Тип публикации: отчёт о НИР
Год издания: 2023
Ключевые слова: Проблема дивергенции, математическая биология, нелинейный отклик деревьев, клеточная структура колец, функционирование камбия, климатические тренды, арктическое затемнение, аэрозольное загрязнение, имитационная модель Ваганова-Шашкина, VS-Lite модель, широтный перенос воздушных масс, бореальная зона, северное полушарие
Аннотация: Фактически выполненные работы в 2023 году Проведены 4 экспедиции по сбору нового дендрохронологического материала для трех видов хвойных,для 11 новых участков на территории Красноярского края и Чукотского автономного округа. За период с 1950 по 2021 гг. 60% материалов было подвергнуто камеральной обработке с получением кросс-датироПоказать полностьюванных дендрохронологических измерений по ширине годичного кольца, а также клеточных измерений. Выбраны 488 из 3225 древесно-кольцевых хронологий (ДКХ), для которых выявлена статистически значимая бутстрап корреляция с температурными изменениями. Обнаруженные корреляции с климатическими данными CRU TS подчеркнули важность выбранных ДКХ для дальнейшего исследования влияния арктического затемнения на рост температуро-чувствительных деревьев. На основе кластерного и корреляционного анализов была проведена классификация отобранных ДХК для территории Евразии с целью выделения регионов, объединяющих хронологии с однородной чувствительностью к изменениям климата. В результате было выявлено 6 пространственно-однородных климатических региона. Построены карты отклика древесных растений на динамику ведущего климатического фактора – летней температуры, лимитирующего рост древесных растений для территории субарктической и арктической Евразии. Корреляционный бутстрап-анализ позволил выявлять робастные взаимосвязи между изменениями в древесных кольцах и климатическими параметрами. Смоделированы приросты древесных растений для отобранных тест-полигонов для территории Евразии при помощи модифицированной версии VS-модели и VS-lite c учетом эффекта затемнения и без с использованием высокопроизводительного вычислительного кластера Сибирского федерального университета. Более того, спрогнозированы пространственно-временные отклики древесных растений на изменение климатических условий с учетом эффекта затемнения. Для тестирования алгоритма (модели) использовались данные с выбранных документированной историей событий для конкретного местообитания. Проведен обзор статей по глобальному атмосферно-циркуляционному моделированию. На основе материала проведен первичный анализ вклада суммарных аэрозольных выбросов в Северном Полушарии в арктическое затемнение, определены циркуляционные модели (CMIP5), способные оценивать динамику аэрозольных составляющих для заданных территорий. Для построения количественных моделей температурных реконструкции высокого разрешения на основе клеточных измерений были разработаны следующие алгоритмы: алгоритм двухэтапного последовательного сглаживания температурных данных; алгоритм редуцирования трахеидограм до первых P сглаженных компонент; алгоритм поэлементной кросс-валидации сглаженных данных (RLOO CV) (https://github.com/mikewellmeansme/dendroclimatic-reconstructor/). В платформу проекта VS-GENN (http://vs-genn.ru/) интегрированы алгоритмы двух новых моделей камбиальной активности, опубликованных в 2023 году. Полученные результаты в 2023 году. (1) Получено 6 новых календарно-датированных ДКХ для территории Красноярского края. (2) Сравнительный анализ региональных ДХК для территории севера Евразии позволил получить следующие результаты: - Выявлена мозаическая региональная структура, которая отображает 4 региона с явным проявлением эффектов дивергенции и 2 региона - без данного эффекта. - Низкочастотная солнечная иррадиация является значимым фактором, оказывающим влияние на региональные хронологии, особенно в условиях северных широт. Для регионов, где эффекты «затемнения» значимые, оцененная низкочастотная солнечная иррадиация объясняет от 20 до 40% изменчивости в приросте древесных растений на периоде с 1960 (1970) по н.