Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Геоинформационное картографирование региональных горных нивально-гляциальных систем

ВАК РФ 11.00.07, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Геоинформационное картографирование региональных горных нивально-гляциальных систем"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ГЕОГРАФИИ

РГБ ОД

На правах рукописи УДК 551321

Хромова Татьяна Емельяновна

ГЕОИНФОРМАЦИОННОЕ КАРТОГРАФИРОВАНИЕ РЕГИОНАЛЬНЫХ ГОРНЫХ НИВАЛЬНО-ГЛЯЦИАЛЬНЫХ

СИСТЕМ

11.001)7 - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Москва -1994

Работа выполнена в лаборатории гляциоинформатики Института географии РАН

Научный руководитель • академик В.М.Котляков

Официальные оппоненты: Доктор географических наук К.СЛосев Кандидат технических наук НЛЛосяков Ведущая организация:

Научно-исследовательская лаборатория снежных лавин и селей Московского государственного университета им. М.ВЛомоносова

Зашита состоится "/^"февраля 1995 г. в /£>час. на заседании Специализированного Совета Д.003.19.03 при Институте географии РАН

Адрес: 109017, Москва, Старомонетный пер, 29, Институт географии РАН.

С диссертацией можно оэнакоми з библиотеке Института географии РАН

Отзывы на реферат (в двух экземплярах, заверенные печатью) просьба направлять по указанному адресу ученому секретарю Совета.

Автореферат разослан "¿3" января 1995 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета кандидат географических наук

Г.М.Николаева

í

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современное развитие геоинформатикл предоставляет новые возможности для освоения огромных объемов информации, накопленных во всех областях географических знаний, в том числе и в гляциологии. Реальность этих возможностей определяется прежде всего тем, что основной инструмент географического исследования - картографическая модель • становится центральной фигурой в структуре любой геоинформационной системы.

В настоящее время происходит становление особого направления • геоинформационного картографирования -автоматизированного, системного создания и использования картографических моделей на базе геоинформационных технологий.

Применительно к гляциологии можно говорить о разработке методов геоинформационного картографирования нивально-гляциальных систем о рамках создания ГИС "Гляциология". Одним из основных системообразующих признаков является наличие взаимосвязей между элементами системы. С этой точки зрения валено формирование структурного отдела ГИС посвященного аспектам взаимодействия отдельных компонентов гляциосферы, а в идеале отражающего состояние и эволюцию нивально-гляциальных систем разного масштаба. Идеологической основой для создания такой структуры служат принципы системного гляциокартографирования и учение о нивально-гляциальных системах, получившие развитие при создании Атласа снежно-ледовых ресурсов мира.

Наибольший интерес для исследователя представляет региональный уровень, позволяющий получить новые знания о нивально-гляциальных системах горных стран - чутких индикаторах глобальных климатических изменений - и дающий возможность судить не только о реыональной системе в целом, но и о локальных особенностях и глобальных закономерностях существования элементов нивально-гляциальной среды. На этом уровне особое значение приобретают картографические и картографо-

статистические методы исследования пространственно распределенной информации.

Исходя из сказанного можно сформулировать мель и задачи исследования: разработка методики создания и анализа картографо-статистических моделей, описывающих состояние и эволюцию региональных горных нивально-гляциальных систем, или иными словами, разработку принципов геоинформац..онпого регионального гляциокартографирования.

Для этого необходимо решить следующие задачи: показать возможности картографо-статистических методов анализа пространственно распределенной нивально-гляциальной информации в рамках геоинформационных технологий; •

показать пути использования имеющейся гляциологической информации в рамках региональной ГИС;

разработать систему создания и анализа статистических карт, характеризующих структуру, динамику и взаимосвязи компонентов региональных нивально-гляциальных систем;

провести экспериментальный картографо-статистический анализ конкретных горных нивально-гляциальных систем.

Материалы, используемые в работе, Основным материалом для исследования послужили карты, составленные для Атласа снежно-ледовых ресурсов мира, в том числе и автором диссертации. Были также использованы материалы Международной службы по колебаниям ледников - Fluctuations of glaciers. IAHS-ICSI-UNESCO, Paris.

В качестве районов исследования были выбраны наиболее изученные нивально-гляциальные системы Кавказа, Альп и Юго-Запада Скандинавского полуострова.

Науаиаа цовизна работы. Впервые разработана система комплексного картографо-статистичекого анализа гляциологической пространственно распределенной информации на региональном уровне в рамхах геоинформационных технологий как основа для регионального геоинформационного нивально-гляциального мониторинга.

В результате исследований, проведенных по разработанной автором методике впервые получен комплекс картографо-статистичсш« моделей, характеризующих состояние и эволюцию горных региональных ннвалыю-гляциальнЬк систем.

Практическое использование результатов работы. Разработанная методика используется при создании ГИС "Гляциология" для реализации нивально-гляцнального мониторинга на региональном уровне. Обоснованы пути использования карт Атласа снежно-ледовых ресурсов мира в качестве картографической базы среднемноголетних данных для ГИС "Гляциология*.

