Поздравляем президентских стипендиаток!

Недавно были объявлены 500 победителей конкурса на назначение президентских аспирантских стипендий. В ИВП РАН стипендию президента РФ получили две наших коллеги – Кристина Прокопьева и Анастасия Лисина, которые любезно поделились деталями своей работы.

Кристина Прокопьева в экспедиции по дельте р. Лены, 2022 г.

Исследование Кристины посвящено процессам трансформации материкового стока в дельте р. Лены. 

Дельты рек служат естественными регуляторами стока воды, наносов растворенных и взвешенных веществ в приемные моря и океаны. В крупнейшей арктической дельте р. Лены в условиях регистрируемого роста средних годовых температур воздуха русловая эрозия, термоэрозия и термоденудация изменяют интенсивность и характер выноса веществ, депонированных в многолетнемерзлых породах в пределах речного бассейна. Изучение этих процессов – чрезвычайно интересная и важная научная задача для оценки воздействия происходящих изменений климата на глобальный биогеохимический цикл и вынос углерода в Арктике.

К. Прокопьева и С. Р. Чалов, дельта р. Лены, 2022 г.

В условиях крайне недостаточной гидрометрической изученности речных дельт российской Арктики актуальными являются подходы, ориентированные на использование методов дистанционного зондирования Земли. В научной работе спутниковые данные служат информационной основой для моделирования распределения стока воды по рукавам дельты, определения мутности воды, концентрации органического углерода, скоростей размывов берегов и проч. Интеграция экспедиционных данных и современных технологий дистанционного зондирования позволит с высоким пространственно-временным разрешением получить модель трансформации водных и вещественных потоков в дельте Лены и установить их связь с климатическими изменениями.

Для реализации научного исследования разрабатываются региональные спутниковые алгоритмы определения концентрации взвешенных наносов и растворенного органического углерода на основе данных, собранных с участием аспиранта в рамках экспедиций Географического факультета МГУ в 2022-24 гг.

Предполагается также разработать специальный программный код, позволяющий проводить расчеты характеристик стока взвешенных наносов и органического углерода в автономном режиме по спутниковым снимкам Sentinel и Landsat. Изучение факторов разрушения берегов и формирования стока наносов планируется с использованием данных климатического реанализа ERA5-Land, геоинформационных технологий и картографических материалов, собранных в ходе предшествующих экспедиционных исследований и данных мониторинга до 2007 года. Валидация полученных результатов будет проводиться на основе данных полевых исследований.

Практическая значимость выполняемой работы заключается в оценке материкового стока в море Лаптевых – важной составляющей прогнозирования климатических систем Арктики. Таяние континентальной и субаквальной мерзлоты приводят к мобилизации захороненного органического вещества, увеличению его выноса в море и включению в современный биогеохимический цикл углерода в форме углекислого газа и метана.

Работа внесет вклад в реализацию приоритетов научно-технологического развития Российской Федерации в части решения конкретной задачи «объективная оценка выбросов и поглощения активных веществ, снижение их негативного воздействия на окружающую среду и климат, повышение возможности качественной адаптации экосистем населения и отраслей экономики к климатическим изменениям». В долгосрочной перспективе результаты исследования закладывают основу эффективной системы гидрологического и экологического мониторинга с использованием данных дистанционного зондирования в пределах такого труднодоступного региона, как дельта р. Лены.

Работа второго стипендиата, Анастасии Лисиной, посвящена гидрологическому режиму рек Арктической зоны России и его изменению в условиях нестабильности климатических условий.

Работа направлена, прежде всего, на изучение динамики стока рек криолитозоны и ее связи с изменением метеорологических характеристик, структуры ландшафтов речных водосборов и параметров вечной мерзлоты.

Климатические изменения, в том числе, процесс деградации криолитозоны, активный в последние десятилетия, не могут не сказаться на гидрологическом режиме рек. Характер проявления гидрологических процессов в последние 30-40 лет резко отличается от предшествующей ситуации, что повышает актуальность создания новых картографических продуктов, проведения нового районирования, обоснования новых эмпирических моделей, увязывающих гидрологические характеристики и параметры определяющих динамику стока. Исследование гидрологических процессов в криолитозоне имеет как научно-методическое, так и прикладное назначение.

