IMCES - Важнейшие результаты фундаментальных и прикладных исследований ИМКЭС в 2005 году

Важнейшие результаты фундаментальных и прикладных исследований ИМКЭС в 2005 году

1. В ИМКЭС СО РАН на основании вейвлет-анализа столетних инструментальных данных выявлен новый климатический феномен, относящийся к длиннопериодическим колебаниям (30-40 лет) среднегодовой температуры во второй половине 20-го века и состоящий в высокой корреляции между рядами среднегодовой приземной температуры Западной Сибири и рядами планетарных индексов: солнечной активности (чисел Вольфа, верхний рисунок), Северо-Атлантического колебания (NAO, средний рисунок) и Южного колебания (SOI, нижний рисунок). Природа выявленного феномена связывается с механизмами накопления теплозапаса мировым океаном за счет колебания солнечной активности в этот период и с последующим переносом части теплозапаса в регионы планеты океаническими течениями и атмосферными процессами (ИМКЭС СО РАН, проект 24.3.1).

В верхней части поясняющего рисунка представлены вейвлет-спектр чисел Вольфа, характеризующих изменения солнечной активности. Видно, что во второй половине ХХ столетия наряду с возрастанием активности в 11-летнем цикле произошло колебание активности с периодом 30-40 лет. Анализ показал, что колебание такого масштаба присутствует в спектрах индексов Северо-Атлантического и Южного колебании, а так же в температурных рядах, полученных на метеостанциях Западной Сибири. Корреляционная связь между спектрами индексов Северо-Атлантического и Южного колебаний и температуры Западной Сибири показано на средней и нижней частях поясняющего рисунка. Видно, что для колебаний масштаба 30-40 лет имеет место значимая корреляционная связь на 90-% доверительном уровне. Анализ соответствующих фазовых спектров показал наличие фазового сдвига в 3-8 лет, что свидетельствует об участии в формировании температурного возмущения океанической составляющей. Совокупность полученных результатов позволяет предложить следующий механизм по формированию выявленного температурного возмущения (климатического феномена). Представленные в верхней части рисунка изменения солнечной активности передаются через соответствующие изменения солнечной постоянной в теплозапас деятельного слоя экваториальной области Мирового океана. Промодулированный таким образом теплозапас поступает через меридиональные течения в северные районы Атлантики и Тихого океана, где в основном за счет испарения происходит обмен теплом между атмосферой и океаном, особенно активный в зимний период в Северной Атлантике. Поступающее в атмосферу тепло переносится на континентальные районы Северной Евразии и Северной Америки зональным переносом и циклонами и участвует в формировании температурных возмущений соответствующих масштабов.

2. Впервые определена количественная характеристика цикличности основных параметров болотообразовательного процесса южно-таежной подзоны Западной Сибири – индекса влажности и скорости аккумуляции торфа и углерода. Установлено, что выявленные циклы периодичностью 1500-1000, 1000-750 и 500 лет аналогичны циклам водных режимов западно-европейских и северо-американских болот и связаны с изменениями климатических условий (ИМКЭС СО РАН, проект 24.3.2).

На основе послойных исследований торфяных отложений (ботанического состава, зольности, содержания углерода и микроэлементов) выполнена реконструкция водных режимов палеоповерхности болота методом расчета индекса влажности и определено изменение содержания органического вещества и углерода на разных глубинах залежи. С использованием проведенного радиоуглеродного датирования стратиграфических колонок рассчитана скорость аккумуляции торфа и углерода для различных стадий развития болота и создана эволюционная модель болотообразования. Проведенный вейвлет-анализ временных зависимостей основных параметров болотообразовательного процесса (индекса влажности и скорости аккумуляции торфа и углерода) показал наличие у них ярко выраженных циклов периодичностью 1500-1000, 1000-750 и 500 лет. Эти гармоники аналогичны циклам водных режимов западно-европейских и северо-американских болот (Aaby,1976; Barber et all., 1994;; Hughes et all., 2000; Langdon et all., 2003; Blundell A., Barber K., 2004) и тоже связанны с изменениями климатических условий. Стратиграфическое исследование торфяных отложений с временной датировкой для ключевых участков является новой методической основой для мониторинга природно-климатических процессов в голоцене.

