унежныи покров и снежные лавины
УДК 551.4:556.124
Морфология горных склонов и распределение снежного покрова (по данным лидарной съёмки)
© 2011 г. А.В. Погорелов, Е.С. Бойко
Кубанский государственный университет, Краснодар pogorelov@nm.ru
Статья принята к печати 18 ноября 2010 г.
Воздушное лазерное сканирование, ГИС-технологии, снежный покров, цифровая модель рельефа.
Airborne laser scanning, digital elevation model, GIS-technology, snow cover.
Анализируются результаты повторных лидарных съёмок (апрель и октябрь 2007 г.) двух экспериментальных полигонов, расположенных в многоснежных бассейнах рек Пшехи и Мзымты на Западном Кавказе. Размеры полигонов (7,7 и 5 км2), высотный диапазон (1050-2150 и 700-2500 м) и геоморфологическое разнообразие склонов позволяют выполнить полноценный анализ влияния морфологии земной поверхности на распределение толщины снежного покрова. Основу методики составляют сопряжённый анализ карт морфоме-трических показателей рельефа полигонов и толщины снежного покрова, а также приёмы геостатистики и пространственной корреляции. Главное внимание сосредоточено на показателях крутизны и экспозиции склонов на микромасштабном уровне рассмотрения. Установлено, что связь углов наклона земной поверхности и толщины снежного покрова может быть и прямой, и обратной. На обоих полигонах наблюдается подобие в зависимостях средней толщины снежного покрова от крутизны склонов. Выполнена оценка фактора экспозиции мезо- и микросклонов, который, согласно расчётам, оказался весьма действенным.
Задачи и технология исследования
Морфологические свойства земной поверхности в масштабе мезо- и микрорельефа (т.е. в масштабе человеческого восприятия) среди факторов изменчивости поля снежного покрова до сих пор изучены наименее слабо. Оценка влияния микрорельефа на толщину снежного покрова, сделанная в настоящей работе, предусматривала: 1) описание морфологических свойств земной поверхности экспериментальных полигонов, построение комплекта карт морфометрических показателей, расчёт статистических характеристик морфометрических переменных и их интерпретацию; 2) анализ пространственной структуры поля толщины снежного покрова на экспериментальных полигонах; 3) сопряжённый анализ морфологии микрорельефа и поверхности снежного покрова.
Исходными материалами служили данные воздушного лазерного сканирования (лидарной съёмки). Активное внедрение технологии воздушного лазерного сканирования (ВЛС) в практику самых разных исследований обусловлено высокой точностью выходных результатов, оперативностью съёмки и обработки, сочетанием технологически новых
данных съёмки с традиционными (аэрофотосъёмка) [1, 2, 8-12]. Обработка данных лазерного сканирования позволяет получить качественные цифровые модели местности и их производные, включая цифровые модели топографической поверхности или рельефа (DEM - Digital Elevation Model) и рельефо-идов (растительность, снежный покров и пр.) [10-12].
Съёмки проведены 22 апреля и 19 октября 2007 г. По данным октябрьской съёмки построена модель «голой земли», или рельефа, по данным апрельской - модель поверхности снежного покрова. Последняя модель названа нами SSEM — Snow Surface Elevation Model [4, 11]. Расчёт поля толщины снежного покрова выполнялся как разность между SSEM и DEM. Толщина снежного покрова hg рассчитывалась по нормали к геоиду во всех случаях, кроме анализа фактора крутизны склона.
Вопросам моделирования и исследования свойств поля толщины снежного покрова на основе данных лидарных съёмок уделяется всё больше внимания [2—4, 7—13]. Подробнее технология обработки материалов лазерного сканирования и методика расчётов морфометрических параметров описаны нами ранее [3, 8, 10]. Обработка и расчёты, базирующиеся на ГИС-технологиях, выполнены в пакетах ArcGIS
3*
- 35 -
Таблица 1. Характеристика экспериментальных полигонов
Полигон Речной бассейн Элемент орографии Площадь, км2 Диапазон высот, м
Фиштинский Р. Пшеха, левобережье р. Кубань Северный макросклон, массив Пшехасу, горная группа Фишта 7,69 1053-2153
Аибгинский Р. Мзымта Южный макросклон, хр. Аибга 4,96 714-2515
(ESRI Inc., США), TerraScan, TerraModeler (TerraSolid, Финляндия) и SAGA (Германия).
Исследования выполнялись в Краснодарском крае на двух экспериментальных полигонах — в верховьях рек Пшехи (северный макросклон Большого Кавказа) и Мзымты (южный макросклон). Экспериментальные полигоны получили названия «Фиштинский» и «Аиб-гинский» — по названиям известного массива Фишт (верховья р. Пшеха) и хр. Аибга (бассейн р. Мзымта). Сведения о полигонах приведены в табл. 1. Закладка экспериментальных полигонов велась таким образом, чтобы вскрыть особенности формирования структуры поля снежного покрова, связанные с ландшафтами, высотой местности, разномасштабными формами рельефа и его морфометрическими показателями. Ландшафты полигонов представлены пихтово-буковым лесом, криволесьем и кустарниками субальпики, задернованными альпийскими склонами, осыпями и скальными обнажениями. Верхняя граница пихтово-букового леса Фиштинского полигона находится вблизи высот 1600—1700 м, Аибгинского — 1700— 1800 м. Отметим, что бассейн р. Мзымта, включая район курортного посёлка Красная Поляна, а также верховья рек Пшехи и Белой, относятся к наиболее снежным территориям Большого Кавказа [5, 6].
