«ОТЧЕТ О НАУЧНОЙ И НАУЧНО-ОРГАНИЗАЦИОННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ за 2009 год Утверждаю Директор института, д.ф.-м.н. _В.А.Крутиков Томск-2010 СОДЕРЖАНИЕ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА I 3 Важнейшие результаты фундаментальных и ...»

УЧРЕЖДЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

ИНСТИТУТ МОНИТОРИНГА КЛИМАТИЧЕСКИХ

И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РАН

ОТЧЕТ

О НАУЧНОЙ И НАУЧНО-ОРГАНИЗАЦИОННОЙ

ДЕЯТЕЛЬНОСТИ за 2009 год

Утверждаю

Директор института, д.ф.-м.н.

_В.А.Крутиков Томск-2010

СОДЕРЖАНИЕ

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

I 3 Важнейшие результаты фундаментальных и прикладных исследований 1.1 Научно-организационная деятельность ИМКЭС 1.2 Результаты научно-исследовательских работ 1.3 Краткие аннотации научно-исследовательских работ, выполненных по 1.3.1 «базовым» проектам СО РАН Краткая аннотация по проекту № 16.10 по программе РАН 1.3.2 Краткие аннотации по интеграционным проектам СО РАН 1.3.3 Краткие аннотации по грантам РФФИ 1.3.4 Отчет СЦ КЛИО 1.3.5 Информация по отчетам по экспедициям и стационарам 1.3.6.

НАУЧНО-ОРГАНИЗАЦИОННАЯ РАБОТА

II Деятельность Ученого совета 2.1 Кадры 2.2 Характеристика Международных научно-технических связей 2.3 Итоги научной деятельности 2.4 Официальное признание 2.5

ФИНАНСОВО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ

III

ИННОВАЦИОННАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ

IV ПРИЛОЖЕНИЕ Список публикаций

I НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

1.1. ВАЖНЕЙШИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПРИКЛАДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ИНСТИТУТА

Важнейшие достижения ИМКЭС СО РАН за 2009 год 1. За период глобального потепления 1975-2005 гг. рост на Азиатской территории России составил 1,05 оС, среднегодовые давление и осадки снизились как в теплый, так и в холодный сезоны. Эти изменения связаны с изменениями в атмосферной циркуляции, характеризующимися усилением западного переноса в верхней тропосфере и уменьшением числа приходящих циклонов при наблюдаемом росте времени их пребывания на территории. Долгопериодные (>10 лет) колебания температуры на территории в большей степени связаны с Южным, чем Северо-Атлантическим колебанием (проект 7.10.1.1).

Рис.1. Карта среднегодовых трендов температур для Азиатской территории России за период 1975-2005гг. (по инструментальным данным).

Рис.2. Средняя зональная составляющая скорости ветра (м/с) в январе (1948-2005 гг.) и ее тренд (м/с за 10 лет).

Публикации:

1. Ипполитов И.И., Кабанов М.В., Логинов С.В., Харюткина Е.В. Структура и динамика метеорологических полей на азиатской территории России в период интенсивного глобального потепления 1975-2005гг. // Журнал Сибирского федерального университета. Биология. - 2008. – Т. 1(4). - С. 323-344.

2. Дюкарев Е.А., Ипполитов И.И., Кабанов М.В., Логинов С.В. Изменчивость субтропического струйного течения в тропосфере Северного полушария во второй половине ХХ в. // Оптика атмосферы и океана. - 2008. - Т. 21. - № 10. - С. 869-875.

3. Горбатенко В.П., Ипполитов И.И., Поднебесных Н.В. Циркуляция атмосферы над Западной Сибирью в 1976-2004гг. //Метеорология и гидрология. - 2007. - № 5. С. 28-36.

4. Горбатенко В.П., Ипполитов И.И., Логинов С.В., Поднебесных Н.В. Исследования циклонической и антициклонической активности на территории Западной Сибири по данным реанализа NCEP/DOE AMIP-II и синоптических карт // Оптика атмосферы и океана. - 2009. - Т. 22. - № 1. - С. 38-41.

5. Ипполитов И.И., Кабанов М.В., Логинов С.В. Пространственные и временные масштабы наблюдаемого потепления в Сибири //Доклады Академии наук. - 2007. Т. 412. - № 6. - С. 1-5.

2. По результатам многолетних исследований развития экосистем на отложенных молодых моренах Горного Алтая установлены три климатогенных сукцессионных ряда: в Северо-Чуйском центре оледенения в условиях холодного умеренновлажного климата – лесной; в Катунском, с холодным влажным климатом – тундровый; в Южно-Чуйском, с холодным сухим климатом - криофитно-степной.

Рис. Стадии формирования первичной растительности на I, II, III - стадии формирования первичной растительности (пунктирной линией обозначены границы стадий).

Стадии существенно различаются в разных центрах оледенения по продолжительности, количеству и составу видов, структуре первичных сообществ. Эти различия обусловлены, прежде всего, климатическими особенностями центров оледенения, с которыми связан тип окружающих морены растительных сообществ (проект 7.10.1.3).

Публикации:

1. Narozhnyi Yu.K., Dirks M.N., Beresov A.A. Experience in Combined Glaciological and Botanical Studies on the Primary Plant Successions on Young Moraines in the Central Altai // Russian Journal of Ecology. - 2003. - Vol. 34.- No. 2. - р. 101-107.

2. Тимошок Е.Е., Нарожный Ю.К., Диркс М.Н., Скороходов С.Н., Березов А.А. Динамика ледников и формирование растительности на молодых моренах Центрального Алтая. - Томск, 2008. - 210 с.

3. Тимошок Е.Е., Диркс М.Н., Скороходов С.Н. Видовое разнообразие сосудистых растений на молодых моренах ледника Софийский (Южно-Чуйский хребет, Центральный Алтай) //Журнал Сибирского федерального университета. Биология. – 2009. - № 2 (1). - С. 90-102.

4. Диркс М.Н., Тимошок Е.Е., Скороходов С.Н. Видовое разнообразие сосудистых растений на молодых моренах долинных ледников северного макросклона СевероЧуйского хребта // Вестник ТГУ. Биология. - 2009. - № 3 (4). - С. 16-24.

3. Впервые с помощью палеореконструкций средних июльских температур методом Букреевой по палинологическим данным 6-ти торфяников из зоны тайги и зоны лиственных лесов выявлено начало смягчающего влияния болотного покрова Западной Сибири на локальные климаты в прошлом (проект 7.10.1.2).

Рис. Графическое изображение изменений среднеиюльских температур, реконструированных по палинологическим данным 6-х пыльцевых разрезов на территории Западной Сибири с помощью многомерного статистического анализа (1,2,3 – реконструкции пыльцевых разрезов из средней тайги; 4,5,6 – реконструкции пыльцевых разрезов из южной тайги и зоны лиственных лесов).

Пунктирной линией отмечено время, с которого смягчающее воздействие болотного покрова на локальный климат стало проявляться на юго-востоке средней тайги (около 5 тыс. лет назад), на севере средней тайги это явление стало Публикации:

1. Бляхарчук Т.А., Кусков А.И. Результаты реконструкции изменений климата голоцена по данным пыльцевого анализа с помощью 2-х различных численных методов // Восьмое Сибирское совещание по климато-экологическому мониторингу: Матлы рос.конф. / Под ред.М.В.Кабанова. - Томск: Аграф-Прес, 2009. - С.67-70.

4. На основании проведенных в 1999-2008 гг. инструментальных исследований потоков углекислого газа с поверхности олиготрофного болота установлено, что исследуемые болотные экосистемы аккумулируют в среднем 21 (высокий рям), 115 (низкий рям) и 96 (осоково-сфагновая топь) гС/м2 в год. Значимых тенденций изменения углеродного баланса во временном ходе, связанных с глобальным изменением климата, не обнаружено. Анализ временного хода углеродного баланса исследуемых болотных экосистем выявил высокую изменчивость баланса от года к году при отсутствии значимых тенденций изменения за последние 10 лет (интеграционный проект СО РАН № 66).

Баланс углерода, гC м-2 год- Рис. Временной ход эмиссии углекислого газа за бесснежные периоды 1999-2008гг., рассчитанные для высокого (1) и низкого ряма (2), осоково-сфагновой топи (3) и соответствующие линейные тренды.

Публикации:

1. Golovatskaya E.A., Dyukarev E.A. Carbon budget of oligotrophic bog in southern taiga in Western Siberia // Plant and Soil. – 2009. - Vol.315. – p.19-34.

2. Головацкая Е.А., Дюкарев Е.А., Ипполитов И.И., Кабанов М.В. Влияние ландшафтных и гидрометеорологических условий на эмиссию СО2 в торфоболотных экосистемах // Доклады Академии Наук. - 2008. - Т. 418. - № 4. - С.539-542.

3. Головацкая Е.А. Биологическая продуктивность олиготрофных и эвтрофных болот южно-таежной подзоны Западной Сибири // Журнал СФУ. Биология. - 2009. - Т.2.С. 38-53.

4. Дюкарев Е.А., Головацкая Е.А. Моделирование углеродного баланса болотных экосистем южной тайги при различных сценариях изменения климата // Вычислительные технологии. Спец. выпуск. - 2008. -Т.3. - С.130-136.

5. Головацкая Е.А., Дюкарев Е.А. Сезонная и суточная динамика эмиссии СО2 с поверхности олиготрофной торфяной почвы // Метеорология и гидрология (в печ).

6. На основе анализа многолетних результатов исследований предложены новые физические представления о том, что в структуре регистрируемого естественного импульсного электромагнитного поля Земли (ЕИЭМПЗ) ОНЧ диапазона значительную долю составляют импульсы литосферного происхождения. Получены экспериментальные подтверждения гипотезы о существовании глубинных деформационных волн, создаваемых эксцентричным вращением внутреннего твердого ядра Земли и ее оболочки. Ядро то ускоряет движение Земли по орбите вокруг Солнца, то тормозит такое движение. Оно удерживает равновесные расстояния от Солнца, перемещаясь относительно геометрического центра то в сторону Солнца, то в противоположном направлении. Взаимодействуя с нижней мантией, ядро стабилизирует скорость суточного вращения Земли. Запатентован способ определения пространственного положения и параметров движения внутреннего ядра Земли, который дополняет существующие представления о динамике Земли и расширяет возможности изучения глубинных литосферных процессов (проект 7.10.1.2).

Рис. Трасса движения ядра внутри Земли в течение года (вид со стороны полюса).

Публикации:

1. Сертификат об утверждении типа средств измерений RU.С.34.007.А № 24184, зарегистрирован в Государственном реестре средств измерений под № 31892-06.

2. Малышков Ю.П., Малышков С. Ю. Периодические вариации геофизических полей и сейсмичности, их возможная взаимосвязь с движением ядра Земли // Геология и Геофизика. - 2009. - Т.50. - С. 152-172.

3. Способ определения пространственного положения и параметров движения внутреннего ядра Земли. Патент на изобретение № 2352961 от 20.04.2009 г.