3. Разработан новый метод оперативного локального прогноза основных метеорологических величин на срок до 6 часов вперед, основанный на полиномиальной математической модели их временной эволюции и на применении алгоритмов Калмановской фильтрации к изменяющимся во времени модельным коэффициентам, получаемым в предыдущие сроки из результатов регулярных измерений ультразвуковой метеостанции АМК (ИМКЭС СО РАН, проект 28.2.3).

Сравнение измеренных значений температуры воздуха и ее шестичасового прогноза за 12 дней февраля.

На поясняющем рисунке сплошной синей линией показан временной ход значений температуры воздуха, измеренных в феврале ультразвуковой метеостанцией АМК-03 с интервалом 20 минут, а штриховой красной линией показаны ее значения, спрогнозированные на 6 часов вперед для тех же моментов времени. Изменения модуля скорости возрастания или убывания значения метеорологической величины практически не сказываются на качестве прогнозов. Наиболее критичными в используемом методе являются случаи, когда временная производная метеорологической величины резко изменяет свой знак. Это обусловлено тем, что фильтр Калмана обладает инерционностью, равной двум циклам его работы (40 минутам для данных, использованных на рисунке).

В таблице приведены числовые значения среднеквадратической погрешности прогноза (RMS) за месяц (в каждом около 3000 измерений) на 1, 3 и 6 часов для температуры T, давления P, абсолютной влажности q, зональной U и меридиональной V составляющих скорости ветра, полученные для трех различных месяцев на основе результатов измерений АМК-03. Предложенный новый инструментальный метод оперативного прогноза метеорологических условий является приемлемым и перспективным для принятия решений по транспортной и экологической безопасности.

4. По результатам исследований адаптивного компонента генома кедра сибирского по локусам, кодирующим ферментные системы с известной обменной функцией, впервые установлена закономерная зависимость частоты многих аллелей от широты и долготы местности, а также зависимость обобщающего показателя генетической изменчивости (средней ожидаемой гетерозиготности) от географического положения популяции по климатическим условиям (ИМКЭС СО РАН, проект 22.1.8).

Распределение генного разнообразия кедра сибирского в системе географических координат.

Методом географических культур на примере скорости роста многими авторами установлен довольно высокий уровень эколого-географической дифференциации бореальных видов хвойных. В то же время, молекулярно-генетические исследования показали, что межпопуляционная изменчивость составляет не более 3-4% общей внутривидовой и объясняется не столько разнообразием лесорастительных условий в пределах ареала, сколько изоляцией отдельных популяций и дрейфом генов. В клоновом архиве кедра сибирского (250 клонов 15 экотипов, представляющих широтный, долготный и высотный профили) адаптивный компонент генома реально определяет соответствие генотипического состава популяции условиям ее обитания. Установлены генотипы клонов по 26 локусам, кодирующим 16 ферментных систем с известной метаболической функцией. Показано, что на долю межпопуляционной приходится почти 8% общей внутривидовой изменчивости, т.е. примерно в 2 раза выше, чем считалось ранее. Обобщающий показатель генетической изменчивости (средняя ожидаемая гетерозиготность) тесно связана с положением популяции в системе географических координат, особенно с широтой. Эта связь имеет сложную форму: минимальный уровень генного разнообразия отмечается по окраинам ареала, из которых в этом отношении особенно выделяется юго-восточная; максимальный – смещен к северо-западу от географического центра ареала (рис.).
Впервые выявлена тесная зависимость частоты аллелей многих изоферментных локусов от географических координат выборок. Так, в пределах широтного профиля частота первого по подвижности аллеля второго локуса флуоресцентной эстеразы увеличивается от 0,13 предгорных лесах Западного Саяна до 0,75 в предтундровых редколесьях на севере Западно-Сибирской равнины. Вдоль долготного профиля частота этого же аллеля снижается от 0,81 на Среднем Урале до 0,08 в северном Забайкалье. В большинстве случаев частота аллелей изменяется с широтой и долготой постепенно в соответствии с теплообеспеченностью и континентальностью климата, что свидетельствует в пользу адаптивной природы обнаруженного явления. Наибольший вклад в генетическую подразделенность изученных экотипов вносят именно те локусы, структура изменчивости которых тесно связана с географическим положением популяций.