Аннотация результатов, полученных в 2014 году
Задача этого проекта – реконструкция и прогноз засух на Европейской территории России на основе дендрохронологического метода и математического моделирования климата. Мы исследуем проблему отражения засух 20-го века, в том числе волны жары, наблюдавшейся в 2010 г., в древесно-кольцевых хронологиях для обоснования надежности реконструкций засух за пределами инструментального периода наблюдений. Для этого мы построили 17 хронологий ширины колец для живых деревьев (сосна обыкновенная, ель европейская и дуб черешчатый) для центральной части ЕТР, которые прошли все необходимые тесты на контроль качества, имеют продолжительность 120 лет и более, отвечают всем необходимым международным требованиям. На основе древесины из археологических раскопок и старых строений было построено 24 плавающих хронологии, из них несколько удалось совместить с абсолютно датированными хронологиями и, таким образом, увеличить их продолжительность. Это дало возможность создать непрерывные хронологии хвойных деревьев для Калужской, Костромской, Тверской, Смоленской и Московской областей продолжительностью до трех-четырех столетий. Большинство хронологий ширины колец положительно коррелирует с индексом засушливости (PDSI) и влажностью почв (CPC), а также с осадками июля или августа, что подтверждает чувствительность этих деревьев к засухам. Однако проверка стационарности сигнала показала, что для большинства хронологий устойчивая связь с PDSI наблюдается только во второй половине 20-го века. Усиление реакции на засушливость может быть связано с потеплением и увеличением транспирации, происходящими в последние десятилетия на ЕТР. Мы выявили годы наибольших угнетений приростов сосны, дуба и ели на территории от Костромской области на севере до Воронежской – на юге и сопоставили их с известными засухами, которые были зафиксированы метеорологическими наблюдениями (до 1880 г.) и в исторических источниках (до 1730 г.). Экспертная оценка показывает, что в целом наибольшее число угнетений в хронологиях сосны и дуба за период с 2014 по 1731 гг. отмечалось в 2010-2011, 2002-2003, 1964-1965, 1956, 1921, 1897-1898, 1890-1891, 1888-1889, 1845, 1830, 1797 гг. Годы угнетений в подавляющем большинстве случаев одинаковы у дуба и сосны. Периоды угнетений с индексом засух на ЕТР (Mescherskaya, Blazhevich, 1997) мы сопоставили с отрицательными аномалиями прироста наших хронологий и установили, что для индекса засух >30% из 15 отмеченных случаев только две засухи в 2007 и 1931 гг. не находят отражения в аномалиях прироста. Из 14 хронологий сосны и дуба в 2010 гг. у семи (в Ярославской, Калужской, Тверской и Московской областях) наблюдалось угнетение приростов. В основном же угнетения отмечались в следующем, 2011 г. Это объясняется тем, что засуха главным образом пришлась на вторую половину вегетационного периода. По амплитуде угнетений аномалию ширины колец 2010 г. и 2011 г. превосходили 1964, 1956, 1939, 1936, 1921, 1897, 1891, 1845, 1797, 1787, 1767 гг. (аномалии 1845 и 1797 гг. совпадают также с данными о засухах по историческим источникам (Борисенков, Пасецкий, 2003). В четырех хронологиях прирост 2010 г. был меньше, чем в 85 проценах случаев (за 20-21 вв). Для 2011 г. таких хронологий три, для 2012 – одна. Косвенно это свидетельствует о том, что аномалия 2010 г., хотя и не выпадает из ряда природных аномалий за последние 250-300 лет, является все же очень значительной в исторической ретроспективе последних двух с половиной столетий. По данным моделирования (Dole et al., 2011) также как и по результатам нашего дендрохронологического анализа, естественные причины волны жары 2010 г. все еще находятся на верхней границе вероятностных оценок. Очевидно, что необходимо дальнейшее исследование этого феномена, в том числе и с помощью дендрохронологических методов.

