ГЛАВНАЯ   ОБЪЯВЛЕНИЯ

Важнейшие результаты фундаментальных и прикладных исследований ИМКЭС за 2011 год

1. Мониторинг состояния приземного слоя в предгрозовой атмосфере позволил установить, что в электрическом поле за несколько часов до прохождения мощной конвективной ячейки над пунктом наблюдения возникают квазипериодические колебания с периодами от 15 мин до 2 ч и более. Сравнение этих данных с микробарографическими измерениями (ИФА РАН) показало, что природа этих колебаний связана с акустико-гравитационными волнами, которые могут являться вынуждающей внешней силой, ответственной за процессы самоорганизации мезомасштабных конвективных систем. (Проект VII.63.1.1).

 


Модули средних вейвлет-спектрограмм электрического поля до прохождения грозы (а – для дневных гроз, в – для ночных гроз) и вейвлет-спектры, усредненные на двухчасовых интервалах (б – для дневных гроз, г – для ночных гроз).

На поясняющих рисунках (а, в) представлены модули средних вейвлет-спектрограмм электрического поля до прохождения грозы, для дневных и ночных гроз соответственно, время (ось абсцисс, часы) отсчитывается от начала грозы, по оси ординат отложен масштаб колебаний в минутах. Здесь же (б, г), также для дневных и ночных гроз, представлены вейвлет-спектры усредненные на двухчасовых интервалах, ось абсцисс – масштаб колебаний, ось ординат – амплитуда, кривые 1, 2, 3, 4 соответствуют интервалам усреднения 8–6 ч, 6–4 ч, 4–2 ч и 2–0 ч до прохождения конвективных ячеек.

В дневных условиях усредненный вейвлет-спектр колебаний электрического поля содержит максимумы в диапазонах периодов: 95–130 мин; 50–75мин и 15–25 мин. Усреднение вейвлет-спектрограмм проведено по 60 случаям прохождения мощных конвективных ячеек над пунктом наблюдения в летние периоды 2006–2008 гг. Вначале в вейвлет-спектре появляются наиболее низкочастотные колебания с периодом ~ 130–135 мин, затем – с периодом ~ 70–75 мин и последними – вариации с наиболее короткими периодами. Средние амплитуды в полосах этих максимумов за 3–0.5 ч до прохождения конвективной ячейки в 2–5 раз превосходят амплитуды, зарегистрированные за 8–7 ч до появления интенсивных вариаций, связанных с прохождением мощной конвективной ячейки.

Полученный результат указывает на то, что подготовка грозы происходит по закономерному сценарию, определяемому развитием мезомасштабных конвективных систем. При этом сценарии развития гроз четко различаются для дневных и ночных условий. Важную роль в этом процессе играет возбуждение акустико-гравитационных волн (АГВ), источниками которых являются иерархически соподчиненные скопления областей развития и мезомасштабных конвективных систем в целом. Последнее представляет наибольший интерес, поскольку именно АГВ могут являться той вынуждающей внешней силой, которая ответственна за процессы самоорганизации мезомасштабных конвективных систем.

 

2. Изменчивость элементов радиационного баланса позволяет описать 50% дисперсии температурного поля азиатской территории России (АТР), тогда как совместный учет компонентов радиационного баланса и индексов глобальной циркуляции позволяет увеличить долю описываемых изменений до 65 %. Среди элементов радиационного баланса наибольший вклад вносит приходящая коротковолновая радиация, а среди индексов глобальной циркуляции, определяющую роль в изменении аномалий температуры АТР играют процессы блокирования западного переноса, описываемые индексом  SCAND. (Проект VII.63.1.1). 

В поясняющей таблице приведены среднегодовые коэффициенты детерминации (R2) регрессионных моделей, построенных по данным реанализа JRA-25 за период 1979-2008гг. и описывающих изменчивость температуры на азиатской территории России (АТР) в зависимости от циркуляционных и радиационных факторов.

 

Климатические факторы

АТР

Западная Сибирь

Восточная Сибирь

Дальний Восток

Циркуляционные

0,38

0,45

0,33

0,46

Радиационные

0,51

0,54

0,33

0,40

Циркуляционные

+

радиационные

0,65

0,68

0,63

0,63

 

Как видно из таблицы, преимущественное влияние на изменчивость температуры на АТР принадлежит составляющим радиационного баланса. Это, в основном, обусловлено большими значениями соответствующего значения коэффициента детерминации для территории Западной Сибири. Над территорией Восточной Сибири циркуляционные и радиационные факторы оказывают влияние на изменчивость температуры в равной степени. Для территорий Западной Сибири, Дальнего Востока и для АТР наблюдается взаимосвязь между климатическими факторами.

