Оценка состояния и динамики наземных экосистем Арктики в условиях антропогенного воздействия по данным ДЗЗ

Диагностика состояния экосистем в сфере антропогенного воздействия - научная основа обеспечения экологической безопасности и устойчивого регионального развития Арктики. Арктические экосистемы отличаются чрезвычайной уязвимостью к антропогенному воздействию, высокими скоростями протекания деградационных процессов и низкими скоростями (или необратимостью) процессов самовосстановления в специфических климатических, геоморфологических, криолитологических, почвенных, биогеографических и ландшафтных условиях. Кроме того, Арктика – наиболее чувствительный к климатическим изменениям регион и, согласно отчётам межправительственной группы экспертов по изменению климата (IPCC), отличается самыми резкими изменениями температуры воздуха. Суровость климата Арктики обуславливает высокую степень дискомфортности для проживания и хозяйственной деятельности.
Особое теоретическое и практическое значение имеет обоснование выбора наиболее информативных индикаторов для оценки состояния и динамики наземных экосистем Арктики. Для систематического отслеживания состояния экосистем Арктики на обширных и труднодоступных территориях, выявления трендов развития неблагоприятных процессов в природной среде, одним из наиболее перспективных методов является дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ). Разработка методики оценки состояния и динамики экосистем на основе данных ДЗЗ является важной фундаментальной задачей, имеющей и прикладное значение. Появление в открытом доступе новых оптических и радиолокационных снимков высокого разрешения и совершенствование технологий их дешифрирования дает мощный импульс для развития методологии оценки состояния и динамики экосистем - теоретических принципов, методики обработки и интерпретации результатов.
Актуальность исследования обусловлена необходимостью выбора наиболее информативных индикаторов состояния экосистем в Арктическом регионе в сфере антропогенного воздействия, надёжно дешифрируемых по ДДЗЗ на репрезентативных модельных территориях (ключевых участках, на которых тестируются модели взаимосвязей параметров состояния экосистем с данными натурных и дистанционных исследований). Важно учесть, что в условиях климатических изменений в Арктике в последние десятилетия, деградационные процессы в экосистемах в сфере антропогенного воздействия могут протекать существенно быстрее и иметь более глубокие последствия.
В качестве индикаторов в проекте рассматриваются: состояние и динамика загрязнения снежного покрова, состояние многолетней мерзлоты и проявление криогенных процессов, динамику дельт северных рек и берегов и состояние растительности.
Основные решаемые задачи:
1. Выбор информативных индикаторов состояния экосистем и модельных территорий, на которых анализируются взаимосвязи параметров состояния экосистем с данными натурных и дистанционных исследований.
2. Анализ возможностей и разработка методов использования современных данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) в целях оценки состояния и динамики экосистем в условиях антропогенных и природных изменений.
3. Верификация разработанных методов использования современных данных ДЗЗ для оценки характера и интенсивности воздействия на экосистемы на модельных территориях.
4. Создание базы данных дешифровочных признаков состояния экосистем по современным данным ДЗЗ.
5. Составление карт состояния и динамики экосистем по выбранным индикаторам на модельные территории.
На основе массива полевых и дистанционных данных, разработаны методики оценки состояния снежного покрова. Методики опробованы для территорий г. Мурманск и других географических районов России (снежный покров на горе Эльбрус и в городе Москва) и Киргизии (Алайский и Киргизский хребты, массив Ак-Шийрак). Впервые по снимкам Sentinel 2 MSI была составлена серия карт состояния снежного покрова территории г. Мурманск.
Проведена оценка достоверности определения современной динамики арктических берегов при использовании различных цифровых моделей местности (ЦММ). Впервые была предложена методика реконструкции ЦММ для ортотрансформирования ретроспективных космических снимков с целью оценки динамики морских берегов.
Исследование морского края дельты Лены по разновременным данным ДЗЗ позволило получить новые данные по ее структуре и динамике изменения. На большей части дельты изменения не были обнаружены, но для 3% протяжённости её морского края впервые выявлены его изменения и составлены карты динамики. Выявлена связь динамики морского края с водностью рукавов. Нигде не обнаружено выдвижение дельты.
Для импактного района в зоне влияния комбината «Североникель», на основе серии космических снимков выявлена динамика развития растительного покрова, тесно связанная с его геохимическими и орографическими особенностями. Выявлены географические закономерности связи между оптическими и геохимическими свойствами листовой поверхности Betula pubescens Ehrh s.l.
На примере центральной части Кольского полуострова (Мурманская область) впервые в России разработана методика изучения продуктивности лесов в ответ на изменение климата, характер и степень антропогенного воздействия на основе использования мультиплатформенных космических снимков и снимков БПЛА.
На основе экспериментов по работе с разновременными амплитудными и поляриметрическими радиолокационными данными, с целью создания серий производных изображений, их визуального и автоматизированного дешифрирования для выделения форм, типов и динамики рельефа, разработана оригинальная методика обработки радиолокационных данных.
На основе серии проведенных подспутниковых наблюдений выполнен ретроспективный анализ изменений альбедо поверхности снежного покрова на одной из модельных территорий - в г. Мурманске. Изучение взаимосвязи значений альбедо по спутниковым и подспутниковым измерениям показывает высокую точность расчётов значений альбедо по данным космической съемки со спутника Sentinel-2 MSI, что позволяет провести картографирование снежного покрова, на основе которого определяется степень его загрязнения в результате антропогенного воздействия.