Апробапия. Основные положения диссертации были доложены на 9 Всесоюзном гляциологическом симпозиуме (Тбилиси,1988), на 10 Всесоюзном гляциологическом симпозиуме (Обнинск.1993), Всесоюзных школах-семинарах по гляциологии (Звенигород, 1989, Софрино, 1990, Звенигород, 1991), на Всесоюзных картографических конференциях (Москва, 1989, Ленинград, 1991), на рабочем совещании Гляциологической ассоциации (Валдай, 1994), на международных гляциологических симпозиумах (Ленинград, 1990, Ташкент, 1993), на европейской конференции по глобальному водному циклу (Лондон, 1994), на семинарах отдела гляциологии и лаборатории гляциоинформатики Института географии Р \Н.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, отражающих ее основное содержание.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Она изложена на /^страницах, включает 9 таблиц, 50 рисунков и список литературы из 166 наименований.

Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю академику В.М.Котлякову зз постоянное внимательное отношение к работе; дгл. АЛ. Кренке и кл\н. H.H. Дрейер за ценные советы в ходе подготовки диссертации; своему единомышленнику и неутомимому наставнику кхл. ЛЛЛерновой, постоянным соавторам кхл. Н.М.ЗверковоЙ и ЛЛГлебовой за поддержку входе выполнения исследоваш!Й; А-ВЛеускому за помощь в программном обеспечении;

всем коллегам за доброжелательную атмосферу, благодаря которой стало возможным проведение этих исследований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ГЛАВА 1. ЭВОЛЮЦИЯ ГЛЯЦИОКАРТОГРАФИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

В ряду многочисленных методов исследования, применяемых в географии и в гляциологии для изучения природной среды, одно нз ведущих мест принадлежит картографическому методу. Гляциологическое картографирование прошло большой путь от первых фотограмметрических съемок ледников, вьшолненых Р.Финстервальдером в начале XX века, до создания по инициативе и под руководством академика ВЛЦКотлякова Атласа снежно-ледовых ресурсов мира.

Создание Атласа предоставило новые широкие возможности для применения картографического метода исследования. В Атласе впервые в картографической форме систематизирована не только современная гляциологическая информация, но и гляциологические знания, накопленные за все предыдущие годы. В Атласе представлены картографические модели всех уровней исследования от локального до глобального. Самая распространенная группа карт - в масштабах 1:1 500 ООО -1:3 ООО ООО. На этих картах даны характеристики основных. компонентов региональных нивально-гляциальных систем. Основной способ изображения в данном масштабе - изолинейный. С изолинейным способом картографического моделирования тесно связано понятие "поля". Основы картографирования полей разработаны ВЛЛервяковым (1978). Используя философские , категории "дискретного* и "непрерывного", он дал теоретическое обоснование возможности и целесообразности представления совокупности однородных объектов земной поверхности в виде полей.

Концепция поля была впервые введена в круг гляциологичехнх исследований АЛ.Кренке (1980,1982) и Н.М.Зверковой (1984,1985) при

создании Атласа снежно-ледовых ресурсов мира. Тогда же были разработаны неформальные методы осреднения исходных данных и построения полей гляциологических характеристик. Для этого было необходимо решить проблему перехода от крупных масштабов к мелким, разработать принципы генерализации гляциологической информации.

Анализируя сгруктуру явления, разделяют фоновые и остаточные факторы. В результате получают карту фоновой поверхности, отражающую главные, наиболее крупные черты структуры, формирующиеся под влиянием непрерывных факторов и карту остаточной поверхности, показывающую размещение деталей и локальных отклонений, связанных с дискретными природными факторами и непрер- шными факторами более крупного масштабного уровня. Задаваясь определенным масштабом исследований, нужно исключить соответствующую этому уровню локальную изменчивость, а также ошибки измерений и расчетов, которые определяют точность карты. Это и будет критерий генерализации.

Проведенные автором исследования показали возможность широкого применения автоматизированного формального осреднения для исключения локальной изменчивости и получения фоновых поверхностей любой степени осреднения, соответствующих выбранному уровню исследования. Исключая локальную изменчивость, можно изучать особенности фоновой пространственной изменчивости характеристик на разных уровнях, путем построения ее полей.

Для ряда ннвально-гляциальных характеристик, представленных в Атласе региональными картографическими моделями, в диссертации построены поля фоновой пространственной изменчивости. Любая система стремится к абсолютной устойчивости. С этой точки зрения максимумы на картах полей фоновой изменчивости можно трактовать как области нестабильности. Оказалось, что в горных районах они, как правило, приурочены к макросклонам, отличающимся наибольшей крутизной, где природные процессы наиболее активны и их изменчивость наиболее интенсивна.

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ АНАЛИЗА СЕРИЙ КАРТ ПРИРОДНЫХ РЕГИОНОВ

Наиболее перспективными для получения новых знаний о нивально-гляциальной среде служат серии карт в Атласе снежно-ледовых ресурсов мира, моделирующих региональные нивально-гляциальные системы. И все же, как справедливо отмечает А.М.Берлянт (1972), серий карт еще не достаточно для создания полного представления о геосистемах. Чтобы получить полноценные модели геосистем, необходимо картографировать не только сами взаимосвязанные явления, но и связи между ними, их тесноту, изменения в пространстве и во времени. Карты взаимосвязей можно составить по картам одной серии, включенным в Атлас, не выходя за его пределы и без привлечения дополнительных материалов. Они моделируют сильные и слабые, положительные и отрицательные связи между явлениями, на них можно показать главные системообразующие связи, зафиксировав, таким образом, сами геосистемы.

