ГЛАВНАЯ   ОБЪЯВЛЕНИЯ

Важнейшие результаты фундаментальных и прикладных исследований ИМКЭС за 2013 год

1. По результатам анализа данных наблюдений на метеорологических станциях на азиатской территории России показано, что процесс потепления в период 1982-2012 гг. протекает менее интенсивно, чем в период 1975-2005 гг., при этом сохраняется повышение среднегодовой температуры приземного воздуха. Большую роль в уменьшении темпов роста температуры играют зимние месяцы, в которые происходит смена процесса потепления процессом похолодания, сопровождаемая изменением атмосферной  циркуляции. С начала XXI века доля изменчивости меридиональной циркуляции в изменчивости поля давления увеличилась до 50% и в изменчивости поля температуры до 15% (проект VIII.77.1.1).

a)

a)

б)

б)

Характеристики изменения февральской температуры  (ºС/10лет) на АТР:
а) за период 1975–2005 гг.; б) за период 1982–2012 гг.

      На поясняющем рисунке для февраля приведены пространственные распределения коэффициентов линейных трендов приземной температуры воздуха ( ) за временной интервал 1975-2005 гг. (а) и 1982-2012 гг. (б). Приведенные карты иллюстрируют смещение величин трендов в отрицательную область в диапазоне от 60о до 70о с.ш., а для Западной Сибири от 50о до 70о с.ш.
      Для АТР в среднем за год, как и для большей части регионов, характерно замедление темпов потепления, что может быть связано с увеличением температуры в высоких широтах, которое приводит к изменению атмосферной циркуляции за счет изменения направления барического градиента.
     Ускоренное потепление в Арктике, уменьшая меридиональный градиент температуры, приводит к снижению интенсивности зональной и усилению меридиональной циркуляции в средних широтах.

 

2. На основе результатов численного моделирования вулканогенного нагрева тропической стратосферы с помощью спектральной модели ОЦА промежуточной сложности установлено, что приповерхностная температура атмосферы для сентября в регионах Арктики, усредненная за 10 лет после выключения нагрева, характеризуется появлением очагов тепла в арктическом регионе, совпадающих с зонами максимальных потерь ледового покрова Северного Ледовитого океана (проект VIII.77.1.2).

a)a)

б)

б)

Результаты численного эксперимента: поле разностей температур у поверхности Земли для сентября в регионах Северного Ледовитого океана, усредненных за 10 лет после выключения нагрева в тропической стратосфере (а) и космического мониторинга минимальных границ ледовых полей в Северном Ледовитом океане с 1979 по 2007 гг. (б).

      Численный эксперимент на чувствительность проводился с использованием спектральной МОЦА промежуточной сложности (Hoskins B.J., Simmons A.J.) для анализа возмущающего влияния температурных контрастов в стратосфере Северного полушария на климатические изменения в арктических регионах.  Возмущение стратосферы осуществлялось путем дополнительного нагрева в течении первых 8 лет при разгоне модели на 2°С на высоте 21 км в поясе широт 20-23° с.ш., спектральное разрешение модели по горизонтали Т42 (2,81°х2,81° по широте и долготе), по вертикали 32 уровня, анализ результатов осуществлялся за десяти летний период после выключения нагрева. На рис. 2.а приведен один из результатов численного эксперимента: поле средних за 10 лет разностей температур у поверхности Земли для середины сентября в регионах Северного Ледовитого океана. Темные цвета характеризуют очаги потепления, а светлые – похолодания. Видно, что языки очагов тепла обеспечивают прогрев моря Бофорта, Восточно-Сибирского и Баренцева морей. На рисунке 2.б показаны результаты космического мониторинга минимальных границ ледовых полей в Северном Ледовитом океане с 1979 по 2007 гг. Наблюдаемые потери ледового покрова в Восточно-Сибирском и Чукотском морях и море Бофорта, скорее всего, связаны с появлением очагов тепла на п-овах Чукотка и Аляска, возникающих как результат вулканогенного разогрева тропической стратосферы.  Из сравнения рисунков 3а и 3б также следует, что наблюдается полное соответствие в расположении очагов похолодания в районах о-вов Гренландия и Канадского Арктического архипелага, и п-ова Таймыр.