 

3. Разработаны средства и процедуры описания природно-климатических условий (ПКУ) регионов на основе агрегирования разнородных интегральных оценок различных составляющих и содержательного матричного описания их элементов. По результатам комплексной оценки получены описания ПКУ регионов на основе матриц интегральных оценочных характеристик климата и типов местных криогенных, гидрологических и ландшафтных условий. Описания ПКУ позволяют проводить количественную оценку внутривековых и многовековых региональных природно-климатических изменений. (Проект VII.63.1.2). 

Описание ПКУ опирается на результаты комплексной (многоуровневой) оценки характеристик регионального климата и типизации местных природных условий. В основу типизации ПКУ положены выявленные закономерные связи ритмов многолетних изменений, интегральных оценочных характеристик климата, местных гидрологических, криогенных условий, свойств ландшафтов (экосистем, напочвенного покрова) и местных климатообразующих факторов. Выявлены особенности изменений региональных климатов Западной Сибири, обусловленных влиянием климатообразующих факторов речной долины, свойствами преобразованных ландшафтов, таежных экосистем с повышенной гидроморфностью (лесоболотных комплексов), которые влияют на влагооборот. Установлена климатически значимая роль криогенных процессов, определяющих тепловой баланс, гидротермические условия и местный тепловлагооборот, в зоне деградации островной мерзлоты. На основе результатов анализа выявлены следующие типы криогенных условий: вечная мерзлота (ВМ), островная многолетняя мерзлота (ОММ), редкоостровная мерзлота (РОМ), глубокое промерзание грунтов (ГПГ), промерзание грунтов очаговое (ПГО),  промерзание почв частое (ППЧ), промерзание почв редкое очаговое (ППРО). Выделены типы гидрологических условий: засушливые (З), умеренно гидроморфные (УГ), гидроморфные (Г), повышенной гидроморфности (ПГ). Проведена ландшафтная типизация территории: степь с очагами аридизации (СОА), степь с частыми засухами (СЧЗ), лесостепь (ЛС), лесная территория (Л), таежная гидроморфная территория (ТГТ), лесоболотная территория (ЛБТ), северная тайга (СТ), лесотундра (ЛТ), тундра (Т), горная территория (ГТ). При агрегированном описании ПКУ используют матричное описание оценочных характеристик (табл. 1) климатических условий, ландшафтов и типов криогенных, гидрологических условий.

 

Таблица 1. Агрегированное описание природно-климатических условий региона

Климатические условия

Ландшафты

Криогенные условия

Гидрологи-ческие условия

Пределы многолетних изменений

Ритм многолетних изменений

Матрица оценочных характеристик

Тип

Состав

Характеристики

Тип

Характер-истики

Тип

Характер-истики

 

 

Матрица агрегированного описания природно-климатических условий региона имеет вид:

Ритм

Пределы Тг (°С)

Пределы А(°С)

Пределы Ог(мм)

Пределы ZТП(°С)

Пределы Zвп(°С)

Пределы ТI(°С)

Пределы Овп(мм)

Тип ландшафта

Тип леса (доля)

Луг (доля)

Пашня (доля)

Тип КУ

Глубина (м)

Повторяемость (f)

Тип ГУ

Засухи (З)

Повторяемость (f)

Матрица оценочных характеристик климата включает ритм многолетних изменений температурного режима, пределы многолетних изменений: среднегодовой температуры, сумм температур теплого периода года, холодного периода года, сумм температур вегетационного периода, температуры января, сумм осадков вегетационного периода, годовых осадков.

Проведена комплексная оценка современных природно-климатических условий в регионах Сибири, выявлены особенности изменений региональных климатов  Западной Сибири, обусловленные местными климатообразующими факторами. Матричное описание позволяет проводить количественную (многопараметрическую) оценку внутривековых и многовековых региональных природно-климатических изменений.

 

4. Геоэлектрическое профилирование плотин моренно-подпрудных озер (Аккольского и Маашейского, Горный Алтай) позволило выявить зоны формирования термокарстовых поноров (участков потенциальной катастрофической разгрузки водоемов) при современных климатических изменениях. (Проект VII.63.1.3)

Оценка устойчивости плотины Маашейского озера проведена с применением методов подповерхносного геоэлектрозондирования и компаративного анализа материалов полихронной аэрокосмосъемки. Геоэлектрическое зондирование морено-озерных дамб, сложенных многолетнемерзлыми породами проведено с использованием геофизического комплекса ABEM Terrameter SAS 300C.

