IMCES - Важнейшие результаты фундаментальных и прикладных исследований ИМКЭС за 2014 год

Важнейшие результаты фундаментальных и прикладных исследований ИМКЭС за 2014 год

1. По результатам анализа турбулентных тепловых потоков на границе океан-атмосфера в северной части Тихого океана установлено, что в период 1975-2013 гг. среднесезонные тепловые потоки на севере Тихого океана возрастали в конце XX-го столетия и уменьшались в начале XXI-го столетия. Среднесезонная температура воздуха над Северо-Востоком Сибири росла до 2006 г., затем этот рост прекратился. Корреляции исходных временных рядов низкие, однако между колебаниями с квазидекадными периодичностями они значимы и составили -0,46 зимой и -0,39 летом, что можно связать с режимами перемещений воздушных масс между материком и акваторией океана.
Межгодовая изменчивость потока скрытого тепла (LE) в субполярном круговороте Северной части Тихого океана за период 1975-2013 гг. анализировались по сезонам года: зима (декабрь, январь, февраль) и лето (июнь, июль, август).

Межгодовая изменчивость потока скрытого тепла

Рис. Межгодовая изменчивость потока скрытого тепла LE (а) в субполярном круговороте Северной части Тихого океана и температуры воздуха Твозд (б) над Северо-Востоком Сибири за 1975-2013 гг. Жирная линия - результат сглаживания с помощью прямоугольного окна, шириной 10 лет.

2. Для территории южной тайги Западной Сибири и Томской области установлена территориальная неоднородность и заметное возрастание, за 35-летний период, степени опасности большинства природно-климатических явлений. Их устойчивое увеличение (5% - ливни, 20% - сильные ветры), чередующиеся с засухами, оказывают негативное воздействие на сферу аграрного природопользования.

3. Впервые показано, что при активной дегазации вулкана Эребус циклональный подъем воздушных масс внутри циркумполярного вихря над Антарктидой обеспечивает транспорт вулканогенных газов в высотный диапазон от 14 до 22 км в количествах, необходимых для эффективного протекания гетерогенного цикла разрушения озона внутри полярных стратосферных облаков и формирования весенних озоновых аномалий современных масштабов. Чрезмерная активность вулкана Эребус в начале 80-х годов ХХ века стала определяющим фактором значительного роста антарктической озоновой дыры.

Рис. Траектория движения воздушных масс над Антарктидой с началом от координат и высоты выброса вулкана Эребус за период с 15 августа по 9 октября 2014 г.; пунктиром показана область озоновой дыры в сентябре 2014 г. (a). Вертикальное распределение озона над Южным полюсом за сентябрь-октябрь и июнь-август 2014 г. (б). Временной ход средних за октябрь значений общего содержания озона (ОСО) над Южным полюсом и средних за сентябрь-октябрь значений площади антарктической озоновой дыры на фоне среднегодовых значений выбросов SO₂ и HCl вулкана Эребус (в)

4. Установлено, что мощные вариации электрического поля во время грозы являются основной вынуждающей силой, приводящей к увеличению на 1-2 порядка толщины электродного слоя приземной атмосферы, а также к согласованным изменениям полярных электропроводностей, отражающих содержание легких ионов соответствующей полярности. Полученные результаты уточняют механизмы функционирования глобальной электрической цепи и геосферно-биосферные взаимодействия.

Рис. Изменения напряжённости электрического поля E и полярных электропроводностей λ± во время грозы

На поясняющем рисунке приведены cлева - вариации напряжённости электрического поля E, полярных электропроводностей λ± и плотности объёмного заряда p. По оси абсцисс - местное время; по оси ординат – напряжённость электрического поля, полярные электропроводности и плотность объёмного заряда (верхняя, средняя и нижняя панели). Справа – модельные пространственно-временные вариации плотности объёмного заряда. Здесь z – высота, t – время, p – плотность объемного заряда.

5. Многолетние исследования экосистемных изменений в Сибири показали, что положение относительно дренирующей реки и центрального болотного массива определяет скорость развития болотного процесса. Заболачивание междуречий началось практически одновременно на всей территории около 5 тыс. лет назад. Однако латеральное подпитывание грунтово-болотными водами в центральной части водораздела обеспечивает устойчивость водного режима и высокую скорость торфонакопления. (0.4 до 0.9 мм/год-1 в поглощенных рямах, более 1.5 мм в среднерослых).
Изолированные болота дренированных местоположений отличаются высокой контрастностью водного режима определяемого неравномерно выпадающими по годам и сезонам атмосферными осадками. Накопление торфа здесь идет значительно медленнее -0.27-0.34 мм год-1, а накопленные торфа периодически выгорают.

Рис. Возраст и приросты торфяной залежи болот на Бакчар-Иксинском междуречье

6. На основании многолетних данных по трансформации растительных остатков впервые получена количественная оценка скорости современного накопления торфа (коэффициенты трансформации) в олиготрофных болотах южнотаежной подзоны Западной Сибири, которая составляет 54 и 31 гС/м2/год в сосново-кустарничково-сфагновом фитоценозе и осоково-сфагновой топи соответственно. Выявлено, что в зависимости от вида растений скорость торфонакопления оказывается в два и более раза выше по сравнению с оценками, использующими первичную (за первый год) скорость разложения, что является существенным при исследовании динамики углеродного баланса в болотных экосистемах.

Рис. Коэффициенты трансформации травянистых растений (а), кустарничков (б) и сфагновых мхов(в).

