Вестник РАН, 2023, T. 93, № 5, стр. 456-461

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЙ И МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ХАРАКТЕРИСТИК НЕИЗУЧЕННЫХ ОЗЁР

В качестве объектов исследования были выбраны очень малые, малые (площадью 0.1–10 км²) и средние (10–100 км²) озёра (по классификации П.В. Иванова [3]) Кольско-Карельской физико-географической провинции (Восточная Фенноскандия) [4, 5] (рис. 1). В её пределах находятся три основные природные (ландшафтные) зоны [6]: тундра, северная и средняя тайга.

Рис. 1.

Природные зоны и озёра Кольско-Карельской провинции

Среди водоёмов Кольско-Карельской провинции значительную часть составляют мелководные озёра и водохранилища со средними глубинами от 5 до 12 м [7–9] и горизонтальными размерами от нескольких сотен метров до нескольких километров. Одна из основных особенностей таких водоёмов – существенная горизонтальная однородность поля температуры и преобладание процессов вертикального переноса тепла над адвективными. При моделировании термического режима водоёмов этого класса зачастую достаточно использовать простые одномерные модели, основанные на интегрировании уравнения вертикальной диффузии тепла и различных способах представления вертикального распределения температуры. Такие модели, как правило, не требуют задания коэффициентов вертикального турбулентного обмена, просты в реализации и удобны для проведения численных экспериментов.

Примером модели такого типа служит модель FLake, разработанная совместными усилиями сотрудников Института озероведения РАН, Института водных проблем Севера РАН, Института водной экологии и внутреннего рыбоводства Германии (IGB) и Службы погоды Германии (DWD) [10–13]. Это универсальная математическая модель гидротермодинамики озера, в которой реализованы последние мировые достижения в области физической лимнологии. На рисунке 2 схематично представлено вертикальное распределение температуры в системе “снег – лёд – водная масса – донные отложения”, временнáя динамика которого рассчитывается в модели.

Рис. 2.

Схема вертикального профиля температуры в системе “снег – лёд – водная масса – донные отложения”, реализованная в модели FLake

Для оценки химико-биологических характеристик озёр модель FLake была дополнена гидроэкологическим модулем, позволяющим рассчитывать режим растворённого кислорода в озёрах [14]. Объект моделирования должен удовлетворять следующим основным требованиям:

• протяжённость не должна быть настолько велика, чтобы породить значительные климатические различия между отдельными участками акватории, и не настолько мала, чтобы вторичная ветровая циркуляция играла существенную роль;

• дно должно быть более или менее ровным и горизонтальным, чтобы его можно было аппроксимировать горизонтальной плоскостью;

• адвективные процессы не должны вносить значительного вклада в турбулентное перемешивание.

Модель FLake верифицирована по данным многолетних натурных наблюдений на многочисленных разнотипных озёрах мира, в частности, расположенных в пределах Восточной Фенноскандии – озёрах Красном (60°33' с.ш., 29°42' в.д., площадь 9 км², средняя глубина 7 м) и Вендюрском (62°10' с.ш., 33°10' в.д., площадь 10.4 км², средняя глубина 5.5 м) [15, 16]. В качестве примера на рисунке 3 представлено сравнение рассчитанных с помощью FLake и измеренных значений поверхностной (T_s) и придонной (T_b) температуры воды в указанных озёрах, подтверждающее адекватность модели процессов теплопереноса в водной массе.

Рис. 3.

Измеренные и рассчитанные значения поверхностной (T_s) и придонной (T_b) температуры воды в озёрах Красном (a) и Вендюрском (б) 1 – рассчитанная поверхностная температура; 2 – рассчитанная придонная температура; 3 – измеренная поверхностная температура; 4 – измеренная придонная температура

Для дистанционной оценки характеристик озера с использованием модели FLake необходимо иметь географические координаты объекта, его среднюю глубину (или площадь, по которой можно вычислить глубину) и привязанные к ним данные метеорологического реанализа семейства ERA5. Реанализ ERA5, выполненный в Европейском центре среднесрочных прогнозов погоды [17], представляет собой ряды восстановленных величин метеорологических параметров для всего земного шара начиная с 1940 г. по настоящее время с пространственным разрешением 0.25° × × 0.25° и временны́м шагом 1 ч. Он основан на данных наблюдений со спутниковых СВЧ-радиометров, различных метеостанций, метеобуёв, беспилотных аэростатов и наземных радаров. Временной шаг между сроками наблюдений составляет 6 ч. Выборка необходимых для расчётов данных производится по координатам расчётной точки.

Информацию о площадях озёр можно получать различными дистанционными методами. Наиболее приемлемым в рамках настоящей работы способом определения площади водоёма стало дешифрирование спутниковых снимков. При решении задачи дистанционной оценки характеристик неизученных озёр в годы различной водности применимы каталоги данных Global Surface Water (GSW) [18, 19], полученных на основе проекта Copernicus¹¹ [20], и снимков со спутников Landsat с 1984 по 2021 г. Пространственное разрешение всех каталогов GSW составляет 30 м.

Вопросам поиска территориально общих взаимосвязей между такими морфометрическими характеристиками озёр, как площадь и глубина, уделяется определённое внимание в работах отечественных [21, 6, 22 ] и зарубежных [23] специалистов. В нашем исследовании использованы расчётные зависимости для оценки средней глубины озера на основе его площади в различных природных зонах бореальной области Евразии, представленные в таблице 1.

