CC BY
42
ВЕСТНИК ЮГОРСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
2014 г. Выпуск 3 (34). С. 8-12
УДК 551.34; 511.58
ДИСТАНЦИОННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МАЛЫХ ОЗЁР В ЗОНАХ АКТИВНОГО ТЕРМОКАРСТА ЗАПАДНОЙ СИБИРИ
А. Н. Богданов, Ю. М. Полищук Введение
Известно [1, 2], что малые термокарстовые озёра являются наиболее интенсивными источниками эмиссии метана в атмосферу в болотно-озёрных ландшафтах Западной Сибири, что оказывает существенный вклад в парниковый эффект, рассматриваемый как одна из важных причин современного глобального потепления. Содержание этого газа в малых озёрах, по данным [1], в несколько раз превышает его концентрацию в больших озёрах. Однако до последнего времени большинство исследователей термокарстовых процессов концентрировались именно на озёрах площадью больше 1 га [1].
Дистанционных исследований свойств малых термокарстовых озёр в зоне многолетней мерзлоты было выполнено недостаточно, что и определяет возросший интерес в последние годы к исследованиям малых озёр. В связи с труднодоступностью территорий, в зоне многолетней мерзлоты их изучение требует применения дистанционных методов, основанных на использовании космических снимков сверхвысокого пространственного разрешения. Целью данной работы является изучение закономерностей изменения площадей озёр и степени извилистости их береговых линий, включая исследования распределения малых термокарстовых озёр по их размерам в криолитозоне Западной Сибири.
Объекты исследования, методы и данные
Исходные данные представлены космическими снимками среднего пространственного разрешения (30 м) с аппаратов Landsat 5, Landsat 7 и Landsat 8, полученными в теплые сезоны в период 2000-2013 гг. Данные были подобраны на район криолитозоны в Западной Сибири. Границы района исследований проходят на юге - по Обь-Иртышскому бассейну, на севере - по 70 градусу северной широты, на западе - несколько западнее реки Обь, на востоке - по реке Енисей. Для исследований пространственного распределения малых озёр по их размерам использован снимок сверхвысокого разрешения (0,6 м), полученный с аппарата Corona KH-7 (08.09.1963 г.).
Дешифрирование снимков и определение площадей озёр проводилось с использованием средств ArcGIS 10.1. Для выявления на территории мерзлоты зон активного термокарста была составлена безоблачная мозаика снимков на всю исследуемую территорию. Границы зон активного термокарста были выделены по спутниковым снимкам методом агрегирования (объединения) озёр с помощью программных средств пространственного анализа в ArcGIS. Объединение происходило в том случае, если расстояние между береговыми линиями озёр не превышало 1 км. В процессе агрегирования производилось объединение полей озёр, представленных векторными полигонами. В результате был получен векторный слой границ зон активного термокарста на изучаемую территорию, пример которого представлен на рис. 1, где озёра выделены темно-зеленым цветом; а зона термокарста - светло-зелёным.
Важным свойством термокарстовых озёр, доступным для дистанционного изучения, является извилистость береговых линий озёр, которая понимается как безразмерная величина, численно описывающая форму границ изучаемого объекта и выражающая степень отклонения от идеальной фигуры (в данном случае, круга). Степень извилистости береговой линии определялась по формуле [3]:
8
Дистанционное исследование пространственного распределения малых озёр в зонах активного термокарста...
f. =
J circ
p
4 nS
(1)
где S - площадь, P - периметр.
Отметим, что для идеального круга эта величина имеет значение 1, а для реальных озёр эта величина принимает значения больше 1.
Рисунок 1. Фрагмент снимка Landsat с показанной на нем зоной активного термокарста
Для исследования зависимости извилистости береговой линии и площади озёр от широты были созданы выборки значений этих показателей для совокупностей озёр, географическая широта местоположения которых находится в широтных интервалах шириной в 0,5 градуса. Всего было образовано по 18 выборок, по каждой из которых определялись средние значения площади и степени извилистости береговой линии озёр.
В результате дешифрирования озёр по спутниковым снимкам сверхвысокого разрешения Corona был получен векторный слой термокарстовых озёр, включающий малые озёра (площадью до 0,1 га), использованный для определения площадей озёр.
Результаты и их анализ
Общее количество озёр, определенных на основе дешифрирования мозаики, составленной из безоблачных снимков территории криолитозоны Западной Сибири, составило 376 578 озёр разных размеров. Общая площадь зон активного термокарста на исследуемой территории равна 415 900 км , что соответствует 39,5 % всей площади изучаемой территории. Наиболее обширными оказались зоны термокарста на Ямале и Гыданском полуострове.
