ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2015, № 3, с. 15-26
СОСТОЯНИЕ ЭКОСИСТЕМ В СУБАРКТИЧЕСКОЙ ОБЛАСТИ
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СПУТНИКОВЫХ ДАННЫХ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ СТОКА В БАССЕЙНЕ р. ВИТИМКАН (ЗОНА РАСПРОСТРАНЕНИЯ МНОГОЛЕТНЕЙ МЕРЗЛОТЫ)
© 2015 г. О. М. Семенова1,2, *, Л. С. Лебедева3,4, Н. В. Волкова5, Е. В. Шалина2,3
1ООО "НПО "Гидротехпроект", Санкт-Петербург 2Санкт-Петербургский государственный университет 3Нансен-Центр, Санкт-Петербург 4Институт мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН, Якутск 5Государственный гидрологический институт, Санкт-Петербург *Е-таП: omakarieva@gmail.com Поступила в редакцию 20.05.2014 г.
Основная цель данного исследования — оценка изменений гидрологического режима мерзлотных ландшафтов при воздействии пожаров. Объектом исследования был выбран горный водосбор р. Витимкан (969 км2), подвергшийся в 2003 г. воздействию интенсивного лесного пожара, который охватил более 70% территории бассейна. На основе данных дистанционного зондирования (ДЗ) растительного покрова и вычислительных экспериментов проведена оценка свойств и переменных состояний подстилающей поверхности водосбора до и после пожара. Разработана схема параметризации гидрологической модели "Гидрограф", учитывающей динамические изменения свойств поч-венно-растительного покрова в период восстановления. Рассмотрены факторы, сочетание которых приводит к формированию экстремальных паводков в постпирогенный период. Представлены результаты моделирования процессов формирования стока в нестационарных условиях, они удовлетворительно согласуются с данными наземных наблюдений за стоком. Сделан вывод о перспективности разработанной методики моделирования, а также о необходимости верификации данных ДЗ о состоянии растительного покрова результатами полевых исследований в целях их использования для прогноза изменений гидрологического режима рек в будущем при прогнозируемом росте интенсивности и частоты пожаров в арктических регионах России.
Ключевые слова: вечная мерзлота, лесные пожары, процессы формирования стока, гидрологическое моделирование, растительно-почвенный покров, спутниковые данные
DOI: 10.7868/S0205961415030124
ВВЕДЕНИЕ
Лесные пожары — естественный фактор развития лесной растительности Восточной Сибири (Софронов, Вакуров, 1981). Ожидается, что в будущем частота, интенсивность и количество лесных пожаров в северных регионах будут увеличиваться (Stocks и др., 1998).
Выгорание почвенно-растительного покрова ведет к трансформации теплового и водного режима ландшафтов. Резкие нарушения ландшафтов после прохождения пожаров могут менять механизмы формирования стока рек и приводить к увеличению доли быстрого поверхностного стока на водосборе (Shakesby, Doerr, 2006).
Непосредственные наблюдения за пожарами, а также проведение длительных полевых исследований на одной и той же территории до прохождения огня и после него очень редки и крайне затруднены (Lavabre и др., 1993). Единственным ис-
точником информации о факте прохождения и характере пожара, состоянии растительности до и после нарушения и других пространственных характеристиках территории для труднодоступных регионов Сибири являются данные дистанционного зондирования (ДДЗ). Различные спутниковые продукты применяются для анализа подстилающей поверхности до, во время и после прохождения пожаров. По ДДЗ можно определить площадь распространения активных пожаров, расположение гарей, интенсивность огня, оценить ход восстановления растительности после нарушений.
Amiro et al. (2003) оценили изменения первичной продуктивности лесов Западной Канады после пожаров с помощью экосистемной модели продуктивности бореальных лесов, входными данными для которой служила спутниковая информация по листовому индексу (leaf area index, LAI, датчик AVHRR). Feikema et al. (2013) исполь-
зовал спутниковые данные по листовому индексу для описания изменений растительного покрова после пожара в эвкалиптовых лесах Австралии и определения параметров детерминированной водно-балансовой модели Macaque. По результатам Zhou et al. (2013), полученным на юго-востоке Австралии, применение спутниковых данных по листовому индексу и альбедо позволяет улучшать результаты гидрологического моделирования после пожаров в условиях достаточного увлажнения, тогда как на засушливом водосборе точность моделирования не изменилась. Lentile et al. (2006) указывает на то, что, несмотря на развитие методов обработки ДДЗ и увеличение количества доступных данных, последствия пожаров на уровне экосистем еще не изучены.
На основе немногочисленных исследований не представляется возможным судить однозначно о последствиях влияния пожаров на формирование стока в холодных регионах, поскольку имеющиеся результаты зачастую противоречат друг другу (Owens et al., 2013; Neary, Ryan, 2005; Seibert et al., 2010).
Цель статьи — оценка влияния пожаров на мерзлотные ландшафты и формирование стока путем комбинации ДДЗ и методов динамического гидрологического моделирования на примере водосбора р. Витимкан, Восточная Сибирь.
