Ледники и ледниковые покровы
УДК 504.064.37:528.8 doi: 10.15356/IS.2015.01.02
Возможности использования данных дистанционного зондирования Земли для мониторинга ледников и гляциологических расчётов © 2015 г. В.Г. Коновалов, В.А. Рудаков
Институт географии РАН, Москва vladgeo@gmail.com
Possibility of using remote sensing data for glaciological calculations and monitoring
V.G. Konovalov, V.A. Rudakov
Institute of Geography of the Russian Academy of Sciences, Moscow
Статья принята к печати 26 декабря 2014 г.
Альбедо, водный баланс, дистанционное зондирование, линия равновесия, морена, оледенение.
Albedo, equilibrium line, glaciation, moraine, remote sensing, water balance.
Для использования в программе дистанционного мониторинга параметров оледенения получены линейные связи между высотой линии равновесия процессов аккумуляции и абляции в конце летне-осеннего сезона, индексом площади аккумуляции и составляющими годового баланса массы на ледниках. По данным дистанционного зондирования Земли оценена динамика моренного покрова на ледниках Памира. Охарактеризованы качество данных и информативность Каталогов ледников. Приведены примеры определения спектрального альбедо поверхности ледников с помощью программных модулей ENVI и данных дистанционного зондирования со спутников LANDSAT 7 ETM+ и TERRA.
For use in the remote monitoring of glaciation, linear relations were obtained between the ELA (equilibrium line altitude) in the late summer-autumn season, index of area accumulation, and components of the annual mass balance of glaciers. Dynamics of moraine cover on the glaciers of the Pamir was estimated by data of ERS (Earth Remote Sensing). Quality of data and information content of Glacier Catalogs are characterized. Examples are given of determining the spectral albedo of glacier surface, using ENVI software and remote sensing data from LANDSAT 7 ETM + and TERRA.
Введение
Информационной основой моделирования и расчётов гидрологического режима оледенения Земли служат в том числе и высотно-пло-щадные параметры ледников, а именно: высоты их начала Zb и конца Ze; средней Zf или текущей Щ высоты снеговой/фирновой границы; верхней границы распространения сплошного моренного покрова Zm■; площади ледника в целом ¥ф областей аккумуляции Еас, абляции ЕаЬ и льда под сплошной мореной Ет. Распределение площади ледника по высоте Z над уровнем моря отражает интегральная функция распределения (2) при этом (2е) = 0, а = . Если известна (2), то нетрудно определить среднее значение Еас = (2Ь) - Тогда
ЕаЬ = /1(2Ь) - Еас, а Ет = Высота 2равна
среднему из временного ряда максимальных за календарный/балансовый год значений Щ, в те-
чение которого высоты Zb и Ze остаются практически постоянными. Для стационарного состояния оледенения и линейности изменения по высоте процессов аккумуляции и абляции высоту Zf можно приравнять равной Zmed — средней взвешенной высоте между отметками Zh и Ze.
Все перечисленные высотно-площадные параметры — объекты мониторинга за состоянием ледников на основе данных аэрофотосъёмки, дистанционного зондирования районов оледенения, применения крупномасштабных топографических карт и ГИС-технологий. В практике гляциологических наблюдений и расчётов систематически используются две производные от высотных параметров — максимальная высота H в конце периода абляции, или Zmx, и отношение площади аккумуляции к площади всего ледника — англоязычная аббревиатура AAR (accumulation area ratio). В случаях, когда вкладом наложенного льда в питание ледника можно пренебречь, Zmax служит
Рис. 1. Пример идентификации высотно-площадных
параметров на изображении ледника со спутника
LANDSAT 7 ЕТМ+.
Расшифровку усл. обозначений см. в тексте
Fig. 1. Example of identifying area-altitude parameters on
the image of the glacier from the satellite LANDSAT 7
ETM+.
Explanation of symbols is given in the text
аналогом высоты линии равновесия годовых объёмов аккумуляции и абляции, или ELA (equilibrium line altitude). Таким образом, AAR = f(Zmax, или ELA). Оба параметра в интерактивном или полуавтоматическом режиме можно получить путём обработки векторных полигонов ледников, идентифицированных на средне- и крупномасштабных изображениях со спутников. Подробное описание методов определения расширенного набора параметров ледников по результатам векториза-
ции их контуров на дистанционных изображениях со спутников и обработки полученных шейп-файлов средствами ГИС приведено в работе [4]. Пример идентификации высотно-площадных параметров на изображении ледника со спутника LANDSAT 7 ЕТМ+ иллюстрирует рис. 1.
Высотно-площадные характеристики оледенения Земли, а также ежегодные значения ELA и AAR для ограниченного числа ледников можно найти в справочниках [10, 15, 16, 18, 29]. По этим данным выполнен анализ связей между ELA, AAR, годовым балансом массы ледников и его составляющими. Соответствующие выборки содержали от 45 до 66 ледников, расположенных в основном на территории Евразии на высотах Zmed от 520 до 4253 м над ур. моря. Результаты анализа частично содержатся в работе [2], а также представлены в табл. 1.
