![]() |
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ФИЦ ПХФ и МХ РАН |
||
Прямым следствием глобального потепления стало быстрое сокращение ледников в большинстве горных районов Земли. Вместе с ростом количества погодных аномалий это приводит к изменению активности опасных гляциальных процессов. Кроме того, возникают ситуации, не имеющих исторических прецедентов - формирование озер на месте отступивших ледников и их прорыв, сходу ледово-каменных и ледяных лавин на ранее стабильных склонах из-за изменений температурного режима и т.д. На Большом Кавказе и Тянь-Шане, выбранными в качестве базовых регионов исследований, опасные гляциальные процессы приводят к человеческим жертвам и значительным экономическим убыткам. Целью проекта является оценка вклада изменений горных ледников, климатических и погодных аномалий в активность опасных гляциальных процессов. Для достижения цели будет использован синтез дистанционных методов исследования и ГИС-картографирования, полевых работ в ключевых участках, гляциологического и гидродинамического моделирования. Для выбранных районов будут определены площади и объемы ледников, их изменения в последние годы-десятилетия. Будет обновлен Каталог ледниковых озер на Центральный Кавказ и оценена вероятность прорыва каждого озера. Технология раннего обнаружения ледниковых озер, формирующихся на месте отступающих ледников, будет верифицирована на конкретных примерах. Методика выявления подледниковых озер будет реализована на основе моделирования толщины льда и расчета гидравлического потенциала. Будут выявлены и проанализированы изменения в зоне Геналдонской катастрофы 2002 г. за период 2014-2019 гг. и созданы крупномасштабные карты цирка ледника Колка, проведено моделирование селевого паводка, зародившегося в результате прорыва оз.Башкара в 2017 г. На примере ключевых участков планируется уточнить закономерности режима и эволюции очагов опасных гляциальных процессов и разработать концептуальные основ средне- и краткосрочного прогноза опасных гляциальных процессов. Научная новизна проекта заключается как в новых методах, так и в новых результатах, получаемых традиционными и современными методами. Ожидаемые результаты являются оригинальными, находятся на мировом уровне и важны не только для гляциологии, но для других наук о Земле. Практическая значимость ожидаемых результатов заключается в возможности их использования для снижения риска опасных природных явлений в горно-ледниковых районах.
Being a direct consequence of global warming, rapid glacier downwasting take a place in the most of mountain regions across the Earth. Coupling with increasing number of weather anomalies it leads to change of glacier hazard activity. Furthermore, situations without historical precedents like lake formation at the site of receding glaciers and their bursts, ice-rock and ice avalanches from previously stable slopes due to temperature change etc. At the Greater Caucasus and Tien Shan selected as baseline regions for the research, glacier hazards lead to casualties and significant losses. Goal of the project is to estimate contribution of glacier change, climate and weather anomalies to activity of glacier hazards. A combination of methods, namely remote sensing and GIS cartography, fieldwork in key sites, glaciological and hydrodynamic modeling will be used to achieve the goal. For selected sites we assess glacier area and volume and their change during recent years-decades. We plan to renew Inventory of Glacier Lakes for the Central Caucasus and to estimate probability of lake outburst. Technology for early detection of glacier lakes, appearing instead of retreating glaciers, will be verified using case stories. A method to identify subglacier lakes will be realized using modeled ice thickness values and calculation of hydraulic potential. We plan to detect and analyze change in 2002 Genaldon disaster area for the period 2014-2019 and create large-scale maps of the Kolka Glacier cirque as well as to simulate debris flood happened due to outburst of the Bashkara glacier lake in 2017. Features of regime and evolution of glacier hazards initiation sites will be clarified for key sites and will be used to develop conceptual baselines for mid- and short-term forecasts of glacier hazards. Novelty of the project includes new methods as well as new results obtaining through traditional and state-of-the-art approaches. We expect to achieve original world-level results important not just for glaciology but for Earth sciences as well. Expected results are highly relevant for setting up a disaster risk reduction in glacier covered mountains.