ОПИСАНИЕ ИССЛЕДУЕМОЙ ТЕРРИТОРИИ
Объектом исследования является бассейн р. Витимкан до створа Ивановский площадью 969 км2. Река Витимкан берет начало на Икат-ском хребте Витимского нагорья и впадает в р. Витим, которая является правым притоком р. Лены в ее верхнем течении. Водосбор выбран для исследования в связи с его относительной небольшим размером, значительной долей площади (>70%), на которую оказал воздействие пожар, и наличием гидрометеорологических данных. Схема исследуемой территории показана на рис. 1.
Бассейн р. Витимкан расположен в зоне распространения сплошной многолетней мерзлоты, его высота колеблется от 1300 до 2400 м. Климат характеризуется как резко-континентальный, со среднегодовой температурой воздуха —4.2°С (метеостанция Романовка, 1969—2010 гг.). Осадки выпадают преимущественно в летний период, варьируя от 350 до 600 мм в год в зависимости от высоты и ориентации горных склонов. Среднемно-голетняя годовая величина испарения на водосборе составляет около 280 мм (Вуглинский, 1972).
Приводораздельная часть водосбора, составляющая около 7% его площади, занята гольцами с незначительным развитием мхов и лишайников. Верхние и средние части склонов заняты лист-
венничными редколесьями с зарослями кедрового стланика. Долины рек и межгорные котловины представлены лиственничными лесами. Почвы характеризуются как горно-мерзлотно-таежные, в понижениях и долинах — как болотные мерзлотные.
Гидрологический режим р. Витимкан относится к дальневосточному типу, для него характерны высокие гребенчатые паводки дождевого происхождения, которые сливаются с весенним половодьем, а зачастую и превышают его по максимальным значениям расходов. Летняя межень не выражена, а зимний сток отсутствует в связи с полным промерзанием реки.
ДАННЫЕ
Гидрометеорологические данные
В работе были использованы данные наблюдений на метеорологических станциях и гидрологических постах сети Росгидромет. Продолжительность ряда наблюдений за суточными расходами воды на посту Ивановский составляет 47 лет, с 1958 по 2004 гг. Для дополнительного анализа использовались данные по р. Витим—п. Романовка (площадь водосбора 18200 км2), доступные с 1958 по 2010 гг. Данные о суточном количестве осадков, среднесуточной температуре и влажности воздуха на метеорологических станциях Рома-новка (высота 923 м), Троицкий Прииск (1315 м) и Карафтит (1321 м) за период 1966—2012 гг. были получены с интернет-порталов Всероссийского научно-исследовательского института гидрометеорологической информации — Мирового центра данных (http://meteo.ru/data) и Siberian Earth System Science Cluster (Eberle, 2013; http://www.si-bessc.uni-jena.de/).
Данные дистанционного зондирования
В исследовании использованы три продукта, разработанных на основе анализа космических снимков MODIS. Прибор MODIS выполняет съемку в 36 спектральных каналах видимого и инфракрасного диапазона длин волн с пространственным разрешением 250 м, 500 м и 1 км и обеспечивает ежедневное получение данных наблюдений для любого региона России.
Исходными данными для выделения территорий, подвергшихся пирогенному воздействию, служил продукт третьего уровня обработки MCD45A1. Каждая ячейка продукта содержит информацию о факте прохождения пожара. Данные доступны в месячном разрешении за период с 2000 по 2013 гг. Размер ячейки составляет 500 м. Согласно Boschetti et al. (2009), данные MODIS Burned Area показывают высокую точность идентификации пожаров, а именно в 91—99%.
112°
54°
54°
112°
Рис. 1. Схема бассейна р. Витимкан.
Анализ изменений растительного покрова в постпирогенный период выполнялся с помощью продукта третьего уровня обработки MOD13A1, свободно распространяемого центром LPDAAC (Land Processes Distributed Active Archive Center). Продукт MOD13A1 содержит рассчитанные по спутниковым измерениям значения вегетационного индекса NDVI, осредненные за 16 дней. Значения NDVI рассчитываются с использованием измерений отраженного от поверхности излучения, прошедшего атмосферную коррекцию, масок воды и облачности, при учете вклада аэрозоля и теней от облаков. Данные нормализованного разностного вегетационного индекса NDVI позволяют оценивать наличие растительности, ее состояние и отчасти ее состав. Из характеристик растительности можно оценить объем зеленой биомассы, площадь листовой поверхности, содержание хлорофилла и некоторые другие параметры. Временные ряды NDVI позволяют судить
о начале роста растительности, продолжительности вегетационного периода, смене фенологических фаз, а также об отклике растительности на внешние условия в процессе роста. Для наличия растительности характерны положительные значения МПУ1, и чем больше зеленая фитомасса, тем они выше. На значения индекса влияют видовой состав растительности, ее сомкнутость, состояние, экспозиция и угол наклона поверхности, цвет почвы под разреженной растительностью.
Снежный покров
Исходными данными по наличию/отсутствию снежного покрова служил продукт третьего уровня обработки М0Э10А2. Данные представлены осредненными за восемь дней,
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.