и геокриологического состояний территории. Сопоставление
значений a для климатических (температуры или осадков) показателей и площадей термокарстовых озер позволяет судить о наличии положительной или отрицательной взаимосвязи
между сопоставляемыми показателями. Так, если величины a для временных ходов среднелетней температуры и средней площади термокарстовых озер на тестовом участке имеют
одинаковый знак (обе положительны или обе отрицательны), то это дает основание делать
вывод о согласованном поведении сопоставляемых показателей. Различие знаков у коэффициента a для двух сопоставляемых показателей означает разнонаправленное изменение
этих показателей. Например, положительные значения a для температуры и площадей термокарстовых озер позволяют сформулировать вывод о том, что повышение среднелетней
температуры сопровождается ростом площадей озер.
Однако изложенный выше подход к анализу взаимосвязи климатических и геокриологических изменений в данной работе непосредственно применить не удается, так как расположение метеостанций (как правило, в населенных пунктах) значительно расходится с расположением тестовых участков (в местах скопления термокарстовых озер). Поэтому изложенный
выше подход к анализу изучаемых взаимосвязей применялся к средним значениям коэффициентов a, полученным усреднением по ансамблям метеостанций и тестовых участков, расположенных в одних и тех же зонах сплошного или прерывистого распространения мерзлоты.
6
Изучение взаимосвязи изменений климатических и термокарстовых процессов
Результаты исследований и их анализ
В табл. 1 приведены значения коэффициента a для среднелетних значений температуры,
полученных по данным метеостанций, расположенных в зонах распространения сплошной и
прерывистой мерзлоты. Как видно из табл. 1, средние значения коэффициента a, усредненные по территориям обеих зон, положительные. Это означает, что в период исследований
преобладает тенденция повышения летней температуры воздуха в указанных зонах, являющаяся проявлением глобального потепления последних десятилетий.
Таблица 1. Значения коэффициента a для среднелетних значений температуры
в разных зонах мерзлоты
Зоны вечной
Номер
мерзлоты
метеостанции
Сплошная
Прерывистая
1 (230220)
2 (230320)
3 (206670)
4 (232560)
5 (230740)
6 (206740)
7 (232740)
8 (235270)
9 (234260)
10 (233300)
11 (232260)
12 (235520)
Среднее
Широта, Долгота,
a,
значение a ,
град.
град.
град.С/год
град.С/год
69,7
69,7
73,3
67,5
69,4
73,5
67,5
64,3
65,4
66,5
67,5
64,9
61,7
66,8
70,1
78,7
86,2
80,4
86,6
60,9
64,7
66,7
64,0
77,8
0,03
– 0,01
0,03
– 0,01
0,02
0,04
0,04
0,01
0,002
0,02
0,03
– 0,02
0,02
0,01
Результаты исследования временных изменений уровня осадков по данным метеостанций, расположенных в разных зонах мерзлоты, представлены на рис. 4, где приведены графики временных ходов летних сумм осадков, иллюстрирующие сокращение уровня осадков
на исследуемой территории в последние три десятилетия.
В табл. 2 приведены значения коэффициента a для средних значений площадей термокарстовых озер в разных зонах распространения мерзлоты. Как видно из таблицы, средние
значения a для зон прерывистой и островной мерзлоты являются отрицательными. Следовательно, в этих зонах мерзлоты проявляется тенденция сокращения площадей термокарстовых озер. А на территории сплошной мерзлоты (табл. 2) значение a положительное
и, следовательно, в этой зоне в среднем преобладает тенденция роста площадей. Однако
необходимо отметить, что коэффициент a для площадей озер в зоне сплошной мерзлоты
по абсолютной величине значительно меньше (почти в 30 раз) по сравнению со значением
этого коэффициента в зоне прерывистой мерзлоты. Это значительное снижение величины
среднего значения a объясняется тем, что (как видно из табл. 2) только на половине тестовых участков (с номерами 21–24) в сплошной мерзлоте площади озер в среднем растут, а на
другой половине участков (номера 17–20) они сокращаются, что и вызывает уменьшение по
абсолютной величине среднего значения a в сплошной зоне.
