Геоинформационное моделирование озерных термокарстовых ландшафтов Большеземельской тундры для прогноза их развития в условиях климатических изменений

На примере Большеземельской тундры рассмотрен опыт прогнозного моделирования термокарстовых проявлений к 2040 г., основанный на платформе Biomod2 и методах ансамблевого моделирования с использованием в качестве входных шести биоклиматических переменных WorldClim, ЦМР SRTM и набора данных о распределении термокарстовых ландшафтов циркумполярной криолитозоны проекта Arctic Circumpolar Distribution and Soil Carbon of Thermokarst Landscapes. Обоснован выбор наиболее значимых для развития термокарста биоклиматических параметров моделирования, предложен алгоритм предподготовки исходных данных. На основе четырех встроенных в Biomod2 алгоритмов проведено ансамблевое моделирование и использован алгоритм SRC. Результаты визуализированы в двух картах. Первая оценивает вероятность образования термокарстовых озерных ландшафтов к 2040 г. Вторая отображает возможную направленность процесса с выделением четырех типов территорий (1 – термокарстовых озер нет и не будет в 2040 г.; 2 – состояние озерных термокарстовых ландшафтов не изменится; 3 – образование озер активизируется; 4 – дренирование и высыхание озер). Анализ карт показал, что частично зона вероятной активизации термокарстовых процессов в 2040 г. сместится к северу и останется наиболее высокой для азональных приморских ландшафтов и вдоль нижнего течения р. Печоры. Направленность развития термокарстовых озерных ландшафтов на севере зоны современного сплошного распространения мерзлоты значительно не изменится, однако на юге этой зоны выделяются территории, где термокарстовые озера будут дренированы и превратятся в хасыреи, что приведет к промерзанию приповерхностного талого слоя, формированию слоистой мерзлоты и, несмотря на тренд климатического потепления, увеличению площади мерзлоты. Прогнозируемое появление области активизации термокарста в подзоне островного распространения многолетнемерзлых пород севернее Инты не согласуется с современной геокриологической ситуацией, что очевидно связано с недоучетом геокриологических особенностей региона авторами проекта “Arctic Circumpolar Distribution and Soil Carbon of Thermokarst Landscapes.”

1. Викторов А.С., Капралова В.Н., Архипова М.В. Моделирование развития морфологической структуры эрозионно-термокарстовых равнин с использованием материалов дистанционных съемок // Исследование земли из космоса. 2019. № 2. С. 55–64.

2. Гречищев С.Е., Чистотинов Л.В., Шур Ю.Л. Криогенные физико-геологические процессы и их прогноз. М.: Недра, 1980. 383 с.

3. Достовалов В.Н., Кудрявцев В.А. Общее мерзлотоведение: Учеб. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1967. 403 с.

4. Зенгина Т.Ю., Осадчая Г.Г., Парада Н.Н. Биосферные функции криолитозоны Тимано-Печорской нефтегазоносной провинции в условиях промыш-ленного освоения // Вестн. Рос. ун-та дружбы народов. Сер. Экология и безопасность жизнедеятельности. Изд-во Российского университета дружбы народов. 2011. № 3. С. 32–38.

5. Капралова В.Н., Викторов А.С. Количественные закономерности изменения размеров термокарстовых озер и оценка рисков // Сергеевские чтения. М.: ГЕОС, 2013. Вып. 15. С. 437–442.

6. Качурин С.П. Термокарст на территории СССР. М., 1961. 291 с.

7. Кирикова Н.С., Осадчая Г.Г. К вопросу о вероятности развития термокарста в Тимано-Печорской провинции // Инженерно-геологическое изучение термокарстовых процессов и методы управления ими при строительстве и эксплуатации сооружений (ИГК-98). СПб.: ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, 1998. С. 32–35.

8. Кравцова В.И. Распространение термокарстовых озер в России в пределах зоны современной мерзлоты // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. География. 2009. № 3. С. 33–42.

