Modeling of runoff formation processes with aufeis feed in mountain cryosphere of the north-east of Russia

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Aufeis are a key element in the chain of water exchange processes in the permafrost zone. The hydrological role of aufeis in the formation of river flow can be comparable to that of glaciers. Observations of aufeis during the construction of the Baikal-Amur Mainline showed that the share of aufeis runoff in the annual river flow can reach 35% for watersheds with an area of up to 500 km2. Despite the long history of studying aufeis and the results achieved, there are no methods for predicting the development of aufeis processes, as well as hydrological models that take into account the share of aufeis feeding in river runoff. This is due to the lack of observational data on the dynamics and development factors of aufeis. In the last century, long-term studies were carried out on some aufeis in Siberia and the Far East. One of these unique objects is the giant Anmangynda aufeis, which forms in the upper reaches of the Kolyma River basin. The aim of the research is to study the hydrological regime of the Anmangynda river basin and develop a method for accounting of aufeis runoff (module «Aufeis») in the distributed hydrological model «Hydrograph». The module “Aufeis” takes into account two factors of aufeis destruction – under the influence of solar radiation and thermal erosion destruction. The input data is the area of aufeis at the beginning of the warm season and daily meteorological data. The calculation parameters are the coefficients of ice melting and evaporation from ice, as well as the coefficient of the relative area of aufeis depending on the period of destruction, calculated for the modern climatic period. The result of the calculation is the aufeis runoff and the characteristics of aufeis for a given interval. Based on historical data and materials obtained during own field research, the module «Aufeis» was tested. The deviation of the calculated and observed values was 2—10% and 1—9% for the maximum values of the area and volume of the Anmangynda aufeis, respectively. Results of numerical calculations for the period 1967–2022 revealed the dynamics of the contribution of the Anmangynda aufeis to the river flow in different seasons. The expanded functionality of the Hydrograph model has improved the quality of modeling for rivers where aufeis form. For the river basin Anmangynda average Nash-Sutcliffe coefficient and annual runoff error were 0,57 and 13,0% compared to 0,41 and 18,0% when the module «Aufeis» was not used.

References

  1. Morse P., Wolfe S. Long-Term River icing dynamics in discontinuous permafrost, subarctic Canadian Shield: River icing dynamics in discontinuous permafrost, subarctic Canada // Permafr. Periglac. Process., 2016, 28, P. 580-586. URL: https://doi.org/10.1002/ppp.1907.
  2. Brombierstäudl D., Schmidt S., Nüsser M. Distribution and relevance of Aufeis (icing) in the upper Indus Basin // Science of The Total Environment., 2021, 780, P. 146604. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.146604.
  3. Алексеев В.Р. Многолетняя изменчивость родниковых наледей-тарынов // Лёд и снег. 2016. Т. 56. № 1. С. 73-93.
  4. Гляциологический словарь / В.М. Котляков, В.Р. Алексеев, Н.В. Волков и др.; ред. В.М. Котляков. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1984. 528 с.
  5. Morse P., Wolfe S. Geological and meteorological controls on icing (aufeis) dynamics (1985 to 2014) in subarctic Canada // Geophys. Res. Earth Surf., 2015, 120, P. 1670-1686. URL: https://doi.org/10.1002/2015JF003534.
  6. Макарьева О.М., Нестерова Н.В., Алексеев В.Р., Шихов А.Н., Землянскова А.А., Осташов А.А. Оценка объемов наледей в бассейне реки Индигирка // Метеорология и гидрология. 2022 №3. С. 81-90. doi: 10.52002/0130-2906-2022-3-81-90
  7. Романовский Н.Н. Подземные воды криолитозоны. Под ред. В.А. Всеволожского. Москва: Изд-во МГУ, 1983. 232 с.
  8. Атлас гигантских наледей-тарынов Северо-Востока России / В.Р. Алексеев, О.М. Макарьева, А.Н. Шихов, Н.В. Нестерова, А.А. Осташов, А.А. Землянскова; ред. В.В. Шепелев, М.Н. Железняк. Новосибирск: СО РАН, 2021. 302 с. ISBN 978-5-6046428-2-5
  9. Пигузова В.М. Оценка подземного стока в реки зоны многолетней мерзлоты // Тр. ГГИ. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1965. Вып. 122: Исследование подземного стока в реки. С. 87-107.
