«ОТЧЕТ О НАУЧНОЙ И НАУЧНО-ОРГАНИЗАЦИОННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ за 2008 год Утверждаю Директор института, д.ф.-м.н. _В.А.Крутиков Томск-2009 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 2008 год

Утверждаю

Директор института, д.ф.-м.н.

_В.А.Крутиков Томск-2009

СОДЕРЖАНИЕ

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

I 3 Важнейшие результаты фундаментальных и прикладных исследований 1.1 Научно-организационная деятельность ИМКЭС 1.2 Результаты научно-исследовательских работ, выполненных по «базовым» проектам СО РАН Краткие аннотации научно-исследовательских работ, выполненных по 1.4 программам РАН, СО РАН и РФФИ

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

1. Из анализа наблюдаемых сезонных колебаний приземной температуры в Сибири следует, амплитуда таких колебаний А за весь период наблюдений (1882 – 2006 гг.) зависит с высоким коэффициентом детерминации (более 0,9) от среднесезонной температуры зимой Т по единой формуле А=17,3 – 0,94Т для Западной (Тобольск) и Восточной (Иркутск) Сибири (проект 7.10.1.1).

Температура, С Пример исходных анализируемых данных по сезонным колебаниям приземной температуры для Иркутска. Вверху – средние летние, внизу – средние зимние, жирные кривые – среднесезонные температуры при скользящем осреднении.

Приведенный рисунок для Иркутска (данные для Тобольска аналогичны) иллюстрирует определяющее влияние среднезимних колебаний приземной температуры на амплитуду сезонных колебаний за весь анализируемый период наблюдений (124 года).

Полученная эмпирическая закономерность сохраняется и в последнее десятилетие, хотя динамика потепления изменилась: для Восточной Сибири (Иркутск) потепление за счет зимних месяцев замедлилось, но возросло за счет летних месяцев, а для Западной Сибири (Тобольск) потепление продолжается только за счет зимних месяцев.

Устойчивость полученной закономерности за весь анализируемый период наблюдений можно объяснить достаточной стабильностью условий переноса для уходящего теплового излучения от земной поверхности, определяющего отрицательный радиационный баланс в зимний сезон, и не согласуется с гипотезой определяющей роли парниковых газов в наблюдаемом потеплении.

2. Результаты статистического анализа инструментальных данных для среднемесячных приземных температур показывают, что на территории Западной Сибири за период 1976-2006 гг. темпы потепления имели четко выраженную мезомасштабную неоднородность. Для февраля, отличающегося в сравнении с другими месяцами, более однородными по территории и более высокими темпами потепления, установлена статистически значимая корреляция приземных температур с интенсивностью и временем пребывания циклонов на рассматриваемой территории (проект 7.10.1.1).

Северная широта 3. Разработана методика картографического отображения рисков природопользования с учетом территориального ранжирования (в баллах) климатической, гидрологической и эколого-экономической напряженности (проект 7.10.1.3).

Рис. 1. Климатическая напряженность Томской области 4. Исследование кедрово-темнохвойных лесов на территории Кеть-Чулымского междуречья выявили проявляющиеся через разнообразие структуры возрастных ярусов древостоя различия в динамике насаждений, характерные для каждого типа лесорастительных условий (проект 6.3.1.16). Структура насаждений различных типов лесорастительных условий.

А- суглинистая древняя равнина, Б – борта ложбины стока, сложенные супесями, подстилаемыми слоистыми суглинками; В - ложбины стока, сложенные супесями, подстилаемые песками. По горизонтали – породный состав, по вертикали доля участия в насаждении.

На поверхностях, сложенных суглинистыми отложениями, отмечена тенденция смены в возрасте более 100 лет осиново-березового древостоя кедром, а при распаде кедрового древостоя в возрасте более 300 лет – пихтой. Благоприятные условия формирования первой генерации кедра образуются под пологом лиственного древостоя, второй - в окнах на стадии распада пихтового древостоя. В климаксовом состоянии формируется разновозрастный кедрово-елово-пихтовый мелкотравно-зеленомошный тип леса с близкой по составу структурой насаждения по всем возрастным состояниям.

На дренированных поверхностях, сложенных супесями, подстилаемыми слоистыми суглинками, формируются кедровые с участием сосны и ели преимущественно одновозрастные ягодно-мшистые насаждения. Возобновление кедра отзывчиво на изменение климатических условий и идет через осиновые, реже березовые и сосновые насаждения.

Поверхности, сложенные перекрывающими пески супесями, рассматриваются как устойчиво-кедровые. В восстановительных циклах здесь сформированы насаждения с преобладанием кедра в первом ярусе. Однако возобновление кедра ослаблено. Поэтому уже в следующем возрастном состоянии преобладают ель или пихта. Слабая отзывчивость древостоев на современное потепление связано с тем, что флуктуации климатических условий относительно общего тренда были короткопериодическими, несравнимыми по продолжительности с жизненными циклами кедровых древостоев.

5. Разработана полная система топологической классификации лоций фазового синхронизма для нелинейных оптических кристаллов. Система классификации обобщена для всех разновидностей коллинеарных трехчастотных процессов параметрического преобразования частоты лазерного излучения I, II и III типа в положительных и отрицательных двухосных нелинейных кристаллах (проект 7.13.1.2).

диаграмма лоций ФС Система классификации основана на 4-х предложенных топологических символах:

Fi (для I типа взаимодействий), Si (II), Ti (III) и порядковом номере класса лоций Sqi:D, i= 1,2,3, с параметром вырождения D, определяемых путем алиментарного расчета по знакам фазорассогласования. Все лоции (рис.2) отнесены к 5 разновидностям по виду проекций на пл. XZ: 0, 1+, 1-, 2 и 2u. Определен новый тип (рис. 3) лоций фазового синхронизма.

Результат классификации представлен в виде обобщенной диаграммы (рис. 1), отражающей логическую связь переходов от лоции к лоции, идентифицированных значениями символов (Вид А).

Условия фазового синхронизма, необходимые для высокоэффективного преобразования частоты в нелинейных кристаллах, формулируются из закона сохранения энергии 1+2=3 и импульса 1n1(1,,)+2n2(2,,)=3n3(3,,). Условия фазового синхронизма выполняются в круговых или деформированных конусах направлений, которые принято представлять графически в виде проекций траекторий пересечения конусов с единичной сферой или виде т.н. лоций фазового синхронизма. В силу симметрии лоций фазового синхронизма представление их проекций ограничивают одним квадрантом.

Обобщенная диаграмма позволяет провести полный анализ возможностей реализации и определить лучший тип преобразования частоты с использованием конкретного кристалла, корректно определить условия максимизации его выходных параметров, сравнить потенциал различных кристаллов.

6. Завершена разработка мобильного варианта автоматического ультразвукового метеокомплекса АМК-03Б, устанавливаемого на транспортные средства и предназначенного для измерения основных метеорологических величин: скорости и направления ветра, температуры и влажности воздуха, атмосферного давления. Комплекс обеспечивает измерение мгновенных значений скорости ветра и температуры воздуха с частотой до 80 Гц при чувствительности 0,05 м/с и 0,05 С, соответственно, и оснащен автоматической системой контроля измеряемых параметров и градуировки блока термоанемометра.

Минимальное время процесса самотестирования, развертывания, измерений и свертывания не более 3 минут (проект 7.13.1.2).

Высота метеомачты в развернутом состоянии 4 м 1.2. НАУЧНО-ОРГАНИЗАЦИОННАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ИМКЭС СО РАН в 2008 г.

Программа Сибирского отделения РАН Проект 7.10.1.1. Исследование климатообразующих атмосферных Кабанов М.В.

процессов с учетом воздействия глобальных и региональных факИпполитов И.И.

торов (№ 01.2.007 04641) Проект 7.10.1.2. Развитие информационно-измерительных техно- Крутиков В.А.

логий для мониторинга и моделирования атмосферных, гидросферных и литосферных процессов в геосистеме Сибири (№ 01.2.007 04638) Проект 7.10.1.3. Исследование экосистемных изменений в Сибири Поздняков А.В.

и связанных с ними рисков природопользования (№ 01.2.007 04642) Проект 7.13.1.2. Развитие методов и технических средств на осно- Тихомиров А.А.

ве оптических, радиоволновых и акустических эффектов для изучения природных и техногенных систем (№ 01.2.007 04640) Проект 6.3.1.16. Разнообразие в экосистемах бореальных лесов: Дюкарев А.Г.

динамические и функциональные аспекты (№ 01.2.007 04639) Проект 4.5.2.2. Разработка научных основ информационно- Гордов Е.П.

вычислительной системы на основе Веб- и ГИС технологий для исследований региональных природно-климатических процессов (№ 01.2.007 04643) Интеграционные междисциплинарные проекты СО РАН Проект № 34 «Создание распределенной информационно- Гордов Е.П.

аналитической среды для исследований экологических систем». Соисполнители.

Проект № 86 «Создание средств спутникового экологического мо- Крутиков В.А.

ниторинга Сибири и Дальнего Востока на основе новых информационных и телекоммуникационных методов и технологий». Соисполнители.

Программа РАН.

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

Проект 4: «Природные и антропогенные факторы динамики крио- Крутиков В.А.

генных геосистем Евразии»

Проект 5: «Комплексный мониторинг современных климатических Кабанов М.В.

и экосистемных изменений в Западной Сибири»

Программа ОНЗ-7.3 «Техногенное преобразование недр Земли: развитие теоретических основ эффективного использования и сохранения георесурсов»

Проект 7.3.1: «Обоснование путей повышения эффективности и Крутиков В.А.

экологической безопасности открытой добычи твердых полезных ископаемых»

Гранты РФФИ Проект № 08-05-00426/а "Роль торфоболотных экосистем в смягче- Головацкая Е.А.

нии последствий изменений климата" Проект № 08-04-10031/к " Организация и проведение экспедици- Дюкарев А.Г.

онных исследований остаточно-гумусовых органо-аккумулятивных почв таежной зоны" Проект № 08-05-06052/г "Организация и проведение VI Междуна- Кабанов М.В.

родного симпозиума «Контроль и реабилитация окружающей среды»" Проект № 08-05-08067/з "Участие в международной конференции Титов А.Г.

European Geosciences Union General Assembly – 2008 (Генеральная Ассамблея Европейского геофизического общества)", Вена, Австрия Проект № 08-05-09207/моб_з "Участие в международной конферен- Шуркина К.А.

ции «Studying, Modeling and Sense Making of Planet Earth»", Греция, Митилини Проект № 08-05-08147/з "Участие в международной конференции Поздняков А.В.

«Studying, Modeling and Sense Making of Planet Earth»", Греция, Митилини Проект № 08-05-08148/з "Участие в международной конференции Волкова Е.С.

«Studying, Modeling and Sense Making of Planet Earth»", Греция, Митилини Проект № 06-04-49328а: «Остаточно-гумусовые органно- Дюкарев А.Г.

