IMCES - Важнейшие результаты фундаментальных и прикладных исследований ИМКЭС за 2012 год

Важнейшие результаты фундаментальных и прикладных исследований ИМКЭС за 2012 год

1. На территории Западной Сибири в зимние месяцы начала 21-го века тренды среднемесячных приземных температур изменились от положительных (потепление) к отрицательным (похолодание). Положительные тренды давления указывают на усиление процессов блокирования теплых юго-западных воздушных масс (проект VII.63.1.1).

Среднемесячная температура в феврале

Среднемесячная температура в феврале

Среднемесячное давление в феврале

Среднемесячное давление в феврале

На поясняющем рисунке приведен межгодовой ход температуры приземного воздуха T (слева) и давления P (справа) в феврале для территории Западной Сибири за период 1975-2011 гг.

Данные сглажены с применением фильтра низких частот, рассчитанного по основным информационно-обеспеченным частотам, определенных по спектру Фурье. Начало XXI века характеризуется уменьшением температуры приземного воздуха и ростом давления. Для декабря и января наблюдается подобное поведение.

2. На основе расширенной сети ОНЧ мониторинга оптимизирована и передана в производство технология оперативного предупреждения об опасных оползневых процессах.

рис.

На рисунке приведен пример показаний реперной станции и станции, установленной на участке оползня (красные и черные кривые вверху). Синим цветом обозначено показание деформации датчика, установленного на газопроводе (на рисунке внизу). В случае появления подобных аномалий транспортировка газа с нитки газопровода, вблизи которой наблюдалась аномалия, переводилась на резервную линию. Как правило, развитие опасной ситуации обнаруживалось по электромагнитным шумам Земли раньше срабатывания других датчиков контроля (в данном эксперименте на 4 дня).
Применение системы разнесенных в пространстве станций ОНЧ мониторинга обеспечило получение хорошо воспроизводимых результатов, отражающих активность геодинамических склоновых процессов с высокой достоверностью, а также выявление в структуре склона зон повышенной и пониженной активности оползневых процессов, зон растяжения и относительного сжатия, пространственную ориентацию напряжений. Это позволяет оперативно принимать инженерно-технические решения для безаварийной эксплуатации газотранспортных сооружений.

3. Обнаружен эффект суточных инверсий напряженности электрического поля в приземном слое атмосферы с колебаниями от 300 В/м (днем) до -300 В/м (ночью) во время удаленных лесных пожаров 2012 года. Подобный эффект, влияющий на аэрозолеобразующие и вегетационные процессы, выявлен также для лесных пожаров в 2004 г. (проект VII.63.1.1).

На поясняющем рисунке приведены временные вариации напряженности поля E (верхняя часть рисунка) и коэффициента рассеяния (нефелометрические данные, нижняя часть рисунка) во время мощных удаленных лесных пожаров. Данные сглажены часовым фильтром. Из рисунка видно, что в период максимального задымления (24-26 июля 2012 года) в ночные часы происходит инверсия направления электрического поля, в дневные часы инверсия разрушается конвективными движениями воздуха в приземном слое.
Вариации электрических параметров атмосферы получены в ИМКЭС СО РАН, величины коэффициента рассеяния – в ИОА СО РАН.

4. Разработана и апробирована методика комплексной прогнозной оценки степени устойчивости плотин подпрудных приледниковых озер. Основу методики прогноза составляет анализ результатов аэрокосмосъемки, электрического и GPR зондирования, автоматического гидрометрического контроля физического состояния слагающих плотины грунтов. (Проект VII.63.1.3).

Проведенными в 2011 г. на основе предложенной методики исследованиями были установлены быстро развивающиеся процессы разрушения плотины Маашейского приледникового озера и сделан прогноз о вероятном его спуске в течение ближайших 1-2 лет (2012-2013 г.г.). Термоэрозионное разрушение плотины и катастрофический спуск Маашейского озера произошел 17 июля 2012 г. Сформировавшимся при прорыве озера водно-каменным селем нанесен ущерб инфраструктуре Улаганского района, глубокой переработке подвергнулся рельеф в нижнем бьефе водоема.

