ИСТИНА

Наиболее важные задачи научных исследований на обширных и слабонаселенных территориях Сибири и Дальнего Востока России направлены на решение таких проблем как комплексное рациональное использование природных ресурсов, обеспечение экологической безопасности, развитие транспортной системы и обеспечение жизнедеятельности населения. В последние десятилетия происходит нарастание экстремальности расходов и уровней воды, интенсификация русловых процессов, изменения характера ледовых явлений, мутности и качества воды. Главные причины – климатические и ландшафтные изменения, более интенсивное природопользование в новых районах. Несмотря на огромное количество работ, посвященных данной тематике, неясными остаются многие вопросы, связанные с характером и причинами изменений внутригодового распределения стока рек, многолетними тенденциями стока и их временной структурой, магнитудой и повторяемостью экстремальных расходов и уровней воды, нарушениями термического и ледового режима рек, зональными и временными аспектами этих особенностей. Данная работа направлена, прежде всего, на изучение динамики стока рек криолитозоны и механизмов ее связи с изменением метеорологических характеристик, ландшафтного строения водосборов и параметров вечной мерзлоты. Процессы деградации криолитозоны, активные в последние десятилетия, не могут не сказаться на гидрологическом режиме рек и озер, их морфологическом состоянии. Современные исследования, включая результаты гидрологического моделирования, подчеркивают сложность и неоднозначность связи между динамикой стока и состоянием криолитозоны. Благодаря прогрессу в области дистанционного зондирования Земли и алгоритмах обработки данных, существует большое количество спутниковых продуктов, способных оценивать ландшафтные изменения, включая последствия лесных пожаров, динамику термокарстовых озер, влагозапасы в бассейнах и элементы их водного баланса, причем без пространственного ограничения. В ходе реализации задач проекта спутниковые продукты послужат для настройки и запуска модели формирования стока ECOMAG для различных речных бассейнов. Необходимо решить важную проблему увязки наземных наблюдений и дистанционных, расчетных, смоделированных данных, оценки точности последних. Это всегда востребованная и актуальная задача любых подобных научных работ. Особенность проявления гидрологических процессов в последние 30-40 лет резко отличается от предшествующей ситуации, что резко повышает актуальность создания новых картографических продуктов – в доступных ГИС и электронных форматах, проведения нового районирования, обоснования новых эмпирических моделей, увязывающих гидрологические характеристики и параметры определяющих динамику стока, обновление концептуальных моделей развития гидрологических процессов в криолитозоне, обязательно имеющих как научно-методическое, так и прикладное назначение. В ходе реализации проекта будет изучена (для ключевых бассейнов, по данным спутниковых и геокриологических наблюдений) многолетняя изменчивость состояния растительного покрова, озерной и русловой сети, проанализирована взаимосвязь индексов этого состояния с основными компонентами водного баланса, состоянием многолетней мерзлоты. Это позволит оценить в будущем потенциальную роль растительного покрова, изменяющегося при таянии вечной мерзлоты и природных пожарах растительного покрова в изменении стока воды и наносов арктических водосборов. В ходе проекта также будет проведен анализ динамики пожаров на водосборах моделируемых рек в контексте их взаимосвязи с динамикой растительного покрова и элементами водного баланса и водного стока, рассчитанными с использованием спутниковых наблюдений и модельного комплекса ECOMAG. Важным станет понимание географии, временных аспектов и масштабов воздействия горнодобывающей деятельности, термоэрозии на мутность и сток наносов рек.