аккумулятивные почвы таежной зоны: география, генезис классификация»

Проект № 06-05-96945/офи: «Геоинформационные технологии про- Крутиков В.А.

странственной локации и мониторинга структурных неоднородностей литосферы»

Проект № 06-02-96911/офи: «Создание физико-химических и техно- Грибенюков А.И.

логических основ получения и управления свойствами оптических монокристаллов многокомпонентных соединений для источников лазерного излучения ИК и субмиллиметрового (Терагерцевого) диапазонов»

Проект № 06-04-49065/а: «Адаптивная структура популяций сосны Велисевич С.Н.

кедровой сибирской в оптимальных и пессимальных условиях»

Проект № 08-04-09421/моб_з "Участие в международной конферен- Петрова Е.А.

ции «Селекция и генетические ресурсы 3-х хвойных сосен»", Корея, Сеул Проект № 08-05-09222/моб_з "Участие в международной конферен- Веретенникова ции «Болота и заболоченные ландшафты и изменение климата: но- Е.Э.

вые задачи в исследовании»", Эстония, Курессааре, Саарема Проект № 07-04-00593/а: «Межвидовая гибридизация как фактор Горошкевич С.Н.

сетчатой эволюции азиатских видов 5-хвойных сосен»

Проект № 08-05-09340/з "Участие в работе Первого международно- Шульгина Т.М.

го семинара по анализу и моделированию данных в науках о Земле (First International Workshop on Data analysis and Modeling in the Earth Sciences – DAMES 2008)", Германия, Потсдам 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) 1. Результат, представленный в качестве важнейшего:

Результаты статистического анализа инструментальных данных для среднемесячных приземных температур показывают, что на территории Западной Сибири за период 1976-2006 гг. темпы потепления имели четко выраженную мезомасштабную неоднородность. Для февраля, отличающегося в сравнении с другими месяцами, более однородными по территории и более высокими темпами потепления, установлена статистически значимая корреляция роста температур с увеличением их интенсивности и времени пребывания на рассматриваемой территории.

Северная широта Северная широта 2. Другие полученные по проекту результаты:

Исследование энергетики циклонических образований.

Проведено исследование энергетических характеристик циклона в зонах конвективной неустойчивости циклонов. По аэрологической группе данных NCEP/DOE AMIP-II Reanalysis (Reanalysis-2) c 6-часовым временным разрешением были рассчитаны оценки основных составляющих энергетического баланса на разных стадиях развития циклонических образований в зонах конвективной устойчивости и неустойчивости циклонов, а также их пространственная и временная изменчивость. Выделение зон конвекции в области циклона осуществлялась по рассчитываемому CAPE индексу. Использование синоптических карты и суточных данные MODIS по земному шару позволило уточнить локализацию зон и фронтов в барических образованиях. Результаты проведенного исследования показали, что на начальной стадии и стадии максимального развития циклонов, локальные изменения запасов кинетической энергии в зонах конвекции в 1,5-2 раза превышают соответствующие значения, полученные для зон устойчивой атмосферы, а на высоте 700-500 гПа происходит сток кинетической энергии из зоны конвекции.

Интерес к циклоническим образованиям, их энергетике и воздействиям на климат регионов вырос в последние годы и вызван, как участившимися проявлениями шквалов и смерчей над территориями Сибири и ЕТР в 2005-2007гг., так, и их возможной связью с проблемой глобального потепления. Исследование процессов зарождения и развития циклонов с точки зрения законов сохранения энергии обеспечивает единую шкалу при оценке вклада различных атмосферных процессов в развитие циклонов и позволяет описать физические механизмы этого развития. Виды энергии, подверженные преобразованию, характеризуют специфику этих процессов, и соответствующий анализ позволяет в простой форме отразить их существенные особенности.

Из всех видов циклонов к настоящему времени наиболее полно изучена энергетика и динамика тропических вихрей. Тропические циклоны принадлежат к числу наиболее мощных, обладающих огромной разрушительной силой и энергией, явлений природы.

Согласно оценкам [Фалькович 1979, Хромов 1948, Шакина 1985], циклон за сутки выделяет энергию примерно 5*1019Дж. Наиболее часто (в 65% случаев) тропические циклоны зарождаются над океанами в широтных зонах от 10° до 20° северного и южного полушарий. На зоны 3°-10° в обоих полушариях приходится 22% возникновения циклонов.

Первые попытки объяснения причин образования циклонов относятся к XIX в. В начале XX в. метеорологи норвежской школы разработали основные положения об атмосферных фронтах и предложили волновую теорию циклогенеза. Она легла в основу модели В. Бьеркнеса развития внетропического циклона в результате роста неустойчивости волны на наклонной поверхности раздела воздушных масс с различными свойствами (на фронтальной поверхности). Эта теория и модель впервые связали возникновение циклонов с гидродинамической неустойчивостью воздушного потока. В 40-е годы Х. П. Погосяном и Н. Л. Таборовским была создана адвективно-динамическая теория, впервые представившая циклоногенез (антициклоногенез) и фронтогенез как грани единого процесса.

Гидродинамическое обоснование адвективно-динамической теории, связанной с теорией изменения атмосферного давления, проведенное Таборовским, позволило подойти к представлению о бароклинной неустойчивости как основном механизме циклогенеза. На современном этапе исследований концепция гидродинамической неустойчивости непрерывно-стратифицированной среды как важнейшего механизма атмосферного цикло- и антициклоногенеза, стала общепризнанной.

Развитие циклонов умеренных широт определяется процессами, имеющими различные масштабы, среди которых можно условно выделить процессы планетарного и синоптического масштабов. Оценить вклад тех и других процессов в энергетику циклонов, можно выделив соответствующие им составляющие различных видов энергии, в частности, кинетической [Калинин 1999].

Наибольшую роль в процессе возникновения атмосферных вихрей синоптического масштаба играет бароклинная неустойчивость, то есть неустойчивость потока с горизонтальным градиентом температуры и, следовательно, с вертикальным градиентом скорости ветра в поле силы Кориолиса. Источником энергии растущих возмущений в таком потоке является доступная потенциальная энергия (А) горизонтальных контрастов температуры. Другим видом неустойчивости, который может вносить существенный вклад в энергетику циклогенеза, является баротропная неустойчивость, то есть неустойчивость потоков с горизонтальным сдвигом скорости ветра в поле силы Кориолиса. Источником энергии неустойчивых возмущений в этом случае является кинетическая энергия (К) основного течения.

Вопросами, связанными с изучением бюджета кинетической энергии, доступной потенциальной энергии и ее превращения в кинетическую энергию, энергетики циклонов на разных стадиях развития, и связи их с влагооборотом занимаются с середины ХХ века.

Балансы кинетической энергии K и доступной потенциальной энергии A изучались в работах [Пинус 1976, 1982], в которых приведены результаты, полученные для циклонов умеренных широт разными авторами над территорией ЕТС и Северной Америки за период 1965-1975гг. Из результатов [Пинус, 1982] следует, что локальное изменение потока кинетической энергии в среднем составляло -5Вт/м2 (17,4% от изменения полного потока кинетической энергии) для отдельного циклона и -0,7Вт/м2 (1,9%) - для циклонических систем. При этом в отдельных циклонах наблюдался разброс значений от -15 (12%) до 24Вт/м2 (19%); в циклонических системах – от -5 (11,8%) до 6 (14,5%) Вт/м2.

В [Калинин 1999] приводятся результаты исследования полной энергии, вихревой кинетической К* и доступной потенциальной энергии и составляющих их баланса на примере 320 циклонических образований (подвижных и малоподвижных) в слое от поверхности земли до 200гПа. Расчеты выполнены с учетом особенностей влагообмена в циклонах на разных стадиях их эволюции. Таким образом, для подвижных и малоподвижных циклонов локальное изменение потока кинетической энергии в среднем составляет -0,8Вт/м2 (2,5% от изменения полного потока кинетической энергии).

В ранних исследованиях, составляющие энергетического баланса находились по данным аэрологического зондирования над изучаемыми районами. В настоящее время в исследовательских задачах по проблемам климатологии активно применяются данные реанализа, представляющие собой результат усвоения экспериментальных и модельных данных. Эти данные равномерно распределены по времени и пространству, что представляет значительное удобство при расчетах. В настоящее время, данные реанализа используются для построения траектории и локализации циклонов.

В настоящей работе опробован подход к исследованию динамики энергетических характеристик циклонов, в том числе и в зоне конвективных движений, по данным реанализа на примере нескольких циклонов на территории Западной Сибири.

Уравнения энергетического баланса циклонических образований В основе расчетов лежит закон сохранения энергии, записываемый для воздушной частицы с учетом механических перемещений и термодинамических трансформаций в гравитационном поле как:

где К - кинетическая, Ф - потенциальная и I - внутренняя энергии, Ddiss - скорость диссипации энергии. Предполагая процесс адиабатическим, и расписав полную производную по времени для каждой составляющей, получим систему уравнений [2], содержащих члены описывающие локальное изменение потока энергии (в последующем изложении К1, Ф1, I1), горизонтальную адвекцию (К2, Ф2, I2), вертикальную адвекцию (К3, Ф3, I3) и взаимные преобразования энергий (К4, Ф4, I4). Так, например, уравнение энергетического баланса кинетической энергии (для слоя воздуха, находящегося между изобарическими уровнями 1 и 2) будет выглядеть как:

где dv dxdydp,, К5 – невязка баланса, обусловленная диссипацией киx y нетической энергии [Калинин 1999], g – ускорение свободного падения, S – площадь осреднения для узла реанализа, V - вектор горизонтального ветра, - вертикальная составляющая скорости ветра (Па/с). Аналогичные уравнения были составлены для потенциальной Ф, внутренней энергий I, доступной потенциальной А и вихревой кинетической энергий К*. В расчетах учитывался баланс водяного пара Q.

Для каждого узла сетки реанализа были рассчитаны значения величин составляющих энергетического баланса. Таким образом, для центральной и периферийной частей циклона были получены выборки величин. Выборочные оценки устойчивые относительно экстремальных возмущений находились по медиане распределения.

Локализация, отбор и выделение стадий развития циклонов С помощью построенных пространственных распределений поля геопотенциала на уровне 1000гПа для последующего анализа было выделено два циклона на территории Западной Сибири, наблюдавшиеся с 12 по 16 июля 2005г. (циклон «Zn1») и с 5 по 9 ноября 2005г (циклон «Zn2»). Отобранные циклоны прошли основные стадии развития над территорией Западной Сибири, в качестве которой принималась территория, заключенная между 50°с.ш. и 75°с.ш., а также, между 60°в.д. и 100°в.д. Для контраста был проанализирован тропический циклон (циклон «Zn3»), проходивший с 27 по 30 августа 2005г. над Мексиканским заливом. Время существования отобранных циклонов, их местоположение проверялось по синоптическим картам.