В результате исследований получены данные по фильтрационной устойчивости мерзлых пород слагающих плотину, выявлены опасные участки формирования подземных термокарстовых каналов стока, образующихся при вытаивании массивов погребенного льда.

Изменение климатических параметров вызвало преобразование энергетического баланса и трансформацию морфодинамических характеристик мореных комплексов, что  привело к образованию термокарстовых поноров.  Дальнейшее развитее данных процессов, несомненно, приведет к прорыву мореных плотин и катастрофическим последствиям в их нижних бьефах.


Зоны формирования термокарстовых поноров (слева) и электротомограммы по линиям A-B и C-D плотины Маашейского озера (справа). Льдистые горные породы с отрицательными температурами показаны оттенками синего цвета, оттаявшие грунты оттенками красного.

 

5. На основе концепции границ и динамики ареалов установлено разнообразие мозаики конечных состояний ландшафта (лес, болото) и переходов между ними. Изменение конфигурации и фрагментация лесного покрова с течением времени определяется процессами торфонакопления в первичных очагах и экотонах локального уровня, сукцессией растительности, водным режимом и динамичностью внешних условий. (Проект VII.63.1.4). 


Развитие болотного процесса на Васюганской равнине.

Заболачивание, направленно изменяя ландшафты, приводит к фрагментации фонового биотического компонента, проявляется на локальном и ландшафтном уровнях различным сочетанием «конечных» состояний (лес и болото) и переходов между ними (лесоболотные экотоны). Экотоны ландшафтного уровня состоят из мозаики пятен леса и изолированных болот. На границе болота постоянно воспроизводится экотон локального уровня, а динамика его границ определяется сукцессией фитоценоза и тесно увязана с погодно-климатическими условиями. Динамика границ является ключевым моментом изменения ландшафтов. С развитием болотного массива происходит присоединение и поглощение изолированных болот, соответственно увеличивается протяженность границ. Заторфовывание первичных водотоков и депрессий рельефа приводит к выравниванию поверхности, уменьшению уклонов и, в конечном счете, снижает величину стока с территории. Интенсивность и скорость процесса отражается в площадном соотношении фаций, находящихся на разной стадии болотообразования, структурно-функциональной организации лесоболотных экотонов и стратиграфии торфяных отложений.

 

6. Путём транс-континентальной пространственно-временной корреляции палеопалинологических данных юга Томской области с лёссо-почвенными сериями Восточной Европы, колебаниями водности Каспийского моря и сменами комплексов фораминифер у берегов Гренландии выявлено отдалённое влияние вековой ритмики северо-атлантической циркуляции морских вод на климат в центре Евразийского континента. При этом, отмечено некоторое отставание во времени начала периодов увлажнения в направлении с запада на восток, что может быть обусловлено как постепенным развитием влияния атлантических циклонов вглубь материка, так и отставанием реакции растительного покрова на климатические изменения. (Проект VII.63.1.4). 


Проведен анализ обширной палеопалинологической информации юга Томской области и сравнение палеоэкологическими данными других регионов. Выявлены синхронные изменения региональной и локальной растительности, вызванных отдалённым влиянием ритмики северо-атлантической циркуляции морских вод и, связанной с ней, североатлантической климатической осцилляции.

Для корреляции, использовались 6 полученных на юге Томской области спорово-пыльцевых диаграмм (озеро Кирек, торфяники Ново-Успенка, Тегульдет, Жуковское и Овражное), позволивших выявить явную синхронность основных фаз изменения растительного покрова за последние 12 тыс. лет. Так, во всех диаграммах наблюдалась синхронность фазы возрастания роли пихтовых лесов 4-3 тыс. л.н. Но максимально пихтовые леса представлены в пыльцевых диаграммах приуроченных к северным отрогам Кузнецкого Алатау. Напротив, в степях Западной Сибири и Хакасии, с 4 до 3-х  тыс. л.н. ярко проявился сухой период, предшествовавший увлажнению климата.

