CC BY
47НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ, 2012, №2
УДК 528.88
Мониторинг растительного покрова арктической зоны Восточной Сибири
по спутниковым данным
Е.В. Варламова, В.С. Соловьев
Представлены результаты исследования вариаций NDVI растительности арктической зоны Восточной Сибири в условиях глобального потепления климата по данным многолетних (1982-2006 гг.) спутниковых наблюдений и метеорологических станций.
Ключевые слова: Арктика, дистанционное зондирование, вегетационный индекс.
The paper presents the results of studies of NDVI variations of the Arctic zone of Eastern Siberia in conditions of global warming based on long-term (1982-2006) satellite observations and meteorological stations data.
Key words: the Arctic, satellite observations, vegetation index.
Введение
За последние полтора столетия температура на Земле выросла примерно на 1-1,5 град. Особенно интенсивно процесс потепления шел в последние 20-25 лет. Согласно спутниковым наблюдениям, с 1978 г. площадь ледового покрова Северного Ледовитого океана в среднем уменьшалась за десятилетие на 2,7 (2,1-3,3)%, причем в летний период процесс шел быстрее на 7,4 (5,0-9,8)%, при этом значительно увеличилась площадь открытого водного пространства [1].
Таким образом, Арктика становится все более доступной человечеству: углеводородные ресурсы прибрежного шельфа, составляющие по разным оценкам более 35% мировых разведанных запасов, станут более доступны; возникает реальная возможность круглогодичной эксплуатации Северного морского пути, что в разы понизит себестоимость перевозок в направлении «Азия-Европа»; возникают реальные условия формирования нового трансконтинентального транспортного направления Якутск-Чукотка-Аляска и многое другое.
Однако более интенсивное освоение Арктики и эксплуатация ее ресурсов имеет и отрицательную сторону - повысятся риски чрезвычайных ситуаций (ЧС). Экологические последствия ЧС на нефтепромыслах и транспортных маршрутах (разливы нефтепродуктов, катастрофы транспортных средств и т.д.) могут иметь необратимый характер. Суровый климат Арктики (продолжительная холодная зима, сухое быстротеч-
ВАРЛАМОВА Евгения Викторовна - м.н.с. ИКФИА СО РАН, varlamova@ikfia.ysn.ru; СОЛОВЬЕВ Владимир Степанович - к.ф.-м.н., с.н.с. ИКФИА СО РАН, solo@ikfia.ysn.ru.
ное лето, недостаток солнечной радиации, вечная мерзлота и т.д.) обусловливает низкий реабилитационный ресурс северной природной среды. В силу этих обстоятельств, а также малонаселенности, удаленности и слаборазвитости инфраструктуры мероприятия по локализации и ликвидации последствий ЧС в Арктике потребуют огромных усилий и финансовых затрат. Поэтому необходимость всестороннего экологического мониторинга природной среды Арктики и прилегающих к ней территорий не вызывает сомнения.
Как важнейший компонент биосферы и источник ресурсов, растительный покров является «индикатором» глобальных изменений биосферы и климата. Цель работы - исследование вариаций NDVI растительности арктической зоны Восточной Сибири в условиях глобального потепления климата по данным многолетних спутниковых наблюдений.
Данные и методика
В условиях труднодоступности значительной части территории арктической зоны методы дистанционного зондирования являются неоценимыми источниками информации о состоянии окружающей среды, обеспечивая высокий уровень достоверности, оперативности и регулярности измерений ключевых параметров.
Для оценки состояния растительности на основе данных дистанционного зондирования используются различные вегетационные индексы, рассчитываемые как комбинации спектральных характеристик отраженного сигнала. К числу наиболее широко используемых относится нормализованный разностный вегетационный индекс NDVI=NIR-RED/NIR+RED, где NIR и RED - значения альбедо земной поверхности в ближнем ИК и красном диапазонах спектра.
58
НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ, 2012, №2
В работе были использованы данные радиометра AVHRR спутников NOAA, полученные на станции СКАНЭКС в ИКФИА СО РАН, и данные международного проекта GIMMS (Global Inventory Modeling and Mapping Studies) (1982-2006 гг.), также данные метеостанций Росгидромета.
Исследования вариаций индекса NDVI проводились на тестовых участках, расположенных на Яно-Индигирской низменности («северовосточный» участок, ~30x30 км), СевероСибирской низменности («северо-западный» участок, ~50x50 км), Центральноякутской равнине («центральный» участок, ~50х50 км) и на Приленском плато («южный» участок, ~50x50 км), обозначенных как участки «С-В», «С-З», «Ц» и «Ю», соответственно. Расположение тестовых участков показано на рис. 1.
Выбранные участки характеризуются ровным низменным рельефом и отсутствием больших водных объектов. Северные («С-В», «С-З») и южные («Ц», «Ю») участки различаются как
Рис. 1. Расположение тестовых участков а
- - 0,9 п и > "— о
0,3 -
типами растительности, так и климатическими условиями.