6. При изучении эколого-географической дифференциации кедра сибирского в клоновом архиве ex situ выявлено, что с сокращением продолжительности и теплообеспеченности вегетационного периода в местообитаниях исходных популяций существенно снижаются продолжительность и интенсивность роста их вегетативного потомства. На высотном профиле климатические различия значительно больше, а различия между экотипами – значительно меньше, чем на широтном. Это связано с адаптацией растений к различной длине дня. Она существенно изменяется только вдоль широтного профиля, что углубляет дифференциацию. Фотопериодическую природу имеют также большие различия по плодоношению между широтными и высотными экотипами. Обнаруженные закономерности открывают новые возможности в прогнозировании и моделировании реакции кедра сибирского на современные изменения природной среды (проект 6.3.1.16).

Сумма температур выше 10 град.

Рис. Диапазоны изменчивости признаков в пределах широтного (синий цвет) и высотного (красный цвет) профилей.

Публикации:

1. Горошкевич С.Н., Петрова Е.А., Политов Д.В., Зотикова А.П., Хуторной О.В., Бендер О.Г., Велисевич С.Н., Белоконь М.М., Попов А.Г., Кузнецова Е.А., Васильева Г.В. Эколого-географическая дифференциация и интеграционные процессы в группе близкородственных видов с трансконтинентальным ареалом (на примере 5-хвойных сосен Северной и Восточной Азии) // Хвойные бореальной зоны. - 2007. - Т. 24. -. С. 167-173.

2. Горошкевич С.Н., Попов А.Г. Морфоструктура и развитие побегов у 5-хвойных сосен Северной и Восточной Азии: филогенетическая и климатическая интерпретация // Журнал Сибирского федерального университета. Биология. - 2009. – Т.2. (1). - С. 54-80.

7. Завершена разработка экспедиционного варианта ультразвуковой метеостанции “Эксметео-01” для сопровождения полевых исследований. Комплекс измеряет мгновенные значения скорости ветра и температуры воздуха с частотой 40 Гц, необходимые для определения турбулентных характеристик атмосферы, дополнительно регистрирует сигналы от 8 аналоговых датчиков; снабжен навигатором GPS, обеспечивающим автоматическую пространственную и временную фиксацию результатов измерений. Информация фиксируется на Flash-карты. Аккумуляторы обеспечивают непрерывную работу в течение 5 суток. Вес комплекса в переносном ранце с разборной метеомачтой (4 м высотой) и аккумуляторами не превышает 19 кг. Для последующей обработки результатов измерений используется специальное программное обеспечение.

По программе “Импортозамещение” изготовлено 4 комплекса для институтов СО РАН (проект 7.13.1.2).

Публикации:

1. Сертификат об утверждении типа средств измерений RU.С.28.007.А № 29530, зарегистрирован в Государственном реестре средств измерений под № 36115-07.

2. Азбукин А.А., Богушевич А.Я., Корольков В.А., Тихомиров А.А., В.Д. Шелевой.

Экспедиционный метеорологический комплекс «Эксметео-01» // ПТЭ. - 2008. С. 181-182.

3. Азбукин А.А., Богушевич А.Я., Корольков В.А., Тихомиров А.А., В.Д. Шелевой.

Полевой вариант метеокомплекса АМК-03 // Метеорология и гидрология. - 2009. С. 101-106.

4. Ультразвуковой термоанемометр с устройством автоматического восстановления точностных характеристик измерений. Патент на изобретение № 2319987 от 20.03.2008 г.

8. С целью развития элементной базы для систем лазерного газоанализа и высокоэффективных источников субмиллиметрового (ТГц) излучения на разработанном и изготовленном в ИМКЭС СО РАН прецизионно управляемом термическом оборудовании (на основе технологии планарных печных конструкций) получены монокристаллы ZnGeP2 с рекордными в мировой практике размерами: диаметр до 45 мм, длина 110-120 мм, вес 800 г. Показано, что введение динамической компоненты в осевой тепловой поток, протекающий в системе расплав-кристалл, позволяет снизить контраст полос роста и улучшить продольную однородность кристаллов (проект 7.13.1.2) Рис.2. Распределение оптического пропусРис.1 Монокристалл ZnGeP2 (45 мм), выкания по длине монокристаллов: (а) - выращенный из расплава.

Публикации:

1. Верозубова Г.А., Грибенюков А.И. Рост кристаллов ZnGeP2 из расплава // Кристаллография. - 2008. - Т.53. - № 1. - С. 175-180.

2. Филиппов М. М., Бабушкин Ю.В., Грибенюков А.И., Гинсар В.Е. Оценка динамики температурного поля в рабочем объеме вертикальной установки Бриджмена при продольно-осевом перемещении ростового контейнера в процессе выращивания кристаллов // Известия ТПУ. Математика, физика и механика. - 2009. - Т. 315. - №2. – C. 104–109.

3. Филиппов М. М. Бабушкин Ю.В., Грибенюков А.И., Гинсар В.Е. Алгоритм оценки мощностей нагревательных элементов в многозонной установке для выращивания кристаллов по Бриджмену // Известия ТПУ. Математика, физика и механика. - 2009. Т.315. - №2. - C 110–112.

4. Верозубова Г.А., Грибенюков А.И., Миронов Ю.П. Двухтемпературный синтез полупроводника ZnGeP2 // Неорганические материалы. – 2007. - Т.43. - № 10. - С. 1-6.

5. Yu.A. Shakir, V.R. Sorochenko, A.I. Gribenyukov. Simulation of parametric oscillation in the submillimeter range at pumping of the ZnGeP2 crystal by a train of 100 ps high-power pulses // Physics of wave phenomena. - 2009. - Vol. 17. - No. 4. - p. 233-240.

1.2. НАУЧНО-ОРГАНИЗАЦИОННАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ИМКЭС СО РАН в 2009 г.

Программа Сибирского отделения РАН Проект 7.10.1.1. Исследование климатообразующих атмосферных процессов с учетом воздействия глобальных и региональных факторов (№ 01.2.007 04641). Руководители: Кабанов М.В., Ипполитов И.И.

Проект 7.10.1.2. Развитие информационно-измерительных технологий для мониторинга и моделирования атмосферных, гидросферных и литосферных процессов в геосистеме Сибири (№ 01.2.007 04638). Руководитель: Крутиков В.А.

Проект 7.10.1.3. Исследование экосистемных изменений в Сибири и связанных с ними рисков природопользования (№ 01.2.007 04642). Руководитель: Поздняков А.В.

Проект 7.13.1.2. Развитие методов и технических средств на основе оптических, радиоволновых и акустических эффектов для изучения природных и техногенных систем (№ 01.2.007 04640). Руководитель: Тихомиров А.А.

Проект 6.3.1.16. Разнообразие в экосистемах бореальных лесов:

динамические и функциональные аспекты (№ 01.2.007 04639). Руководитель: Дюкарев А.Г.

Проект 4.5.2.2. Разработка научных основ информационновычислительной системы на основе Веб- и ГИС технологий для исследований региональных природно-климатических процессов (№ 01.2.007 04643). Руководитель: Гордов Е.П.

Интеграционные междисциплинарные проекты СО РАН Проект № 4 «Информационные технологии, математические моде- Гордов Е.П.

ли и методы мониторинга и управления экосистемами в условиях стационарного, мобильного и дистанционного наблюдения». Соисполнители. Координатор: академик Шокин Ю.И., ИВТ СО РАН Проект № 50 «Модели изменения биосферы на основе баланса уг- Гордов Е.П.

лерода (по натурным и спутниковым данным и с учетом вклада бореальных экосистем)». Координаторы: академик Ваганов Е.А.; чл.к. РАН Федотов А.М., ИВТ СО РАН Проект № 54 «Нанометрология асферических поверхностей». На- Тартаковский В.А.

учный координатор: д.т.н. Полещук А.Г., ИАиЭ СО РАН, г. Новосибирск Проект № 66 «Разработка научных и технологических основ мони- Дюкарев Е.А.

торинга и моделирования природно-климатических процессов на территории Большого Васюганского болота». Координатор: чл.-к.

РАН Кабанов М.В., ИМКЭС СО РАН Проект 8. «Приборное и методическое обеспечение мониторинга природно-климатических процессов Сибири». Координатор: Корольков В.А.

чл.-кор. РАН М. В. Кабанов Проект 9. «Распределенная система сбора, хранения, обработки и доступа к данным дистанционного зондирования Земли для мониторинга социально-экономических процессов и состояния природной среды регионов Сибири и Дальнего Востока». Координатор проекта:

академик Ю.И.Шокин Интеграционные проекты СО РАН, выполняемые совместно Проект № 53 «Генофонд хвойных Урала и Сибири: структура, Петрова Е.А.

принципы сохранения и использование в селекционных программах» Научные координаторы: к.б.н. Горошкевич С.Н., ИМКЭС СО РАН, г. Томск; д.б.н. Семериков В.Л., ИЭРиЖ УрО РАН, г. Екатеринбург Программа Президиума РАН № 16 «Окружающая среда в условиях изменяющегося климата: экстремальные природные явления и катастрофы».

Проект 10 «Комплексный мониторинг современных климатических Кабанов М.В., Проект № 08-05-00426/а "Роль торфоболотных экосистем в смяг- Головацкая Е.А.

чении последствий изменений климата" Проект № 09-05-10034/к "Организация и проведение экспедицион- Головацкая Е.А.

ных исследований для выявления роли торфоболотных экосистем Западной Сибири в смягчении последствий изменений климата" Проект № 09-04-10044/к "Организация и проведение экспедицион- Горошкевич С.Н.

ных исследований межвидовой гибридизации как фактора сетчатой эволюции азиатских видов 5-хвойных сосен" Проект № 09-04-01214/а "Гидроморфная трансформация кальцие- Дюкарев А.Г.

во-гумусовых почв при заболачивании лесных ландшафтов Западной Сибири" Проект № 09-05-99014/р_офи "Разработка научных основ техноло- Тихомиров А.А.

гии и создание измерительно-вычислительной системы для регионального прогноза опасных метеорологических явлений" Проект № 09-05-01077/а "Особенности болотообразовательного Прейс Ю.И.

процесса на юге лесной зоны Западной Сибири как отклик на континентальность климата" Проект № 09-05-09220/моб_з "Участие в международной конфе- Шульгина Т.М.

ренции European Geosciences Union General Assembly – 2009 (Генеральная Ассамблея Европейского геофизического общества)", Вена, Австрия Проект № 08-04-92675/АНФ_з «Участие в российско-австрийском Петрова Е.А.

семинаре «Молекулярно-генетические маркеры, филогеография и популяционная генетика для устойчивого лесного хозяйства: Евроазиатские перспективы», Австрия, Вена Проект № 09-05-08015/з «Участие в 3-ей конференции LIMPACS Бляхарчук Т.А.

«Голоценовые озрные отложения: строение, влияние и причины резких климатических изменений», Индия, Дели, Чандигарх Проект № 08-05-00558/а "Исследование связей индуцированной Зуев В.В.

лазером флуоресценции хвойных от изменчивости уровня УФ-В радиации" Проект № 09-05-06083/г "Организация и проведение VIII Сибир- Кабанов М.В.

ского совещания по климато-экологическому мониторингу" Проект № 09-05-16016/моб_з_рос «Участие в Школе молодых уче- Маркелова А.Н.

