Environmental Change in Siberia

ADVANCES IN GLOBAL CHANGE RESEARCH

VOLUME 40

Editor-in-Chief

Martin Beniston, University of Geneva, Switzerland

Editorial Advisory Board

B. Allen-Diaz, Department ESPM-Ecosystem Sciences, University of California, 

Berkeley, CA, USA.

R.S. Bradley, Department of Geosciences, University of Massachusetts, Amherst,  

MA, USA.

W. Cramer, Earth System Analysis, Potsdam Institute for Climate Impact Research, 

Potsdam, Germany.

H.F. Diaz, Climate Diagnostics Center, Oceanic and Atmospheric Research, NOAA, 

Boulder, CO, USA.

S. Erkman, Institute for communication and Analysis of Science and Technology–ICAST, 

Geneva, Switzerland.

R. Garcia Herrera, Faculated de Fisicas, Universidad Complutense, Madrid, Spain.
M. Lal, Center for Atmospheric Sciences, Indian Institute of Technology, New Delhi, India.
U. Luterbacher, The Graduate Institute of International Studies, University of Geneva, 

Geneva, Switzerland

.

I. Noble, CRC for Greenhouse Accounting and Research School of Biological Science, 

Australian National University, Canberra, Australia

.

L. Tessier, Institut Mediterranéen d’Ecologie et Paléoécologie, Marseille, France.
F. Toth, International Institute for Environment and Sustainability, Ec Joint Research 

Centre, Ispra (VA), Italy

.

M.M. Verstraete, Institute for Environment and Sustainability, Ec Joint Research Centre, 

Ispra (VA), Italy

.

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www.springer.com/series/5588

Heiko Balzter

Editor

Environmental Change  

in Siberia

Earth Observation, Field Studies  

and Modelling

Editor

Heiko Balzter

Department of Geography

University of Leicester, Centre for Environmental Research

University Road

Leicester

United Kingdom

hb91@le.ac.uk

ISBN 978-90-481-8640-2

e-ISBN 978-90-481-8641-9

DOI 10.1007/978-90-481-8641-9

Springer Dordrecht Heidelberg London New York

Library of Congress Control Number: 2010927687

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permission from the Publisher, with the exception of any material supplied specifically for the purpose 
of being entered and executed on a computer system, for exclusive use by the purchaser of the work. 

Cover  illustration

:  Main  photo:  The  foreground  features  subalpine  meadows  surrounding  by  Pinus 

Sibirica dominated woodlands, the background an alpine ridge in the Ergaki mountains called “Sleeping 
Sayan”, photo by D.M. Ismailova. Top photo: A Larix sibirica above a landscape leading towards the 
South Altai Mountains, photo by V.I. Kharuk.

Printed on acid-free paper

Springer is part of Springer Science+Business Media (www.springer.com)

To Judith, Dominik and Julian...

 

vii

Preface

The Siberian environment is a unique region of the world that is both very strongly 
affected by global climate change and at the same time particularly vulnerable to 
its consequences. The news about the melting of sea ice in the Arctic Ocean and 
the prospect of an ice-free shipping passage from Scandinavia to Alaska along the 
Russian  north  coast  has  sparked  an  international  debate  about  natural  resource 
exploitation, national boundaries and the impacts of the rapid changes on people, 
animals and plants. Over the last decades Siberia has also witnessed severe forest 
fires to an extent that is hard to imagine in other parts of the world where the popu-
lation density is higher, the fire-prone ecosystems cover much smaller areas and the 
systems  of  fire  control  are  better  resourced.  The  acceleration  of  the  fire  regime 
poses the question of the future of the boreal forest in the taiga region. Vegetation 
models have already predicted a shift of vegetation zones to the north under sce-
narios of global climate change. The implications of a large-scale expansion of the 
grassland steppe ecosystems in the south of Siberia and a retreat of the taiga forest 
into the tundra systems that expand towards the Arctic Ocean would be very signifi-
cant for the local population and the economy.