 

 3. Результаты многолетних экосистемных исследований показали, что территории, примыкающие к водораздельным болотам и дренированные приречные пространства, в разной степени фрагментированные болотами первичных понижений, являются особыми, динамично развивающимися природными системами (лесоболотными экотонами). Установлены закономерные количественные связи гидрологических, почвенных и растительных компонентов в экотонах и  выявлена определяющая роль гидрологического режима как главного системообразующего фактора, определяющего развитие природных процессов в направлении прогрессирующего заболачивании. Полученные закономерности являются необходимыми для оценки влияния климатических изменений на процессы развития заболоченных ландшафтов Западной Сибири  (проект VIII.77.1.3).

      Структура экотонов каждого из изолированных понижений отражает схему функциональных связей компонентов, обеспечивающих целостность системы и ее устойчивость. Элементами лесоболотного экотона служат его блоки, сменяющиеся в пространстве - от фоновых сообщества до сообществ с доминирующими болотными видами. Лесоболотные экотоны существуют за счет главного системообразующего фактора, обеспечивающего устойчивый механизм её самовоспроизводства - режима увлажнения. Взаимосвязь фильтрационных способности почво-грунтов, морфологии западин, размеров ее водосборной площади, мощности органогенных горизонтов определяет закономерности функционирование западинных комплексов и устойчивость процессов гидроморфной трансформации ландшафта. На основе рассчитанных параметров ландшафтных условий и водно-физических свойств почв проведен анализ связи гидрологического, почвенного и растительного компонентов экотонных систем.

Связь гидрологического, почвенного и растительного компонентов заболоченных ландшафтов юга таежной зоны.

 Связь гидрологического, почвенного и растительного компонентов заболоченных ландшафтов юга таежной зоны.

Соответствие фитоценозов ступеням увлажнения: 90 - ивняк сабельниковый; 88 - березняк осоково-сфагновый; 86-85 - ивняк мертвопокровный; 82-83 - березняк хвощевый; 80-81 - рослый рям; 78-79 - черемуховый папоротниковый, березняк хвощево-осоковый; 76 - березняк осоково-вейниковый; 74 - черемуховый мертвопокровный; 68 - осиново-березовый разнотравный.

 Параметр ландшафтных условий (n) учитывает гидравлические условия стока и отражает способность деятельного слоя почв сбрасывать избыточную влагу под действием сил гравитации. Параметр водно-физических свойств (r) - характеризует интегральную способность почв подводить влагу к испаряющей поверхности и расходовать её на испарение.  Ступени увлажнения  - по  структуре фитоценоза.

 

4. На основе геоинформационного анализа данных полевых геоморфологических исследований, материалов дистанционного зондирования высокого разрешения и весенних снегомерных съемок  выявлены очаги лавинообразования в пределах горно-ледниковых бассейнов Алтая и составлены карты распределения снежного покрова и лавиноопасных склонов массива Биш-Иирду (проект VIII.77.1.4).

Фрагмент карты лавиноопасных склонов (показаны красным) массива Биш-Иирду

 Фрагмент карты лавиноопасных склонов (показаны красным) массива Биш-Иирду

      Карты лавинных очагов и лавиноопасных склонов необходимы для оценки долевой роли климатических и геоморфологических факторов лавинообразования, а также для планирования туризма в Горном Алтае, выделенном Правительством РФ как особая экономическая зона рекреационно-туристического типа.

 

5. По результатам синхронных наблюдений в приземном слое метеорологических и электрических характеристик при сильном задымлении от удаленных лесных пожаров (Томск, лето 2012 г.) впервые обнаружен эффект суточных колебаний напряженности электрического поля амплитудой от 300 В/м днем до -300 В/м ночью. Обнаруженный эффект является значимым для моделирования и прогнозирования погодообразующих и вегетационных процессов при лесных пожарах (проект VIII.77.1.1).

Временные вариации напряженности электрического поля E и метеорологической дальности видимости Sm, абсолютной влажности q и плотности p.

Временные вариации напряженности электрического поля E и метеорологической дальности видимости Sm, абсолютной влажности q и плотности p.