в. - Регионы с низкой освещенностью проявляют более выраженные изменения в динамике роста древесных растений, обусловленные ярко выраженным нелинейным трендом депрессии роста древесных растений. - Не учет этого фактора изменения освещенности при моделировании роста деревьев приводит к существенному ухудшению модельных результатов. (3) В результате применения VS-Lite модели с эффектами «затемнения» и без с для территории Евразии были получены по два набора оптимальных параметров модели для каждого ДХК со 123 дендрохронологических участков, попавших в 6 анализируемых регионов. Каждый из наборов параметров соответствовал 2 сценариям: с учетом эффекта «арктического затемнения» и без. Результаты по моделированию отдельных ДХК для каждого из 6 регионов были сопоставлены с моделированием на основе прямых региональных ДКХ. Для всех регионов была обнаружена сходимость параметров модели, подобранных для каждой ДХК, к параметрам модели, полученным для региональной ДКХ, что еще раз подтвердило правильность проведенной регионализации. (4) По данным пространственного VS-моделирования фенологии камбия было показано, что начала сезона роста смещается на более ранние сроки, по направлению с Севера на Юг широтного трансекта. Кроме того, у хвойных деревьев, подвергшихся температурному лимитированию, наблюдалась выраженная тенденция к раннему началу сезона роста, что положительно связано с продукцией клеток в течение вегетационного периода и, как следствие, с шириной годичных колец. Выявлено возрастание роли условий увлажнения в лимитировании прироста деревьев в условиях вечной мерзлоты. (5) Обновленная версия VS-oscilloscope сосредоточена на повышении точности измерений и улучшении интерактивности в работе с данными. В свою очередь, приложение VS-Cambium-Developer получило обновление с улучшенными инструментами для разработки, что делает его еще более привлекательным для исследователей, работающих с древесными структурами. Новые функции позволяют более эффективно реализовывать и тестировать алгоритмы в области дендроанатомии и дендроклиматологии. Разработан унифицированный интерфейс для существующих и будущих алгоритмов по оценке камбиальной активности. Разработанный интерфейс интегрирован в информационную платформу VS-GENN на основе технологии R-Shiny и консольных приложений. (6) Было показано, что новая ингибиторная модель камбиальной активности VS-Cambium-Developer точно моделирует производство клеток деревьев Larix sibirica за 49-летний период. Результаты подчеркивают эффективность разработанной модели, что имеет решающее значение для прогнозирования потенциального воздействия изменения условий окружающей среды на рост деревьев в будущем. В новой версии модели скорость роста каждой клетки рассчитывается в автоматическом режиме и зависит только от концентрации ингибитора в клетке и внешнего воздействия климатических факторов, что сокращает время, необходимое для моделирования. Автоматическая настройка производится только для одного параметра, определяющего запас ингибитора в инициали в начале вегетационного периода. Разработанная модель постепенно переходит от процессной модели к модели, частично учитывающей основные механизмы, регулирующие активность камбия и образование новых клеток ксилемы. (7) На основе метода "мгновенных трахеидограмм" был разработан блок моделирования радиального размера клеток Larix gmelinii Rupr. (Rupr.) в зоне вечной мерзлоты в Сибири. Выявлены высокие корреляции между смоделированными скоростями роста клеток в фазе растяжения и измеренными радиальными размерами трахеид. Таким образом, была разработана эффективная методика оценки сроков радиального растяжения клеток и их размеров. (8) Выявлено, что наблюдающиеся в последние время глобальный фенологический сдвиг в камбиальной активности на более ранние весенние даты (потепление климата), который ведет к увеличению сезона роста, не приводит к существенному увеличению продуктивности древесных растений (сезонная продукция клеток), особенно произрастающих в арктических и субарктических областях. Причина может быть связана с эффектами арктического "затемнения" и его отрицательному влиянию на продуктивность древесных растений в высоких широтах (проблема дивергенции). В 2023 году по результатам исследования было опубликовано 6 статей в изданиях Q1 WoS и Scopus.