В результате развития рельефообразующих деструктивных процессов, связанных с вытаиванием пластовых льдов, формируются специфические формы – термоцирки и термотеррасы Для изучения скоростей роста этих форм организуются мониторинговые наблюдения. Применяются как полевые методы, включающие регулярные измерения на стационарных площадках, так и дистанционные, основанные на анализе материалов разновременных аэрофото- и космических съёмок. Нами разработана методика мониторинговых исследованийо методическое предложение по проведению этих работ с использованием реконструированных цифровых моделей рельефа для ортокоррекции используемых разновременных снимков, она апробирована на модельной территории (остров Колгуев).
Особое внимание при исследовании береговой динамики арктических островов, уделено проблеме влияния гидрометеорологических факторов. Районами исследования послужили побережье о.Колгуев в Баренцевом море и побережья о. Визе и о.Ушакова в Карском море. Получены уникальные данные раскрывающие особенности береговой динамики изучаемых территорий.
Выполнен сбор и анализ существующих данных по морфологическим характеристикам бугров-предшественников и воронок газового выброса (ВГВ), расположенным на севере Западной Сибири. В результате анализа дистанционных данных по Сеяхинской ВГВ установлено, что жизненный цикл, включающий возникновение бугра-предшественника и дальнейший газовый взрыв с образованием воронки может быть чрезвычайно коротким – 3-5 лет. Выполнен анализ потенциальной применимости цифровой модели рельефа ArcticDEM для поиска бугров-предшественников ВГВ. Разработан уникальный автоматизированный алгоритм поиска бугров и воронок. Текущее состояние разработки находится на стадии экспертной оценки полученных результатов.
На архипелаге Шпицберген проведено изучение особенностей распространения форм мерзлотного рельефа с использованием беспилотных средств. На участках архипелага свободных от покровного оледенения широко проявляются мерзлотные процессы и явления. Сделаны предварительные выводы о связи изменчивости морфологических характеристик пятен медальонов и каменных кругов с гранулометрическим составом поверхностных отложений на различных ярусах рельефа.
Исследования динамики дельт северных рек при потеплении климата продолжены на модельной территории – дельты Енисея. Составлена карта динамики дельты масштабе 1:200 000, отражающая интенсивность процессов размыва и аккумуляции, определяемую по среднегодовой скорости смещения береговой линии, составляющей здесь от 1 до 5 м/год.
Проведены исследования по оценке изменений структуры растительного покрова и динамики границ высотной поясности горного массива Мончетундра, произошедших за период интенсивного техногенного освоения региона и воздействием непосредственно комбината «Североникель» (г. Мончегорск) в сравнении с фоновым доиндустриальным периодом. На основе исследования содержания загрязняющих веществ в почве и снежном покрове, содержания пигментов, определяющих эффективность фотосинтеза в листьях берёзы (Betula pubescens ssp. czerepanovii (N.I.Orlova)Hamet-Ahti), и наземного спектрометрирования растительности, а также материалов космической съемки проведен анализ восстановления растительного покрова на современном этапе 2008-2020 гг.
Выполнено предварительное исследование истории и современных тенденций динамики экосистем в районе Норильска и анализ обеспеченности данными дистанционного зондирования.
На основании проведенных на местности обследований и выполненной беспилотной съёмки выбраны модельные территории для последующего их анализа с привлечением спутниковых радиолокационных и оптических данных: о. Визе, о. Ушакова, архипелаг Северная Земля. Впервые оценена эффективность применения многовременных радиолокационных композитных снимков совместно с метеорологической информацией для целей тематического картографирования применительно к арктическому региону.
Мониторинг изменения показателей, характеризующих состояние и развитие растительных сообществ при фитомелиорации на Терском побережье Белого моря, позволили выделить стадии формирования сосновых лесов. Для современного этапа изучения восстановления лесов были использованы материалы аэрофотосъёмки, полученные с помощью беспилотного летательного аппарата. Результаты исследований позволяют считать, что восстановление растительности в результате фитомелиорации на деградированных землях идет успешно.
В дополнение к ранее обозначенным задачам проекта по ходу его реализации были сформированы следующие перспективные поисковые направления:
- оценка толщины снежного покрова в арктических районах по радиолокационным данным. С точки зрения изучения характеристик снежного покрова, спутниковые радиолокационные данные позволяют определять его физические и структурные свойства, такие как влагосодержание и высота. Поскольку наземные измерения продолжаются, то на текущем этапе были сделаны пробные статистические оценки связи спутниковых и полевых данных;
- оценки современного состояния лесного покрова арктических и северных районов по радиолокационным данным. Применение радиолокационных данных для изучения растительности привносит новую информацию о структурных и физических свойствах лесного покрова, особенно в тех районах, где происходит его восстановление. Это обусловлено прежде всего спецификой выполнения радиолокационной съемки, при которой на интенсивность отражения сигнала сильное влияние оказывает структура объекта. Исследование проводится на примере анализа восстановления лесной растительности в местах лесных пожаров.
В рамках текущих исследований по проекту удалось достигнуть значительных результатов в области использования средств и методов дистанционного зондирования применительно к широкому кругу географических задач исследования состояния и динамики арктического региона. По различным направлениям исследований, получены уникальные данные не опубликованные ранее. Начаты работы по перспективным направлениям использования аэрокосмических методов.
Работа выполнена при поддержке проектов поддержке проектов РФФИ 18-05-60221 Арктика «Методология оценки состояния и динамики наземных экосистем Арктики в условиях антропогенного воздействия по данным ДЗЗ»