Гидрологические последствия изменения климата и антропогенного воздействия в криолитозоне

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 24-17-00084

НазваниеГидрологические последствия изменения климата и антропогенного воздействия в криолитозоне

Руководитель Фролова Наталья Леонидовна, Доктор географических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова» , г Москва

Конкурс №92 - Конкурс 2024 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-708 - Гидрология и водные ресурсы

Ключевые слова Изменения климата, речной сток, криолитозона, моделирование, дистанционное зондирование

Код ГРНТИ37.27.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Наиболее важные задачи научных исследований на обширных и слабонаселенных территориях Сибири и Дальнего Востока России направлены на решение таких проблем как комплексное рациональное использование природных ресурсов, обеспечение экологической безопасности, развитие транспортной системы и обеспечение жизнедеятельности населения. В последние десятилетия происходит нарастание экстремальности расходов и уровней воды, интенсификация русловых процессов, изменения характера ледовых явлений, мутности и качества воды. Главные причины – климатические и ландшафтные изменения, более интенсивное природопользование в новых районах. Несмотря на огромное количество работ, посвященных данной тематике, неясными остаются многие вопросы, связанные с характером и причинами изменений внутригодового распределения стока рек, многолетними тенденциями стока и их временной структурой, магнитудой и повторяемостью экстремальных расходов и уровней воды, нарушениями термического и ледового режима рек, зональными и временными аспектами этих особенностей. Данная работа направлена, прежде всего, на изучение динамики стока рек криолитозоны и механизмов ее связи с изменением метеорологических характеристик, ландшафтного строения водосборов и параметров вечной мерзлоты. Процессы деградации криолитозоны, активные в последние десятилетия, не могут не сказаться на гидрологическом режиме рек и озер, их морфологическом состоянии. Современные исследования, включая результаты гидрологического моделирования, подчеркивают сложность и неоднозначность связи между динамикой стока и состоянием криолитозоны. Благодаря прогрессу в области дистанционного зондирования Земли и алгоритмах обработки данных, существует большое количество спутниковых продуктов, способных оценивать ландшафтные изменения, включая последствия лесных пожаров, динамику термокарстовых озер, влагозапасы в бассейнах и элементы их водного баланса, причем без пространственного ограничения. В ходе реализации задач проекта спутниковые продукты послужат для настройки и запуска модели формирования стока ECOMAG для различных речных бассейнов. Необходимо решить важную проблему увязки наземных наблюдений и дистанционных, расчетных, смоделированных данных, оценки точности последних. Это всегда востребованная и актуальная задача любых подобных научных работ. Особенность проявления гидрологических процессов в последние 30-40 лет резко отличается от предшествующей ситуации, что резко повышает актуальность создания новых картографических продуктов – в доступных ГИС и электронных форматах, проведения нового районирования, обоснования новых эмпирических моделей, увязывающих гидрологические характеристики и параметры определяющих динамику стока, обновление концептуальных моделей развития гидрологических процессов в криолитозоне, обязательно имеющих как научно-методическое, так и прикладное назначение. В ходе реализации проекта будет изучена (для ключевых бассейнов, по данным спутниковых и геокриологических наблюдений) многолетняя изменчивость состояния растительного покрова, озерной и русловой сети, проанализирована взаимосвязь индексов этого состояния с основными компонентами водного баланса, состоянием многолетней мерзлоты. Это позволит оценить в будущем потенциальную роль растительного покрова, изменяющегося при таянии вечной мерзлоты и природных пожарах растительного покрова в изменении стока воды и наносов арктических водосборов. В ходе проекта также будет проведен анализ динамики пожаров на водосборах моделируемых рек в контексте их взаимосвязи с динамикой растительного покрова и элементами водного баланса и водного стока, рассчитанными с использованием спутниковых наблюдений и модельного комплекса ECOMAG. Важным станет понимание географии, временных аспектов и масштабов воздействия горнодобывающей деятельности, термоэрозии на мутность и сток наносов рек.