Цель работы – выявление особенностей формирования речного стока как важнейшей составляющей водного баланса арктических территорий и влияния климатических изменений на динамику водного режима рек Cеверо-Востока России.

Анастасия Лисина в экспедиции на Баренцевом море, Мурманская область, 2023 г.

Объектами исследования являются реки, имеющие разные площади водосбора. Таким образом проявление и развитие процессов изменения климата, а также их влияние на речной сток и деградацию вечной мерзлоты удастся проследить для разных масштабов ключевых территорий в Арктике.

Из традиционных методов в исследовании применяются стандартные расчеты характеристик стока воды, статистический анализ временных рядов и структуры многолетних колебаний гидрологических величин при наличии данных гидрометрических наблюдений, а также географо-гидрологический подход для случаев отсутствия данных сетевых наблюдений.

Оригинальность работы заключается в расчете величин речного стока ниже замыкающих створов – в устьях рек, на морском крае дельт. При оценке вклада водохранилищ в многолетние изменения стока зарегулированных рек будет произведен расчет параметров продольной трансформаци расходов воды для периодов, различающихся по уровню антропогенной нагрузки, но схожих по естественным гидроклиматическим условиям.

Также предполагается провести анализ изменения внутригодовой неравномерности речного стока. Для учета климатических изменений и расчета составляющих водного баланса использованы данные реанализа Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды (наиболее современная версия – ERA-) и данные ВНИИГМИ-МЦД. В силу значительной доли твердых осадков в российской части Арктики, а также наличия районов, плохо освященных наблюдениями, величины осадков будут проверяться на наличие не только случайной, но и систематической погрешности.

Изменение водного стока в криолитозоне тесно связано с процессами деградации вечной мерзлоты, ростом числа таликов и мощности сезонно-талого слоя. В свою очередь это сказывается на увеличении доли подповерхностного (подземного и внутрипочвенного) стока и росте регулирующей способности речного бассейна. В силу отсутствия обширной сети наблюдений за мощностью сезонно-талого слоя, для анализа его влияния на режим стока планируется дополнительно использовать различные индексы стаивания и замерзания (Thawing Index, Freezing Index). Для этих целей планируется использовать данные и модели, входящие в состав информационно-моделирующей системы GLDAS (Global Land Data Assimilation System, объединяющей в себе спутниковые технологии и наземные наблюдения для оценки потоков тепла и влаги между почвой растительностью и атмосферой в глобальном масштабе. Подход позволит количественно определить, насколько изменение мощности сезонно-талого слоя влияет на последующие разделение стока на поверхностный и подповерхностный, а также на условия питания подземных вод. Также планируется ответить на вопрос, приводит ли таяние вечной мерзлоты к увеличению годового стока рек, и происходит ли в толще почвогрунтов при таянии мерзлоты замещение твердой фазы воды на жидкую.

Для изучения характера и причин многолетней изменчивости запасов воды в речных бассейнах, испарения и испаряемости и, в итоге, речного стока, начиная со второй половины XX века, планируется разработать гидрологические модели на основе ИМК ECOMAG. Для калибровки моделей в частности планируется использовать данные спутниковых измерений влагозапасов и уточненные сведения по современному ландшафтному строению водосборов. С помощью настроенных моделей планируется исследовать динамику речного стока с учетом различных климатических сценариев.

Ожидаемые результаты имеют не только научно-методическую ценность, но и помогут приблизиться к более глубокому пониманию процессов формирования стока и механизмов отклика гидрологических систем на климатические изменения, что в свою очередь будет способствовать решению прикладных задач планирования и организации водохозяйственной деятельности в Арктической зоне РФ.

Коллектив Института водных проблем поздравляет Кристину и Анастасию и желает им успехов в решении поставленных научных задач!