1. Современные значения площади и объема оледенения по нескольким горно-ледниковым районам на Кавказе и Тянь-Шане (массив Ак-Шыйрак по состоянию на 2018 г., Центральный Кавказ по состоянию на 2017-2019 гг., бассейны Киргизского хр. по состоянию на 2018-2020 г.). 2. Оценки изменений площади и объема ледников в последние годы-десятилетия. Значения изменений будут получены путем сопоставления разновременных аэро- и космических снимков, топографических карт и результатов других исследователей. 3. Каталог ледниковых озер Центрального Кавказа с оценкой их текущей (2018 г.) прорывоопасности и прогнозом ее изменения на основе эволюции ледниково-озерных комплексов. 4. Серия ГИС, со слоями «контура ледников», «линии тока ледников», «толщина льда», «ложе ледников», «контура озер», «глубина озер» на различные временные срезы. 5. Изменения в зоне Геналдонской катастрофы 2002 г. за период 2014-2019 гг. Карты цирка ледника Колка по состоянию на 2019 г. Оценка возможности перехода от традиционной топосъемки к наземной стереосъемке, уточнение погрешности различных подходов. Расчет объемов накопившегося в цирке материала. Верификация и уточнение сделанных ранее прогнозов о сроках восстановления ледника Колка. 6. Гидродинамическая модель прорыва оз.Башкара 1 сентября 2017 г. Расчет скорости движения, определение границ зоны поражения, глубины и давления потока на основе современных двумерных моделей, калиброванных по натурным данным. Сопоставление со сценарным моделированием, проведенным коллективом проекта ранее. 7. Методика выявления подледниковых озер на основе моделирования толщины льда и расчета гидравлического потенциала. 8. Апробация технологии раннего обнаружения ледниковых озер, формирующихся на месте отступающих ледников, при помощи ретроспективного моделирования на основе разновременных ЦМР. Быстрое сокращение ледников дает возможность использования для этой цели SRTM DEM. Если раньше возможность такой проверки лимитировалась наличием оцифрованных карт, то теперь пространственный охват может быть не ограничен. Суть апробации проста: если озеро моделировалось, то появилось ли оно на самом деле, и если да, то как соотносятся модельные и реальные площади. 9. Закономерности режима и эволюции очагов опасных гляциальных процессов на ключевых участках, долгосрочный прогноз их изменений на основе модельных и инструментальных данных о толщине льда и подледном рельефе, существующих прогнозов климатических изменений. 10. Концептуальные основы средне- и краткосрочного прогноза опасных гляциальных процессов. Для каждого из очагов с учетом тенденций его изменений на основе факторного анализа будет выбран набор предикторов, позволяющий оценить вероятность неблагоприятного развития событий. Апробация подхода будет проведена на примере наблюденных случаев опасных гляциальных процессов на ключевых участках. Ожидаемые результаты важны не только для гляциологии, но для других наук о Земле. Некоторые предлагаемые методы (например, п.7 и 8) ранее не применялись и будут востребованы в мире. Мониторинг ледника Колка, вызвавшего гляциальную катастрофы 2002 г., необходим не только для понимания причин подобных процессов, но и для снижения риска в будущем. Прикладная значимость ожидаемых результатов, особенно п.4, 9 и 10 заключается в возможности их использования для оповещения населения и снижения риска опасных природных явлений в горно-ледниковых районах. Коллектив проекта планирует передавать информацию об обнаруженных подледниковых озерах, изменениях очагов гляциальной опасности и предикторах опасных гляциальных процессов в Управления МЧС РФ по КБР и РСО-А.
Коллективом проекта в ходе полевых и дистанционных исследований собран обширный фактический материал об изменениях ледников, причинах и последствиях опасных гляциальных процессов на Кавказе, Камчатке, Тянь-Шане, в Андах и горах Св. Ильи. В ходе изучения селевых и гляциальных катастроф, произошедших на Кавказе в начале XXI века (Тырныауз, 2000; Геналдон, 2002) получен ряд оригинальных результатов. Предложена новая методика исследования механизмов водообмена прогляциального озера и окружающей его моренно-ледниковой толщи на основе детальных измерений скоростного поля течений в озере на различных глубинах с высокой точностью. Получен положительный опыт использования гляциологической информации с опорного для Центрального Кавказа ледника Джанкуат для прогноза прорыва прогляциального озера. Предложена и апробирована (на примере Уаскарана и Геналдона) оригинальная легенда для составления тематических карт на зоны многостадийных ледниковых катастроф. Разработан алгоритм автоматического дешифрирования приледниковых озер по многозональным космическим снимкам Landsat ETM+. Разработана и апробирована (на примере Башкаринских озер, Центральный Кавказ) первая в России система раннего оповещения о прорыве ледникового озера. Накоплен опыт проведения и обработки радиолокационных измерений толщины льда, а также использования натурных данных для калибровки гляциологических моделей.