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В 2024 г. проведен комплекс исследований, направленных на обобщение ранее полученных результатов в области изучения динамики стока рек криолитозоны и механизмов связи ее с изменением метеорологических характеристик, морфологического строения водосборов и параметров вечной мерзлоты, создание новых и расширение существующих баз данных, установление основных особенностей и закономерностей изменений стока и водного режима, температурных условий, стока наносов рек под влиянием меняющего климата и физико-географических условий. Выполнен обзор многочисленной отечественной и зарубежной литературы по оценке влияния изменений климата на сток рек и водный режим рек криолитозоны, термический режим, сток наносов, опасность наводнений и заторов льда на реках. Актуализированы имеющиеся базы данных гидрологических и метеорологических характеристик суточного и месячного разрешения, данных GRACЕ. Существенно расширена имеющаяся база данных по средним месячным, годовым и максимальным расходам взвешенных наносов, мутности воды. Для бассейнов арктических рек была собрана база данных различных спутниковых продуктов для оценки снегозапасов, испарения, влажности почвы, общих влагозапасов для сравнения с наземными наблюдениями. Анализ данных наблюдений за стоком рек включал оценки периодов нарушения стационарности в рядах годового и максимального стока, изменений средних и дисперсий за выбранные периоды времени, анализ трендов и построение соответствующих карт. Нарушение стационарности в рядах годового стока для Западной Сибири и значительной части бассейна Енисея произошло примерно в 1985 г., для бассейна Байкала, Амура, Лены – в 1996 г. Для рядов максимальных расходов воды получена схожая картина - 1980 и 1988 гг. в пределах ЕТР сменяются на 1985 г. для Западной Сибири, среднего и нижнего течения Енисея и 1996 г. - для бассейна Амура, Лены и северо-востока России. В пределах АТР реки с существенно положительными аномалиями годового стока (10-50% и больше) занимают нижнюю часть бассейна Иртыша и Обь-Иртышское междуречье, огромную территорию от Хатанги до Колымы. Существенно меньшую площадь занимают два региона со снижением годового стока - верховья Лены (южнее 60° с.ш.), бассейн Селенги, верховья Амура, а также Чукотку, сев. побережье Охотского моря, большую часть Камчатки. Ситуация с максимальными за год расходами воды рек более разнообразная. Здесь явно преобладают реки с положительными аномалиями. Причем реки на юго-востоке АТР со значительной ролью летне-осенних дождевых паводков демонстрируют уменьшение максимальных расходов, тогда как у рек с основной фазой в весеннее половодье доминирует их увеличение. Результаты калибровки и верификации модели формирования стока ECOMAG для ключевых бассейнов криолитозоны показали, что для исследуемых створов получены хорошие результаты расчета суточных гидрографов как по данным метеостанций, так и на основе баз данных реанализов, Сравнение данных спутниковых продуктов о всех доступных компонентах водного баланса по 20 бассейнам в арктической зоне с данными сетевых наблюдений продемонстрировало высокую корреляционную связь месячных осадков IMERG с осадками на 43 метеостанциях, значимую корреляцию спутниковых данных о снегозапасах с данными натурных измерений на 31 снеговом профиле, значимую корреляционную связь между стоком и суммарным испарением для Печеры, Енисея и Ангары. Связь между годовым стоком и интегральными запасами воды на водосборе (TWC), включающими запасы грунтовых вод и водохранилищ, наблюдалась для 13 водосборов. Результаты сравнения годовых величин показали, что на большинстве водосборов наилучшее совпадение модельной (ECOMAG) и спутниковой межгодовой изменчивости наблюдается для снегозапасов (SWE) и интегральных запасов воды (TWC). В бассейне Печоры наблюдается высокая связь межгодового хода модельной и спутниковой эвапотранспирации. При анализе среднемесячных величин было выявлено, что модельные и спутниковые параметры SWE и TWC демонстрируют хороший согласованный сезонный ход и его межгодовую изменчивость на большинстве модельных водосборов, месячные значения эвапотранспирации модельно-спутникового продукта GLEAMS показывают высокую корреляцию с эвапотранспирацией, рассчитанной по модели ECOMAG. В то же время для влажности почвы модельная изменчивость межгодового и сезонного цикла слабо связана с изменчивостью, полученной по спутниковым измерениям. Спутниковые данные о суммарных влагозапасах (данные GRACE), как интегральные характеристики влагозапасов, могут применяться для итоговой верификации модели. Основные результаты изучения термического режима рек связаны с исследованием роли различных географических факторов. Показано, что роль температуры воздуха в формировании температуры воды (в среднемесячном масштабе времени) растёт с северо-востока на юго-запад и с юга на север в горных районах восточнее р. Лена. В то же время показана незначительная роль атмосферных осадков и стока воды в формировании термического режима рек, дана количественная оценка степени изменчивости связи температуры воды с различными её факторами. Получены количественные оценки температуры воды в реках в современный период и ее изменение. Кроме того, оценён тепловой сток, формируемый реками различного размера. На основе дополнения и актуализации баз данных по стоку взвешенных наносов и мутности воды рек региона проведен анализ материалов многолетних наблюдений, установлены факторы его временной изменчивости, в том числе посредством построения многомерных зависимостей, проведен расчет основных характеристик. В 2024 г. такая работа проводилась для рек бассейнов Индигирки и Алдана, имеющих общую границу, схожие антропогенные условия формирования и руслового транзита наносов, но различающихся по величине и естественному режиму стока наносов. Детально изучена хронология, структура и география горнодобычи в бассейнах рек, влияние климата и его изменения, стока и водного режима рек, температуры воды и теплового стока, состояние вечной мерзлоты и ландшафтного строения данных водосборов.

