Изменение водной массы в криолитозоне Средней Сибири по данным дистанционного зондирования GRACE

чительное сокращение водной массы в ледниках арктической и антарктической зон [5-7]. В мерзлотной зоне Сибири, по данным GRACE, выделены регионы с возрастающими трендами водной массы в начале XXI в. [8]. Маскетт и Романовский [9] показали, что для возвышенных территорий в зоне вечной мерзлоты наблюдаются положительные тренды водной массы, в то время как в низинах - отрицательные. В южной зоне бассейна р. Лена обнаружен рост массы подземных вод [10]. Аналогичное явление наблюдалось на арктическом побережье Аляски, в то время как в бассейне р. Юкон отмечено уменьшение водной массы [11]. По данным GRACE в разных районах Земли отмечено значительное сокращение запасов подземных вод [12].

В данной работе изучена динамика аномалий водной массы в криолитозоне Средней Сибири по материалам гравиметрической съемки GRACE. Оценивалась динамика водной массы в начале XXI в., и анализировалась ее связь с климатическими переменными и параметрами почвогрунтов.

Материалы и методика

Объект исследования

Объект расположен в северной части Средней Сибири (площадь ~ 5.3-106 км2, >90 % расположено в криолитозоне; рис. 1). Территория преимущественно расположена на Среднесибирском плоскогорье и плато Путорана. Климат резко континентальный. Средние зимние температуры минус (40±20) °C и летние – (17±15) °C. Годовые осадки варьируются от 200–400 мм на востоке до 400–600 мм на западе, достигая 700–1000 мм на плато Путорана [13]. Высота от 150 до 1700 м над уровнем моря. На севере территории преобладает тундра. В северной лесопокры-

Рис. 1. Объект исследования с зонами условно-однородных аномалий водной массы (1–11). Подложка – карта мерзлотных зон: С – сплошная; П – прерывистая; МО – массивно-островная; РО – островная и редкоостровная той части доминирует лиственница (Larix sibirica, L. dahurica); на юге и юго-западе – смешанные древостои (лиственница, сосна (Pinus silvestris), кедр (Pinus sibirica), пихта (Abies sibirica), ель (Picea obovata) и мелколиственные породы).

Гравиметрические данные

В результате сотрудничества американских (NASA) и германских (DLR) ученых в марте 2002 г. запущена космическая программа гравиметрических измерений Земли – GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment). Программа состоит из двух идентичных спутников, летящих на полярной орбите и позволяющих измерять аномалии гравитационного поля Земли, связанные с перемещением водных масс ( http://grace.jpl.nasa.gov ).

В работе анализировались аномалии водной массы, по данным GRACE, за период с января 2003 по июнь 2013 г., полученным с сайта http://grace.jpl.nasa.gov . Материалы съемки представляют среднемесячные аномалии водного эквивалента массы (АВЭМ) относительно базового периода с января 2004 по декабрь 2009 г., с пространственным разрешением один градус (~112 х 44 км ² на широте 66°) [14]. Точность измерений соответствует 10-30 мм/месяц [15].

Для выделения зон «однородных» изменений АВЭМ применен метод кластеризации ISODATA к временной серии данных АВЭМ по аналогии с предыдущим исследованием [16].

Для оценки сокращения водных масс оценивались динамики минимальной и остаточной водной массы ( W_r ), равной разности минимального значения АВЭМ в текущем году ( W_mincur ) и предыдущем году ( W minprev ).

Климатические данные

Применены помесячные данные о температурах, осадках и потенциальной эвапотранспи-рации (CRU TS 3.21) с сайта http://badc.nerc.ac.uk [17]. Материалы представляют собой гриды с пространственным разрешением 0.5 градуса. Динамики климатических переменных (рис. 2) сравнивались с динамикой АВЭМ.

Картографические материалы

Мерзлотные зоны определены в соответствии с картой зон вечной мерзлоты Северного полушария [18] (рис. 1) [ http://nsidc.org/data ].

S

S S s' S

S S ч S3 S О к

S с

к

с

-30

-60

-1

S S 5

2003     2008     2013

Годы

-2

2003      2008      2013

Годы

2003      2008      2013

Годы

Рис. 2. Типичные динамики за летний период осадков (1), потенциальной эвапотранспрации (2) и температур (3): а – тундра (зона 3); б – бассейн р. Лена (зона 4); в – зона островной мерзлоты (зона 9)

Связь динамика АВЭМ с параметрами почвогрунтов анализировались на основе цифровой карты почвогрунтов Harmonized World Soil Dataset [19]. Для каждой однородной зоны рассчитывался средний уровень дренажа, в также процентное содержание гравия, песка, глины и ила для верхнего (0–30 см) и нижнего (30–100 см) слоев грунта.

