автореферат диссертации по геодезии, 05.24.03, диссертация на тему:Разработка автоматизированной методики создания карт снегозапасов на ледниках

9 П ,*. ПП /опо

L 0 .им ibjj

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В.ЛОМОНОСОВА

Географический факультет

На правах рукописи УДК 528.94:551.578.42:551.324

НОВИКОВА Наталия Владимировна

РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ МЕТОДИКИ СОЗДАНИЯ КАРТ СНЕГОЗАПАСОВ НА ЛЕДНИКАХ

05.24.03 - картография

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Москва - 1993

Работа выполнена на кафедре картографии и геоинформатики географического факультета Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова.

Научный руководитель - кандидат географических наук,

доцент Ю.В.Свентэк

Официальные оппоненты - доктор географических наук,

профессор С.М.Мягков - кандидат географических наук, ст.н.с. А.В.Кошкарев

Ведущая организация - Росгеоинформ при Федеральной службе геодезии и картографии России.

Защита состоится " '/$ " ¿¿&-сЛ 1993 г. в ^ часов на заседании специализированного совета по геоморфологии, эволюционной географии, мерзлотведению и картографии (Д-053.05.06) при Московском государственном университете им. М.ВЛомоносова по адресу: 119899, Москва ГСП-3, Ленинские горы, МГУ, географический факультет, 21 этаж, 21-09.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке географического факультета МГУ на 21 этаже.

Автореферат разослан " /3» ¿^¿ъ^и^иси^ 1993 г. Ученый секретарь специализированного совета

1

иков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Генеральная линия в развитии современной картографии определяется активным использованием электронно-вычислительной техники и автоматики. В то же время развитие инженерно-хозяйственной деятельности человека достигло такой ступени, когда в сферу интенсивного освоения вовлекаются высокогорные территории, вплотную подходящие к нивально-гляциальному поясу. Для безопасной жизнедеятельности и безаварийного функционирования объектов важно понимать, объяснять и предсказывать потенциальную угрозу стихийно-разрушительных явлений (например, . гляциальных селей, схода лавин, аномальных паводков и др.).

Особую значимость в связи с этим приобретает разработка и апробация конкретных средств и методов, позволяющих с достаточной надежностью моделировать пространственно-временные состояния географических явлений с целью изучения возможности управления динамическими процессами, происходящими в геосистемах, или прогноза их возможного развития.

Одно из решений данной задачи заключается в применении методов математико-картографического моделирования, предусматривающего проецирование комбинаций математических и картографических моделей в плоскость решения конкретной гео-графо-картографической проблемы.

Современные вычислительные средства и методы математико-картографического моделирования дают возможность говорить об автоматизированном оперативном картографировании, которое представляется крайне актуальным, в частности, при оперативной географической оценке территории.

В настоящее время известны попытки автоматизировать процесс построения карт различного рода морфометрических характеристик рельефа (например, углов наклона, экспозиции склонов) по цифровой модели рельефа. Существует также ряд моделей расчета снегозапаса, основанных на использовании данных стандартных наблюдений и других легко доступных источников массовой информации. Но, несмотря на разностороннюю изученность проблемы снегонакопления в Приэльбрусье и горноледниковом бассейне Джанкуат, в частности, попыток создания автоматизированных карт оценки рельефа и максимальных сне-гозапасов для разработки методики его прогноза, для научных и практических нужд до сих пор не предпринималось.

ЦЕЛЬЮ диссертационной работы является разработка автоматизированной методики создания карт максимальных снегоза-пасов на примере ледника Джанкуат (Центральный Кавказ). В соответствии с целью исследования в настоящей работе решается ряд ЗАДАЧ, среди которых как главные выделены следующие:

- автоматизированная оценка рельефа как фактора снегонакопления;

- разработка модели расчета снегозапаса, основанной на учете морфометрических характеристик рельефа (абсолютной высоты, углов наклона, кривизны поверхности) и среднего фонового снегозапаса;

- совместный анализ двух вышеупомянутых факторов для различных научных и практических нужд.

ОБОСНОВАННОСТЬ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ. Основой для диссертации послужили научные исследования и практические разработки автора в Лаборатории автоматизации кафедры картографии и геоинформатики географического факультета МГУ (1989 - 1992 г.г.).