ных и международной конференции по вычислительноинформационным технологиям для наук об окружающей среде «CITES-2009», Красноярск Проект № 09-05-16017/моб_з_рос «Участие в Школе молодых уче- Ляпина Е.Е.

ных и международной конференции по вычислительноинформационным технологиям для наук об окружающей среде «CITES-2009», Красноярск Проект № 07-04-00593/а: «Межвидовая гибридизация как фактор Горошкевич С.Н.

сетчатой эволюции азиатских видов 5-хвойных сосен»

Проект № 09-02-08339/з «Участие в 17 американской конференция Верозубова Г.А.

по росту кристаллов и эпитаксии, проводимой совместно с 14 американским семинаром по металлоорганической эпитаксии из пара»

Проект № 09-04-09523/моб_з «Участие в Пятом международном Курьина И.В.

симпозиуме по раковинным амебам (5th International symposium on testate amoebae)»

Проект № 09-08-06814/моб_г «Организация и проведение Четвер- Дудоров В.В.

той всероссийской конференции молодых ученых «Материаловедение, технологии и экология в 3-ем тысячелетии»

1.3.1. РАБОТЫ, ВЫПОЛНЕННЫЕ ПО ПРОГРАММАМ СО РАН Проект 7.10.1.1. Исследование климатообразующих атмосферных процессов с учетом воздействия глобальных и региональных факторов (научные руководители: чл.корр. РАН М.В.Кабанов, д.ф.-м.н. И.И.Ипполитов) Проблема изменений климата является одной из главных проблем развития мирового сообщества, затрагивая не только научные, но и экономические и социальные аспекты развития. Важное место при решении этой проблемы занимают исследования изменений региональных климатов. Это связано с двумя обстоятельствами. Во-первых, последствия изменений глобального климата будут проявляться по разному в разных регионах, а именно такие изменения важны для оценки перспектив жизнедеятельности больших групп населения. Во- вторых, применяемые сейчас численные климатические модели, предсказывающие негативных изменений климата до конца XXI века должны давать, при их адаптации к отдельным регионам, правильное описание тех изменений климата, которые уже произошли в ХХ-м столетии и в начале ХХI столетия.

В ходе выполнения в 2007-2009гг. бюджетного проекта 7.10.1.1. «Исследование климатообразующих атмосферных процессов с учетом воздействия глобальных и региональных факторов» (номер государственной регистрации № 01.2.00704641) получены следующее результаты:

Исследование климатических изменений, которые произошли на азиатской территории России в период современного глобального потепления 1975-2005 гг. показало, что динамика метеорологических величин (температура, давление, атмосферные осадки), представленная через линейные тренды, вычислялась на основе данных наблюдений на 454 станциях, расположенных к востоку от Урала и в северных регионах Казахстана, Монголии и Китая. Рассчитывались как среднее поле метеовеличин, так и поля их линейных трендов.

Установлено, что для азиатской территории России в указанный период времени климатические изменения выражаются в потеплении во все месяцы года (кроме декабря) при среднем по территории трендом среднегодовой температуры 0,34С/10лет, снижении атмосферного давления на 0,22 гПа/10лет и статистически незначимом уменьшении количества осадков как в теплый, так и в холодный сезоны.

Рассмотрена возможность применения радиационных данных реанализа NCER/DOE AMIP-II для вычисления прихода суммарной радиации на территории Западной Сибири. Для этой территории были проанализированы месячные суммы приходящей прямой и рассеянной радиации как по данным реанализа, так и по данным наблюдений актинометрических станций. Показано, что хорошее согласие наблюдается для равнинных актинометрических станций. Для черных станций реанализ существенно (30-40% и более) завышает значения приходящей радиации.

Предложен метод прогноза изменения температуры приземного воздуха с использованием процедуры вейвлет-преобразования исходного ряда. В этом случае распределение коэффициентов вейвлет-преобразования позволяет выделить колебания различных масштабов, как близких к гармоническим, так и имеющим характер нестационарного колебательного процесса.

Далее экстраполяция вперед проводится по коэффициентам вейвлетпреобразования выделенных масштабов с учетом их динамики на временной оси, а колебательная составляющая ряда (при априорно заданном тренде) восстанавливается обратным вейвлет-преобразованием. Метод протестирован на двух рядах среднегодовой температуры протяженностью свыше 100 лет (Сыктывкар, Томск) и показал результат прогнозирования изменчивости существенно более надежный, чем используемые методы гармонического разложения.

Анализ изменений в глобальной циркуляции проводился на примере исследования пространственно-временной динамики субтропического струйного течения (ССТ) Северного полушария. ССТ - это воздушный поток западно-восточного направления, опоясывающий весь земной шар. Он расположен в полосе широт 20-45 с.ш., а скорость ветра на его оси, находящейся вблизи тропопаузы, может превышать 500 км/час.

Исследование выполнено на базе данных реанализа NCEP/NCAR за 1948-2005г.

Установлено, что скорость ССТ на его оси, усредненная по кругу широты и по времени составляет 30м/с, а тренд е увеличения за исследованный период и в холодный сезон составил 1м/с/10лет. Значимых тенденций в изменении широты и высоты положения оси ССТ не установлено. Этот результат свидетельствует о том, что интенсивность западного переноса, выраженная через скорость среднего потока в процессе потепления увеличивается. Однако, установленный факт никак не характеризует изменения в переносе тепла и влаги, связанные с подвижными крупномасштабными вихрями-циклонами и антициклонами.

Для решения этого вопроса в проекте была исследована динамика вихревой активности за 1976-2006 г. на территории Сибири, ограниченной 50-70с.ш. и 60-110 в.д. Для получения климатических и динамических характеристик циклонической и антициклонической деятельности над этой территорией использовались приземные карты архива СибНИГМИ. С помощью карт определялись траектории центров барических образований, их повторяемость и давление в центре. В качестве циклона (антициклона) рассматривалась область пониженного (повышенного) давления при наличии хотя бы одной замкнутой изобары с характерной циркуляцией и структурой метеорологических полей. В результате обработки полученной информации установлено, что в рассмотренный промежуток времени снижается число пришедших на территорию циклонов и антициклонов, снижается давление в центрах циклонов, увеличивается время нахождения циклонов и антициклонов на рассматриваемой территории. В отчете приведены количественные характеристики, характеризующие такие изменения.

В последние годы в российской и зарубежной печати появляется много публикаций, посвященных изучению динамики вихревой активности в атмосфере, основанной на процедурах автоматического тренинга вихрей. При этом используются выходные данные о геопотенциалах, содержащиеся в глобальных базах данных реанализов. В отчете содержатся результаты сравнения характеристик вихрей, полученных по синоптическим картам с характеристиками вихрей, полученными по данным реанализа NCEP/DOE AMIP-II. Установлено, что число циклонов и антициклонов, выявленных по анализу синоптических карт, в 1, 2 раза выше числа барических образований, полученных по данным реанализа.

Средняя интенсивность барических образований, вычисленная по синоптическим картам, в 2 раза ниже интенсивности, определенной по данным реанализа. Средняя многолетняя продолжительность влияния одного циклона (антициклона) на территорию практически одинакова для обеих источников.

Для установления корреляционных связей между индексами глобальной и региональной циркуляции и характеристиками климата в указанном выше регионе были вычислены для каждого календарного месяца и года в целом временные ряды средних (медианных) значений температуры и давления. Полученные ряды коррелировались с рядами индексов, описывающих глобальную циркуляцию (индекса SCAND, NAO, SOI) и региональную циркуляцию (число циклонов n, давление в их центрах Pц и продолжительность пребывания на территории t). Результаты корреляции показывают, что поле температуры показывает сильные отрицательные корреляции для всех месяцев года с индексами SCAND, предположительно описывающим процессы блокирования западного переноса, существенную положительную (за исключением апреля) корреляцию с индексом NAO в первой половине года, описывающим интенсивность западного переноса и практическую некоррелируемость с индексом SOI. Что касается корреляций с индексами, описывающими региональную циркуляцию, то сильная отрицательная связь наблюдается между вариациями температуры и изменением давления в центре циклонов, тогда как количество и время их пребывания на территории не играют существенной роли в изменениях температуры. Побочный анализ приводится в отчете и для вариаций поля давления.

Выполнен анализ результатов исследования закономерностей формирования приземного атмосферного электрического поля. Его роль в наблюдаемых климатических изменениях в настоящее время до конца не выявлена. Согласно одной из наиболее обоснованных опубликованных концепций вариации вертикального профиля электрического поля могут приводить (особенно в высоких широтах) к изменениям вертикального профиля легких заряженных аэрозолей, играющих роль центров конденсации атмосферного водяного пара. Следовательно, по этой концепции изменения в электрическом поле атмосферы могут приводить к изменениям в облачности, являющейся мощным радиационным форсингом, приводящим к понижению температуры в летний сезон и повышению температуры в зимний сезон.

Получены результаты многопараметрических измерений и анализа согласованных вариаций электрических и метеорологических параметров атмосферы с периодами от единиц до сотен минут, в этом числе в условиях перехода от хорошей к нарушенной погоде и обратно.

Кроме того, на основе натурных измерений выполнен анализ влияния аэрозоля на величину напряженности атмосферного электрического поля в приземном слое. Показано, что в обычных мелкодисперсных летних дымках с ростом замутнения воздуха напряженность электрического поля также возрастает за счет стока аэроионов на субмикронный аэрозоль и соответствующего уменьшения проводимости среды. В то же время в редких случаях крупнодисперсных дымок (при дефиците субмикронного аэрозоля) и в условиях летнего дымового смога наблюдается противофазное изменение аэрозольного замутнения атмосферы и напряженности электрического поля. В зимнем городском смоге, имеющем также дымовую природу, в отличие от данных, полученных в дымах лесных пожаров, с ростом замутнения атмосферы напряженность электрического поля возрастает. Обсуждаются причины обнаруженных различий влияния дымового смога разной природы на величину атмосферного электрического поля.

Приведены результаты исследования термической структуры нижней атмосферы Томска по данным акустического зондирования. Установлены типы стратификации (классы устойчивости атмосферы), высота слоя перемешивания, слой температурных инверсий, их мощность, высоты верхней и нижней границ.

Выполнены многолетние (1999-2008гг.) исследования углеродного баланса на территории олиготрофных болотных экосистем южно-таежной подзоны Западной Сибири (стационар «Васюганье» ИМКЭС СО РАН). Углеродный баланс оценивался по данным по биологической продуктивности (NPP) и эмиссии СО2 с поверхности торфяной залежи.

Для выявления закономерностей углеродного баланса проводились сопутствующие метеорологические наблюдения и исследования гидротермических особенностей торфяной залежи.

Представлены результаты исследования суточной и сезонной динамики эмиссии СО2 с поверхности олиготрофного болота в южно-таежной подзоне Западной Сибири в 2005-2007 гг. В течение летнего периода происходит увеличение интенсивности эмиссии СО2 от весны к середине лета и последующее снижение к осени. Среднее значение эмиссии СО2 составило 118 мгСО2/м2/час. Анализ суточной динамики эмиссии СО2 показал, что максимальный поток СО2 наблюдается в 16 часов, а минимальный - в 7 часов утра.