Маашейское озеро. Июль 2011 г.

Маашейское озеро. Июль 2011 г.

Котловина Маашейского озера после
катастрофического спуска. Август 2012 г.

О высокой вероятности в 2012-2013 гг. катастрофы было своевременно предупреждено руководство поисково-спасательного отряда Актру и ОАО «Малые ГЭС Алтая».

5. Оценки по изменениям состояния кедра и лиственницы за последние полвека показали, что на нижней климатической и ландшафтной границе (1600 м) отклик на современное потепление проявился в снижении радиального прироста и возобновления, а на верхней границе (2300 м) существенного отклика не выявлено (проект VII.63.1.4).

Динамика естественного возобновления кедра и лиственницы на нижней (1)
и верхней (2) климатической и ландшафтной границах

Деревья кедра и лиственницы во второй половине XX в. как на верхней, так и на нижней климатической и ландшафтной границах, в целом слабо реагируют на изменения климатических переменных. В погодичной динамике положительные и достоверные связи прироста с температурой июня выявляются у деревьев лиственницы (+0,45-0,57 в авангардных климаксовых лесах, +0,51-0,58 в авангардных послепожарных лесах) на верхней климатической и ландшафтной границе, а также с температурой сентября у деревьев лиственницы (+0,47-0,52) и кедра (+0,41-0,59) на нижней климатической и ландшафтной границе (рис.). Положительные и достоверные связи прироста с осадками августа выявляются у деревьев лиственницы (+0,36-0,59) в авангардных послепожарных лесах на верхней границе и с осадками июня (+0,37-0,45) в авангардных лесах на нижней границе.
Таким образом, обследованные авангардные леса на верхней и нижней климатической и ландшафтной границах, имеют сложную возрастную структуру. Вся совокупность их важнейших характеристик, а именно разновозрастность древостоев, присутствие молодых генераций, обильное плодоношение деревьев и наличие жизнеспособного подроста, особенно на верхней климатической границе их распространения, свидетельствует об устойчивости данных лесов и положительных тенденциях их развития в современный период потепления климата.

6. Создан и размещен на высокопроизводительной платформе прототип веб-системы для анализа глобальных и региональных климатических изменений, включающий модульное вычислительное ядро, которое обеспечивает взаимодействие пользователя с функциональными модулями системы и представление результатов вычислений в цифровом и графическом видах (проект IV.31.2.7).

Графический интерфейс пользователя. На подложке из карты Google и снимка LandSat показаны изолинии средней годовой температуры, вычисленной на основе реанализа MERRA

      Разработана общая архитектура веб-ГИС системы для анализа глобальных и региональных климатических изменений, включающая три основные компоненты: локальный архив наборов геофизических данных; вычислительное ядра, обеспечивающее обработку и визуализацию данных; и веб-портал, основанный на оригинальном программном обеспечении. В качестве наборов данных доступных для обработки используются архивы исторических наблюдений, результаты математического моделирования (реанализы, глобальные и региональные модели), а также данные спутникового зондирования.
      Разработанный на основе JavaScript-библиотек ExtJS, GeoExt и OpenLayers разработан графический интерфейс пользователя, который решает задачу взаимодействия с конечным пользователем, обеспечения связи с функциональными модулями веб-портала, подготовки формализованного описания задач для вычислительного ядра, а также корректное представление результатов вычислений в цифровом и графическом видах с использованием современных Веб-ГИС технологий.
      Финальная версия веб-системы размещена и протестирована на высокопроизводительной платформе (Intel S5000, 2 Intel Xeon 5130, 4 Gb RAM, RAID-6 17 Tb).
      Анализ приземной температуры воздуха позволил уточнить пространственные масштабы обнаруженных ранее изменений средних годовых температур с очагами потепления верхних широтах Восточной Сибири (0,6 – 1,0 С/10 лет) и слабой тенденцией к похолоданию в ее центральной части до -0,2 С/10 лет.