ГИС с контурами современных ледников, результатами измерений и моделирования толщины льда и подледного рельефа. Подобные ГИС уже разрабатывались участниками проекта как для отдельных ледников (Лаврентьев и др., 2014, Петраков и др., 2014), так и для крупных ледниковых районов (Petrakov et al., 2016) или для горных стран (Кутузов и др., 2015). В течение первого года проекта планируется дополнить существующие ГИС информацией по ледниковым озерам (контура, площади, измеренные и оцененные глубины и объемы) и очагам опасных гляциальных процессов (сели, ледяные лавины, многостадийные процессы и др.). На основе ГИС будут уточнены современные значения площади и объема ледников в этих районах, а также выявлены темпы сокращения ледников в последние годы. Будут уточнены площади ледниковых озер и выявлены их современные изменения. Кроме того, в ГИС будет внесена информация о случаях опасных гляциальных процессах, границах их распространения и динамических характеристиках (при наличии такой информации). При уточнении Каталога ледниковых озер Центрального Кавказа будет проведена предварительная оценка вероятности прорыва и опасности озер по состоянию на 2017-2018 гг. Для этого будут использованы снимки высокого разрешения Sentinel, SPOT 5, 6 и 7, Pleiades. Участники проекта имеют опыт аналогичных работ в Узбекистане (Petrov et al., 2017). Синтез «ледниковой» и «озерной» ГИС с внесением в них данных о толщине льда и изменении очагов опасных гляциальных процессов повысит корректность долгосрочного прогноза. ГИС «Ледники, озера и опасные гляциальные процессы» будет создана на следующие районы: российская часть Центрального Кавказа с детализацией на Приэльбрусье и район г.Казбек (ледник Колка и окрестности), бассейны рек Ала-Арча и Аламедин на Северном Тянь-Шане. Участникам проекта неизвестны примеры аналогичных по содержанию ГИС. Гидродинамическое моделирование прорывного паводка из оз.Башкара 1 сентября 2017 г. На сегодняшний момент коллективом проекта собраны данные о причинах и последствиях прорыва оз.Башкара, оценен объем воды в прорывном паводке и значения пикового расхода. По стереопарам снимков SPOT-6 (разрешение 1,6 м/пиксель, снят за месяц до события) и Pleiades (разрешение 0,6 м/пиксель, снят через несколько дней после события) будут построены цифровые модели рельефа, оконтурены границы зоны поражения и оценен объем перемещенного твердого материала. Оценка объема будет дополнена полевым обследованием. Все эти данные послужат входным массивом для гидродинамического моделирования прорывного паводка. В результате будут определены значения скорости и глубины потока, давления на препятствия. Полученные результаты будут сопоставлены со сценарным моделированием прорыва, предпринятом коллективом проекта ранее (Petrakov et al., 2012) и базировавшемся на расчетном гидрографе прорыва (Гнездилов и др., 2007). В смоделированном сценарии рассматривался прорыв озера через моренную дамбу в грот в леднике Башкара, притом в конце 2010-х гг. такой сценарий представлялся единственно возможным. Однако, за последние годы поверхность ледника Башкара близ места прорыва понизилась более чем на 15 м, что привело к понижению устойчивости моренной дамбы и ее прорыву. Пиковый расход при таком сценарии был существенно выше, чем предполагалось ранее. Подобные ситуации будут повторяться в других горно-ледниковых районах, поэтому результаты мониторинга Башкаринских озер и модель хорошо задокументированного прорыва будут востребованы мировым научным сообществом. Новые натурные данные о состоянии ледников и очагов опасных гляциальных процессов, полученные в ходе полевых работ 2018 г. Будут получены радиолокационные данные о толщине льда, батиметрические данные о глубине озер, топографические данные о изменениях ледников и очагов опасных гляциальных процессов. Коллектив проекта надеется, что камера слежения, установленная летом 2017 г. на леднике Колка, поможет уточнить специфику накопления вещества в цирке этого ледника. Будет проведена обработка стереосъемки Колки 2017 г. и ее сопоставление с данными 2014 и 2016 гг. В результате будут определены изменения высоты поверхности ледника, а также оценена применимость стереосъемки без использования наземных контрольных точек. Все ожидаемые результаты являются оригинальными. Главным результатом первого года планируемых работ по проекту, имеющим большое значение для мировой гляциологии, станут: инструментально определенные изменения высоты поверхности ледника Колка в 2014-2017 гг.; гидродинамическая модель прорывного селевого паводка в Приэльбрусье 1 сентября 2017 г.; современные данные о площади и объеме оледенения в ряде районов. Результаты работ 2018 г. будут опубликованы в ведущих российских и зарубежных рецензируемых журналах.
грант РФФИ |
# | Сроки | Название |
1 | 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. | Зависимость опасных гляциальных процессов от изменений горных ледников и погодных аномалий |
