sergeogrИзвестия Российской академии наук. Серия географическаяIzvestiya Rossiiskoi Akademii Nauk. Seriya Geograficheskaya2587-55662658-697510.31857/S2587556624030034SOVOPJsergeogr-2778Research ArticleЛАНДШАФТЫ И ЭКОСИСТЕМЫ В УСЛОВИЯХ МЕНЯЮЩЕГОСЯ КЛИМАТАLANDSCAPES AND ECOSYSTEMS UNDER CLIMATE CHANGEРазвитие морфологической структуры ландшафтов криолитозоны в связи с климатическими изменениями: исследование на основе вероятностного подходаProbabilistic Study of the Evolution of Landscape Morphological Patterns in the Cryolithozone in Relation to Climate ChangeВикторовА. С.VictorovA. S.

Москва

Moscow

vic_as@mail.ruАрхиповаМ. В.ArhipovaM. V.

Москва

Moscow

КапраловаВ. Н.KapralovaV. N.

Москва

Moscow

ОрловТ. В.OrlovT. V.

Москва

Moscow

ТрапезниковаО. Н.TrapeznikovaO. N.

Москва

Moscow

Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева Российской академии наукРоссияSergeev Institute of Environmental Geoscience, Russian Academy of SciencesRussian Federation202408032025883Специальный выпуск: Геоэкологические последствия климатических изменений: основные проблемы и возможности адаптации296305Copyright © Викторов А.С., Архипова М.В., Капралова В.Н., Орлов Т.В., Трапезникова О.Н., 20252025Викторов А.С., Архипова М.В., Капралова В.Н., Орлов Т.В., Трапезникова О.Н.Victorov A.S., Arhipova M.V., Kapralova V.N., Orlov T.V., Trapeznikova O.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://izvestia.igras.ru/jour/article/view/2778

Целью настоящего исследования явилась оценка характера эволюции морфологической структуры наиболее распространенных условно-коренных ландшафтов криолитозоны (озерно-термокарстовых равнин, эрозионно-термокарстовых равнин, пойменных равнин) в связи с климатическими изменениями на основе вероятностных подходов. В процессе исследования были выбраны 28 участков, находящихся в разных физико-географических условиях, в частности, сложенных разнообразными отложениями – дельтовыми, озерно-аллювиальными, аллювиальными и аллювиально-морскими, флювиогляциальными отложениями, а также озерно-болотными образованиями. По материалам космической съемки высокого разрешения были получены выборки количественных характеристик морфологических структур рассматриваемых ландшафтов (площадей термокарстовых озер для термокарстовых равнин и длин стрел формирующихся фрагментов для пойменных ландшафтов) за два срока съемки с интервалом 40–55 лет; выборки по каждому участку сравнивались по критерию Смирнова. В итоге сделан вывод, что вероятностный анализ изменений количественных характеристик морфологических структур типичных ландшафтов криолитозоны за 40–55-летний интервал свидетельствует об ограниченном характере изменений. В то же время для ряда участков наблюдаются статистически подтвержденная эволюция морфологических структур, при этом изменения развиваются в основном в пределах термокарстовых равнин, а в пределах пойменных ландшафтов на рассматриваемом временном интервале практически не фиксируются. Изменения морфологической структуры в пределах эрозионно-термокарстовых равнин протекают несколько более интенсивно, чем в пределах озерно-термокарстовых равнин, что может быть объяснено более активной реакцией на климатические изменения термоэрозионных процессов по сравнению с термокарстовыми. Наблюдаемые изменения морфологической структуры приурочены к западной части Западной Сибири, однако при этом показывают дифференцированность по ландшафтам даже в случае близкого расположения, это указывает на важную роль состава отложений и геокриологических условий.