9. Малкова Г.В., Садуртдинов М.Р., Скворцов А.Г. и др. Температурный режим верхних горизонтов пород в нарушенных и ненарушенных криогенных ландшафтах европейского севера: матер. V конф. геокриологов России. Ч. 6: Динамическая геокриология. Москва, 14–17 июня 2016 г. Сумы: Университетская книга, 2016. С. 63–69.

10. Маслов А.Д., Осадчая Г.Г., Тумель Н.В., Шполянская Н.А. Основы геокриологии: Учеб. пособие. Ухта: Институт управления, информации и бизнеса, 2005. 176 с.

11. Общее мерзлотоведение / под ред. П.И. Мельникова, Н.И. Толстихина. Новосибирск: Наука, Сибирское отд., 1974. 302 с.

12. Осадчая Г.Г. Торфяники криолитозоны европейского северо-востока: зональные особенности развития // Современные исследования трансформации криосферы и вопросы геотехнической безопасности сооружений в Арктике / под ред. В.П. Мельникова и М.Р. Садуртдинова. Салехард, 2021. С. 327–330.

13. Осадчая Г.Г., Зенгина Т.Ю. Возможности сбалансированного использования биосферного и ресурсного потенциала Большеземельской тундры // Криосфера Земли. 2012. Т. XVI. № 2. С. 43–51.

14. Осадчая Г.Г., Пижанкова Е.И. Мерзлотно-ландшафтные условия Большеземельской тундры и их картографирование на основе использования дистанционных данных // Криосфера Земли. 2023. Т. XXVII. № 6. С. 12–26.

15. Осадчая Г.Г., Тумель Н.В., Королева А.М. Морфологическая структура криогенных ландшафтов Большеземельской тундры // Криосфера Земли. 2016. Т. XХ. № 3. С. 14–23.

16. Осадчая Г.Г., Тумель Н.В., Зенгина Т.Ю., Лаптева Е.М. Обзорная геокриологическая карта Большеземельской тундры (Республика Коми и Ненецкий автономный округ) М-б 1 : 1000000 // В рамках проекта ПРООН/ГЭФ/ЕС “Укрепление системы особо охраняемых природных территорий Республики Коми в целях сохранения биоразнообразия первичных лесов в районе верховьев р. Печора”, 2015. C. 1–112.

17. Полищук В.Ю., Полищук Ю.М. Геоимитационное моделирование полей термокарстовых озер в зонах мерзлоты. Ханты-Мансийск: УИП ЮГУ, 2013. 129 с.

18. Природные опасности России. Геокриологические опасности. М.: Изд-во фирма “Крук”, 2000. 315 с.

19. Тумель Н.В., Зотова Л.И. Геоэкология криолитозоны: Учеб. пособие. М.: Географический фак-тет МГУ, 2014. 244 с.

20. Фельдман Г.М. Термокарст и вечная мерзлота. Новосибирск: Наука, 1984. 261 с.

21. Хабибуллин И.Л., Лобастова С.А., Хусаинова З.Р., Солдаткин М.В., Бураншина А.Р. Моделирование процесса термокарста // Вестн. Башкирского унта. 2007. № 1. С. 21–24.

22. Шполянская Н.А., Осадчая Г.Г., Малкова Г.В. Современные изменения климата и реакция криолитозоны (на примере Западной Сибири и Европейского севера России) // Географическая среда и живые системы. 2022. № 1. С. 6–29. https://doi.org/10.18384/2712-7621-2022-1-6-30

23. Шур Ю.Л. Верхний горизонт толщи мерзлых пород и термокарст. Новосибирск: Наука. Сиб. отд., 1988. 213 с.