Результаты этапа: Проведен анализ данных дистанционного зондирования, гляциологической и гидрометеорологической информации, имеющейся в распоряжении коллектива. Наилучшим образом материалом обеспечены Приэльбрусье, ледник Колка (Кавказ), бассейны р.Ала-Арча и Аламедин, а также массив Ак-Шийрак (Тянь-Шань). По данным районам имеются базы данных, содержащие информацию об изменениях ледников, опасных процессах гляциального генезиса, во всех районах (кроме ледника Колка) имеются длиннорядные метеостанции (Терскол, Ала-Арча и Тянь-Шань-Кумтор). В распоряжении коллектива имеются суточные данные по температурам и осадкам для этих метеостанций (по Терсколу до 2013 г., по Ала-Арче и Тянь-Шань-Кумтору до 2018 г.). Прямая метеорологическая информация является основой как для выявления вклада метеоаномалий в зарождение опасных гляциальных процессов, так и для проверки данных ре-анализа, и потому критически важна. Для всех территорий в распоряжении коллектива проекта имеются ГИС с контурами ледников на разные даты, что позволяет сравнить изменения в очагах опасных гляциальных процессов с фоновыми по районам. Мозаика космических снимков Sentinel-2 MSI 2018 г. была составлена на Центральный Кавказ. Была произведена взаимная привязка данной мозаики с другими снимками высокого разрешения, в частности, Pleiades (Эльбрус, долина р.Адылсу), SPOT 6-7 (западная часть Центрального Кавказа от Эльбруса до Безенги, окрестности г.Казбек). Все снимки были подвергнуты ортокоррекции. На Тянь-Шане снимки Sentinel-2 MSI 2018 г. были скачаны для массива Ак-Шийрак и участка Киргизского хребта, мозаика не составлялась. Снимки были интегрированы в ГИС, созданные коллективом проекта ранее. На основании ручного дешифрирования космических снимков Sentinel 2 MSI обновлен каталог ледников массива Ак-Шийрак (Тянь-Шань). Снимки были интегрированы в ГИС «Оледенение массива Ак-Шийрак» и увязаны с более ранними снимками SPOT-5, Terra ASTER, Landsat (различные версии) и GeoEye (на малую часть массива). Для того, чтобы упростить ручное дешифрирование, с помощью функции синтеза каналов (Composite Bands) в ArcToolbox растровые данные каналов 1, 2, 3 были объединены в один для получения комбинации «естественные цвета». При предыдущих оценках площади оледенения массива Ак-Шыйрак фирново-ледяная облицовка независимо от ее местоположения (в области питания или близ языков) всегда включалась в площадь ледников (Кузьмиченок, 1989). Для сохранения преемственности, а также для выполнения требований «Руководства…» (1966) мы включали фирново-ледяную облицовку в площадь ледников. Вслед за (O’Gorman, 1996; Pieczonka and Bolch, 2015) мы оцениваем максимальную ошибку при проведении границы ледника в 0,5 пикселя. Для каждого ледника ошибка определения площади за счет качества изображения оценивалась как произведение длины периметра ледника на размер 0,5 пикселя на местности. Ошибка оценки площади оледенения массива Ак-Шыйрак оценивалась как сумма ошибок оценки площади отдельных ледников. Около 3% от общей площади оледенения массива Ак-Шыйрак покрыто мореной. На отдельных ледниках доля площади заморененного льда достигает 13%. С учетом трудностей однозначного дешифрирования границ заморененного льда и частого перехода ледника в каменный глетчер без выраженных признаков контакта мы оцениваем ошибку определения площади заморененного льда в 50%. Суммарная ошибка определения площади оледенения массива Ак-Шыйрак, по снимку SPOT-5 2013 г. составляла 5,6 км2 или 1,6% (Petrakov et al., 2016), по снимку Sentinel 2 MSI 2018 г. 9 км2 или 2,7%. Фактические значения погрешности существенно уменьшаются за счет взаимной компенсации положительных и отрицательных ошибок. Установлено, что в 2018 г. площадь оледенения массива Ак-Шийрак составила 335 км2. В 2003-2013 гг. оледенение массива Ак-Шийрак сократилось на 21,9 км2 а в 2013-2018 гг. – на 15 км2. Темпы сокращения площади ледников выросли с 0,59% в год до 0,93% в год. Сокращение площади сопровождалось отступанием ледников, составившим в 2003-2013 гг. 11 м/год, а в 2013-2018 гг. 19 м/год, в среднем для всех ледников массива. Ускорение темпов сокращения ледников объясняется продолжающимся с 1970-х гг. статистически значимым ростом температуры воздуха со скоростью 0,36°С в 10 лет. Следует отметить, что в период 1930-1970-х гг. роста температуры по данным метеостанции Тянь-Шань не было. Тенденций изменения годового количества осадков с начала метеонаблюдений (1930-е гг.) не выявлено. В массиве Ак-Шийрак наиболее быстро сокращаются малые ледники, расположенные на склонах южной экспозиции. Это объясняется повышенным вкладом длинноволновой радиации в энергетический баланс ледников, размеры которых меньше вмещающей формы рельефа (Olyphant, 1986). Более быстрое сокращение малых ледников по сравнению с большими отмечается по всей высокогорной Азии (Azam et al., 2018; Che et al., 2018; Zhang et al., 2018). На фоне сокращения ледников продолжалось наступание техногенных каменных глетчеров, сложенных льдом, перемещенным из ледника Давыдова, и отвалами пустой породы. В 2013-2018 гг. техногенный каменный глетчер в долине ледника Лысый продвинулся на 450 м, а его площадь увеличилась на 0,3 км2. Техногенный каменный глетчер в долине ледника Давыдова продвинулся еще больше: от 560 м (центральная часть) до 690 м (правая часть) и 870 м (левая часть). Наступание глетчера в долине ледника Давыдова привело к необходимости переноса базового лагеря Кумтор Голд Компани. При продолжении наступания в ближайшие годы (2-5 лет) возможно подпруживание реки Кумтор. Темпы разрастания приледникового озера Петрова, крупнейшего в районе, незначительно понизились. Правая часть языка ледника Петрова отступала в 2013-2018 гг. со скоростью 45 м/год. В левой части язык вышел на сушу и разрастания озера не происходило. Геофизические исследования свидетельствуют о том, что озеро будет увеличиваться при сохранении тенденции сокращения ледников в районе. Вероятность прорыва озера Петрова пока невелика. Потепление климата ведет к снижению устойчивости моренной дамбы, поэтому в будущем как вероятность прорыва, так и опасность прорыва будут возрастать. Для обновления каталога ледниковых озер Центрального Кавказа была составлена мозаика космических снимков Sentinel-2 MSI 2018 г. и SPOT-7 2017 г. Данная мозаика охватывает весь район исследований. Обработка снимков осуществлялась с использованием алгоритмов SNAP [http://step.esa.int/main/download/]. Озера дешифрировались автоматически, с использованием индексов NDWI, MNDWI и AWEI (Катаев, Бекеров, 2017). Для выявления контуров водных объектов были выбран типовые значения индексов NDWI > 0,4, MNDWI >= 0,9 и AWEI >7550. Для исключения из выборки ледников был использован слой с контурами ледников, экспортированный из ГИС, составленной нами ранее. Дополнительно были использованы цифровые модели рельефа, находящиеся в открытом доступе, ALOS PALSAR с разрешением 12,5 м и ASTER GDEM с разрешением 30 м. По данным ЦМР были составлены слои с уклонами поверхности и выделены уклоны менее 10º. На этапе 2018 г. для тестовой территории не удалось подобрать единый индекс, который позволил бы выявить все озера. По всей видимости, общепринятые индексы не учитывают разнообразие типов горных озер. Например, NDWI не выявил озера с высокой мутностью: Башкара (после прорыва 01.09.2017), Микельчиран, Кривое, но зато хорошо выявил небольшие неглубокие каровые озера с прозрачной водой, которые кажутся синими на снимке в видимом диапазоне (Донгуз-Орункель верхнее, Накра, Мкяра). Индекс MNDWI, наоборот, подходит для более мутных озер, однако, залив озера Малое Азау, примыкающий к леднику, он не выявил. Индекс AWEI, несмотря на то, что довольно хорошо выделил озера, оконтурил также много снежников. Сравнение автоматических методов дешифрирования с местами расположения озер, выявленных в предыдущих исследованиях, и со снимком в видимом спектре в целом, удовлетворительное. Однако, проведенный анализ показывает, что для ледниковых озер невозможно использовать только один индекс, нужна их комбинация. Более того, после автоматического дешифрирования озер требуется тщательная ручная проверка результатов дешифрирования. Оценка сопоставимости прямых метеоданных с результатами ре-анализа проводилась на примере Киргизского хребта. Для выявления температурных аномалий использовались наборы данных Berkeley Raw, Berkeley Homogenized и NOAA ISD, а также прямые данные с метеостанций Ала-Арча и Бишкек. Была выявлена хорошая пространственная корреляция температурных аномалий, как между обеими станциями, так и с данными ре-анализа. Для осадков использовались наборы данных Aphrodite, GHCN-D и TRMM 3B42. Зона наилучшей пространственной корреляции вытянута вдоль гребня хребта, в паре станций Ала-Арча - Бишкек корреляция снижается. Максимальные значения коэффициента корреляции составляют 0,79, минимальные, при выходе на равнину – 0,68. В горных районах не отмечается корреляции ниже 0,73 при удалении от Ала-Арчи на 100 км. Во всех случаях анализировались температуры и осадки с 1 мая по 31 августа, т.е. в период, когда на Киргизском хребте отмечались прорывы ледниковых озер и селевые потоки, в т.ч. и гляциального генезиса. В результате были выявлены аномалии температур и осадков как в день события, так и за определенные сроки до него (средняя температура и сумма осадков за 3, 5, 7, 14 и 28 дней до события). Для оценки была использована база данных, предоставленная коллегами из Института Водных Проблем и гидроэнергетики НАН Кыргызстана и насчитывающая 117 событий, начиная с 1950 г. Данная база имеет свои ограничения, т.к. не все события, особенно небольшого масштаба, были зафиксированы; в ряде случаев могут быть неточности в датах или месте события. Следует отметить, что данная база прошла значительную предварительную фильтрацию, в ходе которой сомнительные события отсеивались. Достоверность итоговой базы подтверждает хорошая корреляция между датами схода гляциальных и дождевых селей и экстремальными погодными условиями. Только один селевой поток дождевого генезиса сошел в день без аномалий, аномалий не было и во время предшествующего периода. На примере короткого временного отрезка сделана попытка проанализировать роль метеоаномалий в формировании гляциальных селей. Установлено, что менее 50% событий приурочено к дням с температурами или осадками ниже 10% обеспеченности. Остальные события приурочены к обеспеченности температур и осадков от 50 до 90%. Сход гляциальных селей отмечался в 8% дней с температурами и осадками ниже 10% обеспеченности. Данные результаты носят предварительный характер и требуют дополнительного анализа. Для оценки изменений ледника Колка в 2014-2017 гг. были обработаны материалы цифровой наземной