  10. Соколов Б.Л. Наледи и речной сток / Б.Л. Соколов. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1975. 190 с.
  11. Марков М.Л., Василенко Н.Г., Гуревич Е.В. Наледи зоны БАМ: Экспедиционные исследования / М.Л. Марков, Н.Г. Василенко, Е.В. Гуревич. Санкт-Петербург: Нестор-История, 2017. 320 с.
  12. Brombierstäudl D., Schmidt S., Nüsser M. Spatial and temporal dynamics of aufeis in the Tso Moriri basin, eastern Ladakh, India // Permafrost and Periglacial Processes, 2022, 34, 10.1002/ppp.2173. URL: https://doi.org/10.1002/ppp.2173.
  13. Wanty R., Wang B., Vohden J., Day W., Gough L. Aufeis accumulations in stream bottoms in arctic and subarctic environments as a possible indicator of geologic structure: Chapter F in Recent U.S. Geological Survey studies in the Tintina Gold Province, Alaska, United States, and Yukon, Canada-results of a 5-year project. "em"Scientific Investigations Report"/em" (2007): 13 p.
  14. Terry N., Grunewald E., Briggs M., Gooseff M., Huryn A.D., Kass M.A., Tape K.D., Hendrickson P., Lane Jr J.W., Hendrickson P., Lane J.W. Seasonal Subsurface Thaw Dynamics of an Aufeis Feature Inferred from Geophysical Methods // Journal of Geophysical Research: Earth Surface, 2020, 125(3). https://doi.org/10.1029/2019jf005345.
  15. Seibert J., Vis M.J.P. Teaching hydrological modeling with a user-friendly catchment-runoff-model software package // Hydrol. Earth Syst. Sci., 2012, 16, P. 3315-3325. https://doi.org/10.5194/hess-16-3315-2012. 
  16. Seibert J., Vis M., Lewis E., van Meerveld I. Upper and lower benchmarks in hydrological modeling // Hydrological Processes, 2018, 32. 10.1002/hyp.11476.
  17. Koboltschnig G.R., Schöner W., Zappa M., Kroisleitner C., Holzmann H. Runoff modelling of the glacierized Alpine Upper Salzach basin (Austria): multi-criteria result validation // Hydrol. Process., 2008, 22, 3950-3964. https://doi.org/10.1002/hyp.7112.
  18. Hülsmann L., Geyer T., Schweitzer C., Priess J., Karthe D. The effect of subarctic conditions on water resources: initial results and limitations of the SWAT model applied to the Kharaa River Basin in Northern Mongolia // Environmental Earth Sciences, 2015, 73(2). P. 581–592. doi: 10.1007/s12665-014-3173-1
  19. Gagarin L., Qingbai W., Melnikov A., Volgusheva N., Tananaev N., Jin H., Zhang Z., Zhizhin V. Morphometric analysis of groundwater icings: Intercomparison of estimation techniques // Remote Sensing., 2020, 12(4), P. 692. doi: 10.3390/rs12040692.
  20. Makarieva O., Nesterova N., Ostashov A., Zemlyanskova A., Tumskoy V., Gagarin L., Ekaykin A., Shikhov A., Olenchenko V., Khristoforov I. Perspectives of the development of complex interdisciplinary hydrological and geocryological research in the North-East of Russia // Vestnik of SPbSU. Earth Sciences, 2021, 66(1). https://doi.org/10.21638/spbu07.2021.105.
  21. Едемский Д.Е., Тумской В.Е., Прокопович И.В. Первые результаты применения георадарной съемки для изучения строения наледей в долине р. Кюбюме (Оймяконское нагорье) // Сборник материалов конференции Инженерная и рудная геофизика, Санкт-Петербург, 2023. С. 136-141.
  22. Makarieva O., Nesterova N., Shikhov A., Zemlianskova A., Luo D., Ostashov A., Alexeev V. Giant Aufeis – Unknown Glaciation in North-Eastern Eurasia According to Landsat Images 2013–2019 // Remote Sens., 2022, 14, P. 4248. https://doi.org/10.3390/rs14174248.