The most important tasks of scientific research in the vast and sparsely populated territories of Siberia and the Russian Far East are aimed at solving such problems as integrated rational use of natural resources, ensuring environmental safety, development of the transport system and ensuring the livelihood of the population. In recent decades there has been an increase in the extremes of water discharge and levels, intensification of channel processes, changes in ice conditions, turbidity and water quality. The main reasons are climatic and landscape changes, as well as intensification of the use of natural resources in new areas. Despite the significant amount of studies dedicated to this topic, many problems related to the nature and causes of changes in the seasonal distribution of river flow, long-term flow trends and their temporal structure, magnitude and recurrence of extreme discharges and water levels, modification of the thermal and ice regime of rivers, zonal and temporal aspects of these features, remain unclear. This work is primarily aimed at studying the dynamics of river flow in the cryolithozone and mechanisms of its interconnection with changes in meteorological characteristics, in watersheds landscape and in permafrost parameters. The processes of cryolithozone degradation intensified in recent decades and already affected the hydrological regime of rivers and lakes and their morphological conditions. Modern studies, including the results of hydrological modelling, emphasize the complexity and ambiguity of the relationship between runoff and cryolithozone dynamics. Due to advances in remote sensing and data processing algorithms, a large number of satellite products capable of assessing environmental changes has been developed. They include the forest fires, the dynamics of thermokarst lakes, basin water storage as well as main elements of the water balance (precipitation, evapotranspiration soil moisture etc. During this project, for different river basins the satellite products will be used to set up and run a distributed hydrological model ECOMAG . The problem of link between ground-based observations and satellite, modelled and retrieved data will be assessed along with evaluation of accuracy of the latter. This task is important for any scientific research based on multiple data sources. During the last 30-40 years the hydrological processes have experienced significant modifications. This rises the urgent requirements for creating new cartographic products in popular GIS and electronic formats, for conducting new zonal classifications, for establishing new empirical models linking hydrological characteristics and factors responsible for runoff dynamics, for updating conceptual models of hydrological processes in the cryolithozone. All these sub-tasks are important as for theoretical as for applied science. For key basins based on satellite and ground observation the multi-year variability of the vegetation cover, lakes and river network will be investigated and analysis of relations between these environmental parameters and main components of the water balance and main permafrost characteristics will be done. This will help to assess in the potential role of vegetation cover, permafrost thawing and forest/tundra fires in changing water and sediment outflow from the Arctic watersheds. The dynamics of fires on the the watersheds of selected rivers will be studied in the context of their relationship to vegetation dynamics and variability of water flow and water balance components evaluated using synergy of satellite observations and hydrological model ECOMAG. One of the important outcome of the project will be an understanding of the geography, temporal aspects and magnitude of the effect of mining activities and thermoerosion on turbidity and sediment load of rivers.

В рамках работ по проекту планируется существенно расширить наши знания о пространственно-временной динамике стока и трансформации термического режима рек под влиянием современных и прогнозируемых климатических и ландшафтных изменений, прежде всего, связанных с деградацией многолетней мерзлоты, природно-антропогенными нарушениями почвенно-растительного покрова на огромной и мало изученной территории севера и средней части Сибири и Дальнего Востока России, в пределах сплошного и прерывистого распространения многолетнемерзлых пород. Основными объектами исследования будут реки криолитозоны, основным предметом – сток воды, наносов и теплоты, водный и термический режим рек, особенности и закономерности их пространственно-временной изменчивости, роль в ней природных и антропогенных факторов. Предполагается провести максимально большой объем традиционных и связанных с новыми тнхнологиями работ на основе данных из разнообразных источников – с сети гидрологических постов, криолитологических площадок и метеостанций, на основе материалов спутниковой съемки и атмосферных реанализов, результатов гидрологического моделирования. По окончании проекта будут, во-первых, обновлены и получены новые оценки характеристик стока и термического состояния рек (на 80-90% от всего количества когда-либо функционировавших в регионе гидрологических постов), проведено их пространственное обобщение и представление в виде серии электронных карт и даже открытой ГИС, изучены многолетние и внутригодовые колебания гидрологических характеристик, в т.