Пыльцевые спектры пойменного болота Ново-Успенка отразили высокую чувствительность к вековым колебаниям увлажнённости климата. Так во время двух исторических потеплений (Римского и Средневекового) на этом болоте распространялись веретьево-топяные комплексные сообщества из моховых гряд с берёзой и переувлажнённой вахтовой топи, что, вероятно, было обусловлено повышенным количеством осадков, приносимым в Сибирь атлантическими циклонами. Более многоводными при этом становились разливы р. Оби. С ослаблением циклонов климат становился более континентальным, водность р. Оби уменьшалась и болото зарастало сосновым лесом. Эти вековые циклы глобальной природы нашли отражение, как в ботаническом составе торфа, так и в пыльцевой диаграмме болота Ново-Успенка, в палеопочвенных сериях Волго-Уральских Рын-Песков, колебаниях уровня Каспийского моря. Кроме того, отмечено, что с запада на восток наблюдается некоторое отставание во времени начала периодов увлажнения, что может быть обусловлено как постепенным развитием влияния атлантических циклонов вглубь материка, так и отставанием реакции растительного покрова на климатические изменения. Смена комплексов холодноводных и тепловодных фораминифер у берегов Гренландии при изменении направления тёплого течения Гольфстрим происходило гораздо быстрее, чем смена растительных сообществ на болоте в центре Евразийского континента. Еще медленнее изменялась растительность на суходолах отражающая в большей степени ход тысячелетних циклов увлажнённости, чем вековых колебаний климата.

Проведённый анализ показал, что пыльцевые диаграммы юга Томской области в зависимости от их географического, геоморфологического и литологического расположения,  отражают в большей или меньшей степени смены растительного покрова различной периодичности – от вековых до тысячелетних и более крупных ритмов. При этом все эти ритмы, включая самые краткие – вековые, вероятно имеют глобальную природу, обусловленную ритмикой северо-атлантической циркуляции морских вод.

 

7. На основе многолетних наблюдений приземных концентраций озона (ПКО) в Томске установлено, что в формировании ранневесенних (март-апрель) максимумов годового хода ПКО основную роль играют вулканогенные аэрозольные возмущения тропической стратосферы в период с сентября по февраль, стимулирующие усиление стратосферно-тропосферного обмена из-за увеличения температурных контрастов в стратосфере между низкими и высокими широтами. (Проект VII. 63.3.1).


Анализ длинного ряда измерений приземных концентраций озона (ПКО) в Томске с 1992 г. по настоящее время показал, что каждому аэрозольному возмущению тропической стратосферы после мощного извержения вулкана в период с сентября по февраль соответствует всплеск ПКО относительно многолетней нормы, возникающий примерно через полтора месяца после извержения. В частности, в конце ноября 2004 г. и в конце января 2005 г. было зарегистрировано 2 извержения вулкана Манам (о. Папуа-Новая Гвинея), продукты которых достигали стратосферных высот 18 и 24 км, соответственно (рис.). На рисунке видно, что примерно через полтора месяца после каждого извержения в годовом ходе формируются области (а) и (б) повышенных значений ПКО относительно многолетней нормы, которые проявляются даже при сглаживании FFT-фильтром с окном 10 суток. Аналогичная ситуация возникала в 1995, 2003, 2006, 2007 и 2011 гг. вследствие извержений вулканов Рабаул (1994) Улаун и Руанг (2002), Манам (2006), Рабаул (2006) и Мерапи (2010). Появление вулканогенных аномалий ПКО связано с усилением стратосферно-тропосферного обмена (СТО), вызванного увеличением температурных контрастов в стратосфере между низкими и высокими широтами из-за радиационного перегрева внутри вулканогенных стратосферных аэрозольных слоев. При усилении СТО, особенно при прорыве тропопаузы, происходит вторжение в нижнюю тропосферу стратосферных масс воздуха, обогащенных озоном.

 

8. Создан лабораторный макет газоанализатора на основе явления спонтанного комбинационного рассеяния (СКР) света, в котором для повышения чувствительности используется сжатие исследуемой многокомпонентной газовой смеси до давлений 10¸100 атм. На рисунке приведен спектр СКР природного газа при давлении 30 атмосфер, зарегистрированный на данном макете. Предельная чувствительность макета составляет 10¸100 ppm и зависит от давления исследуемой газовой смеси. (Проект VII.66.1.2.).


Функциональная схема макета


Спектр СКР природного газа при лавлении

 

Макет СКР-газоанализатора состоит из лазера, кюветы, оптической системы для сбора рассеянного света, монохроматора, многоканального фотоприемника (ПЗС-матрицы), блока управления и компьютера. Стенд позволяет одновременно регистрировать любые молекулярные компоненты газовой среды с помощью одного лазера (с фиксированной длиной волны), при этом сигнал СКР любого молекулярного компонента газовой среды строго индивидуален, пропорционален его концентрации и не зависит от состава газовой среды. Стенд использовался для анализа многокомпонентных газовых сред природного и техногенного происхождения. Регистрация спектров СКР осуществлялась при мощности лазера 500 мВт и длительности экспозиции 1000 секунд.