Поэтому большое внимание в последнее время уделяется вопросам составления карт, которые отражают в пространстве различия во взаимосвязях (Червяков 1970, Берлянт, 1986; Жуков, Сербенюк, Тикунов, 1980). Показатели тесноты связи могут вычисляться по временным или пространственным рядам. Корреляционные карты составляют с помощью скользящих показателей связи. При наличии регулярной сетки контрольных точек вычисления легко автоматизируются, что делает доступной обработку больших выборок и позволяет сгустить сеть. Кроме того, одно из достоинств скользящего показателя в том, что он всегда рассчитывается по выборкам равного объема, поэтому легко оценить его репрезентативность в каждой точке карты.

Анализ в диссертации составленных впервые карт взаимосвязей нивально-гляцильных характеристик Памира дал возможность говорить о некоторых перспективах использования метода построения

полей корреляций п гляциологических исследованиях. Подобные карты дают возможность изучать пространственные особенности в распределении взаимосвязей между характеристиками ледниковых систем, оценивать вклад разных факторов в формирование ледниковых систем и условий 1« существования. Составление карт фоновых корреляций позволяет судить о том, как согласуются между собой главные закономерности, какие изменения вносят локальные особенности или остаточные компоненты. На основе анализа корреляционных карт можно выявить ледниковые районы, наиболее чувствительные к изменениям тех или иных компонентов природной среды, что составляет основу для районирования, прогнозирования й реконструкций.

В диссертации показано, что для разработки системы нивально-гляцнального мониторинга необходимо использовать методы картографо-статистического анализа динамики явлений, т.е. составлять картографические модели состояния компонентов нивально-гллцнальных систем на разные моменты времени и осредненных за разные промежутки времени. Анализ таких карт дает возможность изучать устойчивость во времени пространственной структуры и взаимосвязей, периодичность изменений. Используя приемы геогрнфметнкн, можно построить карты пространственно-временных аномалий компонентов ннвально-гляцнальных систем, по которым хорошо видны особенности пространственного распределения явления и, самое главное, степень его временной изменчивости.'

Исследования показали, что для корректного вычисления статистических показателей существенное значение имеет качество используемого материала, т.е. достоверность и точность построения исходных карт. Важно, например, чтобы уже составленные карты, по которым вычисляются показатели связи, имели сравнимую степень генерализации (или осреднения), примерно одинаковую точность построения, соизмеримое количество интервалов шкалы сечения. Дискретные исходные данные должны иметь сравнимую степень обеспеченности, а в идеале поступать из единых точек сбора

а

информации. Сложность оценки точности мелкомасштабных гляциологических карт заключается в многофакторности погрешностей и ошибок картографического эксперимента. Некоторые из факторов могут быть оценены количественно с помощью стандартных методик теории ошибок, другие оказываются субъективными. Необходимую и достаточную степень точности исходного материала определяет соответствие цели и задач исследования выбору данных, методик, объемов измерений и вычислений.

Оценка точности мелкомасштабных гляциологических карт Атласа была проведена Н.М.Зверковой (1985) и, соответственно, были выбраны шкалы сечения изолиний. Погрешности в геометрической точности для рабочих карт составляют в среднем 0,6-1,2 мм в масштабе карты и практически не влияют на результаты вычисления показателей связи.

В результате анализа и отбора картографо-статистических методов, для реализации массового анализа гляциокартографической информации автором была разработана система алгоритмов и, совместно с программистом А.ВЛеуским, создана программа для персонального компьютера, базирующаяся на принципе скользящего окна, который позволяет получать картину пространственного распределения статистических показателей. Шаг регулярной сети контрольных точек выбирался таким образом, чтобы сохранить максимум исходной информации для упрошенных по рисунку расчетных карт и провести некоторое осреднение неоправданно подробных карт, построенных по высотным зависимостям. Все статистические расчеты производятся внутри окна, размер которого задается и может иметь любые значения, ограниченные с одной стороны значением в точке, а с другой • размером исходного массива. Значения статисгик вычисляются по стандартным формулам между рядами чисел, попадающими в окно на каждой из обрабатываемых карт. В зависимости от вида расчетов одновременно обрабатывается один, два или три массива. Вычисленное значение относится к центру окна. Затем окно сдвигается на одно значение и процедура

повторяется. В результате получается числовой массив, состоящий из значений статистического параметра, по конфигурации аналогичный исходному.

Программа позволяет вычислять следующие статистические показатели: 1) среднее арифметическое - для сглаживания исходных полей и получения фоновых поверхностей; 2) среднее квадратическог отклонение и коэффициент вариации - для оценки пространственной изменчивости изучаемой характеристики; 3) парный, частный и множественный коэффициенты корреляции - для оценки подобия пространст венного распределения характеристик, ошибку коэффициента корреляции; 4) разность, сумму, произведение и частное от деления - для вычисления остаточных поверхностей, определения средней картины пространственного распределения характеристики за период времени, получение поля суммарных изменений в пространственном распределении характеристики за период времени.