ч. через призму их генетической и временной структуры, изменчивости метеоусловий, установлены главные особенности и важные закономерности пространственно-временной изменчивости. Во-вторых, будет определена в наблюдаемых гидрологических изменениях роль региональных климатических изменений (с одновременным анализом на базе стационарных метеонаблюдений и атмосферных реанализов характера самих колебаний метеорологических величин), положения и строения водосборов, деградации вечной мерзлоты и связанной с ней динамики числа и размера термокарстовых озер (с анализом состояния самих многолетнемерзлых пород), а также трансформации растительного покрова, прежде всего из-за лесных пожаров и хозяйственной деятельности. В-третьих, полученные данные и выявленные причинно-следственные связи для ключевых водосборов будут использованы для создания гидрологических моделей (на базе отечественного ПК ECOMAG), которые, с одной стороны, выступят как самостоятельные источники гидрологических данных, с другой, помогут глубже понять процессы внутри речных водосборов в криолитозоне, механизмы передачи воздействия, получить прогнозные оценки водного стока с учетом базовых климатических и криолитологических сценариев, ранее построенных эмпирических моделей – концептуальных схем, эмпирических зависимостей и номограмм. Помимо очевидной научной значимости и новизны заявленных результатов, направленных на углубление наших знаний о причинно-следственных связях в системе климат – строение водосбора – мерзлота – гидрографические объекты – сток и гидрологический режим рек – производство, инфраструктура, население и экология, планируемые результаты будут иметь методическую и прикладную ценность. Сравнение гидрометеорологических данных из разных информационных источников, оценка их точности, возможностей применения и взаимозаменяемости существенно расширяет информационную базу для таких исследований, компенсирует ущерб от оптимизации гидрометеосети и сокращения программы наблюдений на гидропостах. Картографические обобщения, многочисленные региональные эмпирические зависимости, открытые ГИС и веб-приложения могут послужить основой для разработки рекомендаций и расчетных материалов для водохозяйственного планирования и гидротехнического проектирования, особенно в свете нового СП 529.1325800.2023 «Определение основных расчетных гидрологических характеристик», утвержденного в сентябре 2023 г. Сведения по опасным проявлениям гидрологических процессов, их географии, величине, повторяемости, закономерностям могут быть полезны соответствующим службам и муниципальным органам. Выполнение проекта позволит получить следующие конкретные результаты: • Обобщения ранее проводившихся исследований (в России и за рубежом) и полученных результатов с подготовкой обзорных статей. • Базы гидрологических данных (с расходами, уровнями, мутностью и температурами воды, расходами наносов для 350-400 гидропостов), данных атмосферных реанализов, наземных метеонаблюдений (прежде всего, за температурой воздуха и осадками) и по региональным атмосферным осцилляциям (колебаниям), материалов эксперимента GRACE. • Базы фактических событий с речными наводнениями и опасными маловодьями, наборы спутниковых снимков на затопления ключевых речных участков; принятые критерии по отнесению гидрологического события к опасным, по ранжированию событий по степени опасности. • Выводы относительно точности данных стационарных наблюдений и атмосферных реанализов; методические рекомендации по работе с базами данных. • ГИС-проекты на рассматриваемые бассейны и уточненные количественные оценки параметров их морфологического строения. • Результаты оценки достоверности спутниковых продуктов для воспроизведения межгодовой динамики влажности почвы, влагозапасов и испарения в регионах криолитозоны, в т.ч. на основе сравнения спутниковых данных, модельных расчетов и наземных наблюдений. • Актуализированные оценки числовых характеристик годового, сезонного, максимального и минимального стока рек, результаты графических построений и анализа многолетних колебаний, выводы по временной и генетической структуре многолетнего хода характеристик водного режима рек, вкладу в них деятельности водохранилищ. • Тенденции гидрологических показателей для ряда рек, полученные на основе спутниковых измерений и модельных расчетов, включая оценки компонентов водного баланса бассейнов. • Картографические обобщения зональных изменений гидрологических характеристик и районирования территории (с учетом их гидрологической однородности). • Наборы одномерных и многомерных региональных эмпирических зависимостей, увязывающих, с одной