7. При моделировании прекращения океанического потока тепла в северной Атлантике в модели ECHAM5 получено среднеполушарное похолодание в январе к концу XXI века на 2.7 С, что превышает по абсолютной величине наблюдаемое потепление в 1.0 С за последние 50 лет, но уступает модельным оценкам антропогенного воздействия на климат (3.7 С к концу XXI века) (проект VII.63.3.1).

Изменения приповерхностной температуры в январе в экспериментах с обнулением потока океанической конвергенции тепла в Северной Атлантике относительно контрольного эксперимента.

С учетом завышенной чувствительности моделей антропогенного воздействия к изменениям концентрации парниковых газов можно ожидать, что прекращение океанического потока тепла в северной Атлантике приведет к похолоданию в Северном полушарии в конце XXI века даже при учете антропогенного воздействия на климат.

8. Создан макет газоанализатора на основе метода спонтанного комбинационного рассеяния света, который предназначен для определения компонентного состава природного газа. По сравнению с газовой хроматографией метод СКР-спектроскопии является более оперативным и обеспечивает проведение одновременного измерения всех молекулярных газовых компонентов, концентрация которых превышает 0,01 %. Кроме того, метод СКР-спектроскопии позволяет определять концентрацию паров воды в природном газе, что является крайне важным для его транспортировки по магистральным трубопроводам (проект VII.66.1.2).

Процентное содержание и погрешности измерений различных компонентов в природном газе, полученные с помощью СКР-спектроскопии и газовой хроматографии

Компонент	СКР, %	Хроматограф, %
Метан, CH₄	92,31 ± 0,02	92,26 ± 0,15
Этан, C₂H₆	3,55 ± 0,01	3,45 ± 0,14
Пропан, C₃H₈	1,14 ± 0,01	1,26 ± 0,08
н-Бутан, n-C₄H₁₀	0,17 ± 0,01	0,224 ± 0,014
изо-Бутан, iso-C₄H₁₀	0,18 ± 0,01	0,192 ± 0,012
н-Пентан, n-C₅H₁₂	0,05 ± 0,01	0,040 ± 0,003
изо-Пентан, iso-C₅H₁₂	0,04 ± 0,01	0,047 ± 0,003
Азот, N₂	1,96 ± 0,01	1,95 ± 0,08
Углекислый газ, CO₂	0,57 ± 0,01	0,54 ± 0,03
Кислород, O₂	—	0,008 ± 0,002
Водород, H₂	—	0,004 ± 0,001
Гелий, He	—	0,018 ± 0,002
Высшие углеводороды	—	0,023 ± 0,002
Пары воды, H₂О	0,023± 0,01	–

9. Исследовано современное состояние припоселковых кедровников южно-таежного Приобья. Выявлены активно протекающие процессы трансформации лесного биоразнообразия, определяющие высокие темпы и комплексный характер деградации уникальных окультуренных лесных экосистем и связанные с интенсивным антропогенным воздействием и климатическими изменениями (проект VI.44.2.6).

Признаками негативных изменений биоразнообразия, выявленными в результате многолетних исследований в 20 кедровых урочищах Томской области, являются: ухудшение виталитетной структуры популяций кедра за счет снижения доли здоровых деревьев (рис. А); уменьшение видового разнообразия и численности подроста; повышение частоты и интенсивности вспышек размножения хвоегрызущих насекомых (рис. Б); расширение очагов агрессивных дереворазрушающих грибов и стволовых насекомых, и, как следствие, преждевременный распад древостоев, формирование несвойственного исходным насаждениям многовидового подлеска, вытеснение в травяном покрове лесных видов синантропными, смена кедра лиственными породами. Установлено, что площадь отдельных кедровых урочищ в результате санитарных рубок в нарушенных древостоях сократилась за последние 20 лет на 30-50% (рис. В, Г). Разработаны методы оперативного локального мониторинга припоселковых кедровников как особо охраняемых природных территорий, основанные на комплексной диагностике состояния экосистем, а также принципы создания припоселковых кедровников нового поколения, предусматривающие учет лесорастительных условий и оптимизацию генотипического состава популяций.