По картам геопотенциала были выделены стадии эволюции каждого циклонического образования, определены координаты центра образования, координаты первой и последней замкнутой изогипс. Поверхность, ограниченная первой изогипсой, принималась как центральная часть циклона. Периферийной считалась часть, находящаяся между первой и последней изогипсами. Для удобства исследования и сравнения энергетики циклонов умеренных широт и тропического вихря названия и номера стадий развития для циклона «Zn3» максимально приближены к названиям стадий циклонов «Zn1» и «Zn2».

Выделение зон конвекции внутри циклонов Для выделения зон атмосферной неустойчивости для циклона «Zn1» были рассчитаны некоторые индексы, определяющие неустойчивость атмосферы: CAPE индекс, Lifted Index.

CAPE (потенциальная конвективная энергия атмосферы) - индекс, рассчитанный по данным реанализа. Широко применяется для определения областей конвекции, зависит от положительной разности температур частицы, поднимающейся сухоадиабатически до уровня конденсации и влажноадиабатически выше него окружающей среды, от толщины слоя между уровнями свободной конвекции и уровнями равновесия. Областям конвекции соответствуют области, где значения индекса CAPE положительны;

Для сравнения был построен Lifted Index по суточным данным MODIS по земному шару, как независимый от реанализа индикатор зон неустойчивости атмосферы. Определяется по разности температур частицы, поднимающейся адиабатически, и температурой окружающей среды на поверхности 500 гПа.

Найденные зоны неустойчивости по двум индексам вполне согласуются друг с другом. Для дальнейшего исследования применялись результаты, полученные по CAPE индексу.

Исследование динамики энергетических характеристик циклонов Рассчитанные из уравнений, подобных (2), первые составляющие уравнений энергетического баланса приведены в таблице 1 для центральной и периферийной частей изучаемых циклонов в зависимости от стадии их развития. Результаты представляют собой относительную величину (%) от суммы первых компонентов в столбе воздуха от поверхности земли до уровня 200гПа на каждой стадии.

Таблица 1. – Составляющие энергетического баланса циклонов на разных стадиях их Стадии циклона Центральная часть циклона Периферия циклона Циклон «Zn1»

Циклон «Zn2»

Циклон «Zn3»

Из таблицы 1 следует, что доля локального изменения потока кинетической энергии составляет несколько процентов (1-6% - для циклонов умеренных широт и 6-9% - для тропического циклона). Основной вклад в энергетический баланс вносят потенциальная и внутренняя энергия. Увеличение потенциальной энергии Ф на последней стадии развития говорит о начале заполнения циклона. Доступная потенциальная энергия А в умеренных широтах сравнима с величиной кинетической составляющей К, тогда как в тропическом циклоне доля А в несколько раз меньше К.

Доля вихревой составляющей К* сравнима с долей К лишь на периферийной части циклонов, в центральной части доля К* значительно меньше. Сопоставимость величин А и К указывают на то, что в циклонах умеренных широт процессы носят, в основном, адиабатический характер.

Проведенные сравнения составляющих энергетического баланса кинетической энергии, полученные в рамках данного исследования и ранее другими авторами [2, 7], показали, что, в основном, полученные величины являются сравнимыми, однако, составляющие, описывающие вертикальную адвекцию и энергию диссипации, на первых трех стадиях развития циклонов умеренных широт значительно превышают значения соответствующих компонент у других исследователей. Была проведена проверка возможности использования баз данных реанализа для оценки энергетических характеристик циклона.

Для исследования был выбран циклон, наблюдавшийся с 24 по 27 ноября 1973, описанный в работе [Пинус, 1982]. Проведенное сравнение значений кинетической энергии показало удовлетворительное согласие между базами данных (аэрологической и реанализа); в среднем расхождение между величинами составило 40%. Наибольшее расхождение (более 50%) отмечается на последней стадии развития циклона, что … Выполненная оценка устойчивости расчетов относительно вариаций исходных метеовеличин показала, что при возмущениях с амплитудами T в 2-6оС, U и V в 3-9м/с, а H в 20-60м.: а) сохраняется характер зависимости погрешностей от амплитуды накладываемых возмущений в соответствии с определениями основных видов энергии; б) наибольшим изменениям подвержены составляющие потенциальной и внутренней энергии, отвечающие за горизонтальный перенос, так как они вносят наибольший вклад в изменение энергетических свойств циклонов на протяжении всего времени их эволюции.

Было также проведено исследование энергетических характеристик в зоне конвективных движений выбранных циклонов на разных стадиях их эволюции. По данным реанализа для каждого циклона построено температурно-ветровое поле. Значения температуры определялись как разность между текущим и начальным (за сутки до развития циклона) значениям температур.

Для более подробного исследования был выбран циклон «Zn1», наблюдавшийся в июле. На представленных четырехмерных рисунках (рисунок 1) видно, что главную роль в образовании циклонов умеренных широт, исследуемых в данной работе, играет струйное течение.

Рис.1. Температурно-ветровое поле циклона «Zn1» на стадии максимального развития:

Был проведен сравнительный анализ полученного четырехмерного изображения температурно-ветрового поля с синоптическими картами. На первых двух стадиях у поверхности земли циклон обнаруживается как замкнутая область теплого воздуха, что подтверждается при сравнении с синоптическими картами на поверхности 850 гПа (ярко выраженный гребень тепла в восточной части циклона, заток воздуха с юго-запада).

На стадии максимального развития по северу выбранной территории, в том числе и по северной периферии циклона, проходит теплая несущая полоса воздуха, которая относится к циклону, находящемуся на севере (над акваторией Баренцева моря). Наблюдаемая адвекция тепла в рассматриваемой области влияет на усиление вертикальных движений в зоне изучаемого циклона.

На последней стадии развития основной системы фронтов уже не существует.

Адвекция тепла (в передней части циклона) приводит к усилению высотного гребня, а адвекция холода (в тыловой части циклона) – к углублению высотной ложбины. Таким образом, амплитуда высотной волны постепенно увеличивается, волна оказывается неустойчивой, давление начинает падать. Теплая несущая полоса сужается. В нижней и средней тропосфере приток внутренней энергии уменьшается, следовательно, происходит охлаждение воздуха у поверхности земли. Вертикальные движения ослабевают. Происходит рост давления и циклон начинает заполняться.

Построенные четырехмерные распределения локальных изменений потоков кинетической К1 и потенциальной Ф1 энергий на каждой стадии развития циклона «Zn1» позволили выделить области трансформаций энергии, связанной с вертикальными перемещениями.

Рис.2. Локальное изменение потока кинетической (а) и потенциальной (б) энергий На рисунке 2 выделяются области положительных и отрицательных значений потенциальной энергии с правой и левой сторон относительно несущего потока соответственно. На стадии максимального развития на востоке выделенной территории наблюдается уменьшение кинетической энергии и увеличение потенциальной, что связано с подъемом теплого воздуха несущей полосы. При более детальном изучении вертикальных движений было выявлено, что наблюдаемый подъем воздуха и, как следствие, увеличение потенциальной энергии, вызван увеличением вертикальной компоненты скорости ветра в несущей полосе. На последней стадии в области атмосферного вихря наблюдается уменьшение потенциальной энергии, что говорит о возникновении нисходящих движений и, как следствие, о начале заполнения циклона.

Были построены пространственные распределения кинетической и потенциальной составляющих энергетического баланса совместно с зонами неустойчивости атмосферы на разных стадиях развития циклона «Zn1». Из анализа этих распределений следует, что найденные области конвекции наиболее отчетливы и обширны на первых стадиях эволюции у поверхности земли в зоне расположения циклона Для изучаемого циклона были построены вертикальные профили средних по времени изменений запасов кинетической энергии по стадиям в зонах устойчивой и в зонах неустойчивой атмосферы. Из рисунка 3 видно, что на первых двух стадиях на высоте 700-500 гПа происходит сток кинетической энергии в зонах неустойчивости и ее увеличение в зонах устойчивой атмосферы.

Рис.3. Изменение запасов кинетической энергии (К1, Вт/м2) с высотой по стадиям развития циклона «Zn1»:

а) в зонах неустойчивой атмосферы; б) в зонах устойчивой атмосферы Таким образом, вся динамика запасов кинетической энергии относительно рассматриваемых зон происходит до стадии максимального развития атмосферного вихря.

Сравнительный анализ циклонов умеренных широт и тропического вихря определил характерные особенности образований с точки зрения энергетического подхода. В циклонах, выделенных на территории Сибири, наибольшие запасы кинетической энергии сохранялись до стадии максимального развития, в то время, как в тропическом циклоне произошло увеличение запасов кинетической энергии к заключительной стадии. Центральная и периферийная части циклона имеют подобную динамику в распределении запасов кинетической энергии, что говорит о компактности и единстве циклона.

Исследование развития циклонов, основанное на совместном анализе синоптической обстановки и четырехмерного температурно-ветрового поля по данным реанализа, позволило выделить атмосферные образования синоптического масштаба и проследить динамику их энергетических характеристик, области источников и стоков энергии. Выявление зон конвективной неустойчивости позволило более точно рассмотреть взаимные превращения энергии в зонах устойчивой и неустойчивой атмосферы. Результаты проведенного исследования показали, что:

- на первых стадиях развития циклонов значения локальных изменений запасов кинетической энергии для зон конвективной неустойчивости почти в два раза превышают соответствующие значения, полученные для зон устойчивой атмосферы - анализ вертикального профиля изменений кинетической энергии в зонах устойчивой и неустойчивой атмосферы показал, что для последних на высоте 700-500 гПа характерен сток кинетической энергии.

Сезонные закономерности наблюдаемого потепления в Сибири.

Получена эмпирическая связь амплитуды сезонных колебаний со среднесезонной приземной температурой для двух климатических зон (Иркутск, Тобольск). Для обеих зон с высоким коэффициентом детерминации (выше 0,9) амплитуда сезонных колебаний имеет линейную связь со среднесезонной температурой в зимний период.

Отмечается перспективность моделирования и прогноза наблюдаемых климатических изменений на основе эмпирических закономерностей.

Накопленные ряды инструментальных данных во многих регионах планеты уже многократно превышают необходимый временной интервал (30 лет), в пределах которого осредненные метеорологические величины характеризуют климатическую систему. Статистическая обработка таких рядов наблюдений позволяет выявить эмпирические закономерности для наблюдаемых региональных климатических изменений и тем самым подготовить эмпирическую основу для математического моделирования климатических процессов. Уже предпринятые в этом направлении попытки обнадеживают. В частности, исследованные пространственные масштабы наблюдаемого потепления в Сибири по линейным трендам среднегодовой приземной температуры позволили выявить неоднородную структуру современных изменений на уровне субрегиональных масштабов, в том числе районы ускоренного потепления. Вейвлет-анализ временных рядов среднегодовой температуры выявил ряд устойчивых периодичностей в наблюдаемых изменениях и статистически значимую корреляцию этих периодичностей с такими планетарными индексами, как Северо-Атлантические колебания, Южные колебания (в Тихом океане), числа Вольфа.

При этом на столетней шкале межгодовых изменений приземной температуры выявлены и "климатические феномены". Так, повышенная корреляция вейвлет-спектров для приземной температуры и Северо-Атлантического колебания с периодичностью в 30-40 лет отмечается только в середине 20-го века (с 1940 по 1980 гг.) и с многолетним фазовым сдвигом (до 7 лет в отдельные годы).