Работа в своей теоретической части опирается на теоретические и методические исследования советских и зарубежных ученых картографов (труды С.Н.Сербенюка, А.М.Берлянта, Е.А.Золотарева, М.Оливера, Р.Вебстера и др.), гляциологов (А.Н.Божинского, М.И.Геткера, В.В.Поповнина, И.В.Северско-го).

АПРОБАЦИЯ И РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения и результаты диссертации докладывались на кафедре картографии и геоинформатики географического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова, на IV Региональной научно-технической конференции "Эколого-географическое картографирование и оптимизация природопользования в Сибири" (Иркутск, 1989), на научной конференции "Неблагоприятные и опасные явления природы" (Москва, 1989). По теме диссертации опубликовано 2 работы, 1 работа сдана в печать.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. Предложенный комплекс математических моделей позволяет проводить подсчет максимальных снегозапасов для малого горного бассейна и получать в итоге карту распределения снегозапасов. Это необходимо для широкого спектра научных проблем, касающихся динамики разных физико-географических процессов высокогорья. Разработанные методические приемы предназначены для проведения метеорологических расчетов в недоступных для прямых измерений местах; алгоритмы создания карты снегозапасов, карты ла-

виноопасных участков, полученной в результате анализа рельефа и снежности могут быть рекомендованы для прогноза стихийных бедствий, для безопасной жизнедеятельности и безаварийного функционирования объектов. Разработанная методика позволяет выделить эталонные участки для проведения снегомерных работ (изменение шага снегосъемки).

НАУЧНАЯ НОВИЗНА "В РЕШЕНИИ ПОСТАВЛЕННЫХ ЗАДАЧ заключается в следующем:

- апробирована система алгоритмов и программ для автоматизированного анализа рельефа и снегозапаса для различных научных и практических нужд;

- разработана методика автоматизированной оценки рельефа как фактора снегонакопления по ряду показателей: абсолютной высоте, углам наклона, кривизне поверхности;

- разработана методика расчета снегозапаса с помощью методов и средств автоматизации на основе учета морфометриче-ских характеристик рельефа и среднего фонового снегозапаса;

- создана экспериментальная картографическая база данных на территорию ледника Джанкуат, включающая в себя морфо-метрические характеристики рельефа и данные о снегозапасе за ряд лет.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 143 страницы машинописного текста и включает 14 рисунков, 6 таблиц и 11 приложений. Список использованной литературы состоит из 149 наименований (133 русских и 16 иностранных). Работа выполнена на кафедре картографии и геоинформатики геграфического факультета Московского государственного университета им. М.ВЛомоносова.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю доценту Ю.В.Свентэку и благодарит за помощь в работе над диссертацией доцента В.А.Жука и научного сотрудника В.В.Поповнина.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Глава 1. Описание факторов, определяющих изменчивость снегозапасов на ледниках.

В число основных факторов, определяющих характеристики снежного покрова, входят форма рельефа и экспозиция поверхности с различными тепловыми свойствами и шероховатостью. В районах распространения снежного покрова наибольшая толщина снега характерна для подветренной стороны открытых водных пространств и наветренных склонов, где снегонакопление происходит наиболее интенсивно. Наименьшая толщина снега отмечается на небольшой высоте на подветренных южных склонах, на которых наиболее вероятны потери снега на таяние. В случае пересеченной местности влияние ветра приводит к крайне неоднородному распределению толщины снежного покрова.

Рельеф является одним из важнейших факторов снегонакопления и, как следствие, лавинообразования. Поэтому очень важно дать оценку рельефа с точки зрения его влияния на снегонакопление, что приводит к образованию лавин, и показать, на хаких территориях и в каких случаях рельеф благоприятен или, наоборот, неблагоприятен для схода лавин.

Наиболее важными характеристиками рельефа, определяющими возможность соскальзывания снега и дальнейшего передвижения его по склону, являются крутизна склонов и расчлененность поверхности как по глубине, так и по густоте.

Роль рельефа в перераспределении снега особенно велика в незалесенных районах, а также в районах, где в зимнее время господствуют сильные ветры (тундровые, высокогорные области, прибрежные полосы вдоль побережья Тихого океана и т.д.).

В этой главе дан анализ рельефа территории бывшего СССР, который очень разнообразен и представляет собой сложное сочетание низких и приподнятых равнин и плато с нагорьями и горами.