стороны, гидрологические характеристики и, с другой, показатели положения, физико-географического строения и размера водосборов, метеовеличины, показатели вечной мерзлоты и др., а также зависимостей характеристик гидрологического режима рек между собой; выводы об их нарушениях в условиях региональных масштабных гидроклиматических изменений и хозяйственной деятельности. • Выводы по характеру и механизмам влияния природных и антропогенных факторов на временную и пространственную изменчивость температуры воды и теплового стока. • Результаты анализа временной, пространственной и отраслевой структуры горнодобывающей деятельности в регионе, аспектов ее воздействия на сток наносов рек; оценки вклада антропогенного фактора в пространственно-временные колебания характеристик стока наносов. • Оценки влияния водного и теплового стока на поступление наносов от размыва берегов рек для разных по мощности и льдистости многолетнемерзлых пород. • Оценки поступления речных вод, наносов и теплоты (с территории России) в устья больших рек и моря, многолетние ряды этого притока. • Рекомендации по применению построенных карт и эмпирических моделей в научных исследованиях, инженерных гидрологических расчетах и гидрологических прогнозах. • Выводы о связности многолетних колебаний характеристик стока средних и больших рек и метеовеличин, индексов атмосферной циркуляции и региональных осцилляций. • Настроенные для ключевых бассейнов модели формирования стока ECOMAG. • Оценки возможного вклада деградации вечной мерзлоты в изменение годового и меженного стока рек. • Оценки многолетней изменчивости индексов состояния растительного покрова для моделируемых бассейнов рек. • Результаты анализа динамики пожаров на водосборах моделируемых рек (в контексте связи поврежденного пожарами растительного покрова, динамики его восстановления и элементов водного баланса, речного стока), а также изменения числа и площади термокарстовых озер в контексте регулирующего потенциала водосборов и как индикатора деградации вечной мерзлоты. • Результаты численных экспериментов (на базе ECOMAG) по оценке вклада различных факторов (климатических, деградации вечной мерзлоты, состояния растительного покрова – после пожаров) в наблюдаемые и ожидаемые изменения стока и остальных компонентов водного баланса, общих влагозапасов территории. • Оценки изменения величин стока и компонентов водного баланса в XXI в. для выбранных ключевых бассейнов на основе модели формирования стока и данных климатических моделей. • Результаты анализа масштабов и временной изменчивости основных характеристик опасных гидрологических явлений; закономерностей в распределении их по территории; схемы и связи тенденций с изменениями стока, водного и ледового режима рек, состояния многолетнемерзлых пород. • Разномасштабные карты характеристик опасных явлений; результаты гидрологического и гидродинамического моделирования развития наводнений на нескольких ключевых речных участках с уточнениями по спутниковым снимкам. • Качественно-количественные выводы (с примерами по ключевым территориям) о масштабности (для различных звеньев речной сети и порядков рек) влияния на речной сток климатических изменений, деградации мерзлоты, лесных пожаров, термоэрозии берегов, изменения числа и площади термокарстовых озер, а также об этапах возникновения, развития, стабилизации и постепенного угасания этого воздействия.

Вопрос современных климатических и антропогенных многолетних изменений притока речных вод в моря Российской Арктики, водного режима изучен, главным образом, на примере лишь нескольких (не более 5-6) самых крупных арктических рек, их устьев и ограниченного спектра задач. Упор сделан на климатические изменения годового и зимнего стока рек, распознавание трендов, периодов повышенной и пониженной водности, их связи с изменением температурных условий и условий увлажнения на речных водосборах, макросиноптическими процессами, деградацией многолетней мерзлоты и даже с лесными пожарами (Семилетов и др., 1998; Савельева и др., 2000; Шикломанов и др., 2003, 2005; Бабкин и др., 2004; 2005; Симонов, Христофоров, 2005; Добровольский, 2007; Водные ресурсы России…, 2008; Коваленко, Шевнина и др., 2010; Давыдов, 2011; Второй оценочный доклад..., 2014; Георгиади, Коронкевич и др., 2011, 2016). Много работ по этому вопросу, именно в контексте изменений в XXI в., у участников проекта (Геоэкологическое состояние..., 2007; Магрицкий, 1998, 2008, 2013, 2015, 2016; Российская Арктика в XXI в., 2013; Джамалов, Фролова и др., 2014, 2015). Среди основных зарубежных исследователей – B.Nussen et al. (2001), B.J.Peterson, R.M.Holmes et al (2002), S.Berezovskaya, D.Yang, D.L.Kane et al. (2002, 2005), M.Serreze et al. (2003), McClelland et al. (2004), D.White et al. (2007), R.B. Lammers, A.I. Shiklomanov, L.C.Smith et al. (2007, 2013), I.A.Dmitrienko et al. (2008), B.Ye, D.Yang, D.L.Kane et al. (2009), M.Rawlins, M.Serreze, H.Ye et al. (2009). Все констатируют климатическое увеличение стока арктических рек, главным образом с конца 1980-х гг.