7. Созданы, реализованы в виде комплекса унифицированных программных компонентов и интегрированы в разрабатываемую информационно-вычислительную среду для поддержки исследований климатических изменений и климатического образования вычислительные модули, определяющие современные и возможные в будущем аномалии экстремальных приземных температур и осадков относительно базового периода 1961-1990 гг. Представленные в виде набора пространственно-привязанных полей (карт), результаты вычислений показывают современные и прогнозируемые пространственно-временные изменения экстремальных климатических характеристик для изучаемого региона, а получаемый в процессе вычислений тематический архив дает количественную основу для оценки их влияния на окружающую среду региона.

В качестве примера ниже приведены минимальные зимние температуры на территории Сибири, наиболее сильно изменившиеся за период 1979-2012 гг.

Рис. Десятилетний тренд изменения числа дней с минимальной зимней температурой, оказавшейся ниже 10-процентного уровня минимальных зимних температур базового периода (TN10n, DJF).

8. Предложен физически обоснованный метод выделения климатических структур на основе теории аналитического сигнала. Метод предусматривает корреляционное сравнение фаз годового хода температурных колебаний с вычисленной типовой фазой, которая является наиболее устойчивой низкочастотной характеристикой исследуемых температурных колебаний. Данная оригинальная вычислительная технология позволяет отследить влияние факторов различного масштаба в формировании климатических структур с годовым разрешением.

Рис. Пространственное распределение климатических структур. Значения порогового коэффициента корреляции: а – 0,4; б – 0,8. Станции, входящие в группу, обозначены маркерами одного цвета, не входящие в группы обозначены знаком « + ».

9. На основе установленных закономерностей распределения снежного покрова по высотным поясам и выявленным особенностям снеголавинного режима в рамках ГИС проекта «Горно-ледниковые бассейны Алтая» составлена карта лавиноопасных участков Южно-Чуйского хребта.

Рис. Фрагмент карты лавиноопасных склонов Южно-Чуйского хребта.

10. Установлено, что при количественном анализе сжатых газовых сред с помощью спектроскопии спонтанного комбинационного рассеяния света (СКР) необходимо учитывать факторы сжимаемости среды и внутреннего поля. При этом при создании банка эталонных спектров СКР необходимо обеспечение равенства их температур и давлений, причем последнее (для газов с низким парциальным давлением) может быть обеспечено добавлением к эталонному газу аргона. Учет и обеспечение данных особенностей способствует увеличению точности разрабатываемого СКР-газоанализатора.

11. Филогенетический анализ показал, что основными направлениями эволюции 5-хвойных сосен были освоение ими все более холодных биомов (пояс хвойных лесов в тропических и субтропических горах → горная тайга в умеренном поясе → бореальные леса → субарктика) и переход от исходной анемохории к распространению семян птицами из рода Nucifraga (мелкие семена с крылом → семена среднего размера недоразвитым крылом → крупные семена с рудиментом крыла → крупные бескрылые семена). Самыми молодыми являются 4 вида кедровых сосен, которые четко делятся на две довольно далекие в филогенетическом отношении пары: западную (P. cembra - P. sibirica) и восточную (P. pumila – P. koraiensis).

Рис. Филогения евроазиатских видов 5-хвойных сосен по результатам секвенирования трех ядерных генов (LEA, 4CL, AGP6) в адаптивной системе координат

12. На основе многолетнего мониторинга состояния нижней границы леса в ХХ–начале ХХI вв. по выбранному экологическому градиенту установлена разновозрастная структура хвойных. При движении вдоль градиента от сомкнутых лесов к участкам степи доля участия кедра и ели в составе насаждений снижается, а лиственницы – увеличивается, возрастная структура и породный состав древостоев упрощается, абсолютный возраст деревьев уменьшается. Установлено, что радиальный прирост деревьев кедра, лиственницы и ели в зоне контакта «лес-степь» лимитируется недостатком осадков и высокой температурой воздуха в течение вегетационного периода. В сомкнутых лесах выравненность режима увлажнения нарушает эти установленные закономерности связи прирост–климат.

Рис. Возрастная структура и абсолютная полнота древостоев в нижней части лесного пояса Северо-Чуйского хребта (А), лесостепной границе (Б) и лесостепном экотоне Курайской степи (В) (Центральный Алтай).

13. На основе анализа результатов лабораторных и натурных испытаний экспериментального образца оптического двухканального измерителя осадков (ОДИО), проведенных в 2013 году, была разработана и создана новая одноканальная модификация оптического измерителя осадков (ОПТИОС), предназначенная для длительных испытаний в реальных природных условиях. Результаты испытаний подтвердили возможность практического использования теневого оптического метода измерения осадков в реальных условиях при воздействии различных климатических факторов.

14. Оценка состояния атмосферного воздуха г.Томска по результатам исследования проб твердого осадка снега и снеготалой воды в зонах воздействия промышленных предприятий в период с 2009 по 2013 гг., показала, что превышение содержания ртути в твердом осадке снега над фоном составляет до 11,6 раз в зоне воздействия нефтехимического завода, минимальные концентрации ртути отмечаются в зоне воздействия кирпичных заводов. Исследования позволили установить, что большая часть ртути я составе твердого осадка снега находится в свободной форме, на втором месте - физически и химически связанная, меньше всего ртути представлено в изоморфной форме. Анализ снеготалой воды выявил, что до 81% водорастворимых соединений ртути поступает с выбросами завода железобетонных конструкций.

15. Рассчитан энергетический эквивалент наземных частей растительности ландшафтов степной, лесостепной, лесной, горно-тундровой и нивально-гляциальной зон высокогорных долин Алтая (на примере бассейна р. Актру составлены карты распределения биомассы и энергетического эквивалента биомассы).

Рис. Распределение энергетического эквивалента биомассы растительности (МДж/м2) в бассейне р. Актуру.