      На поясняющем рисунке приведены примеры временных вариаций напряженности электрического поля E и метеорологической дальности видимости Sm в отсутствие задымления (Sm ~ 20 км, левая панель) и при сильном задымлении (Sm < 1 км, средняя панель), а также абсолютной влажности q  и плотности воздуха p при сильном задымлении (правая панель). Стрелками указано время восхода (захода) Солнца. Из рисунка видно, что в отсутствие задымления наблюдаемые вариации напряженности поля E относительно невелики, а величина E остается круглосуточно положительной. При сильном задымлении амплитуда вариаций E возрастает, а величина E в ночное время становится отрицательной.
      Взаимосвязь суточных вариаций напряженности электрического поля с наблюдаемыми вариациями метеорологических величин допускает следующую интерпретацию обнаруженного эффекта. После полудня с уменьшением инсоляции в однородной воздушной массе начинает падать температура Ta и одновременно начинается рост абсолютной влажности q и плотности воздуха p при практически неизменном атмосферном давлении Pa. Падение Ta и рост p продолжаются вплоть до восхода Солнца. Вместе с тем, увеличение плотности паров воды q продолжается только до захода Солнца. После захода Солнца начинается падение q, продолжающееся до восхода. В этот же промежуток времени происходит уменьшение электропроводности (числа легких ионов).
      После захода Солнца при температуре атмосферы, близкой к температуре точки росы, частицы дымового аэрозоля приземного слоя начинают аккумулировать на себя водяной пар. Одновременно, при взаимодействии легких ионов обеих полярностей с аэрозольными частицами более крупные из них становятся заряженными отрицательно и, вследствие оседания под действием силы тяжести, формируют вблизи поверхности отрицательный объемный заряд. Именно этот слой частиц с отрицательным объемным зарядом и приводит к инверсии направления напряженности поля ночью (E(t) < 0).
      После восхода Солнца начинается нарастание как плотности паров воды, так и электропроводности. Под воздействием конвективных потоков воздуха, выносящих частицы дымового аэрозоля вверх, и ускоренном обезвоживании этих частиц сформировавшийся ночью вблизи поверхности  отрицательно заряженный слой разрушается.

 

6. По результатам многолетних полевых исследований на молодых моренах Горного Алтая с разным мезоклиматом установлены закономерные связи сукцессионных процессов (хронологических последовательностей развития) с климатическими условиями. На моренах Северо-Чуйского хребта растительные сообщества развиваются от пионерных – к современным  предшественникам лесного, лесотундрового и тундрового сообществ, а на моренах Южно-Чуйского хребта – к высокогорно-степным сообществам.
Полученные закономерности являются перспективной эмпирической основой для моделирования взаимосвязи климатических и сукцессионных процессов (проект VIII.77.1.3).

      Многолетние исследования развития растительного покрова на молодых моренах двух хребтов Алтая, различающихся своим макроклиматом: криогемигумидным на Северо-Чуйском и криоаридным на Южно-Чуйском, в современную регрессивную фазу малого ледникового периода, позволили выявить 4 варианта хронологических последовательностей (рис.).

Схема сукцессионных процессов в криогемигумидном (Северо-Чуйский хребет) и криоаридном макроклимате (Южно-Чуйский хребет)

Схема сукцессионных процессов в криогемигумидном (Северо-Чуйский хребет) и криоаридном макроклимате (Южно-Чуйский хребет)

      На Северо-Чуйском хребте, в зависимости от мезоклимата: выявлены три варианта хронорядов, которые начинаются сходными во всех условиях пионерными группировками растений и заканчиваются  современными предшестниками лесного, лесотундрового, горно-тундрового сообщества. В криоаридном макроклимате Южно-Чуйского хребта в условиях высокогорно-степного мезоклимата сукцессия заканчивается формированием детерминированных макро- и мезоклиматом первичных растительных сообществ. На примере морен ледника Малый Актру установлено, что по мере увеличения возраста моренных отложений растет проективное покрытие растительности и снижается активное богатство почв.

 

7. На основе нового методологического подхода к рассмотрению самоорганизации геосистем как к самопроизвольно протекающему процессу кооперации элементов с образованием структур, способных к самосохранению, получено общее логистическое уравнение для динамики геосистем с насыщением (с предельным циклом).  Решение этого уравнения для динамики затопления поймы реки с резко выраженным паводочным режимом  (иллюстрация расчетов для р. Амур показана на рис. 7) согласуется с результатами наблюдений в пределах точности наблюдений (проект VIII.77.1.4).