Наиболее благоприятные условия лавинообразования наблюдаются в наиболее молодых, высоких, густо и глубоко расчлененных горах, к которым в первую очередь относятся горы пояса, протянувшегося вдоль южной границы бывшего СССР.

Количественные характеристики лавиносборов тесно связаны с рельефом, а именно, с его морфометрией или определяются через зависимости, т.е. морфометрические характеристики рельефа определяют свойства снежного покрова и степень лавинной

опасности. Поэтому необходимый обзор этих характеристик сделан в этой главе.

Аккумуляция и абляция снежного покрова зависят главным образом от атмосферных условий и состояния земной поверхности. Определяющими атмосферными процессами служат выпадение осадков, их отложение, конденсация, турбулентный тепло- и влагообмен, радиационный баланс и движение воздушных масс.

Снежный покров образуется в результате снегопадов и имеет характеристики, резко отличные от тех, что наблюдались в момент выпадения снега. Температура в момент снегоотложения влияет на влажность, твердость и структуру свежевыпавшего снега и, следовательно, на его устойчивость при ветровой дефляции. Влияние температуры отчетливо проявляется на горных склонах, где увеличение толщины снежного покрова может быть связано с понижением температуры при росте абсолютной высоты. Уплотнение снега происходит чаще всего в результате ветровой деятельности, однако на него оказывают влияние и такие процессы, как конденсация, таяние и др.

Рассмотрена проблема перераспределения снега в лесных условиях, которое определяется, главным образом, деятельностью ветра. Для леса характерно явление переноса перехваченного снега: ветер вызывает вибрацию деревьев, в результате которой перехваченный деревьями снег начинает разрыхляться и выноситься потоками воздуха по направлению ветра.

Свойства снежного покрова в зимние месяцы в значительной степени определяются энерго- и массообменом. В период снеготаяния определяющим фактором изменения толщины и плотности снега служит радиационный обмен. Радиационный баланс снежного покрова зависит от характера подстилающей поверхности, физических характеристик снежного покрова, растительности, сооружений, дорог и других объектов и процессов, оказывающих влияние на свойства снежного покрова, в частности на его оптические характеристики.

Таким образом, структура, стратиграфия и геометрические характеристики снежного покрова крайне изменчивы в пространстве и во времени. Такая изменчивость обусловлена множеством факторов: большим разнообразием метеорологических условий во время выпадения осадков и сразу после снегоотложения (в частности, характеристик ветра, температуры и влажности воздуха); характером и частотой метелевых процессов в период снегоотложения; метеорологическими условиями в периоды между снегопадами (в этом случае радиационный обмен опреде-

ляет изменение структуры, плотности и оптических свойств снежного покрова, а ветровая деятельность может способствовать возникновению процессов сальтации и переотложения снега, и также изменению его плотности и структуры); характером процессов метаморфизма и абляции, которые определяют изменение физических характеристик снежного покрова по сравнению с характеристиками свежевыпавшего снега; поверхностным рельефом, физико-географическими условиями и растительным покровом.

Глава 2. Теоретические основы автоматизированного картографирования.

Теоретико-методической основой для развертывания автоматизации в картографии служит математико-картографическое моделирование, которое в свою очередь обязано широкому применению ЭВМ и различных средств автоматики в картографии. Автоматизированное построение карт как завершающий этап их создания представляет собой процесс целенаправленной оптимальной передачи информации в избранных способах картографического отображения и т.д.). Интерактивное машинное картографирование относится к мощным средствам моделирования реальной действительности, связанного с анализом структуры, изучением взаимосвязей и динамики явлений в пространстве и во времени. Интерактивный режим работы обеспечивает сочетания формализованных и эвристических методов обработки картографических данных в рамках определенной целевой программы по созданию карты. Вывод картоизображения на экран может быть конечной стадией моделирования, результат которого используется для принятия оперативных решений.

Проблемно-ориентированные банки данных, предназначенные для нужд картографии, называют картографическими банками данных (КБД). Банки географических данных являются непременным условием для эффективной реализации автоматизированного картографирования, без хороших банков оно теряет свой смысл (Салшцев, 1984).

При проектировании банка данных нужно обязательно учитывать все факторы, определяющие как технические возможности его реализации, так и запросы возможных пользователей, т.е. возникает проблема разноаспектного и многоуровневого представления данных (Мартин, 1980). Так, с одной стороны, необходимо учитывать запросы пользователей, а с другой - аспекты

машинной организации и контроля данных. Эти уровни проектирования банков данных называют соответственно концептуальным и логическим или верхним и нижним.