Для реализации разработанной методики были выбраны наиболее изученные нивально-гляциальные системы Кавказа, Альп и Юго-Запада Скандинавского полуострова. Среднемноголетние карты-модели в Атласе снежно-ледовых ресурсов мира для этих регионов считаются наиболее достоверными. Существенно также и то, что для этих районов на основе детального физико-географического анализа получены представления о связях в системе и их соотношении. Это важный момент, так как результаты статистических расчетов не раскрывают содержательную сущность взаимосвязей и должны сопровождаться и дополняться географическим анализом. С другой стороны, только формализованное картографическое сопоставление дает представление о пространственном аспекте взаимосвязей, позволяет детализировать и уточнить общие представления.

ГЛАВА 3. СООТНОШЕНИЕ ОСНОВНЫХ ФАКТОРОВ, КЛИМАТА И РЕЛЬЕФА, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ

ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ ОСОБЕННОСТИ ОЛЕДЕНЕНИЯ

Ведущую роль в горных нивально-гляциальных комплексах на региональном уровне, как правило, играют ледниковые системы. Они охазывают существенное влияние на остальные элементы, связаны с ними прямыми и обратными связями. А.НЛ(ренке (1976) было обосновано, что ледниковые системы являются именно системами, а не просто множествами. Их элементами служат отдельные ледники, объединение общими свойствами и внутренними связями. В целом структура ледниковой системы отражает структуру рельефа и климата региона. Эти структуры можно выявить при изучении полей, характеризующих климат, рельеф и оледенение (Кренке, 1982).

При этом неизбежно встает вопрос о границах системы, в рамках которой будет проводиться картографо-статистический анализ. Для решения этого вопроса при создании / тласа было введено понятие ледниковой зоны. В результате проведенных автором исследований обнаружено, что определение границ ледниковой зоны возможно в рамках статистических преобразований. Были построены поля положительной разности оледенения как разности между полем максимального рельефа и полем высоты границы питания. Нулевая изолиния на этих картах выделила зону, благоприятную для существования ледников, где поле высоты границы питания реально, которая может трактоваться как ледниковая зона.

На карте разности максимальных высот рельефа и высоты границы питания в Альпах хорошо видны участки, где поле высоты границы питания реально, а где оно представляет собой гипотетическую поверхность. Нулевая изолиния четко определяет эту границу, а также границу ледниковой зоны, совпадая в общих чертах с границей распространения оледенения на карте степени оледенения. В местах, где величины разности принимают отрицательное значение, поле высоты границы питания поднимается над реальным рельефом, обозначая отсутствие ороклиматических условий для формирования

оледенения, а положительные значения разности между рельефом и высотой границы питания четко отражают зон)', где в настоящее время эти условия благоприятны. Можно сказать, что именно в этой области реализуется принцип соответствия по М.В.Тронову (1977) -благоприятное сочетание особенностей рельефа и климата для формирования и существования ледниковых образований.

На Кавказе, в отличие от Альп, значения характеристик рассчитань. и границах зоны ледникового влияния, определенной при составлении Атласа. Практически все поле значений разности между максимальны.* рельефом и высотой границы питания положительно, что подтверждает корректность определения границы ледниковой зоны. Таким образом, в системе гляциоинформационного мониторинга, одно из ведущих мест должно принадлежать полям положительной разности оледенения как индикатору благоприятности ороклиматических словий существования ледниковых систем.

Для выяснения соотношения орографического и климатического факторов оледенения в диссертации было проведено сравнение полей степени оледенения, максимальных высот рельефа и высоты границы питания и получены поля коэффициентов корреляции между этими характеристиками. В результате при доминирующем влиянии орографии, проявились участки наиболее чувствительные к климатическому фактору. Так, на Кавказе область наиболее тесной связи степени оледенения и максимальных высот приурочена к южному макросклону Западного Кавказа. Здесь возрастание степени оледенения связано с резким увеличением абсолютных высот, причем с высотой эта связь усиливается. На Центральном Кавказе зона тесных связей расширяется и сдвигается в сторону более пологого северного макросклона, где находятся наиболее удобные, с точки зрения оледенения, участки высокогорья. Напротив, связи между степенью оледенения и высотой границы литания (климатическим фактором оледенения) резко уменьшаются к северу, так кпг уменьшение осадков по мере продвижения вглубь региона компенсируется благоприятными ортрафическнми условиями. Относительно менее существенна, чем с рельефом, но также положительна и очевидна,

связь степени оледенения с высотой границы питания в юго-западной части региона, где преобладает влияние западной составляющей в ведущем направлении потоков атмосферной влаги.