The aim of this research is to assess the nature of morphological pattern evolution related to climatic changes for the most typical landscapes in the permafrost zone, including lacustrine thermokarst plains, thermokarst plains with fluvial erosion, and floodplains, based on the probabilistic approach. Twenty-eight key sites in different physiographic environments were selected for study. The key sites were composed of different deposits, such as deltaic, lacustrine-alluvial, alluvial and alluvial-marine, fluvioglacial, and lake- marsh formations. Based on high-resolution satellite imagery, samples of quantitative characteristics of the landscape morphological patterns under consideration, such as thermokarst lake areas for thermokarst plains and arrow lengths of forming fragments for floodplains, were obtained for two survey dates with 40–55 year intervals. Samples for each site were compared using the Smirnov test. The probabilistic analysis of the quantitative characteristics of morphological patterns for typical permafrost landscapes over 40–55 years leads to the conclusion that the morphological pattern changes are rather limited. At the same time, a statistically confirmed evolution of morphological patterns is observed for a number of key sites of thermokarst plains, but the changes are practically not recorded within the floodplain landscapes in the considered time interval. The changes of morphological patterns are more intensive for the thermokarst plains with fluvial erosion in comparison with the lacustrine thermokarst plains, which can be explained by a more active response of thermal erosion to climatic changes in comparison with the thermokarst process. The observed changes in morphological patterns are limited to the western part of Western Siberia, but they show landscape differentiation even in the case of close location, which indicates the important role of sediment composition and geocryological conditions.