Публикации

1. Василенко А.Н., Фролова Н.Л., Григорьев В.Ю., Шевченко А.И., Винде Ф. Spatio-Temporal Variability of Water Temperature of Arctic Rivers in Russia over the Past 60 Years Applied Sciences , Appl. Sci. 2024, 14, 10942. https://doi.org/10.3390/app142310942 (год публикации - 2024)
10.3390/app142310942

2. Крыленко И.Н., Павлюкевич (Корнилова) Е.Д., Завадский А.С., Головлев П.П., Фингерт Е.А., Борисова Н.М., Беликов В.В. Modeling of potential impact of climate change on water regime and channel processes in the river Lena near city Yakutsk: possibilities and limitations Geography, Environment, Sustainability (год публикации - 2024)

3. Панченко Е.Д., Крыленко И.Н., Алабян А.М. Tide-river interaction in the Pechora Delta as revealed by new measurements and numerical modeling Anthropocene Coasts, volume 7, article number 27 (год публикации - 2024)
10.1007/s44218-024-00062-w

4. Крыленко И.Н., Лебедева С.В., Панченко Е.Д., Алабян А.М. Моделирование гидродинамических процессов в устьях рек севера европейской территории России при возможных изменениях климата Водные ресурсы, №1, том 52, с. 52-66, б/н от 11.08.2024 (год публикации - 2025)
10.31857/S0321059625010042

5. Гельфан А.Н., Фролова Н.Л., Григорьев В.Ю., Калугин А.С., Киреева М.Б., Корнилова Е.Д., Крыленко И.Н., Магрицкий Д.В., Мотовилов Ю.Г., Сазонов А.А. Изменения климата и угрозы водной безопасности России РАН, г.Москва, В кн.: Изменения климата: причины, риски, последствия, проблемы адаптации и регулирования / Под ред. И.И.Мохова и, А.А.Макоско, А.В.Чернокульского - М.: РАН, 2024, с.138-154. (год публикации - 2024)

6. Лисина А.А., Фролова Н.Л., Калугин А.С., Крыленко И.Н., Мотовилов Ю.Г. Assessment of the Kolyma river hydrological regime dynamics in the 21st century based on runoff formation model Geography, Environment, Sustainability (год публикации - 2024)

7. Григорьев В.Ю. , Фролова Н.Л., Сазонов А.А. , Пахомова О.М., Поздняков С.П. , Ван Пин СВЯЗЬ МЕЖДУ ОСАДКАМИ, РЕЧНЫМ СТОКОМ И ИСПАРЯЕМОСТЬЮ НА ЕВРОПЕЙСКОЙ ЧАСТИ РОССИИ И ЕЕ ИЗМЕНЧИВОСТЬ Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. Геогр. 2024. Т. 79. № 6. С. 55–66, Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. Геогр. 2024. Т. 79. № 6. С. 55–66 (год публикации - 2024)
10.55959/MSU0579-9414.5.79.6.5

8. Агафонова С.А., Магрицкий Д.В., Банщикова Л.С. Водный и ледовый режим устья р. Печоры в современных гидроклиматических условиях Водные ресурсы, № 1, том 52, с. 38-51, б/н от 25.07.2024 (год публикации - 2025)
10.31857/S0321059625010032