Аннотация результатов, полученных в 2015 году
В 2015 г. проведен отбор образцов сосны обыкновенной, ели европейской и дуба черешчатого в Московской, Нижегородской, Рязанской, Тульской, Липецкой, Тамбовской, Курской, Калужской, Воронежской, Самарской, Пензенской, Оренбургской, Белгородской, Тверской, Ярославской областях, в Мордовии, Марий Эл и Татарстане. Заложено 43 пробные площади, измерены образцы и построены хронологии для 28 из них. Также отобраны образцы некоторых интродуцентов в Москве и Московской области. Отобраны образцы из старых строений и археологических раскопок в Москве, Ярославской, Тверской, Калужской, Курской, Костромской областях и построено 20 плавающих шкал, абсолютную датировку получили 8 из них. Проведено измерение ширины годичных колец, а также отдельно ранней и поздней древесины и оптической плотности в Пензенской и Воронежской областях, выполнено перекрестное датирование всех образцов и построены сводные хронологии и карты аномалий прироста для новых хронологий. Установлено, что наиболее чувствительным к засухам являются ширина колец и ширина поздней древесины, а к температуре - оптическая плотность кольца. Для сопоставления с дендрохронологическими данными проанализировано 311 дневников и воспоминаний 18-19 вв. и в 89 источниках обнаружены свидетельства, характеризующие широкий круг погодных и климатических явлений. Установлено визуальное сходство ширины колец сосны в Московской области с фенологическими явлениями (появление первого листа березы бородавчатой и черемухи обыкновенной, начало кукования кукушки обыкновенной), однако статистически эта связь не подтверждается. Для оценки влияния естественной изменчивости климата использованы данные реанализа и архивы метеосети Росгидромет мирового центра данных (ежедневные данные наблюдений за минимальной, средней, максимальной температурой воздуха и суточными суммами осадков, данные наблюдений среднемесячных температур и месячных сумм осадков, данные водного эквивалента снега из маршрутных снегомерных съемок, гидротермический коэффициент Селянинова, индекс SPEI (Standardized Precipitation Evapotranspiration Index), индекс суровости засухи Палмера (PDSI) с 1901 по 2012 гг. Коэффициенты линейной корреляции временных рядов прироста годичных колец сосны обыкновенной (а также интродуцентов сосны Веймутова и румелийской) и метеорологических параметров свидетельствуют о положительных связях ширины колец с показателями увлажненности. Установлено хорошее согласие индекса засушливости (Mescherskaya and Blazhevich, 1997), основанного только на среднемесячных значениях температуры и осадков, с более сложно вычисляемыми индексами PDSI, SPEI, SPI. На этой основе на ЕТР в 20-21 веке выделены основные периоды сильных засух, которые прослеживаются по всем индексам (начало 1920х гг., конец 1930х гг., 1960 г., 1970-е гг., начало 1980х гг., 1998, 2002, 2010 гг.). На основе иерархического кластерного анализа и метода главных компонент выполнена регионализация древесно-кольцевых хронологий и на территории ЕТР выделено три региона, в которых прирост сосны обыкновенной регулируется сходными климатическими условиями. Для анализа нелинейных связей между зависимой переменной и предикторами использованы Деревья Решений (Decision Tree) с применением алгоритма CHAID-анализа (Chi-square Automatic Interaction Detector, автоматический детектор взаимодействий). В результате применения алгоритма формируется древовидная структура, в основании которого находится предиктор, максимально характеризующий различия зависимой переменной. В результате применения алгоритма CHAID-анализа получены древовидные диаграммы, отражающие комбинированное влияние совокупности факторов на прирост годичных колец. С помощью нелинейной статистической модели с категориями «низкий», «высокий» и «средний» прирост, было установлено, что: • сочетание засухи в период активной вегетации текущего года и суммы температур в вегетационный период предыдущего года выше нормы привело к увеличению почти в два раза вероятности низкого прироста