рисунок ландшафтаматематическая морфология ландшафтовравнины криолитозоныклиматические измененияотклик на изменения климататермокарстдистанционное зондированиеlandscape patternmathematical morphology of landscapescryolithozone plainsclimate changesresponse to climate changesthermokarstremote sensing dataИсследование выполнено в рамках Государственного задания Института геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН № FMWM-2022-0010.The study was carried out within the framework of the State Assignment of the Sergeev Institute of Environmental Geoscience of the Russian Academy of Sciences № FMWM-2022-0010.ReferencesВикторов А.С., Капралова В.Н., Орлов Т.В., Трапезникова О.Н., Архипова М.В., Березин П.В., Зверев А.В., Панченко Е.Н., Садков С.А. Анализ развития морфологической структуры озерно-термокарстовых равнин на основе математической модели // Геоморфология. 2015. № 3. С. 3–13. https://doi.org/10.15356/0435-4281-2015-3Chalov R.S. Geograficheskie issledovaniya ruslovykh protsessov [Geographic Studies of Channel Processes]. Moscow: Izd-vo Mosk. Univ., 1979. 232 p.Викторов А.С., Архипова М.В., Капралова В.Н., Орлов Т.В., Трапезникова О.Н. Оценка эволюции развития морфологической структуры термокарстовых равнин криолитозоны в связи с климатическими изменениями по материалам космической съемки // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. М.: Наука, 2023. № 2. С. 76–86. https://doi.org/10.31857/S0869780923020091Chalov R.S., Chernov A.V. Geomorphological classification of plain rivers flood-plains. Geomorfol., 1985, no. 3, pp. 3–11. (In Russ.).Капралова В.Н. Закономерности развития термокарстовых процессов в пределах. озерно-термокарстовых равнин (на основе подходов математической морфологии ландшафта). Автореф. дис. … канд. геол.-мин. наук. М.: ИГЭ РАН, 2014. 24 с.Grosse G., Romanovsky V., Walter K., Morgenstern A., Lantuit H., Zimov S. Distribution of thermokarst lakes and ponds at three yedoma sites in Siberia. In Ninth international conference on permafrost. Vol. 1. University of Alaska Fairbanks, 2008, pp. 551–556.Котляков В.М., Величко А.А., Глазовский А.Ф., Тумской В.Е. Прошлое и современность криосферы Арктики // Вестн. РАН. М.: МАИК “Наука/Интерпериодика”, 2015. T. 85. № 5–6. С. 463–471.Joung R.W. The patterns of some meandering valleys in New South Wales. Austral. Geogr., 1970, vol. 11, no. 3, pp. 269–277.Кравцова В.И., Родионова Т.В. Исследование динамики площади и количества термокарстовых озер в различных районах криолитозоны России по космическим снимкам // Криосфера Земли. 2016. Т. 20. № 1. C. 81–89.Kapralova V.N. Regularities of the development of thermokarst processes within. lake-thermokarst plains (based on approaches of mathematical morphology of the landscape). Extended Abstract Cand. Sci. (Geolog.) Dissertation. Moscow: IEG RAS, 2014. 24 p.Методическое руководство по инженерно-геологической съемке масштаба 1 : 200 000 (1 : 100 000– 1 : 500 000). М.: ВСЕГИНГЕО, Недра, 1978. 391 с.Kapralova V.N., Chesnokova I.V., Makarycheva E.M., Sergeev D.O. Importance of the variability of geocryological conditions in the determination of the significance of the lakes in the structure of regional water discharge. Water Resour., 2019, vol. 46, pp. S81–S86.Панин А., Сидорчук А., Чернов А. Основные этапы формирования пойм равнинных рек Северной Евразии // Геоморфология. 2011. № 3. С. 20–31.Kotlyakov V.M., Velichko A.A., Glazovsky A.F., Tumskii V.E. The past and present-day Arctic cryosphere. Her. Russ. Acad. Sci., 2015, vol. 85, pp. 251–259. https://doi.org/10.1134/S1019331615030132Полищук В.Ю., Полищук Ю.М. Геоимитационное моделирование полей термокарстовых озер в зонах мерзлоты. Мин-во образования и науки Российской Федерации, ФГБОУ ВПО “Югорский гос. ун-т”, Ин-т мониторинга климатических и экологических систем СО РАН, Ин-т химии нефти СО РАН. Ханты-Мансийск: УИП ЮГУ, 2013. 128 с.Kravtsova V.I., Rodionova T.V. Investigation of the dynamics in area and number of thermokarst lakes in various regions of Russian cryolithozone, using satellite images. Kriosf. Zemli, 2016, vol. 20, no. 1, pp. 81–89. (In Russ.).Попов И.В. Методологические основы гидроморфологической теории руслового процесса: Изб. тр. СПб.: Нестор-История, 2012. 