стереоскопической съёмки, проведенной коллективом проекта в 2014, 2016 и 2017 гг. Материалы 2018 г. находятся в стадии обработки. Результатом обработки в программном комплексе Agisoft PhotoScan стали цифровые модели поверхности ледника (ЦМП) за 2014, 2016 и 2017 гг.. Agisoft PhotoScan используется для обработки воздушных и наземных стереоскопических съёмок, в том числе и на ледниках (Погорелов и др., 2017; Brun et al., 2016). Полевые работы были разделены на два этапа: а) GNSS (Global Navigation Satellite System) – определение координат опорных точек; б) стереофотосъёмка ледника. Камеральные работы выполнялись в три этапа: а) вычисление координат опорных точек; б) обработка стереофотографий и получение ЦМП; в) сравнение и анализ полученных ЦМП. Координаты опорных точек определялись с помощью комплекта одночастотных GNSS-приёмников Trimble R3. Съёмку вели без штатива, антенну размещали непосредственно на координируемой точке. Измерения проводили в режиме «Fast Static». Минимальная продолжительность измерений на точке (при наличии сигнала от шести спутников и более) – 15 мин. Выбор расположения опорных точек определялся уверенной дешифрируемостью на фотоснимках, равномерным расположением по поверхности ледника, доступностью и безопасностью при проведении измерений. Стереофотосъёмка выполнялась цифровой зеркальной камерой Canon EOS 5D Mark II. Использовался объектив Canon 50mm f/1.8 с фиксированным фокусным расстоянием. Съёмка проводилась в режиме приоритета диафрагмы (Av) с максимальным диафрагменным числом для предотвращения «размыва» объектов. Фокусировка осуществлялась «вручную» на бесконечность. При значениях ISO не более 400 освещённость объекта позволяла выполнять съёмку с выдержкой 1/250–1/500 с, поэтому съёмка проводилась без использования штатива. Фотосъёмка велась с произвольных базисов, расположенных на орографически левой морене ледника Колка и на хребте, разделяющем долины ледников Колка и Шау. Точки съёмки выбирались исходя из условий местности. Основное требование – отсутствие (или минимальная площадь) объектов на переднем плане кадра, при этом расстояние между точками съёмки составляло менее 100 м. Направление съёмки выбиралось таким образом, чтобы покрыть объект съёмки максимальным числом стереопар снимков. В некоторых случаях с одной точки съёмки выполнялось фотографирование в разных направлениях. Обработка фотографий проводилась в фотограмметрическом программном комплексе Agisoft PhotoScan и была разделена на несколько этапов: а) предварительное автоматизированное выравнивание фотографий; б) расстановка опорных точек и оптимизация выравнивания; в) построение плотного облака, содержащего более 11 млн точек, построение ЦМП с разрешением 1 м; г) создание ортофотоплана и экспорт данных для последующего анализа. Отметим, что все этапы обработки, кроме расстановки опорных точек, проводятся автоматически и могут быть запущены в режиме пакетной обработки, что значительно сокращает трудозатраты. Стереофотоснимки, выполненные с базисов, расположенных на левой боковой морене ледника, и стереофотоснимки с базисов, расположенных на восточном отроге г. Шау-хох, обрабатывались раздельно с последующим объединением результатов. Результаты обработки стереофотоснимков (модель поверхности и ортофотоплан) были экспортированы в формат GeoTIFF, который поддерживается большинством ГИС-пакетов. После построения ЦМП по результатам съёмки за каждый год выполнялось их сравнение в программном комплексе QGIS 2.18. Продольный и поперечные профили строили с использованием инструмента Profile Tool. Карты изменения высоты поверхности ледника построены на основе результатов сравнения ЦМП, выполненного в модуле «Калькулятор растров». Вычисление изменений объёма осуществлялось в модуле Raster Volume программного приложения SAGA (2.3.2), внедрённого в оболочку QGIS. После обработки данных съемки установлено, что погрешность определения координат опорных точек не превышает 0,30 м в плане и 0,5 м по высоте, что соответствует точности пунктов планово-высотного обоснования масштаба 1:5000. Погрешности уравнивания фотоснимков в Agisoft PhotoScan по опорным точкам не превышают 2,3 м в плане и 0,7 м по высоте. Для оценки точности полученных ЦМП проведено сравнение значений высот, измеренных геодезическими GNSS-приёмниками и ЦМП. Полученные результаты позволяют сделать вывод, что в нашем случае цифровая наземная стереофотосъёмка может использоваться при создании ЦМП с точностью по высоте до 1,5 м. Основная зона повышения поверхности Колки приурочена к верхней части ледника и к подножию северной стены Казбекско-Джимарайского массива. В нижней части языка Колки участки значительного, до 30 м повышения поверхности, чередуются с участками понижения поверхности, которые частично заняты небольшими термокарстовыми озерами. Установлено, что в 2014–2016 гг. объём накопления ледово-каменного материала на поверхности ледника составил 3,4±0,5 млн куб.м., а в 2016–2017 гг. – 4,0±0,5 млн куб.м. В среднем за 2014–2017 гг. этот параметр составляет 2,5±0,3 млн куб.м/год. С учётом площади ледника 1,10 кв.