Для климатических систем в высоких широтах систематические сезонные колебания температуры существенно превышают наблюдаемые межгодовые изменения (по среднегодовым температурам) и близки к синусоидальным колебаниям с амплитудой в несколько десятков градусов по Цельсию. Ежегодные сезонные колебания с такой большой амплитудой существенно "замазывают" межгодовые изменения, хотя и позволяют применить статистические процедуры для оценки отклонений годового хода среднесуточной температуры от ее среднемноголетнего значения.

С позиций Четвертого оценочного доклада Межправительственной группы экспертов по изменению климата необходимы дальнейшие региональные исследования, уточняющие оценки того первого приближения, которые даны в этом докладе. К числу необходимых уточнений относится и выяснение роли сезонных колебаний температуры в наблюдаемых трендах многолетнего потепления в Сибири.

Представленный ниже сравнительный анализ многолетних временных рядов среднесезонных и среднегодовых приземных температур направлен на выявление закономерных связей за столетний период наблюдений для разных климатических зон Сибири.

Анализ возможных закономерностей выполнен для географически разнесенных пунктов (Тобольск и Иркутск), каждый из которых характеризуется отличающимися особенностями климатических изменений. Тобольск (58,1с.ш. 68,2 в.д.) расположен в том районе Западной Сибири (Кандинская низменность), который при умеренных темпах потепления характеризуется повышенными коэффициентами корреляции (до 0,7) вейвлет-спектров Северо-Атлантического колебания и годовой суммы осадков, а Иркутск (52,3 с.ш. 104, в.д.) находится в той климатической зоне Восточной Сибири, которая характеризуется повышенными темпами потепления (до 0,5С/10 лет).

Межгодовые вариации среднесезонных температур Колебания среднесезонных температур на земной поверхности в северных широтах являются одной из основных характеристик регионального климата. Но эти колебания температуры, часто рассматриваемые как синусоидальные, дополнительно модулируются сложными циклональными режимами атмосферной циркуляции и теми суточными колебаниями радиационного баланса, которые связаны с суточным вращением Земли.

Для иллюстрации на рис.4 приведен пример ежесуточных изменений температуры воздуха по данным инструментальных наблюдений на одной из североширотных метеостанций (село Бакчар Томской области). Жирной линией на рис.4 соединены среднесуточные значения температуры, а вертикальными отрезками показаны измеренные значения минимальной и максимальной температуры за сутки.

Рис.4.Среднесуточная приземная температура (точки) и амплитуда суточных колебаний температуры (отрезки) по данным метеостанции Бакчар (57,1 c.ш. 81,9 в.д.) Как видно из рис. 4, сезонные колебания температуры, которые можно рассматривать как вторые моменты межгодовых климатических изменений, дополнительно "зашумлены" более высокочастотными суточными температурными колебаниями, обусловленными погодными процессами. При этом сопоставление данных показывает, что характер подобного "зашумления" в разные годы оказывается разным как по частоте, так и по амплитуде колебаний. Поэтому для дальнейшего анализа использованы данные для среднесезонных температур, чтобы исключить влияние более высокочастотных колебаний (циклональных и суточных).

По данным инструментальных наблюдений на рис.8 для Иркутска тонкими линиями соединены среднесезонные значения температуры, а жирными линиями показаны их средние значения, полученные 6-летним скользящим осреднением для наиболее характерных летнего (рис.5a) и зимнего (рис.5в) сезонов. На этом же рисунке приведены данные среднегодовой температуры (рис.5б), обычно используемые для описания наблюдаемого потепления, в том числе для выявления региональных особенностей пространственных и временных масштабов потепления.

Рис.5.Среднесезонная и среднегодовая приземная температура по данным метеостанции Иркутска в 1882-2006 гг. а - для лета (июнь, июль, август), б - среднегодовая, в - для Из рассмотрения данных на рис.5 следует два важных эмпирических факта. Вопервых, при явной тенденции к повышению среднегодовых температур с 1970 года основной вклад в темпы их повышения определялись в основном изменениями среднесезонной температуры в зимние месяцы. При этом для Иркутска тенденция к повышению среднесезонных температур в летние месяцы просматривается только с 1990 года (по Тобольску такой тенденции в летние месяцы до сих пор нет). Вместе с тем, из кривых на рис. следует, что оценка линейных трендов потепления по изменениям разности температур за десятки, а тем более за сто лет, являются сугубо качественными и не дают оснований для детального количественного анализа. Во-вторых, амплитуда колебаний определяется в основном колебаниями среднесезонной температуры в зимние месяцы, а в летние месяцы эти колебания по амплитуде близки к колебаниям среднегодовых температур (для Тобольска то же самое). Из обоих фактов следует, что общая эмпирическая закономерность для амплитуды сезонных колебаний температуры в северных широтах определяется температурными режимами в зимние месяцы, когда радиационный баланс земной поверхности отрицательный, т.е. величина уходящих потоков теплового излучения превышает величину приходящих потоков солнечного излучения.

Другая общая закономерность для обеих рассматриваемых климатических зон выявляется, если провести вейвлет-анализ соответствующих временных рядов за последнее столетие (рис.6, вверху). Вейвлет-спектр этого временного ряда представлен на рис. (внизу), на котором более темные участки соответствуют статистически более значимым периодичностям во временном ряду. Как видно из рис.6, масштаб этих периодичностей (по вертикальной оси, в годах) в прошедшем столетии был достаточно устойчив, за исключением климатического периода в 1950-1980 годах. Увеличение масштабов периодичности в этот период, который близок к ранее обнаруженному периоду для "климатического феномена", повидимому, имеет ту же природу и связано с повышенной корреляцией индекса Северо-Атлантического колебания со среднегодовой температурой в Сибири в этот период, т.е. с режимом атмосферной циркуляции.

Рис.6.Временной ряд среднесезонной приземной температуры для зимы (вверху) по данным метеостанции Тобольск в 1882-2006 гг. и вейвлет-спектр этого ряда (внизу) Под амплитудой сезонных колебаний температуры в каком-либо году (под сезонной амплитудой) далее понимается разность наблюдаемых минимальной и максимальной приземных температур в течение этого года. Учитывая климатическую значимость сезонных колебаний температуры, далее рассматривается связь сезонной амплитуды со среднесезонной температурой в зимний (декабрь, январь, февраль) и в летний (июнь, июль, август) сезоны. Именно для этих сезонов использование среднесезонной температуры в качестве параметра региональной климатической системы представляется оправданным как для выявления сезонных эмпирических закономерностей потепления в регионе, так и для интерпретации этих эмпирических закономерностей.

Для иллюстрации на рис.7 представлена связь сезонной амплитуды и среднесезонной температуры для Иркутска. Как видно из рис.7, за весь период наблюдений сохранялась тесная связь сезонной амплитуды со среднесезонной температурой для зимы, а связь со среднесезонной температурой для лета полностью отсутствует. Такой неожиданный результат получен и для Тобольска, что свидетельствует об общей природе выявленной закономерности. Для обеих рассматриваемых климатических зон с высоким коэффициентом детерминации (0,95) связь сезонной амплитуды А (в С) со среднесезонной температурой в зимний сезон Т3 (в С) имеет линейную регрессию (см. прямую на рис. 4.1) и описывается одной и той же формулой:

Рис.7.Зависимость амплитуды сезонных колебаний температуры от среднесезонной температуры по данным метеостанции Иркутск за 1882-2006 г. (1 – зима, 2 – лето) Важно подчеркнуть, что полученная связь А и Т3 сохранялась в течение всего периода наблюдений, включая и последние годы, когда темпы потепления стали более заметными, а среднесезонная температура зимы превысила нулевую отметку (в С). Можно ожидать, что дальнейшее потепление приведет к еще большему уменьшению сезонной амплитуды, но количественные оценки для такого прогноза (для асимптотики полученной эмпирической формулы) требуют осторожности. Дело в том, что для северных широт в зимний период одним из основных механизмов регулирования температурного режима является радиационное выхолаживание (другой механизм, связанный с адвекцией тепла за счет атмосферной циркуляции требует отдельного рассмотрения). Но радиационное выхолаживание описывается потоками уходящего теплового излучения, которые по закону Стефана-Больцмана пропорциональны 4-ой степени абсолютной температуры и только в первом приближении пропорциональны первой степени температуры земной поверхности в С. Хотя нетрудно оценить, что при среднесезонной температуре зимой даже в десять градусов по Цельсию второй (квадратный) член разложения в ряд составит добавку к первому (линейному) члену не более 6%.

Рассмотренные выше сезонные закономерности потепления в Сибири по результатам инструментальных наблюдений для двух географически разнесенных пунктов (для Иркутска и Тобольска) оказались совпадающими по основным характеристикам зимних трендов и по неизменно устойчивой и однозначной связи амплитуды сезонных колебаний приземной температуры со среднесезонной температурой в зимний период за весь 124летний период наблюдений. Эти эмпирические факты свидетельствуют об определяющей роли глобальных климатических процессов на наблюдаемое потепление, а возможно и на те погодообразующие процессы, которые обуславливают более высокочастотные колебания приземной температуры. Полученные результаты анализа обосновывают перспективность альтернативного методологического подхода к моделированию климатических изменений: не через описание погодообразующих процессов с последующим их осреднением на климатический период, а описание непосредственно климатических процессов на основе эмпирических закономерностей с последующей оценкой их влияния на погодообразующие процессы. Для реализации такого подхода к настоящему времени накоплены в достаточном объеме данные инструментальных наблюдений, а реализация такого подхода может повысить эффективность и убедительность не только моделей климата, но и прогностческих моделей климатических изменений.

Сравнительный анализ приходящей суммарной радиации по Западной Сибири.

Исследована возможность применения радиационных данных реанализа NCEP/DOE AMIP-II Reanalysis для задач пространственной интерполяции. Для территории Западной Сибири и Алтая были сравнены месячные суммы радиации, рассчитанные по данным реанализа NCEP/DOE и данные фактических наблюдений на актинометрических станциях. Из результатов сравнения рядов следует, что для равнинных актинометрических станций наблюдается хорошее согласие между данными реанализа и данными наблюдений.

Существующая сеть актинометрических станций в Западной Сибири и Алтае очень редка. На рисунке 8 показано месторасположение актинометрических Особенностью рассматриваемого участка сети актинометрических станций является разнообразие ландшафта.