I  have  studied  Russian  forests  from  remote  sensing  and  modelling  for  about  

11 years now and still find it a fascinating subject to investigate. Over this time period 
Russia has undergone substantial social, political and economic changes and devel-
oped excellent remote sensing centres that now enjoy a world wide reputation. From 
1998  to  2000  the  European  funded  project  SIBERIA,  in  which  I  started  my  post-
doctoral research career and which was led by Professor Chris Schmullius from Jena, 
produced the first Synthetic Aperture Radar (SAR) map of forest growing stock over 
an area of 1 million square kilometers. At the time, the German Aerospace Agency 
(DLR) had to move a mobile receiving station to Lake Baikal to be able to record the 
first SAR images of the region. The forest map used over 600 images from three 
radar sensors, and led to the insight that the remaining forest cover in Siberia is much 
less  than  previous  global  change  studies  assumed.  In  the  follow-on  project 
SIBERIA-II we examined a much wider concept of using a whole range of biophysi-
cal data products from a multitude of satellites in a full greenhouse gas account over 
a  region  of  3  million  square  kilometers.  This  study  was  the  first  such  attempt  to 
incorporate many variables that would now be called Essential Climate Variables by 
the Global Climate Observing System (GCOS) into a real greenhouse gas account.

viii

Preface

When I took up the Chair in Physical Geography at the University of Leicester 

in 2006 I invited a number of eminent researchers with interests in environmental 
change in Siberia to visit Leicester for a Symposium on Environmental Change in 
Siberia. We enjoyed 2 days packed with exciting presentations and full of inspiring 
conversations over coffee, tea and dinner. This book is primarily the outcome of this 
Symposium with a few additions from authors who I invited to contribute. I am 
particularly grateful to the University of Leicester for its financial support for the 
Symposium and to all participants for their contributions to this book. I also want 
to thank Alex Szumski who was a crucial helper in getting the book manuscript to 
the printing stage.

The structure of this book covers environmental change processes in the bio-

sphere,  hydrosphere  and  atmosphere  and  concludes  with  two  contributions  on 
environmental information systems that are being developed to safeguard data that 
are vital to further advance our understanding of Siberian ecosystems.

Leicester, September 2009 

Prof. Heiko Balzter

ix

Contents

Part I  Biosphere

1  Forest Disturbance Assessment Using Satellite Data  

of Moderate and Low Resolution ............................................................ 

3

M.A. Korets, V.A. Ryzhkova, I.V. Danilova, A.I. Sukhinin,  
and S.A. Bartalev

2  Fire/Climate Interactions in Siberia  .......................................................  21

H. Balzter, K. Tansey, J. Kaduk, C. George,  
F. Gerard, M. Cuevas Gonzalez, A. Sukhinin,  
and E. Ponomarev

3  Long-Term Dynamics of Mixed Fir-Aspen Forests  

in West Sayan (Altai-Sayan Ecoregion) ..................................................  37
D.M. Ismailova and D.I. Nazimova

4  Evidence of Evergreen Conifers Invasion into Larch  

Dominated Forests During Recent Decades ...........................................  53
V.I. Kharuk, K.J. Ranson, and M.L. Dvinskaya

5  Potential Climate-Induced Vegetation Change  

in Siberia in the Twenty-First Century ...................................................  67
N.M. Tchebakova, E.I. Parfenova, and A.J. Soja

6  Wildfire Dynamics in Mid-Siberian Larch Dominated Forests ............  83

V.I. Kharuk, K.J. Ranson, and M.L. Dvinskaya

7  Dendroclimatological Evidence of Climate Changes  

Across Siberia  ...........................................................................................  101
V.V. Shishov and E.A. Vaganov

x

Contents

  8  Siberian Pine and Larch Response to Climate Warming  

in the Southern Siberian Mountain Forest: Tundra Ecotone .............  115
V.I. Kharuk, K.J. Ranson, M.L. Dvinskaya, and S.T. Im

Part II  Hydrosphere

  9  Remote Sensing of Spring Snowmelt in Siberia ...................................  135

A. Bartsch, W. Wagner, and R. Kidd

10  Response of River Runoff in the Cryolithic Zone  

of Eastern Siberia (Lena River Basin) to Future  
Climate Warming ....................................................................................  157
A.G. Georgiadi, I.P. Milyukova, and E.A. Kashutina

Part III  Atmosphere

11  Investigating Regional Scale Processes Using Remotely  

Sensed Atmospheric CO

2

 Column Concentrations  

from SCIAMACHY ................................................................................  173
M.P. Barkley, A.J. Hewitt, and P.S. Monks

12  Climatic and Geographic Patterns of Spatial Distribution  

of Precipitation in Siberia ......................................................................  193
A. Onuchin and T. Burenina

Part IV  Information Systems

13  Interoperability, Data Discovery and Access:  

The e-Infrastructures for Earth Sciences Resources ...........................  213
S. Nativi, C. Schmullius, L. Bigagli,  
and R. Gerlach