  23. Соколов Б.Л., Саркисян В.О. Подземное питание горных рек / Б.Л. Соколов, В.О. Саркисян. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1981. 239 с.
  24. Толстихин О.Н. Наледи и подземные воды северо-востока СССР / О.Н. Толстихин; ред. С.М. Фотиев. Новосибирск: Изд-во Наука, 1974. 164 с.
  25. Букаев Н.А. Основные закономерности режима гигантских наледей в верховьях р. Колымы (на примере Анмангындинской наледи) // В кн. «Наледи Сибири». М.: Наука, 1969. С. 62-78.
  26. Абрамов Д.А., Макарьева О.М., Землянскова А.А., Осташов А.А., Нестерова Н.В. Развитие сети геокриологического мониторинга Магаданской области: первые результаты 2021-2022 гг. // Материалы V Всероссийской научно-практической конференции «Современные тенденции и перспективы развития гидрометеорологии России», Иркутск 23-25 ноября 2022 г. Отв. редактор Е.Н. Сутырина. Иркутск, 2023. С. 119-126.
  27. Землянскова А.А., Алексеев В.Р., Шихов А.Н., Осташов А.А., Нестерова Н.В., Макарьева О.М. Многолетняя динамика гигантской Анмангындинской наледи на Северо-Востоке России (1962-2021 гг.) // Лед и снег. 2023. Т. 63. № 1. С. 71-84. https://doi.org/10.31857/S2076673423010167
  28. Zemlianskova A., Makarieva O., Shikhov A., Alekseev V., Nesterova N., Ostashov A. The impact of climate change on seasonal glaciation in the mountainous permafrost of North-Eastern Eurasia by the example of the giant Anmangynda aufeis // Catena. – 2023. – Р. 107530. URL: https://doi.org/10.1016/j.catena.2023.107530
  29. Государственный водный кадастр. Многолетние данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши. Том 1. Вып. 17. Бассейны рек Колымы и рек Магаданской области. 1976–1980 гг. // Колымское управление гидрометеорологической службы. Л.: Гидрометеоиздат, 1985.
  30. Осташов А.А., Макарьева О.М., Нестерова Н.В., Землянскова А.А. Методика мониторинга наледей с помощью БПЛА // Сборник докладов Шестой конференции геокриологов России с участием российских и зарубежных ученых, инженеров и специалистов. Под редакцией Р.Г. Мотенко. Москва, 2022. С. 294-299.
  31. Виноградов Ю.Б. Математическое моделирование процессов формирования стока: опыт критического анализа) / Ю.Б. Виноградов. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1988. 312 с.
  32. Лебедева Л.С. Формирование речного стока в зоне многолетней мерзлоты Восточной Сибири. Дис.канд. геогр. наук. Москва: Из-во Института географии РАН, 2018. 125 с.
  33. Нестерова Н.В. Моделирование гидрологических характеристик бассейнов горных рек России различной степени изученности в современном климате. Дис. … канд. техн. наук: 1.6.16. Санкт-Петербург, 2022. 177 с.
  34. Васильев А.И. Современное состояние ландшафтов водосборного бассейна реки Анмангында // Устойчивость природных и технических систем криолитозоны в условиях изменения климата: материалы Всероссийской конференции с международным участием, посвященной 150-летию М.И. Сумгина. Якутск, 2022. С. 182-186.
  35. Макарьева О.М., Нестерова Н.В., Лебедева Л.С., Виноградова Т.А. Моделирование процессов формирования стока рек высокогорной криолитозоны Восточной Сибири (на примере хребта Сунтар-Хаята) // География и природные ресурсы. 2019. № 1. С 178-186.
  36. Отчет по результатам воднобалансовых исследований с наледной составляющей в бассейне р. Анмангынды. Магадан: Изд-во Колымское управление гидрометеорологической службы, 1977 г. 62 с.
  37. Makarieva O.M.; Nesterova N.V.; Post D.A.; Sherstyukov A.; Lebedeva L. Warming temperatures are impacting the hydrometeorological regime of Russian rivers in the zone of continuous permafrost. Cryosphere, 2019, 13, 1635-1659.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).