Поле коэффициентов корреляции между степенью оледенения и высотой границы питания на Юго-Западе Скандинавского полуострова обнаруживает наиболее тесные связи в прибрежных районах. Высота границы питания опускается к морскому берегу вслед за увеличением количества осадков. По мере продвижения вглубь полуострова высота границы питания повышается, но несмотря на это, степень оледенения (за счет орографического фактора) достигает максимальных значений на удобных вершинах плоских фьельдов. Это подтверждается высокими коэффициентами корреляции. Затем, несмотря на благоприятный в гляциологическом смысле рельеф, происходит уменьшение степени оледенения, связанное с продолжающимся повышением границы питания, обусловленным уменьшением количества осадков с удалением от источника их поступления. Здесь прослеживаются существенные отрицательные связи между степенью оледенения и высотой границы питания. Далее, в районе Ютунхеймен, происходит увеличение степени оледенения, но за счет изменения характера рельефа, который становится более расчлененным, ледники здесь приурочены к вершинам, расположенным значительно выше высоты границы питания. Это обусловливает и различия в морфологии оледенения. Ближе к побережью, на плоских фьельдах, в зоне максимальных осадков развиты плосковершинные комплексы и ледники плоских вершин -Юстедальсбрее, Свартиссен, Фольгефонни. В массиве Ютунхеймен, где рельеф менее сглажен, а количество осадков уменьшается, распространены долинные и карово-долинные ледники.

ГЛАВА 4. СООТНОШЕНИЕ ОСНОВНЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ РЕЖИМ ЛЕДНИКОВЫХ СИСТЕМ

Важный вопрос в гляциологии - соотношение роли накопления и расхода вещества в существовании оледенения. За комплексный

климатический показатель условий существования ледников традиционно принимается высота границы питания. Условия накопления характеризуются взаимозаменяемыми полями осадков, аккумуляции и снегозапасов. Показателем расхода или таяния снега и льда может служить средняя летняя температура воздуха на приведенной высоте. В каждом конкретном случае соотношение этих факторов, относительный вклад ьв пространственную изменчивость климатических условий существования ледников зависят от природных особенностей региона. АЛ.Кренке оценивал это соотношение по величине угла между изолиниями на картах соответствующих характеристик, Н.М.Зверкова использовала приемы информационного анализа. Для выяснения этого вопроса в диссертации построены поля коэффициентов корреляции между соответствующими характеристиками.

В результате выявлены районы, где вклад накопления и расхода одинаково высок и где влияние их нссит противоположным характер. В целом вклад условий накопления преобладает. Так, в Альпах преобладает вклад условий накопления в пространственное распределение высоты границы питания. Максимальные значения коэффициентов корреляции между высотой границы питания и аккумуляции наблюдаются в районах с наибольшим разьитием оледенения. Ослабление связей происходит в юго-восточном направлении и совпадает с уменьшением абсолютных отметок и с уменьшением степени оледенения. Влияние условий расхода совпадает с влиянием условий накопления на северо-западном макросклоне. Здесь обнаружены существенные прямые связи высот ы границы питания и температуры и значительная обратная связь высоты границы питания с аккумуляцией. На юго-восточном склоне вклад условий накопления более значителен. Это определяется тем, что аккумуляция, подобно высоте границы питания, отражает примерно одинаковое влияние средиземноморскою и атлантического потоков влаги на существование альпийской нивально-гляциальной системы и выражается в уменьшении значений аккумуляции и подъеме высоты границы литания с высотой. В то же время значения

средней летней т. мпературы воздуха плавно увеличиваются к юго-востоку, повторяя рисунок основных орографических структур. В цепом для альпийского региона вклад условий накопления и расхода в пространственное ралределение климатических условий существования оледенения носит противоположный характер. Это подтверждается и значениями частных коэффициентов корреляции, которые заметно больше парных.

Коэффициент корреляции между высотой границы питания и аккумуляцией на Кавказ'* повсеместно отражает существенные обратные связи (чем больше акумуляция, тем ниже высота границы пнгаиия). Ослабление связей наблюдается только на небольших участках юго-западного склона Большого Кавказского хребта по направлению к побережью Черного моря. Наиболее тесные связи прослеживаются на Центральном Кавказе. Здесь пространственные различия в аккумуляции определяют поле высоты границы питания, несмотря на значительное "негативное" влияние температуры. Положительный вклад пространственных особенностей поля температур (чем ниже температуры, тем ниже спускается высота границы питания) наиболее ясно обнаруживается на южном склоне Большого Кавказского хребта, усиливая влияние уело, ий накопления.

В целом влияние пространственного распределения аккумуляции и температуры на пространственное распределение высоты границы питания носит противоположный характер. Об этом позволяют судить значения частных коэффициентов корреляции между полями. Связи между высотой границы питания и каждым фактором в отдельности усиливаются при исключении влияния другого. Так, коэффициент корреляции между высотой границы питания и аккумуляцией равен -0,90, а при исключении влияния поля температур он возрастает до -0,97. Наиболее существенный рост значения коэффициента (с 0,35 до 0,66) происходит при исключении влияния аккумуляции на связь между высотой границы питания и приведенными температурами. В этом смысле показателен район Центрального Кавказа. На карте поля парной корреляции между высотой границы питания и температурой здесь обнаружилась тесная

обратная связь (чем ниже температура, тем выше аысота границы питания). На поле частного коэффициента корреляции в этом мепс связи практически отсутствуют. Таким образом, в результате анали <а корреляционных карт можно утверждать, что на территории Кавказа в пространственном распределении высоты границы пигания доминирует фахтор накопления.