7
Брыксина Н. А., Полищук В. Ю., Полищук Ю. М.
(а)
(б)
Рис. 4. Временной ход сумм осадков в зонах сплошной (а) и прерывистой (б) мерзлоты
Представляет интерес рассмотреть изменения коэффициента a для площадей термокарстовых озер в зависимости от географической широты тестовых участков. График этой
зависимости, построенный по данным таблицы 2, представлен на рис. 5. Сплошная линия
на графике, которая отображает аппроксимирующую прямую, показывает тенденцию роста
значений коэффициента a с увеличением географической широты расположения тестовых
участков.
Таблица 2. Значения коэффициента a для средних значений площадей термокарстовых озер
в разных зонах вечной мерзлоты
Зоны вечной
мерзлоты
Островная
Прерывистая
Номер
тестового
участка
Географическая
широта, град.
га/год
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
56,4
61,3
62,3
62,6
62,2
62,3
63,0
63,3
64,2
65,2
65,9
65,3
65,4
65,5
66,0
66,4
– 18,26
– 69,70
– 31,02
– 42,97
– 10,27
54,41
34,49
– 163,12
– 104,29
– 27,31
– 84,32
– 68,06
– 8,40
– 8,44
– 21,25
– 65,49
8
a,
Среднее
значение a ,
га/год
– 30,8
– 48,4
Изучение взаимосвязи изменений климатических и термокарстовых процессов
Сплошная
66,6
67,2
68,2
69,2
70,2
70,2
71,1
71,4
17
18
19
20
21
22
23
24
– 58,47
– 30,70
– 26,84
– 26,35
30,51
64,42
22,67
39,55
1,8
Как видно на рис. 5, в сплошной зоне мерзлоты по мере увеличения географической
широты происходит переход значений коэффициента a от отрицательных величин (в прерывистой зоне и в южной части сплошной зоны) к положительным величинам в северной
части сплошной зоны. Этот переход демонстрирует смену тенденций в характере изменения
средних площадей озер от их сокращения к росту в северной части исследуемой территории. Из графика на рис. 5 можно также сделать вывод о том, что тенденция роста площадей
озер становится преобладающей в группе тестовых участков, находящихся в высоких широтах (более 70 град. с. ш.). Из таблицы 2 можно найти, что в эту группу входят тестовые
участки с номерами от 21 до 24. А другая часть тестовых участков в сплошной зоне с номерами 17–20, расположенных южнее 70-й широты, обнаруживает сокращение площадей
озер, как и в прерывистой зоне.
Рис. 5. Широтная зависимость величины коэффициента a для средних площадей
термокарстовых озер
Анализ взаимосвязи изменений температуры и термокарста проводился путем сопоставления трендов изменения среднелетних значений температуры и средних площадей
термокарстовых озер. Исследования проведены в зонах прерывистого и сплошного распространения мерзлоты. На рис. 6 приведены временные зависимости средней площади термокарстовых озер и среднелетней температуры воздуха для зоны прерывистой мерзлоты. Точки на графиках показывают средние значения площадей и летних температур, полученные
путем усреднения соответствующих величин по всем тестовым участкам и метеостанциям,
находящимся в прерывистой зоне мерзлоты.
9
Брыксина Н. А., Полищук В. Ю., Полищук Ю. М.
Сопоставление трендов температур и площадей термокарстовых озер на этих двух графиках (рис. 6) показывает, что наблюдаемое в последние три десятилетия повышение среднелетней температуры воздуха сопровождается сокращением площади термокарстовых
озер в зоне прерывистой мерзлоты. Установленная закономерность относится и к южной
части сплошной мерзлоты (условно до 70-й широты). Этот феномен сокращения площадей
озер в условиях потепления климата может быть объяснен ускорением дренажа озер в результате увеличения глубины протаивания грунта при повышении температуры. Механизм
спуска воды из малых термокарстовых озер в большие соседние озера описан в [18].