304 c.Lotsari E., Hackney C., Salmela J., Kasvi E., Kemp J., Alho P., Darby S.E. Sub-arctic river bank dynamics and driving processes during the open channel flow period. Earth Surf. Process. Landf., 2019, vol. 45, no. 5, pp. 1198–1216. https://doi.org/10.1002/esp.4796Трифонова Т.А. Методика морфометрической характеристики типов и подтипов поймы реки Оби на основе дешифрирования аэрофотоснимков // Вестн. Моск. ун-та. Серия Биология, почвоведение. 1975. № 5. С. 15–26.Metodicheskoe rukovodstvo po inzhenerno-geologicheskoi s’’emke masshtaba 1 : 200 000 (1 : 100 000– 1 : 500 000) [Methodological Guide for Engineering- Geological Survey on the Scale of 1 : 200 000 (1 : 100 000–1 : 500 000)]. Moscow: Nedra Publ., 1978. 391 p.Чалов Р.С. Географические исследования русловых процессов. М.: Изд-во МГУ, 1979. 232 с.Morgenstern A., Overduin P.P., Günther F., Stettner S., Ramage J., Schirrmeister L., Grigoriev M.N., Grosse G. Thermo erosional valleys in Siberian ice-rich permafrost. Permafr. Periglac. Process., 2021, vol. 32, no. 1, pp. 59–75. https://doi.org/10.1002/ppp.2087Чалов Р.С., Чернов А.В. Геоморфологическая классификация пойм равнинных рек // Геоморфология. 1985. № 3. С. 3–11.Muster S., Riley W.J., Roth K., Langer M., Cresto Aleina F., Koven Ch.D., Lange S., Bartsch A., Grosse G., Wilson C.J., Jones B.M., Boike J. Size distributions of Arctic waterbodies reveal consistent relations in their statistical moments in space and time. Front. Earth Sci., 2019, vol. 7, art. 5. https://doi.org/10.3389/feart.2019.00005Grosse G., Romanovsky V., Walter K., Morgenstern A., Lantuit H., Zimov S. Distribution of thermokarst lakes and ponds at three yedoma sites in Siberia // Ninth international conference on permafrost. Univ. of Alaska Fairbanks, 2008. Vol. 1. Р. 551–556.Muster S., Roth K., Langer M., Lange S., Cresto Aleina F., Bartsch A., Morgenstern A., Grosse G., Jones B., Sannel A.B.K., Sjöberg Y., Günther F., Andresen C., Veremeeva A., Lindgren P.R., Bouchard F., Lara M.J., Fortier D., Charbonneau S., Virtanen T.A., Hugelius G., Palmtag J., Siewert M.B., Riley W.J., Koven C.D., Boike J. PeRL: a circum- Arctic Permafrost Region Pond and Lake database. Earth Syst. Sci. Data, 2017, vol. 9, pp. 317–348. https://doi.org/10.5194/essd-9-317-2017Joung R.W. The patterns of some meandering valleys in New South Wales // Austral. Geogr. 1970. Vol. 11. № 3. Р. 269–277.Nanson G.C., Croke J.C. A genetic classification of floodplains. Floodplain Evolution. Geomorphology, 1992, vol. 4, no. 6, pp. 460–486.Kapralova V.N., Chesnokova I.V., Makarycheva E.M., Sergeev D.O. Importance of the Variability of Geocryological Conditions in the Determination of the Significance of the Lakes in the Structure of Regional Water Discharge // Water Res. 2019. Vol. 46. Suppl. 2. Р. S81–S86.Nicolsky D.J., Romanovsky V.E., Panda S.K., Marchenko S.S., Muskett R.R. Applicability of the ecosystem type approach to model permafrost dynamics across the Alaska North Slope. Geophys. Res. Earth Surf., 2017, vol. 122, pp. 50–75. https://doi.org/10.1002/2016JF003852Lotsari E., Hackney C., Salmela J., Kasvi E., Kemp J., Alho P., Darby S.E. Sub‐arctic river bank dynamics and driving processes during the open‐channel flow period // Earth Surface Processes and Landforms. 2019. Vol. 45. № 5. https://doi.org/10.1002/esp.4796Nitze I., Grosse G., Jones B.M., Arp C.D., Ulrich M., Fedorov A., Veremeeva A. Landsat-based trend analysis of lake dynamics across northern permafrost regions. Remote Sens., 2017, vol. 9, no. 7, art. 640. https://doi.org/10.3390/rs9070640Morgenstern A., Overduin P.P., Gnther F., Stettner S., Ramage J., Schirrmeister L., Grigoriev M.N., Grosse G. Thermo‐erosional valleys in Siberian ice‐rich permafrost // Permafrost and Periglac Process. 2021. Vol. 32. № 1. Р. 59–75. https://doi.org/10.1002/ppp.2087Olefeldt D., Goswami S., Grosse G., Hayes D.J., Hugelius G., Kuhry P., Sannel B., Schuur E.A.G., Turetsky M.R. Arctic circumpolar distribution and soil carbon of thermokarst landscapes. Nature, 2016, vol. 7, pp. 1–11. https://doi.org/10.1038/ncomms13043Muster S., Riley W.J., Roth K., Langer M., Cresto Aleina F., Koven Ch.D., Lange S., Bartsch A., Grosse G., Wilson C.J., Jones B.M., Boike J. Size distributions of Arctic waterbodies reveal consistent relations in their statistical moments in space and time // Frontiers in Earth Science. 