Рельеф полигонов
Для полноценного описания рельефа исследуемых полигонов выполнено их деление на морфологически однородные типы поверхности по признаку преобладающих склоновых процессов. Формальными критериями дискретизации поверхности (или классификации) служили фрактальная размерность и крутизна склонов. Первый критерий отражает интегральную сложность и свойства иерархического строения рельефа; второй относится к общепринятому критерию при описании морфологии земной поверхности, который базируется на «физиономических» особенностях рельефа.
На Аибгинском полигоне выделено пять типов склонов (рис. 1, б): 1 — эрозионно-денудационные (ЭДС), занимаемая площадь 1,84 км2; 2 — аккумулятивно-ледниковые (АЛС), представленные грядами конечных морен и холмисто-моренным переработанным рельефом, площадь 1,29 км2; 3 — эрозионно-ледниковые (ЭЛС), представленные днищами каров и кароидов, площадь 0,78 км2; 4 — обвально-осыпного сноса (ООС), площадь 0,86 км2; 5 - структурно-денудационные слабо расчленённые (СДС) в виде поверхности выравнивании, площадь 0,19 км2. В границах Фиштинского полигона выделено четыре типа склонов, соответствующих определённым склоновым процессам:
склоны обвально-осыпного сноса (ООС) общей площадью 0,39 км2; склоны обвально-осыпного накопления (ООН) площадью 1,60 км2; оползневые склоны (ОПС) площадью 0,32 км2; эрозионно-денудационные склоны (ЭДС) суммарной площадью 5,30 км2.
Аккумулятивно-ледниковые склоны маркируются по наличию свежего и переработанного моренного материала. По сравнению с эрозионно-денудацион-ными склонами здесь отмечается заметно меньшая шероховатость из-за отсутствия большого числа мелких эрозионных форм, столь характерных для эрозионно-денудационных поверхностей.
Детальному морфометрическому и геостатистическому анализу подверглись тестовые участки с размерами в плане 250 х 250 м (Фиштинский полигон) и 200 х 200 м (Аибгинский полигон). Они отражают разные условия формирования микромасштабного поля снежного покрова и действия ветрового переноса снега. Площадь тестовых участков соразмерна с масштабом элементарных форм исследуемых поверхностей. При выборе тестовых участков учитывались не только их локальная репрезентативность в отношении преобладающих типов склонов и высотных ступеней (см. рис. 1), но и характерное распределение толщины снежного покрова.
Анализ поля толщины снежного покрова
При достижении толщины снега 3—10 м и более сезонный снежный покров изменяет морфологию физической поверхности. Судя по моделям толщины снежного покрова (рис. 2), наибольшие её величины достигают 22,6 м на территории Фиштинского полигона и 18,9 м на территории Аибгинского. Остановимся на микро- и мезомасштабных особенностях структуры поля снежного покрова. Гипотеза сопряжённости структуры поля толщины снежного покрова и микрорельефа проверялась путём оценки статистических характеристик распределения толщины снежного покрова в соответствии с типами склонов.
Рассмотрим данные для Аибгинского полигона (табл. 2). Участки 1, 5и 6 отличаются наиболее высокими стандартными отклонениями абсолютных высот, что можно трактовать как повышенную морфологическую сложность поверхности. Действительно, рельеф представлен поверхностями обвально-осыпного сноса (участок 5), сильно расчленёнными эрозионно-денудационными поверхностями (участок 1) и структурно-денудационными склонами с крупными отрицательными складками (участок 6).
Весьма специфично распределение снежного покрова на эрозионно-ледниковых склонах (уча-
0 800 м
1_I
Рис. 1. Модель рельефа Аибгинского полигона, представленная аналитической отмывкой (а), и выделенные типы склонов (б). Стрелкой на рис. а показана хорошо идентифицируемая «подкова» конечной морены; 1 — тестовый участок; 2 — горизонтали, м; описание типов склонов дано в тексте
Fig. 1. DEM of Aibga polygon represented by the analytical-rinsing (a), and the types of slopes (б).
The arrow shows the well-identifiable «horseshoe» terminal moraine; 1 - test site; 2 - horizontals, m; description of the slope types is given in the text
сток 4) — в днище кара с невысоким показателем стандартного отклонения высоты земной поверхности. Это находит своё отражение в структуре толщины снежного покрова с наиболее низкими коэффициентами асимметрии и эксцесса в частотном распределении (см. табл. 2). На участке 2 на распределение снежного покрова влияют два обстоятельства: наиболее низкое высотное положение и типичная морфология эрозионно-денудационных поверхностей с высокой интенсивностью горизонтальной расчленённости. В таких условиях весьма велика частота нулевых и близких к нулевым значений толщины слоя снега, что и обусловливает отрицательную асимметрию (см. табл. 2).
Локальную структуру поля толщины снежного покрова на тестовых
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.