9. Магрицкий Д.В., Михайлова М.В. Гидрологические опасности в устьях рек: терминология, типизация, география Водные ресурсы , №1, том 52, с. 3-23, б/н от 11.07.2024 (год публикации - 2025)
10.31857/S0321059625010012

10. Магрицкий Д.В., Школьный Д.И., Илюшина П.Г. Природно-антропогенные изменения стока наносов рек в бассейне Индигирки Известия Русского географического общества, том 157, №3, с.394-415 (год публикации - 2025)
10.31857/S0869607125030091

11. Фролова Н.Л., Сазонов А.А., Ломов В.А. Эмиссия метана из Колымского водохранилища: данные наблюдений и результаты численных экспериментов Вестник Московского университета, Серия 5. Географическая. , Т.80, №6, с. 18-32 (год публикации - 20205)
10.55959/MSU0579-9414.5.80.6.2

12. Магрицкий Д.В. Влияние добычи полезных ископаемых на годовой сток наносов рек в бассейне Индигирки СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ВОДОХРАНИЛИЩ И ИХ ВОДОСБОРОВ. Труды X Всероссийской научно-практической конференции с международным участием . Пермь, 2025 (год публикации - 2025)

13. Магрицкий Д.В., Фролова Н.Л., Василенко А.Н. The inflow of river water into Russian Arctic Seas: Its amount, long-term and intraanual changes Russian Meteorology and Hydrology, вып. 50, №5, сс. 369-381 (год публикации - 2025)
10.3103/S1068373925050012

14. Василенко А.Н., Магрицкий Д.В., Фролова Н.Л. База данных о температуре воды в реках российской Арктики Федеральная служба по интеллектуально собственности, Свидетельство о государственной регистрации базы данных №2025624701 (год публикации - 2025)

15. Василенко А.Н. Ледотермический режим рек Арктической зоны России и его потенциальные изменения в 21 в. Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата географических наук. На правах рукописи., Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата географических наук. На правах рукописи. (год публикации - 2025)