Орографически «С-В» участок отделен от остальных участков горными массивами. Но, тем не менее, оба северных участка расположены на одной широте и схожи по типу растительности - субарктическая тундра. На южных участках находятся среднетаежные лиственничные леса с преобладанием предгорной растительности на «Ю» участке.
В результате обработки спутниковых данных были построены межгодовые и сезонные вариации вегетационного индекса КБУ1 для «С-В», «С-З», «Ц» и «Ю» участков [2-6].
Межгодовые и сезонные вариации NDVI тестовых участков
Продолжительность вегетационного сезона, в течение которого происходит основная жизнедеятельность растений, является важной биоклиматической характеристикой (определяющей продуктивность наземных экосистем, параметры процессов энергомассообмена между поверхностью суши, атмосферой и другими компонентами геосистемы). В традиционной фенологии начало вегетации определяется на основе признаков возобновления сокодвижения в растениях в весенний период. Одним из условий для активной жизнедеятельности растений являются метеопараметры (температура воздуха и почвы, атмосферные осадки). Наиболее распространенный на практике метод определения временных границ вегетационного сезона основан на использовании данных метеорологических наблюдений и, прежде всего, температуры воздуха.
На рис. 2 показан сезонный ход КБУ1 и среднесуточной температуры воздуха, построенный по 15-дневным усредненным данным за май-сентябрь 1982-2006 гг.
б
Рис. 2. Сезонный ход и среднесуточной температуры воздуха, построенный по 15-дневным усредненным данным май-сентябрь 19822006 гг.: а - «Ю» участок; б - «С» участок
Месяцы
-NDVI(U)---NDVI (Ю) —Э— температура (Ц)
о,бо
0,35
1982 1986 1990 1994 1998 2002 2006 Года
- N 0У1 (Ц)---ШУ1(Ю)
1982 1986 1990 1994 1998 2002 2006 Года
-ШУЦОВ)---N№/1(0-3)
Рис. 3. Межгодовые вариации МЭУТ (1982-2006 гг.): а - «Ю» участок; б - «С» участок
Из рис. 2 видно, что изменения вегетационного индекса растительности и среднесуточной температуры всех участков в течение сезона вегетации наряду с общими представлениями описываются характерными кривыми. Но, тем не менее, разница в характере временного поведения индекса растительности между южными и северными участками существенна, что объясняется различными климатическими условиями участков. Начало сезона вегетации во многом зависит от устойчивого перехода к положительным температурам. Температура северного участка, находящегося в Яно-Инди-гирской низменности, достигает положительных значений в июне. С этого же месяца начинает расти КБУ1 «С-В» участка, достигая максимума к началу августа, который вскоре сменяется спадом. Аналогичным образом ведет себя индекс растительности на «С-З» участке.
Сезонная динамика вегетации «Ц» участка, расположенного в междуречье Лены и Алдана, имеет иной характер. В первой половине мая КБУ1 принимает значения выше 0,2 и далее начинается активный рост. С начала июня и до конца августа в среднем наступает фаза насыщения - значения КБУТ держатся на уровне
0,7-0,8. Спад КБУ1 происходит только в сентябре. Аналогичным образом ведет себя индекс растительности «Ю» участка. Отметим, что температура «Ц» участка в течение периода май-сентябрь имеет положительные значения.
Несмотря на сложный характер межгодовых вариаций КБУ1 всех участков, относительные вариации как между южными («Ц», «Ю») участками, так и между северными («С-В», «С-З») участками схожи (рис. 3).