14  Development of a Web-Based Information-Computational  

Infrastructure for the Siberia Integrated Regional Study ..................  233
E.P. Gordov, A.Z. Fazliev, V.N. Lykosov, I.G. Okladnikov,  
and A.G. Titov

15  Conclusions ..............................................................................................  253

H. Balzter

Appendix ..........................................................................................................  255

Index .................................................................................................................  279

xi

Contributors

Heiko Balzter
Department of Geography, University of Leicester, Centre for Environmental 
Research, University Road, Leicester LE1 7RH, UK
hb91@le.ac.uk

M.P. Barkley
School of GeoSciences, University of Edinburgh, Crew Building,  
The King’s Buildings, West Mains Road, Edinburgh EH9 3JN, UK
Michael.Barkley@ed.ac.uk

S.A. Bartalev
Space Research Institute (IKI), 117997, 84/32 Profsoyuznaya str.,  
Moscow, Russia
bartalev@smis.iki.rssi.ru

A. Bartsch
Institute of Photogrammetry and Remote Sensing,  
Vienna University of Technology, Gusshausstraße 27–29, 1040 Vienna, Austria
ab@ipf.tuwien.ac.at

Lorenzo Bigagli
Friedrich-Schiller-University, Institute for Geography,  
Earth Observation, Grietgasse 6, 07743 Jena, Germany
lorenzo.bigagli@pin.unifi.it

T. Burenina
V.N. Sukachev Institute of Forest, SB RAS, 660036, Krasnoyarsk, 
Akademgorodok, 50, Russia
burenina@ksc.krasn.ru

Maria Cuevas Gonzalez
Centre for Ecology and Hydrology, Maclean Building, Benson Lane,  
Crowmarsh Gifford, Wallingford, Oxfordshire, OX10 8BB, UK
cuevasgonzalez@gmail.com

xii

Contributors

I.V. Danilova
Sukachev Institute of Forest (SIF), 660036, 50/28,  
Akademgorodok str., Krasnoyarsk, Russia
tiv80@ksc.krasn.ru

M.L. Dvinskaya
V.N. Sukachev Institute of Forest, SB RAS, 660036,  
Krasnoyarsk, Academgorodok, 50, Russia 
mary_dvi@ksc.krasn.ru

A.Z. Fazliev
Institute of Atmospheric Optics SB RAS, 634055, Tomsk,  
Akademicheski ave., 1, Russia
faz@iao.ru

Charles George
Centre for Ecology and Hydrology, Maclean Building, Benson Lane,  
Crowmarsh Gifford, Wallingford, Oxfordshire, OX10 8BB, UK
ctg@ceh.ac.uk

A.G. Georgiadi
Institute of Geography, Russian Academy of Sciences,  
Staromonetny per., 29, 119017 Moscow, Russia 
galex50@gmail.com

France Gerard
Centre for Ecology and Hydrology, Maclean Building, Benson Lane,  
Crowmarsh Gifford, Wallingford, Oxfordshire, OX10 8BB, UK
ffg@ceh.ac.uk

Roman Gerlach
Friedrich-Schiller-University, Institute for Geography, Earth Observation, 
Grietgasse 6, 07743 Jena, Germany
roman.gerlach@uni-jena.de

E.P. Gordov
Siberian Center for Environmental research and Training  
and Institute of Monitoring of Climatic and Ecological Systems SB RAS,  
634055, Tomsk, Akademicheski ave., 10/3, Russia
gordov@scert.ru

A.J. Hewitt
Earth Observation Science group, Departments of Physics and Chemistry, 
University of Leicester, University Road, Leicester, LE1 7RH, UK
ajh67@le.ac.uk

S.T. Im
V.N. Sukachev Institute of Forest, SB RAS, 660036, Krasnoyarsk, 
Akademgorodok, 50, Russia 
stim@ksc.krasn.ru

xiii

Contributors

D.M. Ismailova
V.N. Sukachev Institute of Forest, SB RAS, 660036,  
Krasnoyarsk, Akademgorodok, 50, Russia
dismailova@mail.ru

Jörg Kaduk
Centre for Environmental Research, Department of Geography  
University of Leicester, University Road, Leicester LE1 7RH, UK
j.kaduk@leicester.ac.uk

E.A. Kashutina
Institute of Geography, Russian Academy of Sciences,  
Staromonetny per., 29, 119017 Moscow, Russia 
kategeo@mail.ru

V.I. Kharuk
V.N. Sukachev Institute of Forest, SB RAS, 660036, Krasnoyarsk, 
Academgorodok, 50, Russia
kharuk@ksc.krasn.ru