В отличие от Кавказа и Альп, достаточно удаленных от Атлантического океана, на Скандинавском полуострове влияние западного переноса ярко выражено и имеет определяющее значение для существования нивально-гллциальных систем. Рисунок изолиний приведенных температур на юго-западе Скандинавского полуострова четко отражает удаление от океанического побережья и совпадает с направлением убывания осадков. Таким образом влияние условий

акопления и расхода на климатические условия существования ледников совпадает. Значения коэффициентов корреляции высоты границы питания одинаково высоки и с полем аккумуляции и с полем температур. Это относится как к парным, так и к частным корреляциям.

ГЛАВА 5. КЛИМАТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ИЗМЕНЕНИЕ ПОЛОЖЕНИЯ КОНЦОВ ЛЕДНИКОВ. РЕАКЦИЯ ЛДЦНИКОВЫХ СИСТЕМ НА КЛИМАТИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ

Все предыдущие рассуждения относились к среднемноголетгчм аспектам существования нивально-гляциальных систем и основывались на среднемноголетних картографических моделях из Атласа снежно-ледовых ресурсов мира.

Для исследования реакции ледниковых систем на климатические изменения автором выбраны Альпы, хорошо обеспеченные материалами о перемещении концов ледников. Использованы приемы статистического преобразования картографического изображения дискретно распределенных объектов: выделена фоновая составляющая Н получены ежегодные изолинейные карты фонового перемещения

концов ледников за 1969-1985гг.. Впервые этот метод был предложен Л .П.Черновой (1992).

Сама возможность построения поля свидетельствует о существовании ледниковой системы, определенным образом реагирующей на внешние воздействия, а плавность фонового распределения в пространстве позволяет предположить климатический характер этих воздействий. Для выяснения вопроса, как меняется величина пространственной изменчивости колебаний от года к году, в диссертации построены карты полей изменчивости фоновых значений перемещений концов ледников за каждый год с 1959 по 1985 г.

Для количественной оценки степени подобия пространственного фонового распределения изменения положения концов ледников от года к году рассчитаны коэффициенты корреляции и построены карты корреляций между ежегодными полями колебаний, Тесные связи между соседними годами встречаются часто, но не всегда. Поля распределения пространственной изменчивости представляют собой более устойчивую кзртину.

В результате последовательного осреднения полученных ежегодных полей был выявлен минимальный период, .;огда осреднение дает устойчивую картину пространственного распределения колебаний. Он равен 4 годам.

Кроме того, были построены поля изменения площадей леднико: за последние 100 лет, с периодами осреднения за 1870-1930 и 1930-1970гг. Коэффициент корреляции между этими полями оказался равен 0,8, что свидетельствует об устойчивой картине распределения во времени и этого показателя.

Картина распределения связей внутри региона меняется от года к году. При общем высоком коэффициенте корреляции максимум подобия приходится, как правило, на восточную часть района, за исключением 1974/75 и 1983/84 гг. Степень подобия чаще всего уменьшается к юго-западу, хотя есть годы, когда существенные связи обнаруживаются и в этом районе, причем это может происходить и при незначительном общем для всего региона коэффициенте

корреляции. В целом же более согласно реакция оледенения на внешние воздействия происходит в восточной части района исследования.

Для того, чтобы более наглядно показать особенности пространственного распределения перемещения фронта оледенения за каждый год, в диссертации построены карты ежегодных аномалий. Существует несколько вариантов конфигурации полей аномалий. Первое - это наклон статистической поверхности на юго-восток (1973, 1974,1976,1970,1981,1980). Затем общий наклон на юго-Запад (1975, 1977). Кроме того обнаружились годы, когда плавный наклон статистической поверхности нарушается понижением или повышением в центральной части района (в интервале 8-9 градусов восточной долготы). Этот факт свидетельствует о том, что характер вне шних воздействий на систему мешется год от года. Так, поля за два соседних контрастно - экстремальных года (1975 и 1976) характеризуются диаметрально противоположной конфигурацией. В юго-еосточной части ледниковой системы перемещение концов ледников происходит с большей амплитудой от года к году, чем в юго-западной части системы.

Полученные карты указывают на существование переломного момента в поведении ледниковой системы Альп (1975-1976), перехода от преимущественного отступания (1969-1974) к преимущественному наступанию (1977-1985) фронта ледников.

В результате сравнения среднего за 17 лет поля колебаний с полем средних летних .температур (показателем расхода) и полем твердых осадков (накопление) из Атласа снежно-ледозых ресурсов мира показано, что среднемноголетнее пространственное распределение перемещения концов ледников геометрически подобно пространственному распределению условий накопления.

Средние за каждый год величины перемещения и аномалий сравнивались с ходом температур, осадков и снегозапасов по данным М. Куна (1985), ЛИ. Брауна (1993) и др. В результате выяснилось, что временная тенденция колебаний ледников обнаруживает связь с ходом изменчивости условий накопления.

Все это позволило сделать осторожный вывод о почти мгновенной реакции фронта оледенения на изменение снежности в высокогорной области Альп.