Для проведения данной работы была построена следующая концептуальная модель: выявление факторов, определяющих свойства и характеристики снежного покрова - оценка рельефа как фактора снегонакопления - построение карт снегозапасов, основанное на учете морфометричесхих характеристик рельефа и метеорологического параметра - и, как следствие, оценка изменчивости поля аккумуляции для оптимизации прямых натурных измерений; оценка лавинной опасности территории; возможность подсчета баланса массы ледника. Основой представления данных для автоматизированной картографии и геоинформационных систем являются цифровые модели. Для обозначения цифровых моделей "рельефа" реальных и абстрактных полей используют аббревиатуру ЦМР (цифровая модель "рельефа"). Широкий класс задач в географических исследованиях опирается на так называемые "географические поля".

Основным картографическим средством моделирования реальных географических полей служат изолинии, отображающие феномены сплошного (континуального) распространения -рельеф земной поверхности, географические поля Земли и т.д., или псевдоизолинии, которые употребляются для отображения абстрактных (сконструированных) полей, например, характри-стик плотности дискретных явлений. С формальной точки зрения любые изолинейные карты могут рассматриваться как скалярные поля, в каждой точке которых задано числовое значение некоторой функции. Эффективность анализа географических полей во многом зависит от методов моделирования и формы их представления в картографических банках данных.

Важной составной частью ЦМ "рельефа" является способ интерполяции (восстановления) ее поверхности, которая представляется как функция двух переменных г=f (х,у). В настоящее время известно более десятка методов интерполяции поверхностей (Мусин, Сербенюк, 1987). Следует отметить, что ни один из них в полной мере не отвечает требованиям универсальности, т.е. пригодный со всех точек зрения для любых полей (поверхностей) . Реальной перспективой является создание моделей, учитывающих специфику задач. Результаты различных способов интерполяции необходимо оценивать с точки зрения практических приложений.

В данном исследовании был использован метод кригинга (Дэвис, 1990; Оливер, Вебстер, 1990). Кригинг можно использовать для построения карт в изолиниях, но, в отличие от обычных алгоритмов оконтуривания, он имеет статистически оптимальные свойства. Возможно, наиболее важным является то, что этот метод обеспечивает измерение ошибки или неопределенности поверхности, изображаемой изолиниями. В этой модели считается, что функция F(x,y) является стационарной случайной функцией, т.е. измерение z в точке р = (х,у) есть реализация случайной переменной Z. Если сзойство Z измерено в N точках pi ,...,Pn и имеется набор значений zi ,...,zn , то оценка в точке р записывается в виде

Z = F (р) = Ъ\ Wi (р) + Z2 W2 (р) +...+ Zn Wn (р) , где w (р) - веса, ассоциированные с пробными точками. Из условия несмещенности следует, что сумма весов равна 1, а из минимальности дисперсии вытекают равенства:

Wi(p) у (pi ,Pi)+W2 (р) у (p2,pi)+...+WN(p) У (PN,PÎ)+C=y (p,pi), i=l,...,N.

Получили систему для N + 1 неизвестных Wi ,...,wn ,с, состоящую из N + 1 уравнения.

Функция у (p,q) называется вариограммой (или полувариаг-раммой) и для ее гладкой аппроксиамции применяют несколько моделей.

В пакете "MAG", созданном на кафедре картографии и геоинформатики географического факультета МГУ, используются сферическая, линейная и экспоненциальная модели. Предполагается, что вариограмма зависит лишь от расстояния между точками, ограничена сверху константой (порогом) и равна максимуму, если расстояние больше максимального лага (в пакете этот параметр обозначен как "радиус влияния вариационной функции"), т.е. максимального радиуса взаимовлияния соответствующих процессов, происходящих в разных точках.

Рассмотрим методы построения карт углов наклона и кривизны участка по цифровой модели рельефа. Рельеф земной поверхности представляется некоторой функцией следующего вида: h = Z = f (X,Y).