R. Kidd
Institute of Photogrammetry and Remote Sensing, Vienna University of 
Technology, Gusshausstraße, 27–29, 1040 Vienna, Austria and now at Spatial 
Information & Mapping Centre, Banda Aceh, Indonesia
richard.a.kidd@gmail.com

M.A. Korets
Sukachev Institute of Forest (SIF), 50/28, Akademgorodok street,  
660036, Krasnoyarsk, Russia
mik@ksc.krasn.ru

V.N. Lykosov
Institute for Numerical Mathematics RAS, Moscow, Russia
lykossov@inm.ras.ru

I.P. Milyukova
Institute of Geography, Russian Academy of Sciences,  
Staromonetny per., 29, 119017 Moscow, Russia 
mil-ira@list.ru

P.S. Monks
Earth Observation Science group, Departments of Physics and Chemistry, 
University of Leicester, University Road, Leicester, LE1 7RH, UK
p.s.monks@le.ac.uk

Stefano Nativi
Italian National Research Council – IMAA and University of Florence at Prato
nativi@imaa.cnr.it

xiv

Contributors

D.I. Nazimova
V.N. Sukachev Institute of Forest, SB RAS, 660036, Krasnoyarsk, 
Akademgorodok, 50, Russia
inpol@mail.ru

I.G. Okladnikov
Siberian Center for Environmental research and Training and Institute of 
Monitoring of Climatic and Ecological Systems SB RAS, 634055, Tomsk, 
Akademicheski ave., 10/3, Russia 
onuchin@ksc.krasn.ru

A. Onuchin
V.N. Sukachev Institute of Forest, SB RAS, 660036,  
Krasnoyarsk, Akademgorodok, 50, Russia
onuchin@ksc.krasn.ru

E.I. Parfenova
V.N. Sukachev Institute of Forest, SB RAS, 660036,  
Krasnoyarsk, Akademgorodok, 50, Russia 
02611@rambler.ru

Evgeni Ponomarev
Sukachev Institute of Forest, Siberian branch of Russian Academy of Sciences, 
660036, Krasnoyarsk, Academgorogok, Russia
evg@ksc.krasn.ru

K.J. Ranson
NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, MD 20771, USA
jon.ranson@nasa.gov

V.A. Ryzhkova
Sukachev Institute of Forest (SIF), 50/28, Akademgorodok Street,  
660036, Krasnoyarsk, Russia
vera@ksc.krasn.ru

Christiana Schmullius
Friedrich-Schiller-University, Institute for Geography, Earth Observation, 
Grietgasse 6, 07743 Jena, Germany
c.schmullius@uni-jena.de

Vladimir V. Shishov
IT and Math. Modelling Department, Krasnoyarsk State Trade-Economical 
Institute, L. Prushinskoi St., Krasnoyarsk, 660075, Russia
shishov@forest.akadem.ru
And Dendroecology Department, Sukachev Institute of Forest,  
Siberian Branch of Russian Academy of Sciences,  
Akademgorodok St., Krasnoyarsk, 660036, Russia

xv

Contributors

A.J. Soja
National Institute of Aerospace, Resident at NASA Langley Research Center 21 
Langley Boulevard, Mail Stop 420, Hampton, VA 23681-2199, USA
Amber.J.Soja@nasa.gov

A.I. Sukhinin
Sukachev Institute of Forest (SIF), 660036, 50/28,  
Akademgorodok str., Krasnoyarsk, Russia
boss@ksc.krasn.ru

Kevin Tansey
Centre for Environmental Research, Department of Geography  
University of Leicester, University Road, Leicester LE1 7RH, UK
kjt7@le.ac.uk

N.M. Tchebakova
V.N. Sukachev Institute of Forest, SB RAS, 660036, Krasnoyarsk, 
Akademgorodok, 50, Russia
ncheby@ksc.krasn.ru

A.G. Titov
Siberian Center for Environmental research and Training and Institute of 
Monitoring of Climatic and Ecological Systems SB RAS, 634055, Tomsk, 
Akademicheski ave., 10/3, Russia
titov@scert.ru

Eugene A. Vaganov
Siberian Federal University, 79 Svobodnji Ave, Krasnoyarsk 660041, Russia
institute@forest.akadem.ru

W. Wagner
Institute of Photogrammetry and Remote Sensing,  
Vienna University of Technology, Gusshausstraße, 27–29, 1040 Vienna, Austria
ww@ipf.tuwien.ac.at