2019. Vol. 7. Art. 5. https://doi.org/10.3389/feart.2019.00005Panin A.V., Sidorchuk A.Yu., Chernov A.V. Main stages of the flood-plain formation in Northern Eurasia. Geomorfol., 2011, no. 3, pp. 20–31. (In Russ.).Muster S., Roth K., Langer M., Lange S., Cresto Aleina F., Bartsch A., Morgenstern A., Grosse G., Jones B., Sannel A.B.K., Sjöberg Y., Günther F., Andresen C., Veremeeva A., Lindgren P.R., Bouchard F., Lara M.J., Fortier D., Charbonneau S., Virtanen T.A., Hugelius G., Palmtag J., Siewert M.B., Riley W.J., Koven C.D., Boike J. PeRL: a circum-Arctic Permafrost Region Pond and Lake database // Earth System Science Data. 2017. Vol. 9. Р. 317–348. https://doi.org/10.5194/essd-9–317–2017Pekel J.-F., Cottam A., Gorelick N., Belward A.S. High- resolution mapping of global surface water and its long- term changes. Nature, 2016, vol. 540, pp. 418–422. https://doi.org/10.1038/nature20584Nanson G.C., Croke J.C. A genetic classification of floodplains. Floodplain Evolution // Geomorphology. 1992. Vol. 4. № 6. Р. 460–486.Peschke G. Zur Anwendbarkeit statistischer Modelle fur die Untersuchung des Maanderproblems. Acta Hydrophys., 1973, vol. 17, no. 2–3, pp. 235–247. (In German).Nicolsky D.J., Romanovsky V.E., Panda S.K., Marchenko S.S., Muskett R.R. Applicability of the ecosystem type approach to model permafrost dynamics across the Alaska North Slope // Geophys. Res. Earth Surf. 2017. Vol. 122. Р. 50–75. https://doi.org/10.1002/2016JF003852Polishchuk V.Yu. Polishchuk Yu.M. Geoimitatsionnoe modelirovanie polei termokarstovykh ozer v zonakh merzloty [Geosimulation Modeling of Fields of Thermokarst Lakes in Permafrost Zones]. Khanty- Mansiysk: UIP YUGU, 2013. 128 p.Nitze I., Grosse G., Jones B.M., Arp C.D., Ulrich M., Fedorov A., Veremeeva A. Landsat-Based Trend Analysis of Lake Dynamics across Northern Permafrost Regions // Remote Sens. 2017. Vol. 9. № 7. 640 p. https://doi.org/10.3390/rs9070640Popov I.V. Metodologicheskie osnovy gidromorfologicheskoi teorii ruslovogo protsessa: Izbrannye trudy [Methodo- logical Foundations of the Hydromorphological The- ory of the Channel Process. Selected Works]. St. Pe- tersburg: Nestor-Istorya Publ., 2012. 304 p.Olefeldt D., Goswami S., Grosse G., Hayes D.J., Hugelius G., Kuhry P., Sannel B., Schuur E.A.G., Turetsky M.R. Arctic Circumpolar Distribution and Soil Carbon of Thermokarst Landscapes // Nature. 2016. Vol. 7. P. 1–11. https://doi.org/10.1038/ncomms13043Sylvester Z., Durkin P., Covault J.A. High curvatures drive river meandering. Geology, 2019, vol. 47, no. 3, pp. 263–266. https://doi.org/10.1130/G45608.1Pekel J.-F., Cottam A., Gorelick N., Belward A. Highresolution mapping of global surface water and its longterm changes // Nature. 2016. Vol. 540. P. 418–422. https://doi.org/10.1038/nature20584Trifonova T.A. Methods of morphometric characterization of types and subtypes of the Ob river floodplain based on interpretation of aerial photographs. Vestn. Mosk. Univ., Ser.: Biol., Pochvoved., 1975, no. 5, pp. 15–26. (In Russ.).Peschke G. Zur Anwendbarkeit statistischer Modelle fur die Untersuchung des Maanderproblems // Acta Hydrophys. 1973. Vol. 17. № 2–3. P. 235–247.Viktorov A.S., Arkhipova M.V., Kapralova V.N., Orlov T.V., Trapeznikova O.N. Evaluation of climate- induced evolution of the morphological structure of thermokarst plains in the permafrost zone using remote sensing data. Geoekol. Inzh. Geol. Gidrogeol. Geokriol., 2023, no. 2, pp. 76–86. (In Russ.). https://doi.org/10.31857/S0869780923020091Sylvester Z., Durkin P., Covault J.A. High curvatures drive river meandering // Geology. 2019. № 47 (3). P. 263–266. https://doi.org/10.1130/G45608.1Viktorov A.S., Kapralova V.N., Orlov T.V., Trapeznikova O.N., Arkhipova M.V., Berezin P.V., Zverev A.V., Panchenko E.N., Sadkov S.A. Analysis of the morphological structure development of the thermokarst-lake plains on the base of the mathematical model. Geomorfol., 2015, no. 3, pp. 3–13. (In Russ.). https://doi.org/10.15356/0435-4281-2015-3

The authors declare that there are no conflicts of interest present.