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В 2025 г. продолжены комплексные исследования в области изучения динамики стока рек криолитозоны и механизмов связи ее с изменением метеорологических характеристик, морфологического строения водосборов и параметров вечной мерзлоты. Проведен анализ данных стационарных наблюдений за состоянием многолетнемерзлых пород, изменений мощности сезонно-талого слоя. Установлена высокая связность между средним расходом воды в летнюю межень и в целом за год с глубиной СТС и с суммой осадков за соответствующий период, что связано с определяющим влиянием глубины оттаивания на объем поступивших в русло реки подземных вод, формирующих меженный сток. На основе данных гидрологических постов 172 речных бассейнов и баз данных CHELSA 2.1 и WorldClim выполнен анализ связи между годовым слоем осадков, речного стока, потенциального испарения и ряда физико-географических особенностей водосборов рек криолитозоны. С использованием программы GrWat расчленения гидрографа стока [Киреева и др., 2019] на генетические составляющие проанализированы показатели, характеризующие все фазы водного режима крупнейших рек криолитозоны в их замыкающих створах. Для всех рек региона характерна тенденция увеличения числа случаев формирования более сглаженных гидрографов стока. Для 100% исследуемых рек наблюдается статистически достоверный рост минимальных характерных расходов воды за все интервалы осреднения. На основе спутниковых данных проведено исследование взаимосвязи индексов растительности с составляющими водного баланса и температурой поверхности земли для бассейнов 22 крупных и средних рек криолитозоны. Показано, что связь с компонентами водного баланса более существенна для индекса NDVI, в то время как индекс EVI имеет более тесную связь с температурой поверхности. Для половины бассейнов арктических рек растительные индексы NDVI и EVI наиболее чувствительны к интегральному запасу воды (GRACE TWC). В качестве дополнительного источника информации об изменениях состояния наземных экосистем был привлечен спутниковый продукт, содержащий оценки температуры земной поверхности (Land Surface Temperature, LST). Изменения растительного покрова в результате пожаров оценивались по данным продукта ESA CCI-L4_FIRE-BA (версии 5.1). Частота и площадь пожаров увеличилась на водосборах Вилюя, Нижней и Подкаменной Тунгусок, с 2013 г. уменьшилась в бассейне Оби. Установлено, что увеличение площадей гарей прямо пропорционально увеличению температуры поверхности земли (5 бассейнов) и обратно пропорционально GRACE TWC (6 бассейнов) и сумме атмосферных осадков (6 бассейнов). Значимые позитивные тренды площадей гарей в масштабе бассейнов наблюдаются на водосборах Анабара, Вилюя, Подкаменной и Нижней Тунгусок. Впервые на основе численных экспериментов была проведена оценка чувствительности модели формирования стока ECOMAG к изменениям типа ландшафтов в подбассейнах со значительными площадями гарей. На всех рассмотренных элементарных водосборах происходит рост пиков половодья и трансформация гидрографов при многопиковом характере половодья. Впервые проведена комплексная калибровка и верификация модели формирования стока ECOMAG но основе нескольких воднобалансовых продуктов, в том числе для бассейнов рек Надым и Пур, недостаточно освещенных гидрометрическими данными, и бассейна Колымы. Получено хорошее совпадение временного хода (NSE>0.85) в сравнении со спутниковыми данными Copernicus CCI_Snow SWE для рек Пур и Надым. Результаты верификации модели по данным о суммарных влагозапасах (данные GRACE) показали хорошее качество воспроизведения моделью в бассейнах рек Колыма (NSE=0.82) и Надым (NSE = 0.73). Тестовые расчеты на основе спутниковых данных об осадках IMERG показали возможность воспроизвести характерные гидрографы арктических рек, однако зимние осадки спутник регистрирует со значительным систематическим смещением. В 2025 г. проведен детальный анализ затоплений пойм и речных наводнений на Северо-Востоке России (северо-восточные улусы республики Саха (Якутия), Чукотский АО и Магаданскую обл., бассейны рек Яны, Индигирки, Алазеи, Колымы, Анадыря, бассейнов Чукотского и Охотского морей). Получены данные о повторяемости и продолжительности затоплений, которые обобщены в созданных информационных массивах, ГИС-проектах. Для подавляющего большинства рассмотренных постов отмечен рост максимальных уровней воды в среднем на 0,2-0,4 м, повторяемости выхода речных вод на пойму – от +5…+10% до +20…+30% и больше. Продолжен анализ истории развития, масштабов и структуры горнодобывающей деятельности в ДФО, ее воздействия на сток наносов рек на основе формируемых баз данных стационарного мониторинга стока взвешенных наносов, ГИС разрабатываемых месторождений и других информационных источников. Новыми объектами исследования стали верхняя и средняя часть бассейна Лены, включая бассейн р.Олёкмы. Установлено, что негативные процессы в горнодобывающей отрасли на рубеже XX и XXI вв. объясняют менее 20–40% сокращения стока наносов, остальное обусловлено естественными изменениями, прежде всего, уменьшением водности рек в августе, когда проходит от 1/4 до 1/3 годового стока наносов. Последующий «взрывной» рост стока наносов (вплоть до величин 50–220%) обеспечили как гидрометеорологические, так и антропогенные факторы – расширение золотодобычи. Расширена существующая база данных о термическом режиме и стоке воды для бассейна озера Байкал, на основе которой построены карты температуры воды с проверкой их точности. Сформулированы рекомендации по их использованию, выявлены ограниченные возможности для определения температуры воды малых рек и больших рек южной части криолитозоны. Проанализировано влияние новых, построенных в последнее десятилетие водохранилищ на термический режим рек. Показано, что их влияние ограничено, особенно на Вилюе, и не сказывается на общем тепловом стоке рек. Продолжена дальнейшая разработка методики долгосрочного прогнозирования среднемесячного уровня воды заблаговременностью один месяц (на примере р.Надым). Оценена эффективность пяти моделей: модели инерционного прогноза, модели SARIMAX, рекуррентных нейронных сетей LSTM и GRU, а также модели LS-SVM с различными наборами входных предикторов. На основе результатов натурных измерений концентрации метана в воде и его удельных потоков с водной поверхности впервые проведена оценка эмиссии метана в теплый период года из Колымского водохранилища, водосбор которого полностью находится в зоне вечной мерзлоты. Выявлена пространственная и сезонная изменчивость как содержания метана в воде, так и его эмиссии.

Публикации