Рис. 6. Зависимости средней площади термокарстовых озер и среднелетней температуры
от времени в зоне прерывистой мерзлоты
Следовательно, выявленные нашими исследованиями значительные изменения в последние тридцать лет площадей термокарстовых озер криолитозоны Западной Сибири можно связывать с повышением среднелетней температуры воздуха, обусловленным глобальным
потеплением климата. Этот вывод согласуется и с результатами исследований американских
ученых [19], установивших на основе анализа дистанционных данных значительное сокращение площади термокарстовых озер в зонах прерывистого распространения мерзлоты в центральной части Аляски за последние пять десятилетий. По данным [19], при существенном
увеличении среднегодовой температуры в прерывистой криолитозоне Аляски в указанный
период наблюдалось сокращение уровня осадков, как и в нашем исследовании (см. рис. 4).
Заключение
Ожидается, что глобальное потепление наиболее ощутимо в ближайшие годы будет
проявляться в высоких широтах. Более того, именно болотные ландшафты в зоне распространения многолетнемерзлых пород являются наиболее чувствительными к температурным изменениям в силу таяния вечной мерзлоты [1, 10]. При этом, как показано в [9, 20]
северные территории Западной Сибири теплеют значительно быстрее, чем другие регионы
мира. На основе проведенного анализа взаимосвязи климатических и геокриологических
изменений в настоящей работе показано, что глобальное потепление последних десятилетий можно рассматривать в качестве основного фактора современных изменений термокарстовых форм ландшафтов мерзлых болот в криолитозоне Западной Сибири.
На основе применения разновременных космических снимков 1973–2006 гг. исследована динамика площадей водной поверхности термокарстовых озер, выбранных на тестовых
участках, которые расположены в разных зонах распространения многолетней мерзлоты в
Западной Сибири. Показано, что в прерывистой зоне и в южной части сплошной мерзлоты
преобладают процессы сокращения площади термокарстовых озёр, что может служить по10
Изучение взаимосвязи изменений климатических и термокарстовых процессов
казателем уменьшения прочности многолетнемёрзлых грунтов на территории криолитозоны под воздействием глобального потепления.
Результаты исследований могут быть использованы при уточнении климатических прогнозов в условиях глобального потепления, а также при планировании мер по уменьшению
геоэкологических рисков, по снижению аварийности на трубопроводах и других объектах
нефтегазового комплекса на сибирском севере.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ (проект № 08-05-92496-НЦНИЛ_а).
Литература
1. Вечная мерзлота и освоение нефтегазоносных районов / под. ред. Е. С. Мельникова,
С. Е. Гречищева. – М. : ГЕОС, 2002. – 402 с.
2. Анисимов О. Глобальное потепление и таяние вечной мерзлоты : оценка рисков для
производственных объектов ТЭК РФ / О. Анисимов, С. Лавров // Технологии ТЭК,
2004. – № 3. – С. 78–83.
3. Samsonov R. The climate change impact on thermokarst in West-Siberian territory and
geological risks in gas industry / Samsonov R., Lesnykh V., Polishchuk Yu. and Bryksina N. //
Proc. of 14th annual conference of TIEMS (June 5–8, 2007, Split, Croatia). – Split : TIEMS.
– 2007. – Р. 212–216.
4. Полищук Ю. М. Сравнительный анализ химического состава нефтей России на территории вечной мерзлоты и вне ее / М. Ю. Полищук, И. Г. Ященко // Криосфера Земли.
– 2007. – Т. 11, № 1. – С. 45–51.
5. Полищук Ю. М. Вопросы мониторинга изменений состояния многолетнемерзлых
пород в условиях глобального потепления с использованием космических снимков /
Ю. М. Полищук, О. С. Токарева // Вестник ЮГУ. – 2006. – № 3. – С. 87–90.
6. Melnikov V. P. Distribution of Permafrost in Russia / V. P. Melnikov, D. S. Drozdov //
Advances in the Geological Storage of Carbon Dioxide. – NATO Science Series IV, 2006.
– Vol. 65. – Р. 69–80.