Признаки деградации в припоселковых кедровниках Томской области. А – наиболее распространенный современный тип виталитетной структуры кедра сибирского (I – здоровые деревья, II – ослабленные, III – сильно ослабленные, IV – отмирающие; V – сухостой); Б – динамика вспышек размножения рыжего соснового пилильщика и радиального прироста деревьев кедра сибирского; В – площадь санитарных рубок в Протопоповском кедровнике (светлые участки внутри массива, космоснимок, 1997 год); Г – то же, 2011 год. Красная линия – граница деградированной площади кедровника, выявленная при маршрутном обследовании 2012 года.

10. Разработан и реализован, совместно с ИОА СО РАН, оригинальный алгоритм обработки данных акустического зондирования атмосферы с учетом турбулентного ослабления звука по трассе распространения до зондируемого объема и обратно, позволяющий впервые одновременно восстанавливать вертикальные профили структурных характеристик температуры и скорости ветра и исследовать их взаимосвязь (Проект VII.63.1.2).

      В реальном масштабе времени проводится синхронная визуализизация структуры как температурной, так и ветровой турбулентности в нижнем 200-м слое атмосферы, что может быть использовано для повышения безопасности взлета и посадки самолетов.
      На факсимильной записи температурной стратификации атмосферы (рисунок а) отчетливо видна перьевая структура, характерная для условий дневной конвекции, верхняя граница которой подвержена квазипериодическим колебаниям и имеет выраженную тенденцию к увеличению высоты за период наблюдения.
      Величины поперечной (рисунок б) и продольной (рисунок в) структурных функций в м2/с2 указаны справа от рисунков. Видно, что поперечная структурная функция много меньше продольной, что указывает на сильную анизотропию атмосферных флуктуаций в продольном и поперечном направлении и сдавливании мелкомасштабной турбулентности в вертикальном направлении. Поведение продольной структурной функции также характеризует динамику высоты слоя перемешивания h.

Динамика структуры температурной и ветровой турбулентности в нижнем 200- метровом слое атмосферы в реальном масштабе времени

11. На основе морфометрического анализа рельефа с учетом оценок энергобюджета геоморфосистем составлена карта динамики современного рельефообразования с выделением опасных процессов, их скорости и пространственного распределения (Проект VII.63.1.3).

Разные цвета: синий – ледовые потоки; фиолетовый – морены; зеленый – оползневые участки; желто-зеленый – склоны выветривания; коричневый – склоны со льдом и фирном.

Карта геоморфодинамики горноледникового бассейна Актру (1:20000)

      Разработана методология количественной оценки энергетического потенциала экосистем. Суть методологии состоит в сравнительной количественной оценке двух потоков энергии, нормированных на относительно не меняющийся в течение характерного времени динамики экосистем поток энергии, поступающий от Солнца:
     - поток энергии из среды, зависящий от топологических, климатических характеристик и рельефа местности: энергия почв; энергия, накопленная в различных видах биосистем; консервированная потенциальная энергия (например, углеводородная); эндогенная потенциальная энергия, накопленная в неровностях рельефа; энергия ветра, поверхностного водного стока и пр.).
     - поток энергии усваиваемой в единицу времени и диссипируемой экосистемами (включая системы косной природы и социума).
      В результате реализации методики на примере модельной геоморфосистемы Актру (Горный Алтай) впервые для горноледникового бассейна получены оценки энергетического потенциала территории, проведен расчет прихода солнечной радиации на поверхность склонов различной крутизны и экспозиции.
      На основе топографических карт, космических снимков, материалов инженерно-геоморфологических исследований и проведенных расчетов с помощью программного ГИС обеспечения Microdem Terrabase II (V. 10.12) созданы крупномасштабные карты и осуществлено районирование данной территории по величине энергетического потенциала, радиационного баланса в зависимости от геоморфологических особенностей. Установлено, что удельный энергетический потенциал можно считать унифицированным количественным показателем, отражающим интенсивность и особенности динамики современных экзогенных процессов.