Из краткого описания высотно-площадных параметров оледенения следует необходимость исследования и моделирования пространственно-временных изменений ELA и AAR как индексов баланса массы ледников. Для решения этой задачи более всего пригоден параметр AAR, который можно определять с помощью спутниковых снимков районов оледенения в конце периода абляции/ летне-осеннего сезона. Для этого необходимо на снимках со спутников LANDSAT, TERRA, LISS, SPOT или других оцифровать в географических координатах общую площадь ледника Fgl и её часть Fac выше Zmax и найти их отношение AAR = Fac /F.. Существование тесных и устойчивых пространственных связей AAR =f(Bn) и AAR = f (ELA) (см. табл. 1) позволяет получить локальные или региональные оценки баланса массы ледников. Отметим, что использование этих зависимостей — не единственный вариант оценки баланса массы ледников. В другом способе определения среднего баланса для области абляции Bn(Fab) применяются наземные [15, 16, 18, 29] или дистанционные [9] измерения удельного годового баланса массы на средней взвешенной высоте области абляции Z. В работе [23] показано, что Bn(Fab) = B(Z) в случаях линейного изменения удельного баланса в интервале высоты Zf — Ze. При нелинейном изменении Bn в том же интервале используется другая формула:
mFa„) = B(Z) + B(Z)Kaz2,
где az2 — дисперсия высоты ледника в интервале Zf — Ze; K — эмпирический коэффициент, который
Таблица 1. Связи между ELA, AAR, балансом массы ледников Bn и его составляющими
Характеристики Коэффициенты корреляции R парных связей
AAR = f(Bn) ELA = f(Bn) ELA = f(Bs) ELA = f(Bw) AAR = f(ELA)
Среднее 0,89 -0,88 -0,69 -0,57 -0,92
Число ледников N1 53 66 45 45 54
N2 47 57 19 9 50
N2/N1, % 88,7 86,4 42,2 20,0 92,6
Вп, Вы, Вя — соответственно годовой, зимний и летний балансы массы ледника; Вм~Ас, Вя~АЬ; Ш2 — число ледников, для которых Я > 0,80.
на каждом конкретном леднике может быть описан в виде функции В^) и сезонных значений температуры воздуха и осадков по данным метеостанции.
В соответствии с уравнением годового водного баланса речного бассейна величина Вп(¥аЬ) ГаЬ характеризует вклад ледникового питания в общем речном стоке. В работе [23] приведены также формулы для расчёта удельного баланса ледника в целом при линейном/нелинейном изменении Вп с высотой. Несомненное прикладное значение имеют также оценки площади морены ¥т и её изменений на ледниках по данным дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). В настоящее время для локальных/региональных расчётов гидрологического режима ледников доступны справочники [10, 12, 14—17, 19, 29]. В связи с этим исследователям важно иметь представление о качестве и информативности современных массовых данных о высотно-пло-щадных параметрах оледенения Земли.
Использование ELA для расчёта годовой аккумуляции на ледниках
Наличие тесных зависимостей между основными элементами водно-ледового баланса ледника и сравнительно легко определяемой характеристикой БЬЛ в конце периода абляции существенно упрощает режимные гляциологические расчёты. Покажем это на примере зависимости БЬЛ = /(Вп), общим аналитическим видом которой служит линейное уравнение
БЬЛ = агВп + Ьг, (1)
где аг и Ьг — соответственно локальные или региональные эмпирические коэффициенты.
Подставив в формулу (1) вместо годового баланса Вп разность годовых значений аккумуляции Ас и абляции АЬ, получим:
ELA = az(Ac - Ab) + bz; откуда следует, что
Ac = (ELA - bz)/az + АЬ, (2)
т.е. сложные и трудоёмкие определения аккумуляции на леднике заменены простыми измерениями или расчётами ELA и абляции. Эксперименты на ледниках Австрии и Норвегии показали [21, 25], что для определения ELA вполне пригодны данные спутникового зондирования, что расширяет возможности дистанционного мониторинга режима оледенения. При этом следует учитывать или пренебрегать влиянием на высоту ELA зоны наложенного льда, которая в конце периода абляции располагается ниже фирновой границы. А годовая абляция легко и довольно точно рассчитывается как функция средней летней температуры воздуха, см., например, [2, 6].
Локальные оценки параметров az и bz получены по материалам [15, 16, 18, 29] достаточно длительных измерений ELA и составляющих годового баланса массы на континентальных ледниках, расположенных в Северном полушарии Земли. Выборка содержит 38 ледников, охватывает 1946—2003 гг., минимальное и максимальное значения ELA равны соответственно 470 и 4450 м над ур. моря. Средняя длина временных рядов — 27 лет. Коэффициент корреляции зависимости ELA = f (Bn) в среднем для 38 ледников равен -0,90 и изменяется от -0,73 до -0,98. Для описания региональной пространственной вариации коэффициентов az и bz получены эмпирические уравнения регрессии az = az(Long, Lat, Zmed) и bz = bz(Zmed); Long и Lat — соответственно географические долгота и широта, Zmed — средняя высота ледника. Соответствующие им коэффициенты корреляции равны 0,72 и 0,99, а средний модуль относительной ошиб
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.