Рис.8. Географическое расположение актинометрических станций в Сибири Пространственные распределения средних многолетних значений суммарной радиации, определенне по данным реанализа для январе и июля приведены на рисунке 9. В январе на рассматриваемой территории приход суммарной радиации значительно увеличивается с севера на юг – от 40 до 200 МДж/м2 и носит зональный характер. В июле величина суммарной радиации увеличивается с севера на юг – от 650 до 800 МДж/м2. Над горными территориями юга Сибири зональность распределения суммарной радиации заметно искажается. Западная часть Горного Алтая получает больше солнечной радиации, чем его восточная часть, а также Салаирский кряж и Кузнецкий Алатау. Наибольшие отклонения происходят в теплый период (май-август). Нарушение зональности происходит вдоль переходной зоны от равнинной части Западной Сибири к е горной части. Связано это с усилением циклонической деятельности в горах, образованием облачных систем и изменением соотношения составляющих суммарной радиации. Распределение годовых сумм суммарной радиации изменяется от 4000 до 6000 МДж/м2 и имеет характер близкий к зональному.

Рис.9. Средние суммы суммарной солнечной радиации рассчитанные по данным реанализа QR, МДж/м2: а- январь, б - июль.

В котловинах горных районов юга Сибири данные реанализа по суммарной солнечной радиации практически совпадают с данными актинометрических станций.

Среднегодовые значения суммарной радиации QR для равнинных территорий Западной Сибири следует уменьшать на 12-15%, в связи с некорректным учетом методикой реанализа прихода рассеянной радиации.

В горных районах данные по суммарной радиации следует относить к открытым водораздельным пространствам. Для учета сумм суммарной радиации на склонах, в долинах, на ледниках следует учитывать экспозицию, продолжительность солнечного сияния и другие географические факторы. Уменьшение сумм QR может составить от 30 до 40% и более. Так, например учет высоты солнца над горизонтом в разное время года, профиля горизонта в районе станции Актру, рассчитываемые по модели поверхности GTOPO (разрешение 1км) позволил для зимнего периода существенно уменьшить расхождение (до 36%) между суммами радиации QR и QS.

Измерения ультрафиолетовой радиации и общего содержания озона с помощью фильтровых радиометров С 2006 г. в обсерватории (56,48° с. ш., 85,05° в. д.) ИМКЭС СО РАН с помощью многоканальных среднего разрешения фильтровых радиометров M-124 и NILU-UVT проводятся регулярные измерения ультрафиолетовой радиации (УФР) и общего содержания озона (ОСО), в том числе с высоким временным разрешением в автоматическом режиме. Сравнение результатов этих измерений за 20062008 гг. показало наличие между ними определнных расхождений, наиболее значительных для значений УФ-Б радиации, измеренных в марте и апреле. При этом результаты измерений ОСО имели хорошее совпадение. Предположено, что причинами наблюдаемых расхождений являются влияние снежного покрова и конструктивные особенности примных систем данных приборов.

Рис. 10. Временные ходы ежечасных значений мощности дозы УФ-Б радиации (а) и среднесуточных значений ОСО (б) по данным радиометров М-124 (1; С – измерения по прямому солнечному излучению, З – измерения по рассеянному в зените солнечному излучению) и NILU-UV-6T (2).

Рис. 11. Результаты сравнения данных измерений УФ-Б радиации (а) и ОСО (б): сплошные прямые – линейная аппроксимация, R 0,96; прерывистые линии – полиномиальная аппроксимация 2-го порядка, R2 0,94).

Согласованная изменчивость метеорологических и атмосферно-электрических величин в приземном слое атмосферы.

Представлены результаты измерений и анализа согласованных вариаций основных электрических и метеорологических величин атмосферы с периодами колебаний от единиц до сотен минут, в том числе в ситуациях перехода погоды от благоприятных условий к ненастью и наоборот. Выявлено, что распределению экстремумов нормированной взаимокорреляционной функции (НВКФ) между вариациями давления и напряженности электрического поля свойственна островершинность и явная асимметрия. Распределение НВКФ при нулевом сдвиге является практически равномерным в интервале ±0,8. Установлено, что распределение сдвигов между реализациями, соответствующим экстремумам НВКФ, представляет собой сумму образного и равномерного распределений. Отношение между случаями с нулевой задержкой к их общему количеству составляет около 10 %.

Измерения атмосферно-электрических (напряжнность электрического поля атмосферы, полярные электропроводности атмосферного воздуха), актинометрических (суммарная солнечная радиация, УФ-освещнность) и метеорологических (температура, относительная влажность, атмосферное давление, скорость и направление ветра, температура почвы) величин проводятся в обсерватории ИМКЭС СО РАН уже более двух лет. Анализ данных измерений показал, что значения нормированной взаимокорреляционной функции (НВКФ) Rxy t, между электрическими и метеорологическими величинами могут достигать значений 0,750,95. (Здесь t – время, отнеснное к середине временного окна, – сдвиг между анализируемыми рядами.) Гистограммы распределений экстремумов НВКФ, Rxy t, 0 и временных задержек min и max для НВКФ между вариациями давления и напряженности электрического поля представлены на рис. 12. Использованы данные с марта по август 2006 г., длина скользящего окна равна 240 мин, шаг сдвига окна – 120 мин. Выявлено, что распределениям Rxy t, и Rxy t, свойственны островершинность и явная асимметрия. Распреmin max деление величины Rxy t, 0 в интервале ±0,8 является практически равномерным. Установлено, что распределение сдвигов между реализациями, соответствующим экстремумам НВКФ, представляет собой сумму двух распределений: -образного и равномерного.

Подтверждением этому является врезка на рис. 12, на которой представлено распределение частот задержек экстремумов НВКФ в области малых значений сдвигов, равных частоте регистрации данных (ежеминутно). Отношение между случаями с нулевой задержкой к их общему количеству составляет около 10 %.

Выдвинуто предположение о том, что -образная составляющая функции распределения задержек экстремумов НВКФ обусловлена локальной пространственновременной изменчивостью полей величин непосредственно в точке расположения измерительной аппаратуры, а равномерная составляющая функции распределения задержек связана с мезомасштабной изменчивостью, отражающей изменение электрофизических характеристик окружающей среды и концентрации объемных зарядов вне измерительного комплекса. Тогда временная задержка объясняется конечной скоростью переноса различных возмущений (в том числе когерентных конвективных и аэроэлектрических структур) в пограничном слое атмосферы.

Рис. 12. Гистограммы распределений параметров НВКФ между вариациями давления и напряженности электрического поля. Вверху: data1 – частота регистрации максимальных значений НВКФ, data2 – минимальных, data3 – значения НВКФ при нулевом сдвиге между реализациями; внизу: data1 – временная задержка для положительных значений максимума НВКФ, data2 – для отрицательных. На врезке – распределение частот задержек экстремумов НВКФ в области малых значений сдвигов.

Оценка изменения растительного покрова в зависимости от аэрозольного ослабления фотосинтетически активной радиации Выполнена оценка связи биологической продуктивности растительного покрова и аэрозольной оптической толщи (АОТ) как модулятора интегрального ослабления солнечной фотосинтетически активной радиации (ФАР). По данным дистанционного спутникового зондирования исследовалась территория Восточной Сибири в районе Байкала, в частности территория Байкальского биосферного заповедника.

В результате применения корреляционного и R/S-анализов к данным биопродуктивности (параметр PSNnet) и АОТ на длине волны 550 нм, полученных прибором MODIS со спутника Terra за период 2000–2008 гг., было выявлено, что: 1) влияние аэрозольного ослабления ФАР на биопродуктивность в лесных массивах на исследуемой территории статистически значимо и носит разнородный характер в зависимости от вида растительности и рельефа местности; 2) некоторые лесные массивы в Байкальском заповеднике и на прилегающей к нему территории устойчиво снижают свою биопродуктивность, что вероятно связано со сменой типов растительности.

Накопительный период влияния изменений АОТ на биопродуктивность не превышает 2–2,5 недель.

Наблюдаемое в последние десятилетия такое явление как массовое отмирание или деградация (снижение биопродуктивности) лесной растительности, прежде всего хвойных лесообразующих пород, на отдельных обширных природных территориях, в том числе на особо охраняемых, вызывает с одной стороны серьзную обеспокоенность происходящим, а с другой стороны – научный интерес к этому явлению, точнее к причинам, вызывающим его.

С этой целью было проведено исследование, главной задачей которого было произвести оценку изменения растительного покрова на территории в районе озера Байкал, в частности на территории Байкальского биосферного заповедника (здесь наблюдаются участки деградации пихтового леса), в зависимости от аэрозольного ослабления фотосинтетически активной радиации (как одной из возможных причин этого явления).

В качестве исходной информации были использованы данные дистанционного зондирования подстилающей поверхности за период с 2000 по 2008 год, получаемые со спутника Terra от прибора MODIS. В свободном доступе [ftp://e4ftl01u.ecs.nasa.gov, ftp://ladsweb.nascom.nasa.gov] эти данные представляются уже в виде готовой продукции, содержащей файлы с параметрами и характеристиками состояния различных сред – подстилающей поверхности, включая растительный покров, атмосферы и е составляющих.

Пространственное разрешение в горизонтальной плоскости – 1 км.

В данном исследовании в качестве характеристики биопродуктивности растительного покрова была использована чистая продуктивность PSNnet, обусловленная только фотосинтезом, и которая представляет собой разность между общей валовой продуктивностью и дыханием растений. Характеристикой аэрозольного ослабления солнечной радиации, участвующей в процессе фотосинтеза, была взята аэрозольная оптическая толща (АОТ) на длине волны 550 нм.

Статистическая оценка изменения растительного покрова в зависимости от аэрозольного ослабления фотосинтетически активной радиации была проведена с использованием методов корреляционного и R/S-анализов. Последний анализ использовался для оценки динамического состояния системы, численной величиной которой является показатель Хрста, характеризующий направление развития системы, дающий возможность оценить трендоустойчивость и прогнозируемость ряда, возвратность к среднему. Если значение показателя Хрста превышает 0,6, то процесс называется персистентным и для него характерен низкий уровень зашумленности и устойчивость тенденции в исследуемом временном ряду; если величина показателя Хрста находится в окрестности 0,4-0,6, то имеет место случайный процесс, характеризуемый как белый шум, которому соответствует максимальная хаотичность и наименьшая прогнозируемость; если же показатель находится в окрестности 0,2-0,4, то временному ряду присуще свойство антиперсистентности, которое означает, что ряд реверсирует чаще, чем случайный (частый возврат к среднему); при значениях показателя меньше 0,1 процесс является антиперсистентным и наступает полная неопределенность в отношении его прогнозируемости..

В результате обработки данных было выявлено, что 1) некоторые лесные массивы в Байкальском заповеднике и на прилегающей к нему территории устойчиво снижают свою биопродуктивность, что вероятно связано со сменой типов растительности (рис. 13–15); 2) влияние аэрозольного ослабления ФАР на биопродуктивность в лесных массивах на исследуемой территории статистически значимо и носит разнородный характер в зависимости от вида растительности и рельефа местности (рис. 16 и 17). Анализ фазового сдвига оцениваемого по кросскорреляционным функциям, рассчитываемых для временных рядов AOT и PSNnet, показал, что период влияния изменений АОТ на биопродуктивность не превышает 2–2,5 недель. Для всех статистических оценок уровень доверительной вероятности задавался как 0.05.

PSNnet, у. е.