Классы наземного покрова определялись по карте растительности Евразии ( http://terranorte . ru).

Результаты и обсуждение

Динамика аномалий водной массы

В пределах анализируемой территории выделено 11 условно однородных зон динамики АВЭМ (рис. 1). Зоны представлены двумя группами, расположенными преимущественно в тундре (зоны 1–3, 5, 7, 11) либо вне её (зоны 4, 6, 8–10). Все тундровые участки находятся в зоне сплошной мерзлоты. Девятая зона является уникальной, ее значительная часть расположена вне криолитозоны.

В динамике АВЭМ большинства зон наблюдается два периода (рис. 3): положительный тренд с 2003 по 2008–2009 гг., с последующей стабилизацией или падением величины АЭВМ. В последний период в зонах, расположенных в тундре (исключая зону 5), наблюдался рост дисперсии АВЭМ (на 30–70 %; α < 0.05). В этот же период замечен негативный тренд минимальной величины АВЭМ (исключая зону 7).

В период 2003-2008 гг. значительное накопление водной массы было в тундровых зонах (до 20 мм/год). В лесопокрытых зонах наибольшая величина роста АВЭМ наблюдались в среднем течении Енисея и Оби (зона № 9; рис. 1; +14 мм/год). В последующие годы (2009–2013) во всех тундровых зонах происходило снижение величины тренда с одновременным существенным (на 30–70 %) возрастанием дисперсии АВЭМ, происходившим на фоне значительного (до 40 %) роста вариабельности осадков. Вероятно, в тундровых зонах в 2009-2012 гг. рост количества осадков (рис. 2а) увеличил перенос тепла в нижние слои почвогрунтов и, следовательно, увеличил глубину оттаивания мерзлотных грунтов, что привело к стоку растаявших водных масс (рис. 3а) на фоне увеличенного испарения за счет роста температур (рис. 2а). Положительные тренды водной массы в период 2003–2008 гг. для верховьев Оби и Лены обнаружены другими исследователями [8, 9]. Динамика АВЭМ указывает на возрастание величины стока реки Ени- m

-200

-400

Время

Время

-50

-100

-150

Время

S

Рис. 3. Типичные временные серии АВЭМ. Серые прямые линии – тренды АВЭМ (α < 0.05). Точечные линии – аппроксимации минимальных значений АВЭМ сей в начале XXI в., что подтверждается прямыми измерениями величины стока [20]. Возрастание стока обусловлено преимущественно увеличением осадков (что происходило во всех зонах в период с 2003 по 2008 г.), нежели высвободившейся при оттаивании мерзлоты водной массе. К такому заключению пришли и другие исследователи [21].

Отрицательные значения остаточной водной массы – W_r ; (рис. 4) указывают на сокращение водной массы в почвогрунтах. Баланс остаточной массы для крайних северных зон (№ 1–3, 11) за период наблюдений отрицателен (–205 мм); для центральных и южных зон (№ 4–6, 9, 10) составляет +74 мм. Минимумы остаточной водной массы в тундровых зонах соответствуют

Рис. 4. Динамика остаточной водной массы, аномалий летних осадков и температуры: 1 – остаточная водная масса W _r ; 2 – аномалии летних осадков; 3 – аномалии летних температур

2009-2012 гг. (рис. 4), что на фоне стабильности и роста осадков указывает на увеличение стока и испарения.

Динамика АВЭМ и параметры почвогрунтов

Нарастание массы воды в период 2003–2008 гг. положительно связано с содержанием гравия в верхнем (0–30 см; r = 0.73, α < 0.02) и нижнем (30–100 см; r = 0.72, α < 0.02) слоях грунта (рис. 5а). С содержанием глины наблюдается отрицательная корреляция – для верхнего слоя r = –0.69, α < 0.02; для нижнего слоя r = –0.77, α < 0.02; (рис. 5б). Указанное, видимо, обусловлено уровнем дренажа, т.е. гравий и песок позволяют почвогрунтам накапливать выпадающую с осадками влагу, тогда как высокое содержание глины блокирует проникновение воды в глубь почвогрунтов.

Динамика АВЭМ и климатические тренды

Минимум АВЭМ наблюдается в августе-октябре, максимум – в марте-мае (рис. 6). Водная масса уменьшается в период положительных температур, когда происходит таяние снежных масс. В это время сток воды значительно превосходит количество выпадающих осадков. Интенсивное испарение способствует уменьшению водной массы.