км такое накопление за три года соответствует увеличению высоты поверхности на 2,2 м/год. Рост объёма ледника Колка контрастирует с потерей объёма опорных для Кавказа ледников Джанкуат и Гарабаши, и быстрое восстановление этого ледника по-прежнему продолжается на фоне неблагоприятной для кавказского оледенения ситуации. С 2002 г. объём Колки увеличился почти на 50 млн.куб. м. На примере бассейнов рек Ала-Арча и Аламедин (Киргизский хребет, Тянь-Шань) проанализированы изменения ледников в последние десятилетия и сделана попытка выявить вклад изменений ледников и перигляциальной зоны в селевую активность. Для этого использованы топографические карты масштаба 1:50000 1964 г., космические снимки Landsat 1977, 2000 и 2015 гг., аэрофотоснимки разных лет и высокодетальные снимки 2005-2018 гг. из сервиса SAS Planet (без точной даты). Дешифрировались собственно ледники, чистый лед и заморененные языки, моренные комплексы, в состав которых включались морены ниже фронта ледника и каменные глетчеры, а также озера. Горизонтали на топографической карте были оцифрованы. Полученная ЦМР была использована для моделирования толщины льда по состоянию на 1964 г. Для моделирования толщины льда по состоянию на 2015 г. использовалась ЦМР SRTM разрешением 30 м/пиксель (1 arcsec) и контуры ледников по состоянию на 2015 г. Установлено, что площадь оледенения в 1964-2015 гг. сократилась с 99 кв.км до 74 кв.км. Средние темпы сокращения площади ледников составили 0,5% в год в бассейне Ала-Арчи и 0,6% в год в бассейне Аламедина. Отличия в темпах сокращения площади могут объясняться как меньшим средним размером ледников в бассейне Аламедина, так погрешностями оценок. Ускорения деградации оледенения, типичного для ряда районов Высокой Азии, не произошло. Вероятно, это объясняется широким распространением моренного покрова на языках ледников. Объем ледников за то же время сократился почти на треть. Ретроспективное моделирование подледного рельефа на основе топокарты 1964 г. привело к позитивному результату: модель показала наличие замкнутых углублений ложа в нижней части ледников Адыгене и Учитель. В настоящее время оба этих углубления заняты озерами, притом озеро у фронта ледника Учитель продолжает расширяться за счет отступания ледника. Совместно со специалистами Университета Женевы и Института Водных Проблем и гидроэнергетики НАН Кыргызстана на основании дендрохронологического анализа построена хронология селевой деятельности на основных селевых конусах бассейнов Ала-Арча и Аламедин. Усиление активности гляциальных селей в долине р.Аксай отмечалось в середине 20 века, т.е. в период стабилизации (Айзин, 1988) и незначительного наступания ледника (Bolch, 2015). Гляциальные сели формировались за счет прорыва внутриледниковых полостей. Вероятно, движение льда на языке приводило к блокировке каналов стока и последующему прорыву. Ускорение темпов деградации ледника привело к резкому ослаблению активности гляциальных селей в этом бассейне, последние события имеют дождевой генезис. Выявлен интересный факт: селеактивность на 6 исследованных конусах обратно связана с относительным сокращением площади ледника, т.е. чем быстрее сокращаются ледники, тем слабее селевая активность. Этот вывод противоречит большинству известных работ (например, Chiarle, 2007; Stoffel, Huggel, 2012) и, вероятно, носит региональный характер. Важную роль в ослаблении селевой деятельности играют каменные глетчеры: селевая активность обратно связана с отношением площадей каменных глетчеров, комплекса конечных морен и заморененных участков ледников к площади открытого льда. Каменные глетчеры понижают пиковые расходы воды с ледников, что ослабляет эрозионный потенциал гляциальных паводков и снижает вероятность формирования селевого потока. Для моделирования прохождения селевого потока, возникшего при прорыве оз. Башкара 1 сентября 2017 г., использовалась двумерная модель RAMMS: DEBRIS FLOW (Christen et al., 2010). RAMMS (Rapid Mass Movements) – это программный пакет, который позволяет осуществлять моделирование снежных лавин, селевых потоков и камнепадов. Для моделирования селевых потоков RAMMS использует однофазный подход. В гидравлической модели, предложенной А. Фелми (Voellmy, 1955), скорость частиц осредняется по нормали к склону, поэтому распределение характеристик потока по его глубине не рассматривается. Модель не предполагает деформации сдвига. В модели учитываются два параметра: безразмерный коэффициент сухого трения µ и коэффициент турбулентного трения ξ, м/с2 (Christen et al., 2008; 2010). Входными параметрами для модели RAMMS являются общий объем селевого потока и параметры трения. Для проведения моделирования требуются также цифровая модель рельефа, данные о максимальных расходах селевого потока и форме гидрографов. Результаты моделирования представлены в виде плановой картины распределения скоростей течения, уровней селевой поверхности и глубин селевого потока в пределах расчетной области. По нашим данным, объем жидкой фазы потока составил порядка 1,1 млн м3, основная часть ее, 800 тыс. м3, была сброшена из озера, в селевой паводок было вовлечено 350 – 500 тыс. м3 твердого материала (Петраков и др., 2017; Черноморец и др., 2018). Получить значения объема твердого материала, вовлеченного в селевой поток, на основе сопоставления разновременных ЦМР по снимкам SPOT-6 и Pleiades пока не удалось из-за искажений, возникающих, вероятно, вследствие малого количества опорных точек для привязки снимков в нижней части долины р.