Расчеты для р. Амур

 Расчеты для р. Амур

  

 

8. Накоплен годовой ряд непрерывных наблюдений высотных профилей температуры в нижнем километровом слое атмосферы с высоким пространственным и временным разрешением с помощью аттестованного профилемера МТР-5, а также ряды приземных значений скорости и направления ветра, давления, температуры, турбулентных характеристик, влажности и интенсивности осадков в аэропорту Богашево. Установлено, что в условиях аномального холода, наблюдаемого в Томске в декабре 2012 г., модель высокого разрешения TSU-NM3 с использованием данных модели Гидрометцентра РФ ПЛАВ позволяет более точно воспроизвести измеренные профили температуры в сравнении с известной моделью WRF (проект VIII.77.1.2).

a)

 a)

б)

 б)

в) г)

00:00                                             02:00 

в)                                                     г)

Суточные вариации высотного профиля температуры (а) и приземных значений метеопараметров (б) в аэропорту Богашёво, г. Томск, во время сильного похолодания 13.12.2012 г. Вертикальный профиль температуры для 00:00 (в) и 02:00 (г) часов местного времени: синяя линяя – измеренные значения, красная – расчет по модели TSU-NM3, розовая – расчет по модели WRF.

      На рисунке а, б представлены суточные вариации высотного профиля температуры и приземных значений метеопараметров, полученные в аэропорту Богашёво, г. Томск, 13.12.2012 г. В это время было установлено, что наблюдалась исключительно устойчивая погода с аномально низкой температурой воздуха, которая привела к интенсивной и мощной инверсии и наличию изотермий.  Такая ситуация, способствовала сильному загрязнению атмосферы, наблюдалась дымка и туман с видимостью, которая что значительно ниже допускаемого минимума для аэропорта г. Томска, а интенсивная и мощная инверсия могла привести к изменению условий пилотирования и усложнить взлет и посадку самолетов.
      Прогностические расчеты были проведены на рассмотренные даты по двум мезомасштабным метеорологическим моделям высокого разрешения: моделиTSU-NM3и модели WeatherResearch&Forecasting (WRF).  При расчетах характеристик атмосферного пограничного слоя использовались результаты оперативного численного прогноза, полученные на основе глобальной модели Гидрометцентра РФ ПЛАВ. Показано, что в условиях аномального похолодания в Томске в декабре 2012 г. модель высокого разрешения TSU-NM3 позволяет более точно воспроизвести экспериментально наблюдаемые профили температуры, чем модель WRF (рис. в, г).

 

 9.  На основе опыта, полученного при создании информационно-вычислительной платформы «Климат» (http://climate.scert.ru/), разработана архитектура геопортала локальной инфраструктуры пространственных данных для поддержки исследований климатических изменений в Сибири, предоставляющего сервисы эффективного поиска, доступа, а также вычислительной обработки и картографической визуализации больших архивов пространственно-привязанных данных (проект VIII.80.2.1).

Архитектура локальной инфраструктуры пространственных данных

 Архитектура локальной инфраструктуры пространственных данных

      Общая схема геопортала локальной инфраструктуры пространственных данных состоит из трех основных слоев (рис.):
      1. Слой данных и низкоуровневых процедур их обработки, предоставляющий соответствующие картографические сервисы обработки и визуализации.
      2. Слой промежуточного программного обеспечения в виде веб-портала, включая центральный каталог метаданных и серверные веб-приложения.
      3. Слой клиентских Веб-ГИС приложений, отвечающий за ГИС-функциональность, доступную конечному пользователю.
      Красной рамкой на Рис.  из общей архитектуры выделен подобранный базовый набор программного инструментария, обеспечивающий быструю разработку тематических Веб-ГИС приложений в области климато-экологического мониторинга. В него входит вычислительное ядро, набор управляющих PHP-контроллеров в рамках веб-портала, продукт Geoserver (http://geoserver.org/) и JavaScript-библиотеки для создания типовых элементов графического интерфейса Веб-ГИС приложений на базе продуктов OpenLayers, GeoExt и ExtJS.
      Ряд компонент информационно-вычислительной платформы «Климат», обеспечивающей обработку и анализ больших наборов геофизических данных, а также предоставление программной интернет-площадки для обучения студентов и аспирантов в области климатологии и метеорологии входит в состав геопортала в качестве специализированного программного инструментария.