ГЛАВА б. МЕСТО РЕГИОНАЛЬНЫХ КАРТ И ПРИНЦИПЫ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ГЛЯЦИОЛОГИЧЕСКОЙ ГЕОИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЕ

Раз питие системного гляциокартографирования и создание Атласа снежно-ледовых ресурсов мира сделало реальной постановку задачи по разработке гляциологической геоинформационной системы и геоинформационного картографирования нивально-гляциальной среды. В идеале ГИС "Гляциология" должна представлять собой иерархическую систему, где масштабный ряд соответствует классификации № вально-гляциальных систем (глобальные, региональные, локальные), а тематический ряд рассматривает отдельные компоненты нивально-гляциальных систем. На каждом уровне исследования решается свой круг задач и используются свои алгоритмы обработки данных. В идеале все уровни а "отрасли" должны быть взаимоувязаны, доступны друг для друга и представлять собой единую систему сбора, хранения и анализа информации об окружающей среде. Кроме этого, на каждом масштабном уровне должна существовать структура, описывающая взаимосвязи и взаимодействия компонентов нивально-гляциальных систем, или, иными словами, моделирующая собственно нивально-гляциальную систему данного уровня.

Результаты экспериментов, представленные в работе, позволяют говорить о реальности разработки подобной структуры на региональном уровне. Речь идет о той части гляциологической ГИС; которая должна стать основой для гляциологического мониторинга на региональном уровне. Она видится в виде экспертной системы, картографическими методами отслеживающей развитие во времени современного оледенения (в широком понимании этого термина) во

взаимодействии с климатическими компонентами ннвально-гляцнальной среды.

База Данных для этой структуры должна состоять из двух основных частей. Помимо региональных карт, подобных картам из -Атласа снежно-ледовых ресурсов мира, которые являются ядром картографической базы среднемноголетних данных, в банк данных этой системы должна быть включена информация из Каталога лсдннкоз. Дяя изучения изменений иивэльно-гляциальиых систем во времени следует использовать кадастровые данные Гидрометслужбы и слулбы по нсблюдениям за колебаниями ледников, а также результаты дистанционных наблюдений.

В результате проведенных исследований стало лаю, что основой библиотеки программ о блоке обработки информации на региональном уровне должны стать алгоритмы картографо-статистичесхих методов анализа пространственно распределенной информации на основе идеологии.непрерывных методов изображения дискретно оаспределенных объектов (теория географических полей). Они позволяют создавать многочисленные производные статистические картографические модели, описывающие те или иные аспекты существования ницально-гляциальных систем. На среднемноголетнем уровне это картографические модели пространственной структуры компонентов нивально-гляциальных систем и их изменчивости; картографические модели пространственного распределения взаимосвязей между основными компонентами нивально-гляциальных систем и факторами, определяющими их состояние и изменение со Бремени. Полученные на среднемноголетнем уровне закономерности позволят эффективно планировать дорогостоящие полевые и дистанционные исследования. На основе ежегодной информации можно изучать устойчивость во времени полученных закономерностей и получать оперативные картографо-статиспгеесяиг модели существования ннаально-гляцмальных систем.

Помимо чисто научных задач, решаемых региональной ГИС, она станет источником доступной для потребителя оперативной

информации о нииально-гляциальных процессах, снежно-ледовых ресурсах и неблагоприятных ниэально-гляциальных явлениях. В тех районах, где нивально-гляциальный комплекс сказывает определяющее влияние на хозяйственную деятельность и на окружающую среду, невозможно решать задачи по региональному планированию, освоению природных ресурсов, охране окружающей среды, не учитывая подобную информацию. База данных, представл"ющая собой набор слоев тематической информации на одном масштабном уровне, привязанной к одной и той же территории, позволит проводить комплексную оценку подобных регионов. Только специализированная гляциологическая ГИС может обеспечить потребителя качественной, профессионально обработанной информацией о нивально-гляциальной среде.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. В результате исследований впервые предложена методика статистической обработки пространственно распределенной нивально-гляциальной информации в рамках геоинформационных технологий, что дало возможность получить статистические карты, описывающие состояние, изменение и взаимосвязи компонентов нивально-гляциальных систем: фоновые поля компонентов нивально-гляциальных систем; карты пространственной изменчивости (поля коэффициентов вариации и дисперсии); карты взаимосвязей (поля парных, частных и множественных коэффициентов корреляции); карты достоверности коэффициентов корреляции; карты положительной и отрицательной разности оледенения; карты ежегодных и осредненных за разные промежутки времени изменений положения концов ледников; карты ежегодных и среднемноголетних аномалий изменения положения концов ледников. Обработка по этой методике даже сравнительно небольшого объема данных позволила получить новую информацию о горных региональных шшально-гляциалышх системах.

2. Для ряда регионов построены фоновые карты компонентой нивально-гляциальных систем, степень осреднения н точность которых соответствует региональному уровню исследования. В результате проанализирована пространственная структура компонентов нивально-гляциальных систем, выявлены факторы, определяющие особенности этой структуры. Анализ карт фоновоП пространственной изменчивости позволил вылвиь зоны нестабильности нивально-гляциальных характеристик, приуроченные, как правило, к наиболее крутым макросклонам.