24. Brown J., Ferrians O.J., Hegginbottom J.A., Melnikov E.S. Circum-Arctic map of permafrost and ground-ice conditions. Map CP-45. In CircumPacific Map Series. Washington: U.S. Geological Survey, 1997. https://doi.org/110.3133/cp45

25. Fick S.E., Hijmans R.J. WorldClim 2: new 1-km spatial resolution climate surfaces for global land areas // Int. J. Climatol. 2017. Vol. 37. P. 4302–4315. https://doi.org/10.1002/joc.5086

26. Guisan A., Thuiller W., Zimmermann N. The Biomod2 Modeling Package Examples. In Habitat Suitability and Distribution Models: With Applications in R // Ecology, Biodiversity and Conservation. P. 357–400. Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2017. https://doi.org/10.1017/9781139028271.027

27. Huang L., Liu L., Jiang L., Zhang T. Automatic Mapping of Thermokarst Landforms from Remote Sensing Images Using Deep Learning: A Case Study in the Northeastern Tibetian Plateau // Remote Sens. 2018. Vol. 10. 2067 p. https://doi.org/10.3390/rs1012206

28. Kuncheva L., Whitaker C. Measures of diversity in classifier ensembles // Machine Learning. 2003. Vol. 51. P. 181–207. https://doi.org/10.1023/A:1022859003006

29. Malkova G., Drozdov D., Vasiliev A., et al. Spatial and Temporal Variability of Permafrost in the Western Part of the Russian Arctic // Energies. 2022. Vol. 15. 2311 p. https://doi.org/10.3390/en15072311

30. Nitze I., Cooley S.W., Duguay C.R., Jones B.M., Grosse G. The catastrophic thermokarst lake drainage events of 2018 in northwestern Alaska: fast-forward into the future // The Cryosphere. 2020. Vol. 14. P. 4279–4297. https://doi.org/10.5194/tc-14-4279-2020

31. 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. 2015. https://doi.org/10.3334/ORNLDAAC/1332

32. Opitz D., Maclin R. Popular ensemble methods: An empirical study // J. of Artificial Intelligence Res. 1999. Vol. 11. P. 169–198. https://doi.org/10.1613/jair.614

33. Popova A.A., Rivkin F.M., Ivanova N.V. Map of EngineeringGeocryological Zoning of European North-East, Scale 1 : 1000000 / 2nd European Conference on Permafrost. Potsdam, 2005. P. 190–191.

34. Shpolianskaya N. Permafrost dynamics and Global Climate Change // Biodiversity and Ecosystem Insecurity. A Planet in Peril. London–Washington, DC: Earthscan, 2011. P. 130–140.

35. Thuiller W., Lafourcade B., Engler R., Araujo M.B. BIOMOD-a platform for ensemble forecasting of species distributions // Ecography. 2009. Vol. 32. P. 369–373. https://doi.org/1111/j.1600-0587.2008.05742.x

36. Thuiller W., Georges D., Engler R. biomod2: Ensemble platform for species distribution modelling, 2014.

37. Wood S.N. Fast stable restricted maximum likelihood and marginal likelihood estimation of semiparametric generalized linear models // J. R. Stat. Soc. B. 2011. Vol. 73. P. 3–36. https://doi.org/10.1111/j.1467-9868.2010.00749.x

38. Yin G., Luo J., Niu F., et al. Machine learning-based thermokarst landslide susceptibility modeling across the permafrost region on the Qinghai-Tibet Plateau // Landslides. 2021. Vol. 18. P. 2639–2649. https://doi.org/10.1007/s10346-021-01669-7

39. Zengina T., Baranov V., Kirillov S., Slipenchuk M. Using Ensemble Machine Learning Methods for Regional Forecasting of Geocryological Manifestations (on the Example of the European North-East of Russia). In: Information Technologies and Intelligent Decision Making Systems. Second International Conference, ITIDMS2022, Virtual Event, December 12–14, 2022, Revised Selected Papers / A. Gibadullin (Ed.). Cham: Springer, 2023. https://doi.org/10.1007/978-3-031-31353-0_10

40. Ziehn T., Chamberlain M., Lenton A., Law R., Bodman R., Dix M., Mackallah Ch., Druken K., Ridzwan S.M. CSIRO ACCESS-ESM1.5 model output prepared for CMIP6 C4MIP // Earth System Grid Federation. 2019. https://doi.org/10.22033/ESGF/CMIP6.2286