Связь межгодовых вариаций значений NDVI и метеорологических параметров
На рис. 4 показаны межгодовые вариации значений КБУ1 и метеорологических параметров (среднесуточной температуры воздуха и количества атмосферных осадков) северных участков. Из рисунка видно, что на протяжении 25 лет поведение индекса растительности и климатических параметров «С-З» и «С-В» участков имеет сложный характер. В отдельные годы наблюдаются резкие рост и спад значений КБУ1 на обоих участках. Но, тем не менее, между КБУ1 и температурой на обоих участках прослеживается заметная связь, коэффициент
0,35 -
1982 1986 1990 1994 1998 2002 2006 Года
■ ытл(с-з)
-в— температура (ОЗ)
■ - осадки (ОЗ)
0,45 -
1982 1986 1990 1994 1998 2002 2006 Года
■ МО\Л(ОВ)
-©—температура (ОВ) —- - осадни(ОВ)
Рис. 4. Межгодовые (май-сентябрь) вариации МЭУ1, температуры и осадков: а - «С-З» участок; б - «С-В» участок 60 НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ, 2012, №2
б
а
б
а
6 -
4 -
2 -
у = 31,211х - 9,3287 Р2 = 0,5445 [?=0,74
0,25
0,35
0,45
6 -
2 -
у = 22,721х - 5,4204 В2 = 0,464 [?=0,68
0,25
0,35
0,45
[\JDVI
О ГЮУЦС-З) -Линейная (М0У1(С-3))
О ШУ[(С-В) -Линейная (N0X7! (С-В))
Рис. 5. Связь МЭУТ с температурой: а - «С-З» участок; б - «С-В» участок
а
б
1982 1985 1988 1991 1994 1997 2000 2003 2006 года
1982 1985 1988 1991 1994 1997 2000 2003 2006 года
О температура
—в—температура
Рис. 6. Межгодовые вариации МЭУТ и температуры мая: а - «Ю» участок; б - «Ц» участок
0,6 май 1982-2006 (Ю)
0,5 -
у = 0,0367х+ 0,1699 № = 0,6057 11=0,78
4 6
Температура ('С)
0,6 п май 1982-2006 (Ц)
у= 0,0414Х+ 0,1102 Я2 = 0,5937 [¡=0,77
4 6
Температура ('С)
Рис. 7. Связь МЭУТ с температурой мая 1982-2006 гг.: а - «Ю» участок; б - «Ц» участок
б
а
б
а
корреляции составил 0,74 и 0,68 (рис. 5). Колебания уровня осадков также значительны и имеют сложный характер, но его связь с NDVI не столь выражена: коэффициент корреляции между NDVI и осадками для «С-З» участка составляет -0,39, а для «С-В» - 0,24.
На южных участках зависимость NDVI с температурным режимом, в целом невысока (на «Ю» участке коэффициент корреляции равен 0,44) и даже практически отсутствует (на «Ц» участке коэффициент корреляции равен 0,18). Связь между NDVI и осадками на обоих южных участках также отсутствует (коэффициенты корреляции равны -0,09 и 0,04).
Тем не менее связь NDVI с температурой воздуха для «Ю» и «Ц» участков существует, но она наблюдается только в начале сезона вегетации - в мае (рис. 6), когда коэффициент корреляции составил 0,78 и 0,77 (рис. 7), соответственно для участков «Ю» и «Ц».
Выводы
Анализ межгодовых (май-сентябрь) вариаций индекса вегетации NDVI и метеопараметров (температура воздуха и атмосферные осадки) показал, что вегетационный индекс NDVI арктической растительности («С-З» и «С-В» участки) в большей степени коррелирует с температурным режимом, чем с уровнем осадков. На южных участках («Ю» и «Ц») заметная связь NDVI с температурой наблюдается только на начальной фазе вегетационного сезона (май). Корреляция NDVI с количеством осадков не обнаружена. Наблюдаемый характер связи индекса NDVI с температурным режимом для северных («С-З», «С-В») и южных («Ю», «Ц») тестовых участков, вероятнее всего, обусловлен различием климатических, гидрологических условий и типов растительности.
Литература
1. МГЭИК, 2007: Изменение климата, 2007 г.: обобщающий доклад. Вклад рабочих групп I, II и III в Четвертый доклад об оценке Межправи-
тельственной группы экспертов по изменению климата [Пачаури, Р.К., Райзингер, А. и основная группа авторов (ред.)]. МГЭИК, Женева, Швейцария, 104 с.
2. Варламова Е.В., Соловьев В.С. Исследование вариаций вегетационного индекса NDVI арктической зоны Якутии // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса: Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов. - М.: ООО «ДоМира», 2010. - Т. 7, №3. - C. 226-230.
3. Варламова Е.В., Соловьев В.С. Спутниковый мониторинг растительности арктической зоны Якутии // V Межд. конф. «Солнечно-земные связи и физика предвестников землетрясений». 2-7 августа 2010 г., Паратунка, Камчатский край.- С. 50-53.
4. Варламова Е.В., Соловьев В.С. Межгодовые вариации вегетационного индекса NDVI арктической зоны Якутии // XI Межд. научно-практ. конф. «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности». 27-29 апреля 2011 г., Санкт-Петербург. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2011. -Т. 3. - С. 235-237.
5. Варламова Е.В., Соловьев В. С. Исследование вариаций вегетационного индекса растительного покрова Арктической зоны Якутии // XVII Межд. симпозиум «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы»: сборник трудов [Электронный ресурс]. Электрон. текстовые, граф. данные. - Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2011. - F. 22-25.
6. Varlamova E.V., Solovyev V.S., Vasil'evM.S., Budishchev A.A. Research of Variations of NDVI Vegetation Index of Yakutia On AVHRR/NOAA Data // The application of technologies for the conservation of nature in Cold Regions: materials of The IX International Symposium on Cold Regions Development. 1-5 June. - Yakutsk, 2010. -P. 233.
Поступила в редакцию 06.04.2012
62
НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ, 2012, №2