Средняя амплитуда суточных колебаний эмиссии СО2 составляет 74 мгСО2/м2/час. Выявленные зависимости между температурой воздуха и потоком СО2 позволили рассчитать эмиссию углекислого газа в периоды между измерения. Было выявлено, что для измерения эмиссии СО2 камерным методом в летнее время, оптимальным является период с часов утра до 13 часов.

Показано, что эмиссия СО2 и чистая первичная продукция определяются типом фитоценоза. В отдельные годы потоки СО2 в разных фитоценозах могут различаться более чем в 2 раза. Другой важный результат связан с выявленной корреляционной связью потоков СО2 и содержанием СО2 в приземном слое воздуха. Выявлена зависимость интенсивности выделения СО2 от уровня болотных вод, влажности и температуры торфяной залежи. Проведен подробный анализ влияния метеорологических параметров на эмиссию СО2. Анализ полученных данных показал наличие зависимости эмиссии углекислого газа от температуры воздуха, влажности воздуха и атмосферным давлением.

На основании выявленных зависимостей между эмиссией СО2 с поверхности торфяной залежи и метеорологическими условиями построена линейная регрессионная модель, связывающая поток СО2 с температурой воздуха и содержанием углекислого газа в воздухе. Полученная модель позволяет рассчитать поток СО2 с поверхности торфяной залежи по известным характеристикам окружающей среды. На основании результатов экспериментальных наблюдений, включая полученную модель и сценарии изменения климата МГЭИК проведена оценка вклада болотных экосистем в глобальный углеродный цикл и выполнены прогнозные оценки изменения продуктивности растительности и эмиссии СО2 при изменении климатических характеристик. Получено, что при росте концентрации углекислого газа в атмосфере и потеплении климата возрастет прирост болотной растительности и увеличится выделение углерода из торфяной залежи. Скорость накопления углерода в торфяной залежи также возрастет. Наиболее сильно этот эффект проявится к концу века.

Кроме того, было проведено эколого-химическое исследование содержания ртути в объектах окружающей среды, выполнены сравнительные оценки аккумулирующих свойств различных природных индикаторов на примере болотной и городской экосистем.

Приведены экспериментальные данные по содержанию ртути в городских почвах, торфе, лишайниках, мхах, древесине и хвое.

Получено что г. Томске формирование ореолов рассеяния ртути связано с деятельностью объектов энергетики, транспортными потоками, а также с микрорельефом города и преобладающим направлением ветров.

Представлены результаты работы по ртутному мониторингу отрогов Большого Васюганского болота (т.м. в Бакчарском районе Томской области). Полученные здесь впервые глубинные распределения концентрации ртути на фоновых участках сопоставимы с результатами, полученными ранее для других фоновых участков. Полученные данные о содержании ртути в природных компонентах (лишайники, мхи, древесина, хвоя) соответствуют данным других авторов, но выше фоновых значений, приведенных в литературных источниках.

1 экземпляр полного отчета по проекту отправлен в ФГНУ ЦИТиС, а 2 экземпляр находится в архиве Института.

Проект 7.10.1.3. Исследование экосистемных изменений в Сибири и связанных с ними рисков природопользования (научные руководители: д.г.н. А. В. Поздняков, д.г.н. А. Г. Дюкарев).

Изучение глобальных изменений природной среды является важнейшей фундаментальной задачей для исследователей, специализирующихся в различных областях знания: от биологии и экологии до экономики. Особую актуальность в этом контексте приобрела проблема оценки рисков, в частности – рисков под воздействием глобального потепления климата, так как, во-первых, недостаточно изучены механизмы и причины собственно потепления, во-вторых, инерционность отклика экосистем не всегда позволяет проследить последствия потепления в их структуре, а также отчленить их от локальных антропогенных воздействий.

Основная цель исследования - выявление закономерностей функционирования природных и социально-экономических систем в современных условиях изменения климата и антропогенных воздействий, разработка на этой основе региональных моделей и прогнозов риска природопользования. Этим обусловливаются основные задачи исследования, решение которых позволяет как раскрыть особенности динамики экосистем в изменяющихся климатических условиях и нарастающего техногенного воздействия, так и определить типы возможных рисков и социально-экономического ущерба.

Интегрированные исследования природно-климатических и антропогенных изменений в лесных экосистемах проводились, прежде всего, для выявления индикаторов изменений климата на организменном, популяционном, экосистемном и геосистемном уровнях. В связи с изменениями климата исследовались состояние и факторы ослабления лесных экосистем; изучалась реакция высокогорных экосистем в зонах раннего отклика в сопряженном спектре экосистем Центрального Алтая: высокогорные леса – лесотундровые экотоны; исследовались процессы функционирования лесоболотных комплексов на разных уровнях организации.

Климатические изменения, связанные с повышением температуры воздуха и влажности вследствие крайне высоких пространственных различий в физических свойствах субстрата, вызывают рост разнообразия экзогенных процессов, часть из которых будет иметь негативные последствия для социально-экономической деятельности. Несмотря на то, что экологические риски являются опасными, проблема количественной оценки наносимого ущерба до сего времени в методологическом плане остается нераскрытой. Считается, что экологические риски по своей неопределенности подобны экономическим и их можно рассчитывать вероятностными статистическими методами. Однако экологические и экономические риски принципиально отличаются по содержанию. Главное отличие экологических рисков от экономических состоит в том, что экологические риски многовариантны. Они характеризуются латентно действующими триггерными эффектами, вызывающими эшелонированные причинно-следственные изменения природных систем. Изменение пространственно-временной направленности динамики процессов в зоне гипергенеза выступает в качестве непосредственной причины преобразования структуры экосистем, инициирует развитие своеобразного сукцессионного процесса в растительном покрове и даже в почвах.

В связи с этим особенную актуальность приобретает изучение возможных направленных изменений структуры и динамики современных экзогенных процессов, связанных с потеплением климата. В рамках проекта исследовались динамика экзогенных процессов, процессов рельефообразования и природных комплексов, обусловливаемых изменениями климатических параметров на горной территории юго-восточной Сибири.

На основе анализа геосистемных ситуаций в Томской области была проведена классификация различных видов природных процессов, определены производимые ими опасности и возможные социально-экономические риски. Анализ рисков природопользования на территории Западной Сибири проводился на примере Томской области с учетом возможных изменений геосистем в условиях потепления климата.

В проекте ставилось целью выявить закономерности функционирования природных и социально-экономических систем в современных условиях изменения климата и антропогенных воздействий.

В первом разделе отчета представлены исследования рисков природопользования, связанных с изменением состояния современных экосистем на основе анализа природноклиматических и социально-экономических условий территории Томской области. Результаты проведенных исследований позволяют сделать вывод о том, что взаимозависимость природно-климатических и социально-экономических процессов в Томской области обусловливает как характер, так и степень рисков природопользования. Большую роль при этом играет комплекс отрицательных природных факторов, которые непосредственным образом сказываются на развитии многих отраслей хозяйства и на жизнедеятельности местного населения. Выявлено, что географическая дифференциация сферы природопользования является следствием особенностей распределения основных климатических характеристик и интегральных метеорологических показателей. Однако роль триггерного механизма все же принадлежит антропогенному фактору. Большая степень освоенности территории и высокий уровень экономического развития существенно увеличивают риски, усложняя тем самым управление природопользованием. При планировании определенных видов хозяйственной деятельности необходимо должным образом оценивать как природные, так и антропогенные факторы – не отказываться от освоения в сложных природно-климатических условиях, а более четко организовывать схему комплексного природопользования.

Второй раздел посвящен изучению динамики современных экзогенных процессов в криолитозоне Горного Алтая. В результате проводившихся исследований был выявлен ряд закономерностей их развития, обусловленных изменениями климата. Так, установлено, что ускорившийся в последнее время процесс глобального потепления вызывает образование приледниковых озер и повышение верхней границы вечной мерзлоты. Устойчивая деградация оледенения влечет за собой существенные изменения физикогеографических параметров водоемов приледниковой зоны, а также утрату надежности естественных плотин, сложенных вечномерзлыми породами. Выявлено 15 плотинных озер, отнесенных к разряду объектов с высокой вероятностью прорыва.

В результате анализа материалов дистанционного зондирования территории Горного Алтая за период с 1952 по 2007 гг. и экспедиционных исследований, впервые получены интегральные количественные показатели, объективно характеризующие устойчивое потепление климата, опосредованно выражающееся в увеличении площади термокарстовых озер в горной части Алтая (на 63%) и сокращение суммарной их площади (42%) на равнинах межгорных котловин (Чуйский и Курайский тестовые участки).

Впервые для горной территории юго-восточной Сибири разработана геоинформационная система (КОНГЕО ПРО) для сбора, систематизации, хранения, обработки, оценки, отображения и распространения пространственно координированных данных о динамике экзогенных процессов, процессов рельефообразования и природных комплексов, обусловливаемых изменениями климатических параметров.

В третьей части отчета подведены итоги по исследованию динамики заболачивания в лесоболотных экотонах, реакций и механизмов адаптации индикаторных видов в изменяющихся климатических условиях, структуры и динамики верхней границы распространения хвойных в горах Южной Сибири. Установлено, что развитие болотного процесса реализуется в последовательном воспроизводстве определенного типа ландшафтной структуры, связей и отношений под воздействием системообразующих потоков влаги.

Первые стадии развития процесса обусловлены гидроморфной трансформацией почв, вызывающей изменения в лесных экосистемах. Последующие стадии сопряжены с торфонакоплением и формированием собственно болотных ландшафтов. Выявлено, что в современный период потепления климата на верхнем пределе распространения высокогорных кедровых лесов, где вегетационный период очень короткий, «цветение» и опыление кедра происходит поздно (конец июня - начало июля) в период стабилизации температур, когда опасность заморозков минимальна. Такая структура урожая свидетельствует о значительной потенциальной возможности этого вида к семенному размножению в высокогорьях и позволяет кедру сохранять свои позиции в высокогорных лесных сообществах.

Результаты исследований по проекту послужили основой для диссертационных работ. Защищены пять диссертаций: «Фрактальные закономерности форм рельефа» (Мельник М.А., 2007 г.); «Геоэкологическая оценка состояния растительного покрова Васюганской равнины на основе дешифрирования космических снимков» (Алексеева М.Н., г.); «Возобновление кедра сибирского (Pinus sibirica Du Tour) в антропогенно нарушенных сообществах Семинского хребта (Центральный Алтай)» (Пац Е.Н., 2009 г.); «Мелиоративная роль древесных пород при лесной рекультивации отвалов Южного Кузбасса»

(Воронина Л.А., 2009 г.); «Анализ функционирования агроэкосистем с позиции энергетического подхода» (Шуркина К.С., 2009 г.).

1 экземпляр полного отчета по проекту отправлен в ФГНУ ЦИТиС, а 2 экземпляр находится в архиве Института.