Рис. 15. Плотность распределения PSNnet на Рис. 16. Корреляционная матрица АОТ и территории Байкальского заповедника для PSNnet для территории в районе Байкала по Динамика термической структуры нижней атмосферы Томска по данным акустического зондирования.

Обобщены результаты исследования термической структуры пограничного слоя атмосферы по данным акустического зондирования. Зондирование проводилось локатором «Звук-3» на окраине г. Томска в различные сезоны 2005-2007 гг. Определялись тип стратификации (класс устойчивости атмосферы), высота слоя перемешивания, слои температурных инверсий, их мощность, высоты верхней и нижней границ. Находились их статистические характеристики. Характеристики структуры АПС, получаемые с помощью акустического локатора, важны для оценки климатических предпосылок загрязнения атмосферы.

Акустическое дистанционное зондирование является наиболее эффективным методом исследования атмосферного пограничного слоя (АПС), который позволяет в реальном времени непрерывно контролировать его структуру и динамику развития, определять тип температурной стратификации, измерять профили скорости ветра и характеристик атмосферной турбулентности таких, например, как структурные постоянные флуктуаций температуры, скорости ветра, акустического показателя преломления. Хорошим дополнением к нему является ультразвуковой метод локального измерения метеовеличин и характеристик турбулентности в приземном слое атмосферы.

Исследование пространственно-временной изменчивости метеовеличин на протяжении длительного периода, занимает центральное место при изучении климатообразующих факторов. При этом нижний слой атмосферы (приземный и пограничный), характеризуется наибольшей изменчивостью своего состояния. Поэтому одной из задач, решаемых в данной работе, стало накопление экспериментальных данных при мониторинге нижнего слоя атмосферы в Томске. А также их интерпретация для определения характеристик температурной стратификации и их взаимосвязи с другими характеристиками атмосферы для различных сезонов года и времени суток.

Эксперимент проводился в течение 2005 –2007 годов. Данные акустического локатора (содара) дополнялись данными ультразвукового метеорологического комплекса, что позволяет более точно описывать состояние атмосферы в наблюдаемый момент времени. На основе непрерывного мониторинга получены результаты содарных и ультразвуковых исследований нижнего слоя атмосферы. Проанализированы суточные и сезонные закономерности хода стратификации атмосферы и взаимосвязи ее параметров.

Характеристики температурной стратификации АПС вполне согласуются с общими представлениями для средних широт. Так, летом инверсии наблюдаются в основном ночью, так как днем преобладает неустойчивая стратификация, особенно в околополуденные часы. Поэтому летом днем практически не наблюдается приземных инверсий из-за контрастов в тепловом и радиационном режиме в течение суток. Синоптические процессы вносят свой вклад в закономерности развития инверсий, хотя летом они редко меняют тип стратификации.

С декабря по январь инверсии наблюдались в любое время суток, причем низкие преобладали в основном днем. Возможно, это связано с адвективными процессами, так как суточный ход температуры зимой менее выражен чем летом из-за снежного покрова, облачности и других причин. Адвекция тепла способствует образованию приземных инверсий, адвекция холода-препятствует. Неустойчивая стратификация зимой наблюдается редко. Приподнятые инверсии наблюдались как в ноябре, так и в декабре, но гораздо реже, чем приземные, и в основном в дневные часы. Приземные инверсии хорошо прослеживаются в ночные и вечерние часы, а в дневные они становятся приподнятыми (например, рис. 18, рис. 19).

Рис. 18. Факсимильная запись структуры АПС (а, по вертикали – высота зондирования в метрах), суточный ход атмосферного давления (б, в мм.рт.ст.), температуры воздуха (в, в С) и масштаба Монина-Обухова (г) за 23 декабря 2005г.

Рис. 19. Факсимильная запись структуры АПС (а, по вертикали – высота зондирования в метрах), суточный ход атмосферного давления (б, в мм.рт.ст.), температуры воздуха (в, в С) и масштаба Монина-Обухова (г) за 27 декабря 2005г.

С наступлением морозной погоды зимой возрастает повторяемость приземных инверсий, особенно в ночные часы, когда они наблюдаются практически постоянно. В целом, в холодное время года приподнятые инверсии наблюдаются гораздо чаще, чем в остальные сезоны.

С ростом скорости ветра доля низких инверсий убывает. При скорости ветра (на уровне высоты датчика) больше 6 м/с, инверсия не наблюдается, но если брать летний день, тогда скорость ветра на уровне датчика не вносит существенных изменений в тип стратификации, она имеет значение лишь в ночные часы, когда «размывает» приземные инверсии.

Количество случаев устойчивой стратификации атмосферы для всех сезонов года, составляет порядка 40 %, причем в зимнее время приземные инверсии достигают в морозную погоду 60 %, и наблюдаются в любое время суток, но наибольшее количество случаев приходится с 0 ч до 6 часов утра. В дневные часы, в основном, наблюдается слабоустойчивая и безразличная стратификация. В указанный период наблюдений, верхняя граница приземныых инверсий всегда находилась выше 80 м. В большинстве случаев она лежит в диапазоне 100-220 м, но может достигать и 350 м. Нижняя граница приземной инверсии в основном сосредоточена на высотах 50-70 м. Здесь, мы приподнятые инверсии, нижняя граница, которых находилась ниже 70 м, условно считаем приземными, это связано с особенностями места измерения, которое не позволяло достоверно описывать получаемый ниже 50 м сигнал.

Повторяемость безразличной стратификации также наибольшая зимой. Чаще всего этот тип стратификации наблюдается в дневные часы.

Неустойчивая стратификация атмосферы чаще всего приходилась на июнь и в дневное время составляла порядка 80 %, а в вечерние часы она сменялась на безразличную или устойчивую стратификации. Зимой неустойчивая стратификация наблюдается приблизительно в 20 % случаев. Как правило, это связано с проходящими циклонами. Осенью неустойчивая стратификация наблюдается в 30 % случаев, приземные инверсии могут достигать и 60 % случаев и максимум их повторяемости приходится на утренние часы. В переходные сезоны часто наблюдается одновременное существование приземной и приподнятой инверсий.

Рис. 20. Суточный ход повторяемостей температурной стратификации по данным содара в Томске, зима (а), лето (b), осень (с) и весна (d) 2005-2007 гг.

Большая повторяемость неустойчивой стратификации в весенние месяцы обеспечивается, в основном, майскими значениями, в этом месяце наблюдается самое большое количество дней и часов с неустойчивой стратификацией.

Если говорить о суточном ходе стратификации в разные сезоны года, то здесь, как видно из рис.20, зимой и осенью приземные инверсии наблюдаются в любое время суток.

В дневные часы их количество уменьшается в несколько раз, но не становится нулевым в рассматриваемый период. А вот весной и летом, в промежутке между 12 и 16 часами, повторяемость инверсий равнялось нулю в период с 2005 по 2007 гг. Наибольшая повторяемость приземных инверсий приходится на ночные и утренние часы, это характерно для всех сезонов, и особенно для лета, когда в дневные часы инверсии вообще не наблюдаются.

Неустойчивая стратификация, наоборот, достигает своего максимума в дневные часы, также во все сезоны наблюдаемого периода, хотя зимой ее повторяемость минимальна даже в эти часы и составляет порядка 20 %. В период с 2005 по 2007 гг. и промежуток времени с 22 часов ночи до 8 часов утра не было зафиксировано ни одного случая неустойчивой стратификации. Безразличная стратификация является преобладающей с 10 до 20 часов во все сезоны, за исключением лета, когда преобладающей становится неустойчивая стратификация.

По полученным данным определялись инверсионные слои по высотам их границ, значению мощностей, а также типы инверсий, время их образования. В результате анализа было получено, что за наблюдаемый период с 2005 по 2007 гг. в атмосфере Томска инверсия наблюдалась более чем в 40 % случаев, причем, в основном, в ночные и утренние часы. Средняя мощность приподнятой температурной инверсии составила 183,5 м в ночные часы и 160,5 м в дневные часы. Статистические характеристики границ температурных инверсий приведены в таблице 2.

Таблица 2. Статистические характеристики границ температурных инверсий.

Верхняя граница приподнятой инверсии Нижняя граница приподнятой инверсии Представленные в таблице 2 результаты показывают, что средняя мощность приподнятой инверсии зимой в наблюдаемый период составила в ночные часы ~ 190 м, в дневные часы ~ 187,3 м. Такая мощность достигается, в основном, за счет вклада январских инверсий, которые развиваются на фоне устойчивых антициклонов. Изменчивость высоты границ инверсионных слоев в некоторой степени характеризуется коэффициентом вариации. Наиболее устойчивыми являются границы приподнятых инверсий в ночные часы.

Наименьшей устойчивостью обладают те инверсии температуры, для которых коэффициент вариации превышает значение 0,4. Нижние границы приподнятых инверсий температуры менее устойчивы, чем верхние.

Полученные характеристики структуры АПС (температурной стратификации и особенно температурных инверсий), получаемые с помощью акустического локатора, важны для оценки климатических предпосылок загрязнения атмосферы. Показано, что статистические характеристики температурной стратификации в различные сезоны года отличается друг от друга, что приводит, например, к отличию условий для накопления загрязняющих примесей. Использование акустического локатора и ультразвуковой метеорологической станции позволяет фиксировать более тонкую пространственно-временную структуру метеорологических полей в атмосферном пограничном слое, изменчивость, существенно дополняя стандартные метеорологические измерения. Проведенные исследования подтверждают надежность содарных данных при определении термической структуры нижнего слоя атмосферы. Наши данные подтверждают ранее полученные результаты о структуре приземного слоя в умеренных широтах, и могут широко использоваться в практических и научных целях.

Пространственная оценка углеродного баланса болот На примере ключевого участка «Бакчарское болото» была выполнена оценка регионального баланса углерода болотных экосистем с использованием классификации растительного покрова по данным дистанционного зондирования и многолетних (1998-2007 гг.) инструментальных измерений эмиссии СО2, чистой первичной продуктивности на территории полевого стационара «Васюганье». Получено, что исследуемые болотные экосистемы ключевого участка являются активным стоком углерода и в настоящее время ежегодно поглощают 1.71*105 т углерода из атмосферы.

Болотные экосистемы играют важную экологическую роль в биосфере. Они являются источниками и стоками парниковых газов, хранителями биологического разнообразия.

По оценкам разных авторов площадь болот Земли занимает от 3 до 5% суши, а мировые запасы торфа в углеродном эквиваленте составляют 120-450 млрд. т углерода, что составляет от 15 до 35% общего углеродного пула суши. Болотные экосистемы являются единственными экосистемами, способными на длительное время (до нескольких тысяч лет) изымать углерод из атмосферы, депонируя его в виде торфяных залежей. В основном в настоящее время болотные экосистемы служат стоком углерода из атмосферы, о чем свидетельствуют многочисленные оценки. Однако при изменении климатических условий или антропогенном воздействии болота из стока могут превратиться в источник парниковых газов. Несмотря на значительно возросший в последнее время интерес к балансовым оценкам углерода болотных экосистем во всем мире, до сих пор остается множество нерешенных вопросов. Например, сложность представляет точная оценка площадей занимаемых болотами; оценка углеродного баланса болотных экосистем разного типа, степени развития болотообразовательных процессов, функционирования болот при изменении внешних факторов и т.д.