7. Днепровская В. П. Геоинформационный анализ геокриологических изменений в зоне
многолетней мерзлоты Западной Сибири с использованием космических снимков /
В. П. Днепровская, Ю. М. Полищук // Геоинформатика, 2008. – № 2. – С. 9–14.
8. Мельников Е.С. Ландшафтные индикаторы инженерно-геокриологических условий севера Западной Сибири и их дешифровочные признаки / Е. С. Мельников, Л. И. Вейсман, Л. Н. Крицук. – М. : Недра, 1974. – 132 с.
9. Smith L. C. Disappearing Arctic Lakes / Smith L. C., Sheng Y., MacDonald G. M.,
Hinzman L. D. // Science, 2005. – V. 308. – № 3. – Р. 14.
10. Кирпотин С. Н. Динамика площадей термокарстовых озер как индикатор климатических изменений (по данным наземного и космического мониторинга) / С. Н. Кирпотин [и др.] ; ред. С. Э. Вомперский // Торфяники Западной Сибири и цикл углерода :
прошлое и настоящее : материалы 2-го межд. Полевого симпозиума (Ханты-Мансийск
24.08–2.09 2007 г). – Томск : Изд-во НТЛ, 2007. – С. 29–32.
11. Днепровская В. П. Изучение изменений термокарста в зоне прерывистого распространения вечной мерзлоты Западной Сибири на основе космических снимков / В. П. Днепровская, Н. А. Брыксина, Ю. М. Полищук // Исследование Земли из космоса. – 2009.
– № 4. – С. 86–95.
12. Кравцова В. И. Изучение динамики термокарстовых озер России / В. И. Кравцова,
А. Г. Быстрова // Геоинформатика. – 2009. – № 1. – С. 44–51.
13. Кравцова В. И. Распространение термокарстовых озер в России в пределах зоны совре11
Брыксина Н. А., Полищук В. Ю., Полищук Ю. М.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
менной мерзлоты // Вестник МГУ. – 2009. – № 3. – С. 33–42.
Кирпотин С. Н. Динамика площадей термокарстовых озер в сплошной и прерывистой
криолитозонах Западной Сибири в условиях глобального потепления / С. Н. Кирпотин,
Ю. М. Полищук, Н. А. Брыксина // Вестник Томского университета, 2008. – № 311.
– С. 185–189.
Kirpotin S. Western Siberia wetlands as indicator and regulator of climate change on the
global scale / Kirpotin S., Dupre B., Berezin A., Bazanov V., Polishchuk Y., MironychevaTokoreva N., Volkova I., Pokrovsky O., Kouraev A., Mozgolin B., Akerman E., Vorobiov S.,
Zakharova E., Viers J., Kolmakova M // International Journal of Environmental Studies.
– 2009. – Vol. 66, № 4. – Р. 409–421.
Kirpotin S. Abrupt changes of thermokarst lakes in Western Siberia: impacts of climatic
warming on permafrost melting / S. Kirpotin, Y. Polishchuk, N. Bryksina // International
Journal of Environmental Studies. – 2009. – Vol. 66., № 4. – Р. 423–431.
Атлас СССР / ответ. ред. Т. П. Сидоренкова. – М. : Главное управление геодезии и картографии при Совете Министров СССР, 1984. – 260 с.
Kirpotin S. One of the possible mechanisms of thermokarst lakes drainage in WestSiberian North / Kirpotin S., Polishchuk Yu., Zakharova E., Shirokova L., Pokrovsky O.,
Kolmakova M., Dupre B. // International Journal of Environmental Studies. – 2008. – Vol. 65.,
№ 5. – Р. 631–635.
Riordan B. Shrinking ponds in subarctic Alaska based on 1950-2002 remotely sensed images /
B. Riordan, D. Verbyla, A. D. McGuire // J. Geophys. Res. – 2006. – V. 111. – P. 1–11.
Павлов А. В. Оценка современных изменений температур воздуха на территории криолитозоны России / А. В. Павлов, Г. В. Ананьева // Криосфера Земли. – 2004. – Т. 8.
– № 2. – С. 3–9.
12