Угол наклона элементарного участка земной поверхности с координатами (X,Y) может быть определен по следующей формуле:

<К df

где Ш- и оу"

- частные производные функции Ь = Г (X, У). Узел сетки р лежит на пересечении прямых у = Х( и х = у, . Если зысоту поверхности в узле (¡,]) обозначить через 7а\ , то частные производные могут быть вычислены по формулам:

с: _ 2&.\ч\ - 7а-\.\ . (К в -сх "хгк - ли ' "Зу трп =~7]Т

В итоге расчет углов наклона по растровому изображению ЦМ рельефа производится по формуле:

а-исщ . Хь/ ) + V У^! - У].1 /

где , - элемент растра, для которого определено значение, , ¿¡.1^ - элементы растра справа и слева от анализируемого,

Ъ ц-ч, 1 - элементы растра снизу и сверху от анализируемого.

Итоговая карта углов наклона представлена на рисунке 1. В автоматизированной картографии представляют линию в виде ломаной с узлами в точках рг , рг ,..., рп , координаты которых (XI , у! ), (хг , уг ),..., (хп , уп ) • В геометрии хорошо известен аналог кривизны для таких линий. Кривизной в вершине р называется дополнение угла а \ - (риТПр~н-1) до л, т.е. к (р1) = л - а 1 иДн

, , . (Х1+1 - х\) (XI - хм) + (ум-1 - у;) (у! - ум)

к (р!) = агссоБ,

\/Шн -Хг)г+ (У1+1 - у\)г\/(Х[ - Х1-1)2 + (У1 - У1-1)2

Итоговая карта кривизны поверхности ледника Джанкуат прдстазлена на рисунке 2.

Рис. 1. Карта углов наклона ледника Джанкуат.

Рис. 2. Карта кривизны поверхности ледника Джанкуат.

На ней хорошо видны территории благоприятные для акку муляции снега (положительная кривизна условно соответствуе вогнутым формам рельефа) и выпуклые формы рельефа (отри цательная кривизна).

Глава 3. Методы оценхи снежности и построения карт

снегозапасов.

Освоение горных районов обуславливает необходимость ис следований снежного покрова и лавинной опасности. Проблем; оценки снегозапасов в горах во многом осложняется недостатков фактической информации. Поэтому особую актуальность приоб ретает разработка методов расчета показателей снежности.Кро ме абсолютной высоты, на распределение и режим снежноп покрова в горах огромное влияние оказывают ориентация и крутизна склонов, особенности ветрового режима, а также тип подстилающей поверхности, характер растительности, микрорельеф и свойства почвогрунтов. В зависимости от конкретных особенностей природных условий степень влияния на показатели снежности каждого из упомянутых факторов может существенно изменяться от одного района к другому.

В последние несколько десятилетий были предприняты исследования, в результате которых удалось разработать методь расчета показателей снежности, основанные на использованш данных стандартных наблюдений и других легкодоступных источников массовой информации (Гарцман, 1958; Северский, Пи-манкина, 1980; Геткер, 1981; Северсхий, 1983; Северский, Благовещенский, 1983).

Известно исследование (Фрейдлин, Шныпарков, 1985) взятое за основу в данной работе, основанное на учете зависимости максимальных снегозапасов от абсолютной высоты, экспозиции крутизны и кривизны участка. Методика была опробована нг малых горных бассейнах Хибинского горного массива.

По результатам снегосъемки авторами была вычислена величина среднего снегонакопления на каждом участке и методог* множественной корреляции получена зависимость средней толщины снежного покрова от морфометрических характеристш участка.

Полученные частные коэффициенты корреляции показал! наиболее тесную связь снегозапасов с кривизной в плане г=0.74

В уравнение входит угловой коэффициент линии регрессии, который характеризует скорость ветра за зимний период.

Глава 4. Создание карт снегозапасов для экспериментального бассейна (на примере ледника Джанкуат).

В данном исследовании была предпринята попытка моделировать снегозапас в малом горном бассейне (ледник Джанкуат) с учетом морфометрических характеристик поверхности и средней фоновой снежности.

Горно-ледниковый бассейн Джанкуат расположен в верхней части долины р.Адылсу, правого притока р.Баксана, в приводо-раздельной части северного склона Главного (Кавказского) хребта. Ледник Джанкуат, расположенный в горно-ледниковом бассейне Джанкуат, является типичным долинным ледником. Исследования в этом районе проводятся очень давно. Первые научные исследования непосредственно на леднике Джанкуат были выполнены в период МГГ. Комплексные исследования по программе МГД в бассейне Джанкуат были начаты в 1965 г. Общая продолжительность периода наблюдений составила 812 дней.