Рис. 21. Обобщенная карта болотных фитоценозов ключевого участка «Бакчарский». 1 – лес, 2- высокий рям, 3- низкий рям, 4 – согра, 5 - открытая топь, 6 - эвтрофные болота, 7 – водные объекты, 8 – поля, 9 – дороги, населенные пункты.

На примере ключевого участка Бакчарское болото, расположенного на территории стационара «Васюганье» (Бакчарский район, Томская область) и занимающего междуречье рек Бакчар и Икса была предпринята попытка оценить баланс углерода.

Для получения пространственной оценки углеродного баланса необходимо было провести классификацию растительного покрова исследуемой территории и оценить площади, занимаемые болотными фитоценозами. На основании анализа космических снимков LANDSAT выделено 24 типа ландшафтов. Общая площадь исследования составила 495 668 га и представлена в основном - лесами (38%) и болотами (42%), остальные 20 % поля, луга, водные объекты, населенные пункты.

Для проведения оценки именно болотных экосистем была составлена еще одна карта на который были оставлены только болотные фитоценозы и кроме того было проведено объединение сходных классов в результате мы получили обобщенную карту (рис.21.) с 5 основными болотными экосистемами: высокие рямы (31%), низкие рямы (25%), открытые топи (28%), эвтрофные открытые болота (5%), и в отдельный класс были выделены согры и террасные рямы (11%).

Оценки углеродного баланса для основных болотных экосистем исследуемой территории были получены в результате долговременных (1998-2007 гг.) инструментальных измерений эмиссии СО2, чистой первичной продуктивности на территории полевого стационара «Васюганье».

Исследования на олиготрофном болоте проводились в пределах водосборной площади р. Ключ, в сосново-кустарничково-сфагновом фитоценозе - высоком ряме, сосновокустарничково-сфагновом фитоценозе с угнетенным древостоем - низком ряме, открытой осоково-сфагновой топи. Мощность торфяной залежи от периферии болота к центру изменяется от 0,9 м до 3 м. Также проводилось исследование на эвтрофном болоте «Самара», расположенном на низкой левобережной террасе р. Бакчар в окрестностях д. Полынянка. Средняя мощность торфяной залежи в расширенной открытой части болота составляет 3-4 м.

Биологическая продуктивность определялась ежемесячно с мая по сентябрь укосным методом (без учета древесного яруса). Измерение эмиссии СО2 проводилось с мая по сентябрь камерным методом с использованием ИК оптического газоанализатора ОПТОГАЗ 500.4. Данные по эмиссии метана, зимней эмиссии СО2 и метана, выносу углерода с болотными водами получены из литературных источников.

Для количественного сопоставления полученных данных результаты измерений были приведены к единой шкале в граммах углерода на квадратный метр в год (гС/м2 в год).

Чистая первичная продукция (NPP) является показателем накопления углерода в виде растительного вещества. Результаты исследования показали, что, несмотря на существенные различия в составе растительного покрова исследуемых фитоценозов, в среднем олиготрофные болотные экосистемы имеют близкие величины на высоком, низком ряме и открытой топи - 268, 282, 274 гС/м2 в год соответственно. NPP на эвтрофном болоте в 1. раз выше по сравнению с олиготрофным болотом (507 гС/м2 в год).

Поток СО2 с поверхности торфяной залежи весьма динамичная величина и существенно изменяется от года к году в зависимости от погодных условий и гидротермических условий торфяной залежи. На олиготрофном болоте максимальными значениями потока СО2 характеризуется высокий рям (196 gC/m2/yr), затем следуют открытая топь и низкий рям (130 and 125 gC/m2/yr). Поток СО2 на эвтрофном болоте сопоставим с потоками СО на олиготрофных фитоценозах 165 gC/m2/yr.

Общий поток углерода из торфоболотных экосистем складывается из эмиссии СО и СН4, кроме того происходит вынос углерода с болотными водами. Эмиссия метана составляет от 5% (на высоком ряме) до 13% (на открытой топи) от эмиссии СО2. Вынос СО с болотными водами составляет около 6% от общей эмиссии углекислого газа. Интенсивность выделения СО2 и СН4 в зимнее время составляет около 20% от летних величин (см.

рис.22).

Рис. 22. Эмиссия углекислого газа и метана в различных типах экосистем.

Сравнение NPP и эмиссии СО2 с поверхности торфяной залежи показало что во всех исследуемых биогеоценозах накопление углерода в виде растительного вещества превышает эмиссию СО2 с поверхности торфяной залежи, что свидетельствует о положительном балансе исследуемых торфоболотных экосистем и депонировании углерода в виде растительности и торфа при современных климатических условиях.

Таблица 3. Составляющие углеродного цикла в различных болотных экосистмах.

риод) риод)* дукция) сия * Литературные данные Оценка углеродного баланса для разных болотных экосистем в сочетании с классификацией растительности позволяет рассчитать региональный углеродный баланс для болотных экосистем на изучаемой территории. Самая низкая скорость депонирования углерода получена для высокого ряма 17,9 гС/м2год, максимальная для эвтрофных болот гС/м2год, однако, учитывая, что площадь эвтрофных болот составляет только 5 % от площади болот на исследуемой территории, вклад эвтрофных болот в общее депонирование углерода эвтрофными болотами составляет 17%. Остальное депонирование углерода осуществляется в основном низкими рямами и открытыми топями.

Таблица 4. Оценка элементов углеродного баланса территории ключевого участка.

топь болота Исследуемые болотные экосистемы ключевого участка ежегодно поглощают 1.71*105 т углерода из атмосферы. По оценкам разных авторов ежегодное депонирование углерода из атмосферы болотами мира (за исключением тропических болот) составляет в среднем 9.57*107 тС в год, что составляет около 2,5 % от поглощения углерода всей сушей. Площадь ключевого участка составляет 0,05 % от площади болот мира и всего 0, от площади суши Земли. При этом согласно полученным нами оценкам поглощение углерода в 3-4 раза выше по сравнению с глобальными оценками депонирования углерода болотами.

Таким образом, исследуемые болотные экосистемы ключевого участка «Бакчарское болото» являются активным стоком углерода в настоящее время.

Экспериментальное исследование температурного режима торфяной залежи.

На основе непрерывного мониторинга температуры метрового слоя торфяной почвы изучены закономерности температурного режима торфяных почв в зависимости от гидрологических и погодных условий. Выявлены случаи интенсивного прогрева торфяной почвы при инфильтрации дождевой влаги в дневное и ночное время.

Интенсивный прогрев почвы при инфильтрации дождевой влаги и фазовые переходы при формировании и разрушении сезонно-мерзлого слоя объясняют особенности формирования теплового поля торфяной почвы.

Исследования проводились на олиготрофном сосново-кустарничково-сфагновом биогеоценозе (низком ряме) на территории стационара «Васюганье» в пределах Бакчарского района. Торфяная залежь низкого ряма достигает мощности 2 м и имеет смешанный топяной вид строения.

Мониторинг температуры почвы выполнялся с помощью автоматической станции температурного мониторинга почвогрунтов МОДУЛ-Т производства Института географии СО РАН (г. Новосибирск). Датчики температуры находились на глубинах 2, 5, 10, 15, 25, 40, 60 и 80 см. Измерения температуры торфяной залежи проводились в течение дней с 28 июня 2005 г. по 26 сентября 2007 года с периодичностью 1 час (в зимнее время), или 15 минут (в летнее время).

Анализ временного хода температур почвы на разных глубинах (см. рис. 23) показал, что годовой ход температуры почвы в верхних слоях повторяет годовой ход температуры воздуха. Годовая амплитуда температуры по разрезу почвы изменялась от 26.4оС в поверхностном слое до 5.9оС на глубине 80 см. Суточные колебания температуры проникали в торфяную почву до глубины 15-25 см. Температурный режим почвы, как в течение года, так и в течение суток во многом определялся гидрологическими и погодными условиями.

Глубина промерзания зависит от времени установления устойчивого снежного покрова и влажностного режима почвы. После формирования устойчивого снежного покрова положительные температуры сохранялись до середины декабря. Однако при длительном отсутствии снежного покрова и наличии отрицательных температур воздуха (зима 2006г.) происходило быстрое промерзание почвы. Максимальная глубина промерзания в 2006 и 2007 гг. составила 32.6 и 39.4 см соответственно. Сезонная мерзлота может сохраняться до середины июня (2006 г.). На время оттаивания сезонной мерзлоты кроме температуры воздуха и поверхностных слоев торфа, также существенное влияние оказывает влажность торфа и уровень болотных вод.

В результате непрерывного мониторинга выявлены случаи интенсивного прогрева почвы при инфильтрации дождевой влаги в дневное и ночное время. Относительная редкость этих событий и отсутствие регулярных натурных исследований теплового режима почв с высоким временным разрешением в болотных экосистемах объясняют отсутствие данных наблюдений этих явлений в литературе. Выявленные в экспериментах интенсивный прогрев при инфильтрации дождевой влаги и фазовые переходы при формировании и разрушении сезонно-мерзлого слоя объясняют особенности формирования теплового поля и наличие значительных возмущений в кондуктивном механизме теплопереноса. Результаты температурного мониторинга могут быть использованы для количественного анализа процессов теплопередачи, взаимодействия солнечного и внутриземного тепловых потоков и, в частности, для определения теплофизических свойств почв.

Рис.23. Временной ход среднесуточных значений температуры воздуха (Ta), температуры почвы на глубинах 2 – 80 см (T2, T5, T10, T15, T25, T40, T60, T80), глубины снежного покрова (SDP, см) и глубины промерзания почвы (FD, см).

Распределение химических элементов в торфах южно-таежной подзоны Западной Сибири.

Рассмотрены аналитические данные содержания химических элементов (Ca, Sc, Cr, Fe, Co, Br, Sr, Ba, Hf, La, Ce, Sm, Eu, Th, U) в разных по условиям формирования в торфах южно-таежной подзоны Западной Сибири (в пределах Бакчарского и Кеть-Чулымского болотных округов). В результате проведенных исследований установлен региональный элементный химический состав торфов. Показано, что гидрологический режим и биогеохимические особенности функционирования болот верхового и низинного типов определяют разное накопление в них химических элементов. Для каждого рассматриваемого вида торфа характерен свой специфический набор накапливаемых элементов. В исследуемых торфах выявлена тенденция к рассеянию химических элементов по сравнению с почвами и литосферой. Активно концентрируется в торфах только Br.

Объектами исследований послужили торфа верхового и низинного типов, отобранные из 9-ти торфяных месторождений Томской области. Они относятся к террасовому и водораздельному типам залегания и расположены в двух торфоболотных округах: Бакчарском и Кеть-Чулымском.