Проект 7.13.1.2. Развитие методов и технических средств на основе оптических, радиоволновых и акустических эффектов для изучения природных и техногенных систем (научный руководитель: д.т.н. А.А.Тихомиров) Целевой проект ИМКЭС СО РАН № 7.13.1.2 ""Развитие методов и технических средств на основе оптических, радиоволновых и акустических эффектов для изучения природных и техногенных систем (рег. № 01.2.00704640) выполнялся в рамках Программы СО РАН 7.13.1.2 " Фундаментальные основы приборостроения для наук о Земле и решения специальных задач" (координатор программы д.т.н. Грузнов В.М.) в течение 2007гг.

Настоящий проект является дальнейшим развитием работ, выполнявшихся в рамках проекта СО РАН 28.2.3 "Разработка новых методов, технологий и приборов на основе оптических, радиоволновых и акустических эффектов для контроля природных и техногенных систем, а также для решения специальных задач" (рег. № 01200408133).

Для выполнения мониторинга окружающей среды требуется проведение исследований по созданию новых методов и разработка инструментальной базы для этих целей с новыми функциональными возможностями, а также для решения специальных задач. Основное направление этих исследований – создание новых методов, технологий и технических средств для изучения и мониторинга природных и техногенных систем на основе использования электромагнитных волн оптического и радиоволнового диапазонов, а также ультразвуковых волн. В связи с этим актуальность работ по созданию новых приборов для исследования и мониторинга атмосферы, литосферы, техногенных систем и биологических объектов является несомненной.

В соответствии с основным научным направлением Института, связанным с развитием научных и технологических основ мониторинга климатических и экосистемных изменений, разработка новых методов и создание технических средств в Институте определяются задачами инструментальных наблюдений в полевых условиях. Несмотря на развитую инструментальную базу в нашей стране и за рубежом для проведения комплексного мониторинга окружающей среды и климатических изменений, многие из имеющихся на рынке приборов либо не приспособлены для полевых исследований и для промышленной эксплуатации в автономном режиме, либо не удовлетворяют современным требованиям по своим функциональным и технологическим возможностям.

Новизна проведенных исследований подтверждается публикациями в отечественных и зарубежных научных журналах, полученными патентами на изобретения и свидетельствами программ для ЭВМ, а также занесением разработанных приборов в Государственный реестр средств измерений.

При выполнении проекта исследования проводились по четырем направлениям (блокам): 1) "Оптические газоанализаторы, включая лазерные, для мониторинга природных и техногенных систем" (оптическое приборостроение и элементная база для новых систем газоанализа воздушных сред с использованием лазеров с перестройкой частоты излучения). Блок включал два подраздела "Газоанализатор на явлении СКР" и "Газоанализатор с использованием перестройки частоты лазерного излучения".

2) "Новые ультразвуковые термоанемометры для измерения первых и высших моментов метеорологических величин с расширенным диапазоном измерений температуры и скорости ветра" (метеорологическое приборостроение).

3) "Приборы неразрушающего контроля природных и техногенных систем на основе регистрации электромагнитной эмиссии в радиодиапазоне" (радиоэлектронное приборостроение для мониторинга сооружений из бетона).

4) "Приборы на основе металлов с эффектом памяти формы для контроля техногенных систем" (элементная база для создания новых приборов экологического мониторинга).

В результате выполнения проекта получены следующие результаты:

По блоку 1 Подраздел 1: Разработан макет СКР-газоанализатора пробоотборного типа для анализа многокомпонентных газовых сред на основе лазера с диодной накачкой и ПЗС-матрицы, с расчетной чувствительностью 10 ppm для большинства техногенных газов. Экспериментально изучены особенности спектров СКР плотных газовых сред с целью их применения для увеличения чувствительности СКР-газоанализатора (примерно в 10–100 раз) за счет повышения концентрации компонентов.

По блоку 1 Подраздел 2а: разработана полная система классификации лоций фазового синхронизма (ФС) для I, II, III взаимодействий, обобщенная на случай одно- и двухосных положительных и отрицательных кристаллов. Разработан алгоритм и сформулированы аналитические выражения для определения влияния вариаций состава НКТР на режим ПЧ и влияния тепловых процессов на ход ПЧ. Разработана многомерная графическая модель и пакет прикладных программ для определения возможностей реализации и расчета эффективностей протекания процессов ПЧ объеме двухосных НК. Проведено исследование ряда ПЧ, включая генераторы второй гармоники, параметрические генераторы света.

По блоку 1 Подраздел 2б: разработаны алгоритмы и составлены программы, позволяющие рассчитать период доменной структуры в кристаллах с РДС типа LiNbO3, KNbO3, CsTiOAsO4, LiTaO3 для ПЧ в спектральных диапазонах прозрачности кристаллов при накачке излучением твердотельных лазеров. Показано, что, изменяя температуру кристалла с РДС от 300 до 400 К, можно получить плавную перестройку по частоте в широких спектральных интервалах. Выбраны подходящие пары линий излучения СО2-лазера для дистанционного зондирования отравляющих веществ в атмосфере и рассчитаны сечения поглощений для этих линий.

По блоку 1 Подраздел 2б: показано, что прецизионное и с высоким пространственным разрешением управление тепловыми потоками в рабочем пространстве установки позволяет реализовать непрерывную настройку режимов работы на оптимальные условия роста НК ZnGeP2, обеспечивающие получение кристаллов 30 мм без трещин. Проведена проработка компоновки новой установки для выращивания монокристаллов с контролем термического состояния газовой и твердой фаз, и управляемой динамикой жидкой фазы.

По блоку 2: получен метрологический сертификат RU.C28.018.В №23068 на метеокомплекс АМК-03. Разработаны: экспедиционный ("Эксметео-01") и бортовой варианты АМК-03. Проведены исследования влияния высокоскоростного воздушного потока на сигналы ультразвуковых датчиков и на работу метеокомплекса в целом. Проведены испытания влияния осадков и твердых аэрозолей на технические характеристики ультразвуковых термоанемометров из состава АМК-03.

По блоку 3: сформулированы критерии в параметрах электромагнитной эмиссии (ЭМЭ) для оценки напряженно-деформированного состояния железобетонных конструкций, определены параметры ЭМЭ для оценки остаточного ресурса работы конструкции в целом.

По блоку 4: разработан режим синтеза сплавов с ЭПФ на основе никелида титана;

проведены экспериментальные исследования усталостных параметров полученных сплавов; определены условия реализации ЭПФ в режиме минимального накопления дефектов повреждения; разработаны и испытаны макеты устройств, основанных на применении конструкций из сплавов с ЭПФ.

Разработанные в результате выполнения проекта различные модификации метеокомплекса АМК-03 изготавливаются в Институте в рамках программы СО РАН "Импортозамещение" для других институтов СО РАН. Такие метеокомплексы, а также регистратор электромагнитной эмиссии "Прочность", созданный ранее и предназначенный для определения прочности железобетонных конструкций, изготавливаются по хоздоговорам с другими предприятиями. Изготавливаемые по отрабатываемой технологии нелинейные кристаллы ZnGeP2 широко применяются для преобразования частоты лазерного излучения в отечественных и зарубежных фирмах. Результаты, полученные при исследовании НКТР LiIn(Se1-xSx)2, LiGa(Se1-xSx)2, успешно проверены в научно-исследовательских институтах КНР.

Полученные результаты опубликованы в 15 статьях в зарубежных научных журналах, в 31 статье в отечественных реферируемых журналах, доложены на 73 международных конференциях. Получено 3 патента на изобретения, 1 патент на полезную модель, положительное решение по заявке на изобретение, 4 свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ, 1 метрологический сертификат. По результатам работ, выполняемых в рамках проекта, защищено 2 кандидатских диссертации. Проведен 6-й Международный симпозиум "Контроль и реабилитация окружающей среды" (2008 г). Созданные приборы, материалы и макеты демонстрировались на 6 выставках, включая международные.

Общий состав исполнителей проекта: 18 научных работников, 32 ИТР, в т.ч.: 3 доктора наук, 11 кандидатов наук, 5 научных сотрудников без степени, 5 аспирантов.

В выполнении проекта принимали участие подразделения Института: Лаборатория экологического приборостроения (полностью), Конструкторско-технологическая лаборатория (полностью), Метрологическая служба (3 ИТР), Лаборатория геоинформационных технологий (2 научных сотрудника).

1 экземпляр полныго отчета по проекту отправлен в ФГНУ ЦИТиС, а 2 экземпляр находится в архиве Института.

Проект 6.3.1.16. Структура разнообразия в экосистемах бореальных лесов: динамические и функциональные аспекты (научный руководитель: д.г.н. А.Г. Дюкарев).

Исследование закономерностей формирования и функционирования биологического разнообразия экосистем является важным звеном в познании регулирующей и стабилизирующей роли биосферы в условиях изменений природной среды и климата. Оно является всеобщим фундаментальным свойством природы, результатом взаимодействия биотического и абиотического компонентов экосистем. Структура и пространственное размещение живых сообществ и экосистем находятся в теснейшей зависимости от условий абиотической среды.

Особую роль в этом плане играют исследования лесов, как наиболее эффективной системы, способной сдерживать развитие негативных процессов в биосфере и обеспечить устойчивость среды обитания человека. Сохранение биологического разнообразия в процессе использования лесных ресурсов признается в настоящее время необходимым условием устойчивого управления лесными экосистемами. Выяснение структуры такого разнообразия как основы динамической устойчивости лесных бореальных экосистем, с одной стороны, и как объекта комплексных исследований, оценки и прогноза, с другой стороны, составляет фундаментальную проблему, на разработку которой направлены данные исследования.

В результате выполнения проекта выявлена тесная связь между видовым богатством и пространственной неоднородностью природной среды. Отмечено несколько уровней этой зависимости. Во-первых, крупные экорегионы существенно различаются по видовому разнообразию. Во вторых, существует тесная связь структуры биоразнообразия с широтой местности или высотой над уровнем моря – условий, регулирующих энергетический (или климатический) фактор. Третий уровень дифференциации биоты связан с неоднородностью геолого-геоморфологических условий, определяющих продуктивное богатство и влагообеспеченность конкретных местообитаний. Антропогенное воздействия и других негативных факторов воздействия на древостои является важнейшим фактором изменения структуры разнообразия, как по форме, так и по состоянию.

Проведенные исследования и анализ состояния проблемы позволяют сформулировать наиболее важные концептуальные положения в теорию организации биологического пространства, увязывающие в единое целое популяционно-генетические, классификационно-систематические и экосистемные подходы к оценке и мониторингу биоразнообразия, основывающиеся на строгой организованности биосферы, зависимости живых организмов от условий внешней среды, пластичности видов и способности адаптироваться к изменению условий среды обитания. Устойчивость сообществ обеспечивается экологической широтой включающих их видов. Видовое разнообразие в каждой точке географического пространства отражает динамику изменчивости экосистем, все ее реализованные в прошлом и возможные в будущем состояния. Изменение в структуре биоразнообразия и состоянии отдельных его элементов является основой экологического мониторинга. Неоднородность состава отложений и болотообразовательный процесс являются определяющими факторами, усложняющими разнообразие лесных экосистем равнинных территорий Западной Сибири. Эдафический подход к оценке биологического разнообразия и его функциональной структуры реализован на примере модельных участков южной и средней тайги.