  

 10.  Создан экспериментальный образец оптико-электронного двухканального измерителя атмосферных осадков на основе теневого метода, предназначенный для определения в непрерывном режиме их интегральных и структурных характеристик (количество и интенсивность осадков, распределение по размерам и скоростям падения). Предельная чувствительность по количеству измеряемых осадков составляет 2•10-5 мм. В приборе устранено влияние ветрового недоучета, свойственное ведру Третьякова. Измеритель может работать в автономном режиме с выдачей информации на компьютер, а также в составе метеокомплекса АМК-03. Патент РФ № 119898. (проект VIII.80.2.2.).

а) б)

а)                                                                         б)

Оптико-электронный двухканальный измеритель атмосферных осадков:
а – принцип действия; б – внешний вид

      Измеритель предназначен для использования как в составе автоматических метеорологических постов для рутинных измерений параметров осадков, так и в научных исследованиях особенностей распространения оптического и коротковолнового электромагнитного излучения в приземной атмосфере в условиях осадков, в исследовательских задачах по агрометеорологии и т.п.

 

11. Разработана модификация высокочувствительного лабораторного СКР-спектрометра предназначенного для анализа компонентного состава газовых сред. Для обеспечения высокой интенсивности сигналов спонтанного комбинационного рассеяния (СКР) был использован эффект увеличения давления анализируемой газовой среды, обеспечиваемый специальным устройством механического сжатия (до 50 атм). Благодаря этому, стало возможным детектирование любых молекулярных компонентов атмосферного воздуха с концентрацией более 1 ppm  (проект VIII.80.1.2).

Зарегистрированный спектр СКР атмосферного воздуха лаборатории, полученный при давлении газовой смеси 50 атм (наблюдается концентрация метана 1,5 ppm с превышением над уровнем аппаратурных шумов, равным 5)

Зарегистрированный спектр СКР атмосферного воздуха лаборатории, полученный при давлении газовой смеси 50 атм (наблюдается концентрация метана 1,5 ppm с превышением над уровнем аппаратурных шумов, равным 5)

 

12. Создана технология выращивания легированных нелинейных кристаллов GaSe рекордно высокого оптического качества, позволяющая управлять физическими свойствами на стадии технологических процессов выращивания (МИП СО РАН № 46).

      В частности, впервые показана возможность увеличения показателя преломления для волн обыкновенной поляризации (no) и двулучепреломления (B) нелинейных кристаллов в терагерцовом (ТГц) диапазоне спектра путем управления спектральным положением области аномальной дисперсии плазмонов. Контроль ее положения путем легирования алюминием позволил увеличить no кристаллов GaSe с 3,25 до 3,45, а B с 0,8 до 1,0 в спектральной области 0,3-2,5 ТГц. Путем дополнительного легирования кислородом значение двулучепреломления увеличено до неординарной величины 1,2 для поляризационной оптики ТГц диапазона. Установленный оптимальный уровень легирования позволил в 2-3 раза уменьшить уровень оптических потерь, в 4-5 раз увеличить лучевую стойкость и до 15 раз эффективность преобразования частот в кристаллах GaSe в пределах среднего ИК диапазона и в полтора раза в ТГц диапазоне, с достижением выходных энергетических параметров на уровне мировых. Достижение открывает возможность создания эффективных приборов дистанционного бесконтактного контроля объектов живой и неживой природы.

рис.

  

13. Показана непротиворечивость и эффективность анализа природно-климатических процессов путем введения существенных признаков согласованного поведения и декомпозиции данных измерений на составляющие с совпадающими (CS) и несовпадающими (NS) существенными признаками.
Непротиворечивость следует из обнаруженного соответствия сезонного температурного цикла изменениям зон, формируемых CS-составляющими и NS-составляющими, введенными для температурных рядов, измеренных на 249 метеостанциях России и Европы с 1955 по 2010 год
Введение CS- и NS-составляющих для совместного анализа ряда чисел Вольфа и TRW-хронологий сосен, растущих в условиях оптимума на юге Томской области, оказалось эффективным, поскольку позволило обнаружить и оценить возрастание согласованной реакции деревьев в ходе вегетации на увеличение солнечной активности с 1955 по 2005 г. в 16 случаях из 23 (рис.14). Для анализа использовались 23 пробные площадки, 264 дерева, 408 TRW-хронологий, 23 локальные хронологии (МИП СО РАН № 70).

      Это новое явление аналогично известному «затягиванию» в радиофизике и подтверждает наличие проявлений вынуждающего воздействия солнца в инициируемых им природно-климатических процессах.

рис.

 

 рис.

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.