Методика дистанционной оценки характеристик неизученных озер зон многолетней мерзлоты с использованием спутниковой информации и математического моделирования

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 24-27-00067

НазваниеМетодика дистанционной оценки характеристик неизученных озер зон многолетней мерзлоты с использованием спутниковой информации и математического моделирования

Руководитель Кондратьев Сергей Алексеевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Санкт-Петербургский Федеральный исследовательский центр Российской академии наук" , г Санкт-Петербург

Конкурс №89 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

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

Ключевые слова спутниковые снимки, озеро, математическая модель, многолетняя мерзлота, геостатистические зависимости, метеорологический реанализ, термический режим, донные отложения

Код ГРНТИ39.01.77

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Стратегия развития Арктической зоны Российской Федерации направлена на активное изучение и освоение Арктики, в том числе и ее природных ресурсов. Озера являются неотъемлемой частью природных ландшафтов арктического региона РФ, источником питьевого и хозяйственного водоснабжения. На спутниковых снимках в пределах Арктической зоны РФ дешифрируется более 2.5 млн водоемов. Суммарная площадь водной поверхности арктических озер составляет ∼160 тыс. км2, или чуть менее половины суммарной площади водной поверхности всех естественных водоемов РФ [Измайлова, 2016; Румянцев и др., 2018]. Абсолютное большинство малых и средних озер арктических территорий являются неизученными главным образом из-за их труднодоступности. Целью настоящего исследования является разработка (впервые в нашей стране) методики дистанционной оценки термических характеристик озер площадью от 0.01 до 100 км2 зоны многолетней мерзлоты нашей страны на основе методов математического моделирования с использованием спутниковых снимков подстилающей поверхности, баз данных метеорологического реанализа и геостатистических зависимостей между морфометрическими характеристиками озер различных озерных районов. Основными источниками информации по морфометрическим параметрам изученных типичных озер являются базы данных HydroLakes [https://doi.org/10.1038/ncomms13603] и WORLDLAKE (разработка ИНОЗ РАН). Эти базы содержат наиболее достоверную информацию о морфометрических параметрах озер мира. В зоне многолетней мерзлоты рассматриваются изученные озера в пределах 9 озерных регионов РФ [Измайлова, 2016], для которых должны быть получены геостатистические зависимости средней глубины озера от площади акватории, которая дешифрируется по спутниковым снимкам. В качестве инструмента для оценки термических характеристик озер зоны многолетней мерзлоты с площадью акватории до 100 км2 использован усовершенствованный вариант одномерной модели гидротермодинамики озера FLake (www.lakemodel.net), адаптированной к условиям многолетней мерзлоты за счет модификации параметризации теплообмена через границу раздела вода-дно. По географическим координатам и привязанным к ним данным метеорологического реанализа ERA5 (https://www.ecmwf.int/en/forecasts/datasets/reanalysis-datasets/era-interim) проводится выборка необходимых для расчетов метеорологических данных. Данные о глубине озера и метеоусловиях подаются на вход модели FLake. Рассчитываются теплоперенос между атмосферой, льдом, водой и донными отложениями, температура у поверхности воды и у дна, профиль температуры воды по глубине, профиль температуры в донных отложениях, дата образования ледового покрова, его продолжительность и толщина, глубина слоя сезонного протаивания донных отложений в озерах зоны многолетней мерзлоты. По результатам численных экспериментов оцениваются возможные изменения гидротермодинамики озер под влиянием ретроспективных (по данным реанализа) и прогностических климатических изменений. В качестве прогностической климатической информации предполагается использовать результаты моделирования климата, полученные в ходе работы межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) для шестого оценочного цикла (2016 – 2022). Результатом проекта будет методика дистанционной оценки характеристик озер с площадью до 100 км2 зоны многолетней мерзлоты, не требующая сложно реализуемых контактных измерений, что крайне важно для труднодоступных, неизученных или малоизученных северных территорий нашей страны. Кроме того, будут получены важные ретроспективные и прогностические оценки возможных изменений термического режима выбранных в пределах каждого озерного региона тестовых озер в результате климатических изменений. Измайлова А.В. Водные ресурсы озер Российской Федерации // География и природные ресурсы. 2016. No 4. С. 5–14. Румянцев В.А., Измайлова А.В., Крюков Л.Н. Состояние водных ресурсов озер арктической зоны Российской Федерации // Проблемы Арктики и Антарктики. 2018. Т. 64, № 1. С.84–100.