Выявленные закономерности формирования разнообразия ландшафтной, таксономической и возрастной структуры лесных экосистем приближает типологию и динамику лесов к точному картографическому воплощению и служит основанием для разработок территориального экосистемного природопользования, проведения лесохозяйственных и природоохранных мероприятий. На региональном уровне результаты исследования внедрены при разработке «Лесного плана Томской области», в котором разработан прогноз развития лесного комплекса Томской области в 2009-2018гг., при паспортизации припоселковых кедровников как участков леса высокой природоохранной ценности.

Материалы исследований изложены в 63 научных публикациях в рейтинговых изданиях, 145 докладах на конференциях разного уровня. По материалам исследований защищены 4 диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук.

1 экземпляр полныго отчета по проекту отправлен в ФГНУ ЦИТиС, а 2 экземпляр находится в архиве Института.

Проект 4.5.2.2. Разработка научных основ информационно-вычислительной системы на основе Веб- и ГИС технологий для исследований региональных природноклиматических процессов (научный руководитель: д.ф.-м.н. Е.П.Гордов) В настоящее время наборы метеоданных активно применяются в различных областях наук о Земле для прогноза, моделирования и интерпретации состояния климата для разных пространственных и временных масштабов и сценариев. Многие институты и научные организации собрали огромное количество метеоданных, содержащих характеристики, описывающие наблюдаемые и моделируемые состояния климата. Эти данные различаются по источнику (стационарные или мобильные локальные измерения, удаленное зондирование с самолетов и спутников, результаты моделирования и реанализа), физическому размещению и доступу, а также по формату файлов, в которых они хранятся. Нередко программное обеспечение для обработки данных используемое в одной организации является несовместимым с программным обеспечением, используемым в других научных организациях. Это затрудняет не только обмен данными и результатами, но также усложняет возможность их сравнения, что уменьшает достоверность выполненного анализа. В результате обработка, сравнение и визуализация метеоданных, полученных от разных источников или организаций, становится сложной, либо невозможной, а комплексное практическое применение полученных результатов становится крайне затруднительным. Заметим, что традиционный подход к обработке этих данных и анализу тенденций климатических изменений с одной стороны требует специфических знаний, а с другой - приводит к напрасным тратам времени на выполнение рутинных задач. Все это, а также необходимость получения проверяемых результатов анализа современных климатических изменений (особенно важная для таких регионов, как Сибирь, где они проходят ускоренно) делает задачу создания соответствующего инструмента и выполнения анализа важной и актуальной. В настоящее время существуют группы людей, работающие с геопривязанными данными и полагающие, что разрабатываемая информационновычислительная инфраструктура должна основываться только на ГИС-технологиях [Frans J. M. van der Wel, 2005; Gupta A. et al., 1999; Dragicevic, S. et al., 2000; Peng, Z-R and Tsou, M-H., 2003]. Несмотря на ряд достижений в этой области ([Raju V.R. et al. 2000; Якубайлик О.Э., 2007], http://gis.ict.nsc.ru), мы полагаем, что использование только ГИСтехнологий в сочетании с вычислительными ресурсами, требуемыми для поддержки современных моделей и распределенным доступом к огромным архивам данных, является не очень перспективным. Нами был выбран подход, основанный на комбинированном использовании потенциала веб- и ГИС-технологий и нацеленный на создание информационно-вычислительной веб-системы, обладающей функциональностью ГИС. Построение веб-системы опирается на предположение [De Roure D. et al., 2001], что каждая отдельно взятая вычислительная задача (это также может быть задача усвоения данных, равно как и комбинация обоих типов) может быть представлена в виде информационной системы, использующей трехуровневую модель: уровень данных/метаданных [McCartney P. and Jones M., 2002], уровень вычислений и уровень знаний. Использование этого подхода для разработки доступных через интернет информационно-вычислительных систем для заданных тематических областей, и организация обмена данными и знаниями между ними, выглядит весьма перспективным способом создания распределенной совместной информационно-вычислительной среды для поддержки мультидисциплинарных региональных и глобальных исследований климата Земли. Одной из первых реализаций этого подхода стал научный портал для атмосферных наук «ATMOS»[Гордов Е.П. и др., 2004; Gordov E. P. et al., 2006]. Портал представляет собой интегрированный набор множества распределенных, но координируемых предметных сайтов, содержащих типовую информацию с исследовательскими базами данных, моделями и аналитическим инструментарием для прямого использования и визуализации данных. При этом каждый предметный сайт является отображением информационной системы средствами Интернет-технологий.

На сегодняшний день существует уже несколько информационных веб-систем, посвященных обработке пространственно привязанных геофизических данных. Одна из них это GES-DISC (Goddard Earth Sciences Data and Information Services Center) Interactive Online Visualization ANd aNalysis Infrastructure (GIOVANNI). Она разработана в NASA и предназначена для организации доступа к процедурам обработки данных [Acker J. G. and Leptoukh G., 2007] (http://daac.gsfc.nasa.gov/techlab/giovanni/). Однако, эта система ориентирована на визуализацию, прежде всего, пространственно-распределенных данных спутниковых наблюдений и их производных продуктов. Еще одна система распространения данных базируется на Совместной модели общей циркуляции атмосферы и океана, разработанной в Институте вычислительной математики (ИВМ) РАН [Алексеев В.А. и др., 1998; Галин В.Я. и др., 2003]. Она посвящена визуализации результатов моделирования для различных климатических сценариев, полученных в ИВМ РАН. Обработка и анализ, также как и доступ к данным из других источников помимо модели, не поддерживаются (http://ksv.inm.ras.ru). Система "Climate explorer", разработанная в Королевском метеорологическом институте Голландии (KNMI), имеет в своем распоряжении большое количество разнообразных исторических данных наблюдений, реанализа, климатических индексов, результатов моделирования и сезонных прогнозов погоды [Oldenborgh, G.J. van et al., 2005] (http://climexp.knmi.nl/). Из функциональных возможностей присутствует отображение временных последовательностей данных в виде 2-мерных графиков и визуализация полей данных. Обработка и анализ в настоящий момент представлены расчетом средних и экстремальных значений, а также стандартного отклонения и корреляции с другими параметрами. Можно также упомянуть модель распределенной информационноаналитической системы [Шокин Ю.И. и др., 2007; Добрецов Н.Н. и др., 2008] для поиска, обработки и анализа пространственно-распределенных данных, основанную на комбинации ГИС и веб-технологий, и разрабатываемую в настоящее время в Институте вычислительных технологий (ИВТ) и Институте геологии и минералогии (ИГМ) СО РАН. Однако, несмотря на ряд сделанных попыток в области информатизации наук о Земле, попрежнему нет мощного инструмента, обладающего унифицированным веб-интерфейсом и объединяющего широкие возможности по обработке, анализу и визуализации наборов данных, полученных из различных источников, для интегрированного исследования глобальных и региональных изменений климата.

Следует добавить, что опубликованные результаты анализа современных климатических изменений происходящих на территории России [Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет), 2008] либо основаны на результатах измерений на метеостанциях, либо используют данные моделирования с низким пространственным разрешением. Конечно, для надежных оценок нужны поля метеохарактеристик, полученные с высоким разрешением и единственный способ их получения – использование современных метеорологических моделей класса модели WRF (Weather Research and Forecasting model) (http://www.wrf-model.org/).

Важную роль в изучении современного состояния окружающей среды играет спутниковая информация. Однако на пути от спутниковых снимков до надежного анализа соответствующих процессов на их основе приходится решать большой набор задач. В частности, каждая спектральная полоса космического снимка имеет свое пространственное разрешение и покрывает определенную поверхность Земли.

Космические снимки различных аппаратов имеют различное пространственное разрешение для спектральных диапазонов VNIR, SWIR, TIR. При этом каждая спектральная полоса покрывает территорию поверхности Земли, не совпадающую с территорией для других спектральных полос. Современные программные средства обработки космических снимков (ArcGIS [http://www.esri.com/products/index.html], ERDAS Imagine [http://www.erdas.com/tabid/84/currentid/1050/default.aspx], ENVI [http://www.ittvis.com/ProductServices/ENVI.aspx] и др.) имеют ограниченные возможности автоматизированной обработки мультиспекктральных космических снимков. Задача импорта космического снимка в слои полигональных объектов, многомерной кластеризации, классификации и выделения реальных объектов местности и последующей генерации нового тематического слоя цифровой карты является актуальной проблемой тематической обработки космических снимков.

В отчете приведены основные результаты, полученные в ходе выполнения в 2007гг. проекта 4.5.2.2 Разработка научных основ информационно-вычислительной системы на основе Веб- и ГИС технологий для исследований региональных природноклиматических процессов (номер государственной регистрации № 01.2.007 04643) Отчет состоит из трех глав.

В первой главе приведено описание существующих стандартов метаданных, которые были положены в основу разработанной оригинальной RDF схемы. Приведена модель разработанной системы для хранения, поиска и аналитической обработки данных по окружающей среде, реализованной на платформе веб-сервера Apache в связке с Java-сервлет контейнером Tomcat. Описанная система представляет собой необходимый элемент распределенной информационно-вычислительной среды для поддержки мультидисциплинарных исследований Сибири.

Во второй главе дано описание созданного прототипа информационновычислительной веб-системы для обработки и анализа рядов метеорологических и климатических данных. В частности, сформулированы функциональные требования к вычислительному блоку информационно-вычислительной системы, описаны используемые архивы данных, а также вычислительные программные модули, используемые для обработки этих данных. Приведены примеры использования системы для изучения особенностей поведения климатических характеристик на территории Сибири.

В третьей главе, написанной по результатам раздела НИР, выполненного сотрудниками ИХН СО РАН под руководством профессора Ю.М. Полищука, приведены результаты, полученные при разработке методов и программных средств обработки мультиспектральных космических снимков на основе ГИС-технологий. Разработаны алгоритмы и программные средства импорта мультиспектральных снимков ASTER и Landsat в слои полигональных объектов с целью их дальнейшей обработки в среде универсальной ГИС.

Разработанные алгоритмы позволяют автоматизировать процесс подготовки мультиспектральных космических снимков для многомерного пространственного анализа и создания тематических цифровых карт в ГИС. Разработанные программные средства реализованы в качестве модулей расширения для универсальной ГИС ArcGIS ESRI и дают возможность обрабатывать мультиспектральные космические средствами ГИС, без привлечения специальных программных средств обработки растровых изображений. Наибольший эффект использования данной разработки может быть достигнут при обработке космических снимков, поставляемых в формате HDF.

1 экземпляр полныго отчета по проекту отправлен в ФГНУ ЦИТиС, а 2 экземпляр находится в архиве Института.

1.3.2. РАБОТА, ВЫПОЛНЕННАЯ ПО ПРОГРАММЕ ПРЕЗИДИУМА РАН

Программа 16. «Изменения окружающей среды и климата: природные катастрофы».

Проект 10: «Комплексный мониторинг современных климатических и экологических изменений в Сибири» (координатор проекта чл.-корр. РАН М.В.Кабанов) 1. Развита комплексная геоинформационная технология по усвоению данных дистанционного космического мониторинга метеополей, атмосферных образований и природных комплексов Сибири на основе разработанных методических средств, процедур импорта космических снимков в ГИС и алгоритмов специализированной обработки многоуровневой информации. Разработаны алгоритмы вычисления атмосферных параметров, процедуры дистанционного оценивания влажности засоленных почв, процедуры пространственной экстраполяции и оценочных расчетов наземных значений метеопараметров и потоков влаги в атмосфере по прогностическим данным, сопровождающим космические измерения (ИМКЭС СО РАН, ИВЭП СО РАН).