Распределение озёр по степени извилистости их береговых границ приведено на рис. 2, из которого видно, что наибольшее количество озёр имеет степень извилистости в пределах 1,2—1,6, т. е. форма их границ достаточно округлая, что и является одним из отличительных свойств термокарстовых озёр. Усредненное (по всей исследованной территории) значение этой величины, определяемое как среднее арифметическое из общего массива значений степени извилистости, равно 1,9. Можно показать, что около 70 % озёр характеризуется степенью извилистости 2, показывающей незначительное отклонение их формы от окружности.
9
А. Н. Богданов, Ю. М. Полищук
100
Ч 80
1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8 3 3,2 3,4 3,6 3,8 4 4,2 4,4 4,6 4,8 5
Степень извилистости
Рисунок 2. Гистограмма распределения озёр по степени извилистости их береговых линий
Исследована зависимость средних значений площадей озёр и степени извилистости их береговых линий от географической широты. На рис. 3 показано широтное распределение озёр в зависимости от степени извилистости их береговых линий. Как видно из графика на рис. 3, величина средней извилистости береговой линии озёр имеет тенденцию уменьшаться в направлении к северу (от 2,45 к 1,84). Это говорит о том, что более северные озёра имеют более округлую форму береговой линии.
Рисунок 3. Зависимость степени извилистости береговых линий озёр от широты
На рис. 4 представлен график зависимости среднего значения площади озёр от географической широты. Прямая линия на графике показывает тренд уменьшения в среднем площади озёр в направлении с юга на север. Средняя площадь озёр уменьшается к северу, принимая значения 16 га на широте 61 град. с. ш. и около 9 га на севере (в диапазоне широт 6970 град. с. ш.).
На рис. 5 представлена гистограмма распределения озёр по их площадям, полученная на основе анализа выборочной совокупности, в которую включены озёра с площадью менее 0,16 га, составляющую почти 90 % (86,3 %) от общего числа озёр на исследуемой территории.
10
Дистанционное исследование пространственного распределения малых озёр в зонах активного термокарста...
0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16
площадь, га
Рисунок 5. Гистограмма распределения площадей малых озёр по данным со спутника Corona
Как видно из рисунка, гистограмма с высокой степенью достоверности (коэффициент детерминации 0,98) допускает аппроксимацию экспоненциальной функцией, как и случае исследования распределения озёр больших размеров в работе [3] по данным, полученным с использованием снимков среднего разрешения Landsat.
Заключение
С использованием спутниковых снимков с аппаратов Landsat и Corona исследованы закономерности пространственного и площадного распределения термокарстовых озёр криолитозоны Западной Сибири и степени извилистости их береговых линий. Определены зоны активного термокарста, в пределах которых выделены границы озёр, включая малые термокарстовые озёра, которые в настоящее время относятся к числу наименее исследованных. Показано, что площадь озёр и степень извилистости в среднем уменьшаются с ростом географической широты. Установлено, что гистограмма распределения малых озёр по их размерам удовлетворяет экспоненциальному закону. Материалы статьи показывают большую перспективность использования дистанционных методов в исследовании малых термокарстовых
11
А. Н. Богданов, Ю. М. Полищук
озёр, которые составляют преобладающую долю в общем количестве озёр и рассматриваются как основные источники эмиссии метана на территории многолетней мерзлоты.
Работа выполнена в рамках проекта по договору с Минобрнауки РФ № 14.В25.31.0001 (BIO-GEO-CLIM) от 23.06.2013 г.
Литература
1. Покровский, О. С. Микробиологические факторы, контролирующие цикл углерода в термокарстовых водных объектах Западной Сибири [Текст] / О. С. Покровский, Л. С. Широкова, С. Н. Кирпотин // Вестник ТГУ. Биология. - 2012. - № 3 (19). - С. 199-217.
2. Walter, K. M. Methane bubbling from northern lakes: present and future contributions to the global methane budget / K. M. Walter, L. C. Smith, F. S. Chapin // Philosophical Transactions of the Royal Society. - A., 2007. - Vol. 365. - P. 1657-1676. - Doi:10.1098/rsta.2007.2036.
3. Полищук, В. Ю. Геоимитационное моделирование полей термокарстовых озёр в зонах мерзлоты [Текст] / В. Ю. Полищук, Ю. М. Полищук. - Ханты-Мансийск : УИП ЮГУ, 2013. -129 с.
4. Родионова, Т. В. Исследование динамики термокарстовых озёр в различных районах криолитозоны России по космическим снимкам : дис. канд. геогр. наук [Текст] / Т. В. Родионова. - М. : МГУ, 2013. - 196 с.
12