На представленном рисунке центральную часть спектра (~1300–1900 см-1) занимает колебательная полоса молекулы метана CH4, имеющая сложную структуру. Молекуле метана также принадлежит и колебательная полоса с частотой 2568 см-1. В области малых комбинационных частот расположены колебательные полосы более тяжелых углеводородных компонентов природного газа: этана (C2H6), пропана (C3H8), н-бутана (n-C4H10) и изо-бутана (iso-C4H10) с частотами, соответственно, 993 см-1, 870 см-1, 827 см-1 и 794 см-1. В спектре СКР природного газа видны также колебательные полосы углекислого газа (1285 см-1 и 1388 см-1) и азота (2331 см-1). Несмотря на сложный вид спектра СКР природного газа, полосы его отдельных компонентов вполне выделяемы и пригодны для газоанализа. Исходя из содержания тяжелых углеводородов в данном природном газе (этан – 3,49 %, пропан – 1,41 %, н-бутан – 0,37 % и изо-бутан – 0,32 %), полученного с помощью газового хроматографа, и наблюдаемого спектра СКР, можно утверждать, что данный СКР-стенд позволяет легко контролировать все молекулярные компоненты природного газа, содержание которых превышает 0,01–0,1 %.

Отбор пробы природного газа осуществлен на газораспределительной станции Томского нефтехимического комбината 29.04.2011 г. Процентный состав газа определен с помощью хроматографа Кристалл-2000М в испытательной лаборатории природного газа ООО "Газпром трансгаз Томск".

СКР-газоанализаторы могут быть использованы:

  • на предприятиях Газпрома для контроля компонентного состава природного газа в системах газодобычи, транспортировки и подготовки к использованию;
  • на коксохимических и доменных производствах для контроля компонентного состава коксового и доменного газов;
  • в организациях Санэпиднадзора и МЧС РФ для контроля выбросов в атмосферу загрязняющих и токсичных газов от промпредприятий (ТЭЦ, металлургических производств, химкомбинатов и т.п.).

 

9. Исследование структуры популяций кедра сибирского на южной границе равнинной части ареала в Западной Сибири выявило неудовлетворительное состояние репродуктивной сферы маргинальных популяций, свидетельствующее о нестабильности  современной южной границы ареала и ее неизбежном смещении на север при сохранении современных климатических тенденций. (Проект VI.44.2.6).


По направлению с севера на юг эффективность половой репродукции существенно снижается, причем, популяции четко дифференцированы на три группы: (1) расположенные в пределах массивной части ареала, (2) на его границе и (3) изолированные островные популяции в лесостепи (рис. а). По частотам аллозимных локусов положение популяций в плоскости главных компонент (рис.  б) зависит, главным образом, от их «маргинальности» (положения относительно границы ареала). Вторым по значимости фактором являются лесорастительные условия. Генотипические различия между разнотравными и мшистыми типами леса отражают условия формирования популяций и их адаптивную стратегию.

 

10. Создана основа вычислительного ядра, обеспечивающего базовые операции с файлами данных и интерфейсы для вычислительных модулей. (Проект IV.31.2.7).

Вычислительное ядро системы реализуется на языке ITTVIS Interactive Data Language (IDL) v. 7.0 с использованием объектно-ориентированного подхода, что обеспечивает гибкую и легко расширяемую систему, поддерживающую развитие функциональных возможностей с помощью дополнительных модулей. Разработанный базовый набор низкоуровневых модулей обеспечивает работу с геофизическими данными и визуализацию результатов обработки. В частности, были реализованы модули доступа к данным высокого разрешения, полученным с помощью модели WRF (рис.) и к данным наблюдений для Сибирского региона.


Среднесуточная температура на высоте 2м для 02.02.1999 г. Восстановлена с помощью модели WRF на основе глобального Реанализа ECAMWF ERA-40 с разрешением 20 км.
 

11.01.2019

Начинается приём заявлений на
III квартал на отдых в санаториях РАН
Подробнее




 

Телефон: (3822) 492265. Факс: (3822) 491950.

Россия, 634055, г. Томск, пр. Академический, 10 / 3.