Содержание элементов в торфах проводилось методом нейтронно-активационного анализа в Институте ядерной физики (НИИЯФ) при Томском политехническом университете. Повсеместное распространение на территории южно-таежной подзоны Западной Сибири лессовидных пород, обогащенных кальцием, железом, а также рядом микроэлементов (Ва, Sr, Br, Mn, Zn, Mo, Sc) предопределило особенности элементного состава торфов исследуемой территории. Торфа региона характеризуются повышенным содержанием Ca, Fe, Sc, Co, Ba, Sr, Br по сравнению со своими аналогами на Европейской территории России, Дальнем Востоке, а также средними показателями, рассчитанными в целом для торфов России. В низинных торфах средние концентрации всех элементов выше, чем в верховых (Fe в 8 раз, Ca в 6, U – в 15, Br – в 5, Sr, Co, Sm, Cr, La – в 3, Ce, Th, Hf, Ba, Sc, Eu – в 2 раза). Данное положение объясняется гидрологическими и биогеохимическими особенностями функционирования болотных ландшафтов верхового и низинного типов.

На рисунке 24 показано, что содержание химических элементов в торфах в зависимости от их видовой принадлежности сильно варьирует, что особенно характерно для торфов верхового типа (рис. 2 А). Статистически значимо (р8 высокий Напряженность климата в большинстве районов области меняется незначительно (рис. 53-56), что говорит об однородности природно-климатических взаимосвязей. Пространственно-временная оценка климатических условий по совокупности индикаторных для Томской области климатических факторов позволяет охарактеризовать область как территорию с высоким уровнем напряженности климата и с большим рискоформирующим потенциалом. Однако решающую роль при комплексной оценке рисков природопользования играют территориальное распределение и степень эколого-экономической напряженности (рис. 54), тем самым обеспечивая значительную неоднородность уровня рисков (рис. 55). Таким образом, установлено, что взаимозависимость природноклиматических и социально-экономических процессов в Томской области определяется их когерентностью и сопровождается синергетическим эффектом, однако роль триггерного механизма в основном принадлежит антропогенному фактору.

3. Динамика состояний лесных насаждений как отражение этапов заболачивания 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.

Пространственно-временные ряды заболачивания характеризуются набором физиономических и биогеоценотических показателей, описывающих типологические ряды ландшафтных фаций по фактору увлажнения (рис. 57). На протяжении этапов скрытого и начального заболачивания (стадии 1-3) происходят изменения почвенно-грунтовой толщи:

уменьшается активная пористость, снижается водопроницаемость, возрастает увлажненность корнеобитаемого слоя. В доминантном составе напочвенного покрова увеличивается количество влаголюбивых видов, а экологический состав сообществ свидетельствует о смещении состояния по фактору увлажнения в сторону большей влажности. Появляются первые признаки торфообразования. Кульминацией фазы заболачивания является структурная перестройка элементов лесной растительности и переход к состоянию заболоченных лесов (стадия 4). Повышается гидроморфность местообитаний и мощность органогенных горизонтов. В составе древостоев увеличивается доля сосны и кедра, в напочвенном покрове господствует болотная растительность. Продуктивность лесов резко снижается. Завершается заболачивание выпадением первичных и формированием вторичных древостоев, отрывом корневого питания от минерального субстрата (стадия 5).

Состояние собственно болотного процесса является ключевым звеном в преобразовании территории, поскольку системообразующим фактором становится торфонакопление (стадия 6). Экологический состав растительных сообществ на торфяной залежи мощностью свыше 60-90 см образован специфичным составом: многочисленными видами сфагновых мхов, кустарничков, карликовыми формами древесных пород, - и характеризуется широким диапазоном возможных состояний, что определяет устойчивость рямовых сообществ при разных условиях увлажнения. В развитии болотного процесса выделяют стадии прогрессивного и регрессивного торфонакопления. На стадии деградации торфяной залежи формируются грядово-мочажинные и озерковые комплексы.

Рис. 57. Некоторые показатели состояния компонентов биогеоценозов на разных стадиях заболачивания (1-4) и торфонакопления (5-6): гидрологическое состояние почв (слева), экологический состав доминантов (А) и экологическая емкость местообитаний (Б) по фактору увлажнения.

Обозначения: Запасы влаги, мм: НВ – при наименьшей, ПВ – при полной влагоемкости. ПА – активная пористость. Экологические группы: КМ – ксеромезофиты; М – мезофиты; ГМ – гидромезофиты; СГ – субгидрофиты; АГ – аэрогидрофиты.

4. Анализ реакций и механизмов адаптации индикаторных видов в изменяющихся климатических условиях. Исследована структура и динамика верхней границы распространения хвойных в горах Южной Сибири. Обобщены многолетние наблюдения за ростом, плодоношением и возобновлением хвойных на верхнем пределе их распространения в горах Кузнецкого Алатау, Западного Саяна и Алтая.

Повсюду в сложении верхней границы древесной растительности участвуют три вида: пихта сибирская, кедр сибирский и лиственница сибирская. В ряду от влажных до сухих районов доля пихты снижается, а доля лиственницы растет; максимальное участие кедра характерно для умеренно влажных районов. В целом хвойные повсеместно ответили на снижение континентальности климата (повышение зимней температуры воздуха и количества снега, увеличение продолжительности вегетационного периода за счет переходных сезонов) активизацией жизнедеятельности и воспроизводства (табл. 9). При этом их рост усилился значительно, плодоношение – вполовину меньше, а возобновление – незначительно.

Таблица 9. Изменение роста (Р), плодоношения (П) и возобновления (В) хвойных на верхней границе древесной растительности в западной части гор Южной Сибири за последние 30 лет (%) Влажные

Р П В Р П В

Р П В Р П В

Сухие Виды закономерно различались по структуре реакции на климатические изменения.

У лиственницы рост заметно усилился, особенно в сухих районах; плодоношение и возобновление, напротив, заметно снизились, особенно во влажных районах. У пихты рост и особенно вегетативное возобновление существенно усилились во влажных районах; в сухих же районах рост не изменился, а плодоношение и особенно возобновление заметно снизились. Наиболее благоприятными климатические изменения оказались для кедра. Во всех районах, но особенно в умеренно влажных, его рост усилился заметно, плодоношение – очень сильно, а возобновление – несколько меньше. В целом на верхней границе древесной растительности в результате климатических изменений роль лиственницы сокращается, роль пихты увеличивается только во влажных районах, а роль кедра увеличивается повсеместно. Полученные результаты открывают новые возможности для фитоиндикации климатических и прогнозирования экосистемных изменений на границе древесной растительности в горах.

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) Проект состоит из 4- блоков:

Блок 1. Оптические газоанализаторы, включая лазерные, для мониторинга природных и техногенных систем. (Отв. исполнитель д.т.н., проф. Тихомиров А.А.):

- Подраздел 1. Газоанализатор на явлении СКР (ответственный исполнитель к.ф.-м.н., доцент М.А. Булдаков).

- Подраздел 2. Газоанализатор с использованием перестройки частоты лазерного излучения (ответственные исполнители: д.ф.-м.н., внс Ю.А. Андреев, д.ф.-м.н., внс П.П.

Гейко, к.ф.-м.н., снс А.И. Грибенюков).

Блок 2. Новые ультразвуковые термоанемометры для измерения первых и высших моментов метеорологических величин с расширенным диапазоном измерений температуры и скорости ветра. (Отв. исполнитель к.ф.-м.н., снс Богушевич А.Я.).

Блок 3. Приборы неразрушающего контроля природных и техногенных систем на основе регистрации электромагнитной эмиссии в радиодиапазоне. (Отв. исполнитель к.т.н., снс Гордеев).

Блок 4. Приборы на основе металлов с памятью формы для контроля техногенных систем. (Ответственный исполнитель к.ф.-м.н., снс В.Я. Ерофеев).

2. Выполненные в 2008 г. этапы:

По блоку 1.

- Подраздел 1. Исследовать особенности спонтанного комбинационного рассеяния света в плотных газовых средах с целью создания газоанализатора с повышенной чувствительностью за счет сжатия газовой среды.

- Подраздел 2. Создание элементов газоанализаторов с перестройкой частоты:

1. Разработать исследовать параметрические преобразователи лазерного излучения на основе нелинейных кристаллов твердых растворов и кристаллов с регулярной доменной структурой для газоанализаторов.

2. Исследовать влияние термо-концентрационных условий на реальную структуру дефектов в кристаллах ZnGeP2 при выращивании крупноразмерных монокристаллов.

По блоку 2. Оптимизировать конструкцию и исследовать ультразвуковой термоанемометр для измерения критических значений скорости ветра и температуры.

По блоку 3. Исследовать влияние квазистатических нагрузок на параметры электромагнитной эмиссии деформируемых композиционных материалов при мониторинге состояния бетонных сооружений.

По блоку 4. Определить критерий безусталостного поведения материалов с эффектом памяти формы.

3. Актуальность выполненных исследований. Данный проект является в большей части продолжением работ, выполнявшихся в предыдущем проекте ИМКЭС СО РАН 28.2. "Разработка новых методов, технологий и приборов на основе оптических, радиоволновых и акустических эффектов для контроля природных и техногенных систем, а также для решения спецзадач" (2004-2007 гг.) и направлен на создание новых методов, технологий и технических средств для мониторинга состояния природных и техногенных систем.

4. Основные научные результаты, полученные в ходе выполнения этапа.

По блоку 1.

Подраздел 1: Изучение концентрационных эффектов в спектрах СКР плотных газовых сред проведено на лабораторном стенде, состоящем из малогабаритного лазера со светодиодной накачкой KLM-532/h (мощность излучения ~ 1 Вт на длине волны = 532 нм), газовой кюветы высокого давления (до 100 атмосфер), монохроматора МДР-23, системы регистрации спектров СКР на основе высокочувствительной ПЗС-матрицы S9840 (фирма HAMAMATSU, Япония) и блока управления на основе микроконтроллера Atmega128. Исследовалось влияние плотного гелиевого окружения на характеристики рассеяния молекул N2 и O2, для чего были получены спектры СКР смесей 1 атмосферы N2 (или O2) с He, парциальное давление которого варьировалось от 0 до 100 атмосфер. Зарегистрированные Q-ветви колебательных полос молекул N2 и O2 имели обычный для полос изотропного рассеяния ассиметричный контур с оттенением в сторону низких комбинационных частот.

Дискретной вращательной структуры не наблюдалось из-за относительно низкого разрешения лабораторного стенда. Полученные спектры позволили проследить за эволюцией вида Q-ветви колебательных полос молекул N2 и O2 при увеличении давления He. В результате проведенных исследований получены следующие результаты:

1. При увеличении давления He максимумы Q-ветвей колебательных полос молекул N2 и O2 сдвигаются в сторону малых комбинационных частот. Сдвиг максимумов Q-ветвей молекул N2 и O2 – незначительный и составляет всего ~ 1 см-1 для кислорода и ~ 1,5 см-1 для азота при увеличении давления He от 0 до 100 атмосфер.