Разработаны алгоритмы и программные средства импорта космических снимков Landsat и ASTER в векторные слои полигональных объектов (рис.1). В качестве основы для реализации процедуры импорта данных космического снимка использован объектный подход, в рамках которого данные отдельного спектрального канала представляются в виде множества полигональных объектов, объединенных в отдельный топологический полигональный слой. Такое объектное представление космических снимков, в отличие от растрового, расширяет возможности оперирования ими в ГИС во взаимосвязи с базами данных и результатами наземных наблюдений для решения широкого круга практически значимых задач мониторинга. Алгоритм использует оригинальные процедуры анализа слоев полигональных объектов спектральных каналов и формирования объединенного слоя полигональных объектов (рис.2).

Рис. 1. Алгоритм импорта комического снимка ASTER формата HDF EOS в ГИС Из сопоставления метеорологических параметров атмосферы, дистанционно определяемых прибором MERIS (спутник ENVISAT), и прогностических данных Европейского Центра среднесрочного прогноза (ECMWF), сопровождающих космические измерения?

с данными наземных станций Западной Сибири выявлены корреляционные связи и получены соотношения для проведения пространственной экстраполяции, разработаны алгоритмы оценочных расчетов наземных значений метеопараметров (с учетом топографии местности) и потоков влаги в атмосфере. В процедуре оценивания влажности засоленных почв используются установленные калибровочные зависимости коэффициента излучения почв в сантиметровом радиодиапазоне от объемной влажности (рис. 3).

отдельные слои полигональных объектов Рис. 3 Зависимости коэффициента объединеннный слой полигональных объектов излучения песчаного почвогрунта с Рис. 2. Формирование объединенного слоя полигональных объектов спектральных каналов диапазона VNIR на фоне отдельных слоев 2. Анализ реконструированного из дендрохронологических данных двухсотлетнего ряда ОСО для субарктического пояса широт (55-65 с.ш.) показал, что в формировании долгопериодных отклонений ОСО от квазипериодических колебаний, обусловленных космоземными связями, значимым фактором является активность вулканов Плиниевого типа (с индексом вулканического взрыва от 4 и более).

Коэффициент корреляции отклонений ОСО при вычитании периодических составляющих с объемами вулканических выбросов достигает -0,4 с доверительной вероятностью p < 0,0001 (ИМКЭС СО РАН).

Реконструкция двухсотлетнего поведения общего содержания озона (ОСО) осуществлялась методом линейной регрессии на основе высокой корреляции рядов спутниковых данных ОСО и хронологий плотности годичных колец ели для сорока точек в северных регионах Евразии и Северной Америки (Зуев, Бондаренко, 2007). На рис. 4а изображен обобщенный ряд реконструированных хронологий ОСО, характеризующий его поведение в субарктическом поясе широт (55-65 с.ш.). Сумма первых двух компонент разложения ряда ОСО методом «Гусеница» (с весом более 40%), изображенная на рис. 1а, характеризует циклы колебаний с периодом около 65 лет. Этот период характерен для многих климатических рядов и связан с влиянием на циркуляцию земной атмосферы модуляции вращения Солнца, при его гравитационном взаимодействии с Юпитером и Сатурном, относительно центра инерции всей солнечной системы.

На рис. 4б изображена хронология извержений вулканов Плиниевого типа с индексами вулканического взрыва (ИВВ) от 4 и более. Объемы выбросов приведены по характеристикам ИВВ. Время экспоненциального спада объемов вулканогенных веществ в стратосфере фиксировалось на уровне одного года согласно данным лидарных наблюдений стратосферных вулканогенных аэрозолей (Зуев, Бурлаков, 2008).

На рис. 5 приведены диаграмма рассеяния и прямая регрессии остатков реконструированного ряда ОСО, полученных путем вычитания периодических компонент, и объемов вулканических выбросов. Максимальный коэффициент значимой отрицательной корреляции остатков ОСО с объемами вулканических выбросов (R = -0,4 для числа узлов N = 206 с доверительной вероятностью p < 0,0001) достигается при временном лаге 4 года (Зуев, Бондаренко, Зуева, 2009), что согласуется с данными лидарных наблюдений длительной вулканогенной депрессии стратосферного озона (Зуев, Бурлаков, 2008).

Объем выброса, км 3-Санта-Мария; 4-Новагупта; 5-Келут; 6-Эль-Чичон;

7-Пинатубо.

1.3.3. РАБОТА, ВЫПОЛНЕННАЯ ПО ИНТЕГРАЦИОННОМУ ПРОЕКТУ СО РАН,

ВЫПОЛНЯЕМОМУ СОВМЕСТНО СО СТОРОННИМИ ОРГАНИЗАЦИЯМИ

Проект № 53 «Генофонд хвойных Урала и Сибири: структура, принципы сохранения и использование в селекционных программах»

Исполнители (СО РАН): Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН; Институт химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН; Институт леса СО РАН; Западно-Сибирский Филиал Института леса СО РАН; Новосибирский институт органической химии СО РАН; Институт систематики и экологии животных СО РАН Цель проекта - на основе собственных междисциплинарных исследований участников проекта и других источников информации провести сравнительный анализ структуры генофонда у основных лесообразующих видов хвойных Урала и Сибири, разработать принципы его резервации и использования в селекционных программах, начать реализацию на практике нового этапа селекционного процесса с использованием современных биотехнологий.

Задачи проекта:

- Изучить пространственно-временную организацию генофонда у видов хвойных с трансконтинентальными ареалами и процессы их адаптивной микроэволюции.

- Изучить генетический обмен между более или менее близкородственными видами как проявление макроэволюционных процессов, включая гибридное видообразование.

- Проанализировать риски обеднения и деформации генофонда в условиях климатического и техногенного стресса, а также в условиях нерационального использования лесных ресурсов.

- Сформулировать принципы сохранения генофонда хвойных видов in situ, позволяющие совместить выполнение бореальными лесами своих биосферных и ресурсных функций.

- Сформулировать принципы отбора в природных популяциях исходного материала для селекционных программ и принципы резервации этой части генофонда ex situ.

- Разработать схемы селекции сортов-популяций, сортов-гибридов и сортов-клонов (на примере лиственницы, 2-х и 5-хвойных сосен).

- Разработать биотехнологические основы селекционного процесса, включая ускорение селекционного цикла, преодоление несовместимости, а также способы микроклонального размножения генотипов и повышения их устойчивости к патогенам.

- Подготовить для испытания новые сорта хвойных: сорта-популяции сосны для плантационных культур, сорта-клоны кедра для орехоплодных плантаций, устойчивые к патогенам сорта-линии, разнообразные декоративные сорта.

Главный ожидаемый результат проекта – целостное представление о структуре и динамике генофонда основных лесообразующих хвойных, а также основанные на этом представлении принципы сохранения генетического потенциала видов в природных популяциях и рационального использования генетических ресурсов путем введения видов в культуру и выведения сортов с заданными наследственными свойствами.

Основные результаты 2009 г.

Блок 1. Структура природного генофонда, принципы его резервации in situ 1.1 5-хвойные сосны Северной и Восточной Азии: структура межвидового разнообразия

(ИХБФМ СО РАН, НИОХ СО РАН, ИМКЭС СО РАН)

Впервые для 5-хвойных сосен определена нуклеотидная последовательность фрагмента гена Dek 1, отвечающего за синтез растительного колпаина (ИХБФМ СО РАН).

Последовательность отличается от аналога кукурузы сильнее, чем от сосны обыкновенной. В следующем году планируется провести секвенирование последовательностей до 1000 и более нуклеотидов с перекрыванием интронных участков, что позволит сравнить виды и гибриды 5-хвойных сосен, сделать новые выводы об их таксономическом статусе.

Впервые методом газовой хромато-масс-спектрометрии проведено сравнительное исследование состава летучих веществ хвои видов и экотипов 5-хвойных сосен (НИОХ СО РАН, ИМКЭС СО РАН). Многомерный статистический анализ результатов показал, что первая главная компонента имеет преимущественно филогенетическое (по ней больше различаются виды), а вторая – экологическое (по ней больше различаются экотипы одного вида) (рис. 1).

Рисунок 1. Распределение образцов хвои видов 5-хвойных сосен по составу и содержанию летучих веществ в плоскости главных компонент, выявленных по результатам многомерного анализа: pum 1 – P. pumila, о. Кунашир; pum 2 – P. pumila, Северный Байкал; sib 1 – P. sibirica, С. Байкал; sib 2 – P. sibirica, лесотундра З-Сибирской равнины (Уренгой); sib 3 – P. sibirica, южная тайга З-Сибирской равнины (Томск); arm - P. armandii (Центральный Китай); cem – P. cembra (Альпы, Италия), kor – P. koraiensis (Сев. Сихотэ-Алинь), par – P.

parviflora (о. Хонсю).

Контрастные географические экотипы кедра сибирского очень близки. Весьма близок к ним также и кедр европейский. Кедр корейский имеет промежуточный между кедром сибирским и P. Armandii состав летучих веществ, что свидетельствует в пользу его гибридного происхождения. Кедровый стланик по всем показателям очень далек от всех остальных видов, скорее всего, из-за своей специфической жизненной формы и связанного с ней комплекса адаптаций. Огромные различия между двумя крайними (западным и восточным) экотипами кедрового стланика явно объясняются контрастностью климата, резко континентального и мягкого океанического, соответственно. Южнокурильский экотип кедрового стланика по составу летучих веществ имеет много общего с географически близкой P. parviflora. Полученные результаты демонстрируют высокую информативность и перспективность примененного метода для анализа структуры разнообразия лесных древесных видов.

1.2. Структура популяций в гибридной зоне кедра сибирского и кедрового стланика (ИМКЭС СО РАН, ИОГен РАН) В популяции из гибридной зоны кедра сибирского и кедрового стланика (Северное Прибайкалье) изучена изменчивость цитоплазматических геномов, изоферментных локусов и анатомо-морфологических признаков хвои. По результатам изоферментного анализа, в репродуктивной части популяции отсутствуют беккроссы: все гибриды являются гибридами первого и/или последующих поколений. Поэтому при анализе симпатрической популяции как целого анатомические и изоферментные гибридные индексы особей связаны тесной прямой связью (рис. 2); при исключении же чистых видов эта связь исчезает.

Все гибриды имеют мтДНК кедрового стланика и хлДНК кедра сибирского, т.е. исходно являются продуктами опыления семяпочек первого вида пыльцой второго вида. Следовательно, близость большинства гибридов по строению хвои к кедровому стланику, определяется преобладающим влиянием материнского растения на фенотип гибридного потомства. Сопряженный анализ генетической и фенотипической изменчивости с помощью метода гибридных индексов является перспективным подходом к изучению генетических процессов в гибридных зонах.