Рис. 5. Зависимость скорости нарастания водной массы от содержания (а) гравия в верхнем слое грунта и глины (б) в нижнем (период: 2003–2008 гг). Тренды значимы (α < 0.02)

Рис. 6. Типичная сезонная динамика осадков, температур и АВЭМ: а – тундра (типично для 1, 2, 3, 7 и 11 зон); б – зоны, включающие леса и лесотундру (типично для 4, 5, 6, 8 и 10 зон); в – зона № 9 с островной мерзлотой; 1 – АВЭМ; 2 – суммарные осадки; 3 – средние температуры. Стандартные отклонения показаны рисками

Для зоны № 10, расположенной преимущественно в Среднесибирском плато, обнаружена положительная связь динамики остаточной водной массы W r с годовыми и летними осадками (R_{Спирмена} = 0.83–0.78) (рис. 4) и отрицательная – с летней потенциальной эвапотранспирацией (R Спирмена = –0.68) и годовой потенциальной эвапотранспирацией (R Спирмена = –0.63).

В зонах, расположенных на Крайнем Севере (п-ов Таймыр), тренды температур и осадков положительны за весь период наблюдений. В остальных зонах тренд осадков становится отрицательным с 2008 г. (рис. 2). Рост среднегодовых температур на п-ове Таймыр составил 0.24–0.42 °C/год. Указанное, видимо, способствовало увеличению глубины оттаивания вечной мерзлоты, так как известно, что в теплый период жидкие осадки, проникающие в почвогрунты, способствуют теплопереносу и таянию.

Во всех зонах, за исключением 9 и 10, наблюдался значимый рост величины потенциальной эвапотранспирации, особенно на Таймыре, где ее величина превосходила величину осадков в 1.6–4.4 раза.

Таким образом, возрастание температуры и осадков, вероятно, вызвало увеличение глубины оттаивания мерзлотного слоя. Также косвенным показателем этого являются величины минимальной и остаточной водной массы ( W r ). Величина последней определяется колебаниями влаги в почвогрунтах в бессточных водных резервуарах. На Таймыре наблюдался падающий тренд минимальной и остаточной водной массы. За период наблюдений (2003–2012 гг.) дефицит W_r составил ~250 мм. Это косвенно указывает на возрастание глубины оттаивания почвогрунтов. Для более точных оценок необходимо иметь фактические данные о влажности почвогрунтов, стоке рек и величине эвапотранспирации.

В южных зонах суммарная остаточная водная масса за период наблюдений составляет примерно 70 мм (рис. 4). В данном случае индикатором возрастания таяния вечной мерзлоты может служить значимый тренд роста водной массы в период 2003–2008 гг. (рис. 3). В этих зонах, включающих Среднесибирское плато и большую часть бассейна р. Лена, почвогрунты способны поглощать большие массы жидких осадков. При оттаивании почвогрунтов их поглощающая способность возрастает за счет того, что ранее недоступные для проникновения воды участки вскрываются и заполняются водой. При этом известно, что плотность льда ниже, чем у жидкой воды, на 5 %, т.е. освободившееся ото льда пространство может занять жидкая вода с массой на 5 % больше. Таким образом, в Среднесибирском плато и бассейне р. Лена в период 2003-2008 гг., вероятно, возрастала глубина оттаивания. Ландер и др. [22] также отмечали увеличение активного слоя при возрастании водной массы.

Заключение

В данной статье проведено исследование возможности применения данных гравиметрии со спутников GRACE для оценки динамики водной массы в связи с климатическими изменениями в криолитозоне Средней Сибири. Обнаружены достоверные тренды изменения водной массы в период с 2003 по 2012 г. В 2003–2008 гг. наблюдался положительный тренд АВЭМ (5-21 мм/год; R² = 0.04-0.39, а < 0.09), связанный с динамикой количества осадков, температурой воздуха и величиной потенциальной эвапотранспирации. В следующий период (2009– 2013 гг.) во всех тундровых зонах зафиксировано существенное (на 30-70 %) возрастание дисперсии АВЭМ (по сравнению с предыдущим периодом), происходившее на фоне значительного – 741 –

(до 40 %) роста вариабельности осадков. Установлено, что скорость нарастания водной массы зависит от состава почвогрунтов. Значительное содержание гравия способствует скорости накопления влаги (r = 0.72, α < 0.02), а содержание глины – уменьшает (r = –0.69…–0.77, α < 0.02). Выявленные тенденции динамики аномалий водной массы, вероятно, указывают на увеличение глубины оттаивания почвогрунтов на п-ове Таймыр, на Среднесибирском плато и в западной части бассейна р. Лена.

Работа поддержана грантом Правительства РФ № 14.В.25.31.0031.