Адылсу. В 2019 г. будет набран необходимый массив опорных точек, что позволит получить независимую оценку вовлечения твердого материалаю В программе RAMMS для построения входного гидрографа прорыва используется оценка общего объема селевого потока и эмпирические зависимости между общим объемом и максимальным расходом воды (Rickenmann, 1999). Для построения гидрографа использовались следующие параметры: • объем, W = 700 000 м3; • максимальный расход воды, Qmax = 600 м3/c; • время наступления пика, t1 = 60 с; • время окончания излива, t2 = 2 333 c; • максимальная скорость течения Vmax = 15 м/с Плотность селевого потока была задана 1450 кг/м3, что соответствует водокаменному селю. Коэффициент сухого трения был задан в соответствии с рекомендациями разработчиков программы RAMMS (Christen et al., 2010) по тангенсу уклона склона в зоне аккумуляции выше альпинистского лагеря «Джантуган» µ = 0,107. Был использован средний для селевых потоков коэффициент турбулентного трения ξ = 1 000 м/с2 (Christen et al., 2010). В качестве исходных данных для моделирования прорыва озера использовалась цифровая модель местности, построенная по стереопаре снимков со спутника Spot-6 с разрешением 3,2 м (дата съемки 1 августа 2017 г.). Для пойменных территорий, покрытых растительностью, была проведена корректировка рельефа. Для этого использовался алгоритм, представленный в программном обеспечении с открытым кодом ГИС Whitebox Geospatial Analysis Tools (Lindsay, 2014). Алгоритм Remove Off-Terrain Objects разработан для создания поверхности земли в ЦМР для городских и сельскохозяйственных ландшафтов, однако, в зимних условиях при отсутствии листвы может применяться и для негустых лесов и кустарников. Поскольку при прорыве оз. Башкара поток прошел по языку ледника Башкара, затем попал в оз. Лапа и пошел далее по долине, то входной створ для моделирования был расположен на зандровой площадке ниже оз. Лапа. Замыкающий створ находился ниже впадения р. Адылcу в р. Баксан. Ниже этого места селевой поток трансформировался в наносоводный паводок, поэтому ниже слияния целесообразно проводить новый этап моделирования с новыми параметрами. Использованные при моделировании селевого потока параметры и входной гидрограф позволили получить предварительное представление о селевом потоке. Можно полагать, что селевой поток был водокаменного типа, имел скорости в среднем до 6 м/с, плотность около 1450 кг/м3. Полученные в ходе моделирования значения совпадают с оценками скорости и времени добегания, основанными на фактических данных (Черноморец и др., 2018). Модельная площадь затопления в районе альплагеря «Джантуган» незначительно больше фактической, оцененной по космическому снимку Pleiades, снятому 3 сентября 2017 г. Заложенные параметры модели требуют дополнительной калибровки и проверки. Заданная треугольная форма гидрографа может завышать расход и скорость потока, а коэффициент турбулентного трения следует менять в зависимости от условий подстилающей поверхности и преобладающего типа транспорта наносов. Сравнение результатов моделирования прогнозного (Petrakov et al., 2012) и фактического сценариев прорыва показали, что площадь затопления различается незначительно, однако скорости течения при моделировании фактического сценария ниже, что кажется более вероятным. Различия в результатах моделирования заложены в свойствах самих моделей. На наш взгляд, моделирование селевого потока в программе RAMMS отражает реальную ситуацию лучше по сравнению с FLO-2D, поскольку учитывает крутизну склонов, турбулентность и вязкость потока. Другие модели, разработанные изначально для водных потоков на равнинных территориях (например, STREAM и FLO-2D), требуют более тщательной калибровки и не могут полностью учитывать горные условия. Полученные результаты являются новыми, находятся на мировом уровне и важны не только для гляциологии, но для других наук о Земле. Особое значение имеет продолжение инструментального мониторинга ледника Колка для уточнения прогноза сроков его восстановления и возможности повторения гляциальных катастроф. Все результаты были получены на основе современных методов. Практическая значимость результатов заключается в возможности их использования для снижения риска опасных природных явлений в горно-ледниковых районах. | ||
2 | 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. | Зависимость опасных гляциальных процессов от изменений горных ледников и погодных аномалий. этап 2 |
Результаты этапа: Проведена экспедиция на ледник Колка, выполнена высокодетальная съемка ледника и окружающих его склонов. Проанализирована связь гляциальных селей на Кавказе с погодными аномалиями. Обобщена информация по опасным гляциальным процессам в Центральной Азии. | ||
3 | 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. | Зависимость опасных гляциальных процессов от изменений горных ледников и погодных аномалий. этап 3 |
Результаты этапа: Выявлена роль изменений горных ледников и метеорологических аномалий в активности опасных гляциальных процессов. |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".