Площадные снегосьемки на леднике Джанкуат проводились по всей площади ледника в весеннее время с целью определения величины максимального запаса воды в слое аккумулированного за зиму снега. В них включались и характерные участки внелед-никовой части бассейна. В осеннее время площадные снегомерные съемки захватывали области питания ледников. Ежесуточные измерения абляции снега и льда велись в течение всех сезонов абляции на опорной площадке, расположенной в верхней части ледника Джанкуат (высота 2950 м).

Гляциологические работы в основном производятся по однажды установленной сетке высотно-морфологических зон с различными ступенями высот (от 50 до 130 м), но с более или менее однообразным уклоном. Также на леднике можно выделить четыре крупных морфологических пояса, которые обладают своеобразием гляциологического режима. Это:

1. язык ледника (2700-3020 м),

2. зона ледопадов (3020-3200 м),

3. фирновый бассейн (3200-3550 м),

4. фирново-ледяное обрамление области аккумуляции ледника (3550-3700м).

. Выделение высотно-морфологических и гляциоморфологи-ческих зон и поясов в дальнейшем может помочь в объяснении неравномерностей распределения снежного покрова.

Методика построения карт снегозапасов подразделяется нг два основных этапа: оценка рельефа, и на этой основе, используя данные непосредственных наблюдений, моделирование снегозапасов.

Оценка проводилась по ряду показателей с использованием пакета программ "MAG" (глава 2). Карты углов наклона и кривизны поверхности, построенные по ЦМР, представлены на рисунках 1 и 2.

Для создания модели расчета снегозапаса в качестве исходных данных были использованы данные снегомерных съемок проведенных в 1991 и 1992 г.г. Были оцифрованы точки проведения снегомерных работ и далее по ним была построена цифровая модель геополя.

Для установления существующих связей между явлениям! был проведен корреляционный анализ с помощью пакета программ STATGRAPHICS. Значения коэффициентов корреляцш были сведены в единую матрицу:

1991 г. 1992 г.

S Н а У S н а У

S 1.00 0.63 0.27 0.28 S 1.00 0.58 0.30 0.20

н 0.63 1.00 0.44 0.40 н 0.58 1.00 0.37 0.03

а 0.27 0.44 1.00 0.15 а 0.30 0.37 1.00 0.04

Г 0.28 0.40 0.15 1.00 У 0.20 0.03 0.04 1.00

где Н - абсолютная высота, а - угол наклона, у - кривизн, участка.

Полученные частные коэффициенты корреляции показат наибо лее тесную связь снегозапаса с абсолютной высотой г(91) = 0.63, г(92) = 0.58 (диапазон высот на Джанкуате боле 1000 м). Связи между снегозапасом и крутизной и кривизной участка более слабые.

Методом множественной корреляции получили зависимост средней толщины снежного покрова от морфометрических ха рактеристик участка.

Дополнительный анализ исходной информации позволи выявить и исключить грубые ошибки данных измерений о снего запасах. Такие точки располагаются далеко в стороне от эллипс рассеяния основной массы точек. Общее количество оставшихс точек достаточно для проведения корреляционного анализе Уравнения регрессии после отбраковки ошибочных значени

снегозапасов за 1990/1991 и 1991/1992г.г. имеют, соответственно, следующий вид:

Б (91) = 0.21 Н + 0.76 а+ 3.97 у - 446.21 (1), Б (92) = 0.15 Н + 1.07 а +1.82 у -306.40 (2).

. Далее по этим уравнениям был сделан расчет снегозапасов и оценена погрешность расчета. Результаты оценки точности расчета приведены в таблице 1.

Таблица 1. Относительная погрешность расчета снегозапаса (в процентах от общего числа точек).

Отклонение от фактической величины (в %) Год

1991 г. 1992 г.

10 30 31

20 24 28

30 22 15

40 13 11

50 3 6

>50 7 9

Промерные точки с рассчитанным снегозапасом показывают вполне удовлетворительные результаты - в среднем за 1991 и 1992 г.г. погрешность в 10% случаев занимает 30,5% территории, в 20% случаев - 26% территории, в 30% случаев - 18,5% территории, т.е. на 75% территории снегозапас определен с погрешностью, не превышающей 30%.