Совершенствование территориально общих взаимосвязей между морфометрическими характеристиками озёр различных природных зон – одно из важных направлений развития методов дистанционной оценки неизученных озёрных экосистем.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Расчёты термических характеристик озёр и содержания в водной массе растворённого кислорода выполнялись для трёх точек, расположенных на 32° меридиане в пределах зон тундры (67°30' с.ш., 32°00' в.д.), северной (65°00' с.ш., 32°00' в.д.) и средней (62°30' с.ш., 32°00' в.д.) тайги с использованием привязанных к ним данных метеорологического реанализа семейства ERA5.

По результатам проведённых расчётов построены номограммы, связывающие термические характеристики (максимальная толщина ледяного покрова, продолжительность периода замерзания и максимальная температура поверхностного слоя воды) малых и средних озёр различных природных зон (тундры, серверной и средней тайги) Восточной Фенноскандии со значениями их площадей (рис. 4). Расчёты производились с использованием усреднённых за 30-летний период (с 1990 по 2020 г.) метеорологических параметров.

Рис. 4.

Номограммы для приближённой оценки максимальной толщины льда (а), даты образования льда (б), продолжительности ледостава (в) и максимальной температуры поверхности воды (г) в зависимости от площади озера в зонах тундры, северной и средней тайги 1 – средняя тайга; 2 – северная тайга; 3 – тундра

В первом приближении принимается, что гидрометеорологические входные параметры не изменяются в пределах рассматриваемой природной зоны. При этом следует помнить, что построить оценочные номограммы для других географических координат с использованием соответствующих данных гидрометеорологического реанализа на основе результатов расчётов по FLake не составляет большого труда. Аналогичные графики могут быть построены и для таких гидротермодинамических характеристик, как температура и толщина верхнего перемешанного слоя в озере, теплообмен через границу раздела вода–дно, степень подлёдного прогрева водоёма, толщина слоя сезонного протаивания многолетнемёрзлых грунтов (вечной мерзлоты) при их наличии и т.д.

Первый шаг при переходе от вычисления термических параметров озёр к решению задачи дистанционной оценки их экологического состояния – расчёт характеристик кислородного режима и выявление перспектив возникновения анаэробных зон, формирующихся в условиях острого дефицита растворённого в воде кислорода. В этих зонах активизируются анаэробные процессы, приводящие к образованию метана (CH₄), сероводорода (H₂S) и аммиака (NH₃), которые не только ухудшают качество озёрной водной массы, но и могут быть токсичными для гидробионтов (особенно H₂S).

На рисунке 5, a представлена внутригодовая динамика средней толщины анаэробной зоны в озёрах разной площади (и соответствующей глубины) в зоне средней тайги, рассчитанной по модели FLake. Рисунок 5, б иллюстрирует уменьшение максимальной толщины анаэробной зоны для озёр площадью 0.1, 1 и 15 км² в зависимости от географической широты в пределах той же зоны.

Рис. 5.

Внутригодовая динамика средней толщины анаэробной зоны в озёрах разной площади в средней тайге (а), а также максимальная толщина анаэробной зоны для озёр различной площади в зависимости от географической широты (б)

Как показали проведённые расчёты, риск формирования анаэробных зон в водоёмах Восточной Фенноскандии наиболее вероятен в малых озёрах (до 10 км²) средней тайги. Для озёр бóльших площадей существование анаэробной зоны не выявлено. Возрастание географической широты места расположения озера также ведёт к снижению вероятности возникновения в нём бескислородных условий. Так, в тундре при любых площадях водоёмов анаэробная зона в них не образуется, что обусловлено низкой температурой воды, снижающей скорость потребления кислорода в процессе бактериального разложения органического вещества.

Полученные результаты не противоречат данным более ранних исследований кислородного режима Восточной Фенноскандии [24, 25], которые свидетельствуют о том, что в силу географического положения, климатических условий, а также специфического характера формирования водного баланса (прежде всего его приходной части²²) в озёрах, расположенных севернее 67°–68° с.ш., дефицит растворённого кислорода – явление крайне редкое и носит локальный характер. Формирование же бескислородных зон в таких озёрах практически не отмечалось.

Таким образом, основным результатом нашего исследования стала методика приближённой, полностью дистанционной оценки характеристик термического и кислородного режимов неизученных озёр серверных территорий. Главным инструментом для выполнения такого рода оценки служит одномерная математическая модель гидротермодинамики озера FLake в совокупности с имеющейся информацией метеорологического реанализа в изучаемом регионе и известными территориально общими зависимостями средней глубины озера от его площади. Даже при отсутствии доступа к модели любой водопользователь, заинтересовавшийся озером с известными географическими координатами и оценивший площадь его поверхности, может на основании полученных в результате моделирования номограмм провести приближённую оценку термических свойств водоёма (продолжительность ледостава, толщина льда, температура поверхностного слоя воды, наличие или отсутствие бескислородной зоны и др.), а также характеристик кислородного режима. Необходимо отметить, что при условии дополнения модели FLake соответствующими программными модулями по приведённой выше методике могут быть оценены и другие химико-биологические показатели, например, биомасса, первичная продукция водорослей, прозрачность воды. При этом, как упоминалось выше, не потребуется сложно реализуемых контактных измерений, что крайне важно для труднодоступных и малоизученных северных территорий России.