3. Построены карты положительной разности оледенения, позволяющие корректно определить положение ледниковой зоны на региональном уровне. Показано, что поля положительной разности оледенения можно рассматривать как индикатор условий, благоприятных для существования оледенения и использовать при организации нивально-гляциального мониторинга на региональном уровне.

'4. Количественно определен вклад орографической и климатической составляющих в пространственное распределение оледенения. По картам коэффициентов корреляции выявлены пространственные особенности распределения тесноты связей внутри регионов. Показано, что при доминирующем стабилизирующем штнлннн орографии на пространственное распределение оледенения существуют районы, более чувствительные к климатическим изменениям.

5. Количественно определен вклад условий накопления и условий расхода в простран гвеные особенности распределения высоты границы питания как индикатора благоприятности климатических условий существования оледенения для горных регионов в целом. По картам коэффициентов корреляции проанализировано изменение соотношения условий накопления и расхода внутри регионов. При доминирующем влиянии условий накопления обнаружились участки, где влияние условий расхода имеет существенное значение. Карты частных коэффициентов корреляции

дают возможность говорить о потивоположном влиянии условий накопления и расхода на положение высоты границы питания.

б. По материалам Международной службы наблюдений за колебаниям ледников на территорию Альп получены ежегодные поля фоновых изменений положения концов ледников, что указывает на единство динамики ледниковой системы. Построены карты ежегодных и осредненных за разные промежутки времени аномалий изменения положения концов ледников, наглядно показывающие тенденции этих изменений. Показано, что временная тенденция колебаний ледников обнаруживает связь с ходом изменчивости условий аккумуляции. Зто позволяет предположить, что фоновое распределение перемещения концов ледников, которое может быть оперативно получено дистанционными методами, служит индикатором изменения снежности в регионе.

Проведенная работа дает возможность определить дальнейшие направления исследований. Необходимо пополнить ГИС ежегодными данными о твердых осадках и температурах воздуха. Сравнение ежегодных полей изменения положения концов ледников с соответствующими полями снегозапасов, осадков и температур позволит еыяснить устойчивость во времени связей пространственного распределения гляциоклиматических и динамических характеристик и проверить правильность предположений о почти моментальной реакции концов ледников на изменение снежности в высокогорных районах.

Необходимо расширить круг нивально-гляциальных регионов, включенных в ГИС и исследуемых по данной методике, чтобы понять, как различаются пространственные особенности структуры и взаимосвязей компонентов нивально-гляциальных систем, каким образом реагирует оледенение на изменения климата в разных климатических зонах.

Большие перспективы открывает анализ данных по снежному покрову в рамках создаваемой ГИС. Автоматическое, оперативное построение карт за каждый гад и осредненных за разные промежутки времени, сравнение их с картами распределения климатических

характеристик позволит вести мониторинг снежного покрова во взаимосвязи с другими компонентами ннвально-гляциальных систем.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1.0пыт картографического моделирования взаимодействия ннвально-гляциальных систем и деятельности человека. - МГИ. вып.59. 1987, с.77-85.

2.0т построения фоновых поверхностей к оценке точно«. < н гляциологических карт (в соавторстве с Л Л.Глебовой, Н.М.Зверкозой, ГА.Фогелем, Л.П.Черновой. - МГИ, вып.64,1988, с.145-152.

3.Картографнческнй анализ взаимосвязей в ледниковых системах (в соавторстве с Л Л.Глебовой,Н.М.ЗверковойгЛ.П.Черновой). - МГИ, пып.67,1989, с.24-29.

4.Корреляционные карты как инструмент гляциологических •сследований. - МГИ, вып. 69,1990, с. 184-189.

5взаимосвязи характеристик оледенения в региональных ледниковых системах (в соавторстве с Л.НТлебовой, Н.МЛверковой, 0.В Рототаевой, Л Л.Черновой). МГИ, вып. 72,1991, с. 67-76.

6.Some interactions of regional glacial system elements (The World Atlas of Snow and Ice Resources analysis) (coauthors: LN.GIebova, N.M.Zverkova, LP. Chernova, Yu.K.Narozny). - Glaciers-Ocean-Atmosphere Interactions IAHS Publ. N 208,1991, p221-228.

7Лространственно-временные особенности взаимосвязей в региональных ледниковых системах (в соавторстве с Л.Н. Глебовой, Н.М. Зверковой, IOJC Нарожным, Л Л. Черновой). - МГИ,вып. 73 1992, с.98-102.

8.Взаимодействие нивяльно-гляциальных систем и деятельности человека. - МГИ, вып. 75,1992, с. 165-176.

9J?luctuations of Glaciers as the indicator of temporal-spatial variations of solid precipitation (coauthor: LP.Chernova) • European Conference On The Global Energy And Water Cycle. Abstracts of oral and poster sessions, London,1994, p.69.

lO.Cartographic and statistical analysis of glaciation dynamics (coauthor: LP.Chernova). - IAHS.UNESCO Symposium on Glacier Mass Balances, Abstracts,Innsbruck,1994, p.64.