Ясно, что для получения более достоверной картины распределения снежного покрова необходимо учитывать метеорологические факторы, влияющие на характер снегонакопления и его перераспределение. В качестве одного из них в данном исследовании была взята величина средней фоновой снежности за год. Для объединения данных о снегозапасах, полученных за разные годы, получены относительные величины мощности снежного покрова путем деления значений снегозапаса на среднюю фоновую снежность за год, ще

8 (ср.91) = 2480мм в/э и Б (ср.92) = 2060 мм в/э. Были получены следующие уравнения: БотнЛ =0.001 Н + 0.007 а + 0.011 у -2.102 (3), 8отн.2 = 0.001 Н + 0.005а + 0.004у- 1.545 (4).

Итоговое уравнение представлено ниже:

Ботн. = 0.001 Н + 0.006 а+ 0.008 у- 1.824 (5).

Для расчета снегозапасов по этому уравнению необходимо иметь оценку среднего снегозапаса в бассейне (используя данные ближайшей метеорологической станции Терскол).

Географическая интерпретация результатов была проведена на этапе получения распределения рассчитанного снегозапаса по промерным точкам, поскольку на 25% территории мощность снежного покрова была определена с погрешностью больше 30%. Анализ этой карты, карт высотно-морфологических зон и гляциоморфологических поясов дает основания сделать следующие выводы.

Нерепрезентативные значения снегозапасов можно объединить в четыре, в целом общие для 1991 г. и 1992 г., зонь^(рис.За и 36). Значительные отклонения фактических значений мощности снега от рассчитанных можно объяснить следующим:

1. Эта зона занята поверхностной мореной, которая в силу своей неоднородности создает ошибки при проведении измерений;

2. Зона скопления лавинного снега, которая приводит к недооценке истинных значений;

3. Зона ледопада (наличие трещин) может дать больший водозапас;

4. Недоступные и лавиноопасные участки с крутыми склонами, где истинное значение снегозапаса может быть как переоценено, так и недооценено.

Для проведения оценки полученных результатов также был построен ряд карт. Во-первых, изолинейная карта разницы в значениях рассчитанного и фактического снегозапасов, во-вторых, карта относительной ошибки определения мощности снежного покрова с одной изолинией - 30%. Сложение этих карт дает возможность увидеть знак отклонения рассчитанного значения снегозапаса от фактического в пределах изолинии 30% (рис.4а и 4б), который подтверждает сделанные ранее выводы:

1. в этой зоне истинные значения снегозапаса могут быть переоценнены и недооценены, что подтверждается наличием отклонений обоих знаков;

2. в этой зоне обычна недооценка истинного значения, что подтверждается наличием отрицательных отклонений;

3. положительные отклонения подтверждают вероятность получения большего водозапаса в этой зоне;

Рис. За. Зоны отклонений рассчитанного снегозапаса от фактического более, чем на 30% (в 1991 г.)

Рис. Зб. Зоны отклонений рассчитанного снегозапаса от фактического более, чем на 30% (в 1992 г.)

Рис. 4а. Разница между рассчитанным и фактическим снего-" апасом в см и отклонение рассчитанных значений от фактиче-ких более, чем на 30% (в 1991 г.)

Рис. 46. Разница между рассчитанным и фактическим снег запасом в см и отклонение рассчитанных значений от фактик ских более, чем на 30% (в 1992 г.)

4. в этой зоне одинаково вероятна недооценка и переоценка истинных значений, что подтверждается наличием отклонений обоих знаков.

На рис.За и 36 есть две области, имеющие отклонение противоположное географически обоснованному (они обозначены знаком х). Изобилие трещин (дизъюнктивных гляциодислока-ций) в этом районе приводит к повышенной доле нерепрезентативных измерений на местности. То есть здесь очень вероятны погрешности измерений в натуре.

По дальнейшему использованию и усовершенствованию данной методики можно сделать следующие выводы:

1. Имея оценку морфометричесхих характеристик рельефа и снежного покрова, можно провести районирование территории по степени лавинной опасности. Известно, что углы наклона менее 15 не представляют опасность в отношении лавинообразо-вания, 25 - 45 - наиболее благоприятные для схода лавин, а на склонах круче 60 снег не может задерживаться. Исходя из этого, была разработана следующая шкала для определения склонов:

1. < 15 - нелавиноопасные участки,

2. 15 -25 - потенциально (слабо) лавиноопасные,

3. 25 -45 - участки, наиболее благоприятные для массового схода крупных лавин,

4. 45 -60 -участки, благоприятные для схода мелких лавин,

5. > 60 - потенциально лавиноопасные.