Рисунок 2. Связь морфологического (MIH) и генотипического (GIH) гибридных индексов растений кедра сибирского, кедрового стланика и их естественных гибридов: P – P. pumila, S – P. sibirica, H – естественные гибриды Блок 2. Отбор исходного материала для селекционных программ и его резервация ex situ 2.1. Структура изменчивости состава терпентинных масел хвои, изоферментов и морфологических признаков в природных популяциях и на экспериментальных объектах сосны обыкновенной (ЗСФ ИЛ СО РАН, НИОХ СО РАН, ИХБФМ СО РАН, ИСЭЖ СО РАН) Структура разнообразия в географических культурах сосны обыкновенной (Новосибирская область, 12 экотипов из разных частей российской части ареала). Методом дискриминантного анализа выявлено, что по составу монотерпеновой фракции эфирного масла хвои экотипы четко дифференцируются, главным образом, в зависимости от продуктивности и устойчивости в месте испытания (рис.3). Следовательно, состав монотерпенов у потомств географических популяций в значительной мере отражает их различия в уровне адаптации к новым условиям.

Рисунок 3. Дифференциация различных климатипов сосны в плоскости 1-2 дискриминантных осей по данным анализа состава терпентинных масел хвои 2.2. Изменчивость морфологических и генетических признаков сосны обыкновенной в островных популяциях на юге ареала: изучение карликовых форм (ИЛ СО РАН, ЗСФ ИЛ СО РАН, ИСЭЖ СО РАН, ИЭРЖ УрО РАН) Исследован генетический полиморфизм карликовых сосен, встречающихся на песчаных дюнах и скалах в двух популяциях на юге Средней Сибири (Тыва и Хакассия) (рис.

4).

Рисунок 4. Карликовая сосна, возраст - 167 лет, высота - 3,2 м Установлена высокая генотипическая изменчивость карликов и их сходство с типичными представителями вида по основным показателям генетического разнообразия. Выявлены существенные различия карликовых и типичных деревьев по гетерозиготности отдельных локусов и межлокусной интеграции генотипов. В популяциях отмечен возрастной тренд уменьшения гетерозиготности карликовых деревьев в отличие от «нормы», для которой установлено повышение нижнего предела гетерозиготности деревьев старшего возраста.

Включение карликовых особей в популяционную выборку повышает аллельное и генотипическое разнообразие популяций и приводит к большему соответствию распределения генотипов равновесию Харди-Вайнберга. Высокое аллельное разнообразие, а также наличие некоторых редких аллелей только в этой морфологической группе сосен свидетельствует о необходимости их использования для целей сохранения популяционного генетического разнообразия вида.

Блок 3. Выведение сортов и технология их размножения 3.1. Спонтанные соматические мутации у кедра сибирского и возможности их использования для селекции низкорослых урожайных сортов (ИМКЭС СО РАН) На примере кедра сибирского проведен сравнительный анализ вегетативного потомства «ведьминых метел» (ВПВМ) в сравнении с вегетативным потомством нормальной кроны (ВПНК) тех же деревьев (рис. 5). В 5-6-летнем возрасте высота ВПВМ была в среднем в 1,5 раза ниже, а диаметр ствола – в 2 раза выше, чем у ВПНК. Это достигалось за счет принципиальных различий в морфогенезе: ВПВМ отличались полным или почти полным отсутствием апикального доминирования; при одинаковой длине побега число боковых почек на ВПВМ было в 3-4 раза больше; у ВПВМ были значительно меньше число метамеров и длина междоузлий на сравнимых по положению в кроне побегах. По числу шишек ВПВМ превосходило ВПНК в 5-10 раз, а по числу шишек на единицу площади горизонтальной проекции кро- ны – в 10 и более раз. Таким образом, при Рисунок 5. «Ведьмина метла» в природе (слева), скороплодный (справа вверху) и декоративный (справа внизу) привойные сорта 3.2. Получение гибридного потомства у кедра и лиственницы, введение его в культуру in vitro для размножения путем соматического эмбриогенеза (ИЛ СО РАН).

Впервые получено потомство от опыления обычных клонов кедра сибирского пыльцой гетерозисного дерева с 1-летним циклом развития женских шишек, а также гибридное потомство клонов лиственницы сибирской, устойчивых к почковой галлице. Эти и другие ценные генотипы на стадии зародышей введены в культуру in vitro. Разработана технология клонирования методом соматического эмбриогенеза (рис. 6). Показано, что зародыши от самоопыления характеризуются существенно меньшей регенерационной способностью, чем зародыши от перекрестного опыления. Выявлены комбинации родительских генотипов, потомство которых сочетает полезные признаки и высокую регенерационную способность: активно наращивает эмбриогенные каллусы и образовывает соматические зародыши. Применение эффективных инновационных технологий, таких как соматический эмбриогенез, в сочетании с традиционными селекционными программами В 2009 г. со ссылкой на поддержку из средств проекта опубликованы: статьи в рецензируемых журналах - 3, материалы международных конференций и конференций с международным участием – 6, материалы всероссийских конференций – 3.

1.3.4. РАБОТЫ, ВЫПОЛНЕННЫЕ ПО ИНТЕГРАЦИОННЫМ ПРОЕКТАМ СО РАН

Проект № 4 «Информационные технологии, математические модели и методы мониторинга и управления экосистемами в условиях стационарного, мобильного и дистанционного наблюдения».

Общая характеристика выполненных в 2009 г. работ В течение первого года проведена разработка архитектуры веб системы, интегрирующей поддержку процессов создания моделей данных и наблюдений (мониторинга) за состоянием геосферно-биосферных объектов и анализа состояния объектов наблюдения. Выработаны базовые требования, которым должна отвечать информационно-вычислительная система для обработки и анализа архивов климатических данных, а также данных удаленного зондирования:

унифицированная обработка и анализ данных, полученных из разных источников, включая приведение к единому формату NetCDF (соглашение COARDS для метеои климатических данных, соглашение GDT для данных моделирования), за исключением данных дистанционного зондирования в формате HDF-EOS.

использование форматов W3C, OGC и ISO для описания результатов вычислений с целью достижения интероперабельности и возможности в перспективе создания соответствующих веб-сервисов использование технологий веб-гис для расширения функциональности на стороне веб-клиента (интернет-браузера) реализация вычислительных модулей для проверки статистических гипотез использование данных моделирования с высоким пространственным разрешением.

Также создана аппаратная инфраструктура для хранения и обработки данных по окружающей среде Северной Евразии, и, в частности, Западной Сибири. Объем хранилища данных достигает 7 Тб с возможностью расширения до 16 Тб.

Основной результат: концептуальная архитектура веб-системы для обработки и анализа архивов климатических данных, а также данных удаленного зондирования Исполнители: Гордов Е.П., д.ф.-м.н., гнс, Окладников И.Г., к.т.н., снс, Титов А.Г., м.н.с.

Содержание результата: на основе выработанных базовых требований к информационновычислительной системе для обработки и анализа архивов климатических данных, а также данных удаленного зондирования разработана концептуальная архитектура веб-системы.

Рис. Концептуальная архитектура веб-системы для обработки и анализа архивов климатических данных, а также Система будет реализована в виде веб-портала, основанном на оригинальном программном обеспечении, и будет отвечать современным требованиям, предъявляемым к информационным интернет-системам (функции аутентификации, CMS, работа с различными СУБД и т.д.). Функциональные возможности системы позволят проводить математический и статистический анализ основных параметров, характеризующих состояния и изменения глобального и регионального климата, а также спутниковых снимков с последующим представлением результатов, как в графическом, так и цифровом виде. В качестве наборов данных доступных для обработки будут использоваться архивы исторических наблюдений, результаты математического моделирования (реанализы, глобальные и региональные модели), а также данные спутникового зондирования (спектральные каналы, готовые продукты). Вычислительное ядро системы планируется реализовать на языке ITTVIS Interactive Data Language (IDL) v. 7.0 с использованием объектноориентированного подхода. Это позволит построить гибкую и легко расширяемую систему, поддерживающую развитие функциональных возможностей, как силами команды разработчиков, так и с помощью внешних модулей, возможность разрабатывать которые будет предоставлена зарегистрированным пользователям системы. Графический вывод системы будет сопровождаться созданием NetCDF и XML файлов, содержащих результаты расчетов и метаданные, удовлетворяющие стандартам Open Geospatial Сonsortium (OGC, http://www.opengeospatial.org) и W3C (http://www.w3.org/) При отображении результатов будут использованы элементы технологии Веб-ГИС (ПО GeoServer, MapServer, OpenLayers). В качестве одного из слоев или подложки при отображении полей метеорологических данных могут быть использованы данные спутникового зондирования (как комбинация спектральных каналов, так и готовые продукты).

Проект № 50 «Модели изменения биосферы на основе баланса углерода (по натурным и спутниковым данным и с учетом вклада бореальных экосистем)».

Раздел «Моделирование климатических процессов происходивших на территории Западной Сибири во второй половине 20 века»

В разделе «Моделирование климатических процессов происходивших на территории Западной Сибири во второй половине 20 века» на основе мезомасштабной метеорологической модели WRF» вначале была выполнена работа по анализу климатических изменений на основе баз данных наблюдений с метеорологических станций и реанализов. Получены количественные оценки для ежегодных изменений климатических характеристик на территории Сибири по данным метеостанций и Реанализов с пространственным разрешением до 0,5 градуса. Вычисления выполнены на основе данных реанализа Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды (температура воздуха и количество осадков, http://agrifish.jrc.it/marsfood/ecmwf.htm) и результаты измерений этих величин на метеостанциях СССР/России за этот же период. Были вычислены климатические характеристики, определяющие развитие лесных экосистем: продолжительность вегетационного периода, его средняя температура, количество осадков. Далее был проведен трендовый анализ их динамики и создана база климатических индикаторов.

Для проверки результатов вычисления полей метеорологических величин с высоким пространственным разрешением на основе мезомасштабной метеорологической модели WRF использовались данные ERA-40 Reanalysis и Reanalysis AMIP II с пространственным разрешением 2.5х2.5° для температуры на высоте 2 м и данные 46 метеорологических станций, расположенных на территории Западной Сибири, за период с 1958 по гг.

Выполнена локализация мезомасштабной метеорологической модели высокого разрешения WRF на территорию Западной Сибири. Проведены тестовые расчеты полей метеорологических характеристик с пространственным разрешением 15 км. Показано, что тонкая структура полей, выявляемая численным моделированием динамики метеорологических процессов с высоким пространственным разрешением, сохраняется при переходе к среднемесячным значениям. В частности, для поля приземной температуры обнаружены локальные области с линейными размерами до 20 км, в которых отклонения среднемесячной температуры достигают 1,5 градусов. Долговременная пространственная неоднородность метеорологических полей такого масштаба не может быть выявлена без использования современных метеорологических моделей. Пространственная неоднородность характеристик, контролирующих ход биологических процессов, будет сказываться на углеродном балансе региона.

Проект №54 «Нанометрология асферических поверхностей» (фундаментальные исследования СО РАН, выполняемые совместно с организациями национальных академий наук Этап 2009 г.: Измерение малых искажений волнового фронта методом регистрации выборки интерферограмм с различным числом интерференционных полос.