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В результате выполнения исследований по проекту № 24-27-00067 «Методика дистанционной оценки характеристик неизученных озер зон многолетней мерзлоты с использованием спутниковой информации и математического моделирования» в 2024 году получены следующие результаты: • Выполнена адаптация методики дистанционной оценки термических характеристик морфометрически неизученных озер к условиям зоны многолетней мерзлоты Европейской территории России. Усовершенствован «донный» блок гидротермодинамической модели водоема, сформированы базы спутниковых снимков и материалов гидрометеорологического реанализа, подготовлена основа для геостатистической оценки взаимосвязей между морфометрическими характеристиками озер. • Собран и оцифрован картографический материал, содержащий данные о расположении многолетнемерзлотных пород различной мощности на Европейской части России (ЕЧР). Оцифрованы границы озерных регионов ЕЧР. На территории озерных регионов, выделена площадь, занимаемая многолетней мерзлотой. Таким образом уточнены границы исследуемой территории. В регионе исследований уточнено количество водных объектов, содержащихся в базах данных WORLDLAKE и HydroLake. • Получены геостатистические взаимосвязи между морфометрическими характеристиками озер для трех основных озерных регионов (Кольский сегмент Балтийского кристаллического щита, прибрежные равнины Баренцева моря, западный склон Уральской горной страны) со схожими условиями формирования озерных котловин и ландшафтами. Зависимости средней глубины от площади зеркала водоема получены на основе баз данных HydroLAKES и WORLDLAKE. • Одномерная математическая модель гидротермодинамических процессов FLake дополнена блоком, описывающим теплообмен на границе вода-дно с учетом наличия многолетнемерзлых пород в донных отложениях. В основе модификации модели лежит параметризация вертикального профиля температуры в слое сезонного оттаивания (ССО), позволяющая свести задачу о сезонной динамике ССО к обыкновенному дифференциальному уравнению. Полученное уравнение было верифицировано по данным натурных наблюдений на озере Тешекпук (70°34′17″ с.ш, 153°30′51″ з.д., Аляска, США), полученных в период с 15.08.2011 по 15.08 2012 года [https://arcticdata.io/metacat/]. • С использованием данных реанализа ERA5 получены 40-летние тренды изменчивости поверхностной и придонной температуры озер всех трех регионов, а также толщины льда в них. Результаты расчетов свидетельствуют о том, что в озерах всего диапазона глубин во всех рассматриваемых зонах присутствуют положительные тренды поверхностной температуры воды. В более глубоких озерах (глубиной от 24.0 до 30.3 м) придонная температура имеет либо нулевые, либо отрицательные тренды. Причиной такой ситуации может служить усиливающаяся с прогревом верхних слоев вертикальная плотностная стратификация водных масс, а также охлаждающее влияние многолетнемерзлых пород. • Расчетными методами получены оценки теплообмена через границу раздела вода – дно для арктических озер при наличии в них многолетнемерзлых пород. Результаты расчета демонстрируют влияние многолетнемерзлых пород на термический режим озер. В озерах всех трех озерных регионов значительную часть года поток тепла имеет положительные значения, т.е. он направлен из воды в дно. Осенью на короткий период ситуация меняется. В наибольшей степени смена направления потока тепла значима в озерах прибрежных равнин Баренцева моря, где он направлен из донных отложений в воду. Даже в период ледостава, когда в озерах, расположенных вне зоны залегания многолетнемерзлых пород, наблюдается так называемый “эффект подледного прогрева водной массы”, т.е. поток тепла отрицателен, в озерах прибрежных равнин Баренцева моря значения потока тепла положительны. Последнее может приводить к образованию льда на поверхности донных отложений в зимний период. • На основании выполненных имитационных расчетов с использованием предложенной методики получены результаты, отражающие основные особенности и закономерности формирования термического режима водоемов зоны многолетней мерзлоты в рассмотренных озерных регионах Европейской территории России.

Публикации

1. Кондратьев С. А. , Голосов С. Д., Зверев И. С., . Расулова А. М., Крылова В. Ю., Ревунова А. В. Методика дистанционной оценки термических характеристик озер многолетней мерзлоты Европейской части Российской Федерации Известия РАН. Серия географическая, Т.88 №6 (год публикации - 2024)

2. Кондратьев С. А., Голосов С. Д., Зверев И. С., Расулова А. М., Крылова В. Ю., Ревунова А. В. Assessment of thermal characteristics of lakes in the permafrost zone by mathematical modelling (on the example of lakes in Yakutia)Zverev I.S., Rasulova A.M., Krylova V.Y., Revunova A.V. Assessment of thermal characteristics of lakes in the permafrost zone by mathematical modelling (on the example of lakes in Yakutia) - Limnology and Freshwater Biology 2024 (6): 1380-1398. DOI:10.31951/2658-3518-2024-A-6-1380 Limnology and Freshwater Biology, №6 p.1380-1398 (год публикации - 2024)
10.31951/2658-3518-2024-A-6-1380