По оценкам различных исследований минимальная мощность снега, при которой возможен сход лавин, равна 30 см. Совместный анализ снегозапасов и морфометричесхих характе ристик рельефа для оценки лавинной опасности на отдельных участках водосбора сводится к нахождению областей, в которых удовлетворяются эти два условия - мощность снежного покрова и соответствующие углы наклона.

Минимальная мощность снежного покрова на леднике Джан-куат в рассматриваемые годы составляла около 100 см и поэтому выделение лавиноопасных участков выполнялось по карте углов наклона. Ледник - не самый удачный участок для проведения районирования территории по степени лавинной опасности, но в данной работе он выступает как экспериментальный на который есть данные снегомерных съемок. Карта с лавиноопасными участками представлена на рисунке 5.

Рис. 5. Карта лавиноопасных участков территории (н; примере ледника Джанкуат).

Итак, с помощью вышеописанной методики возможно проводить оценку территории с точки зрения лавинообразования, т.е. по рельефу и снегозапасу выделять участки, которые подвержены сходу лавин. Теоретические выводы призваны помогать предсказывать развитие тех или иных явлений.

2. Если построить ряд карт водозапаса снежного покрова, можно сделать вывод об устойчивости поля аккумуляции ледника, что, в свою очередь, позволит выделить эталонные участки по критерию минимума дисперсии и к ним приурочить промерные пункты как наиболее репрезентативные. Эта работа была проделана Поповниным В.В. (1989), но только на традиционном уровне, т.е. без использования средств и методов автоматизации.

3. По стихийно расположенным промерным пунктам можно на компьютере получить сразу поле аккумуляции для проведения дальнейших работ.

4. Построение карт отклонений данного конкретного сезона от средней снежности за ряд лет даст возможность сделать вывод об аномальности конкретной зимы.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Проведенные в диссертационной работе исследования имеют как теоретическое, так-и практическое значение. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.

1. Теоретически обоснованы и разработаны принципы построения карт снегозапасов для горно-ледниковых бассейнов с помощью методов и средств автоматизации.

2. Обоснована и предложена методика оценки рельефа как фактора снегонакопления с использованием IBM PC по ряду морфометрических показателей (абсолютной высоте, углам наклона, кривизне поверхности).

3. Разработана и предложена методика моделирования максимальных снегозапасов в малом горном бассейне (на примере ледника Джанкуат), основанная на учете морфометрических харктеристик рельефа и средней фоновой снежности за год, что необходимо для расчета баланса массы ледника.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ПРАКТИЧЕСКИЕ

РЕЗУЛЬТАТЫ

4. С помощью разработанных в работе методов рассчитаны корфометрические показатели рельефа: углы наклона, кривизна юверхности на территорию ледника Джанкуат; вычислен макси-

мальный снегозапас на эту территорию для 1990/1991 1991/1992 балансовых годов.

5. Создана экспериментальная картографическая база даг ных на территорию ледника Джанкуат, включающая в себя мо{ фометрические характеристики рельефа и данные о снегозапас за ряд лет.

6. По предложенной методике получена серия карт морфе метрических характеристик рельефа и карты распределени снежного покрова на леднике Джанкуат.

7. Предложено сократить объем снегомерной съемки на лед нике Джанкуат, используя около 15 точек (которые лучше всег коррелируют с рассчитанными значениями снегозапасов).

8. Некоторые из полученных результатов используются учебном процессе для студентов - гляциологов (на лекциях и н полевой практике).

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ опублико ваны в следующих работах:

1.Разработка оценочных карт для комплексных схем охраш природы с применением методов и средств автоматизации. - Эко лого -географическое картографирование и оптимизация приро допользования в Сибири / / Материалы к 4 региональной науч но-технической конференции по тематическому картографиро ванию, Иркутск, ноябрь, 1989. Вып.З. - Иркутск. 1989. - с.186 189. (с соавт.)

2. Опыт моделирования снегозапасов в малых горных бассейнах на примере ледника Джанкуат//Вестник Моск. Ун-та. Сер.5.- N 3.-1993.- Деп. в ВИНИТИ N 214 от 01.02.93.

З.Опыт картографирования лавинной опасности с применением методов и средств автоматизации// Опасные природньк явления.МГУ.- (с соавт). в печати.