годовых колец; • сочетание засушливых условий (не классифицируемых как засуха) в период активной вегетации текущего года и наблюдения суммы осадков в марте текущего года ниже нормы, а также суммы осадков в июле предыдущего года существенно ниже нормы привело к увеличению в 2.3 раза вероятности низкого прироста годовых колец. При этом случаев высокого прироста годовых колец не наблюдалось; • сочетание условий переувлажнения в период активной вегетации в текущий год и наблюдения числа дней со среднесуточной температурой воздуха ниже -20 градусов С за предыдущий гидрологический год меньше нормы, привело к увеличению два раза вероятности высокого прироста годовых колец. При этом существенно снизилась вероятность низкого прироста годовых колец. • возрастает значимость связи прироста годовых колец в категории «ниже нормы» и непрерывных длительных периодов с высокой температурой воздуха. Для количественной оценки естественной изменчивости климата на риск формирования засух и определения районов Европейской территории России с наибольшим риском формирования засух был выполнен анализ ансамблевых численных экспериментов с глобальной моделью общей циркуляции атмосферы с МОЦА ECHAM5, имеющей спектральное горизонтальное разрешение Т63 (примерно 1.8°х1.8° по широте и долготе) и 31 вертикальный уровень. В каждом численном эксперименте в модели задавались поля температуры поверхности океана (ТПО) и концентрации морского льда (КМЛ, доля модельной ячейки, покрытая морским льдом), по данным объективного анализа наблюдений HadISST1.1 Центра Гадлея (Великобритания) (Rayner et al. 2003) за период 1979-2012 гг. Концентрации парниковых газов в модели постоянны для всех экспериментов и примерно соответствуют современным значениям (концентрация СО2 - 348 ppm, метана - 1.64 ppm). Среднее по ансамблю средних многолетних показателей индекса засухи может позволить определить регионы с наибольшим риском возникновения засух, зависящих от ТПО и КМЛ, а среднее по ансамблю стандартных квадратических отклонений для индивидуальных экспериментов позволяет оценить влияние естественной стохастической изменчивости атмосферы в формировании засушливых условий. Согласно модельным экспериментам, наибольшие значения среднего по ансамблю многолетних стандартных среднеквадратических отклонений изменчивости значений модифицированного индекса D отмечены на севере и на юге ЕТР, которые могут быть охарактеризованы как регионы, где оценка засушливости подвержена наибольшему влиянию естественной изменчивости климата. В средней полосе отмечается относительно низкое влияние естественной изменчивости. Для отдельных месяцев изменчивость АДК (Атлантическое долгопериодное колебание) определяет до 15% межгодовой изменчивости межгодовой изменчивости режимов засушливости. Для отдельных регионов севера Европейской территории доля определяемой АДК изменчивости засух может возрастать до 25%. Для юга ЕТР коэффициент корреляции межгодовых изменений АДК и засух близок к нулю, однако композитный анализ показывает, что и на юге общие значения индекса засушливости в целом выше в положительную фазу АДК и ниже в отрицательную фазу, что связано как с влиянием АДК на температурный режим, так и с влиянием на режим осадков. Эти результаты свидетельствуют о необходимости учета квазициклических процессов естественной изменчивости климата при прогнозе риска возникновения засух в ближайшие десятилетия. http://paleoglaciology.org/regions/EastEuropeanPlain/Droughts/ - Научные результаты по проекту http://holocene.ru/work/methods/202 - База данных исторической климатологии http://paleoglaciology.org/userfiles/file/RNF_14_17_00645_Report2015_Results.pdf - Научные результаты по проекту, PDF версия http://paleoglaciology.org/userfiles/file/RNF_14_17_00645_Report2015_Supplementary1.pdf - Приложение 1 к отчету http://paleoglaciology.org/userfiles/file/RNF_14_17_00645_Report2015_Supplementary2.pdf - Приложение 2 к отчету

Аннотация результатов, полученных в 2016 году
В 2016 г. был дополнительно произведен отбор 60 кернов дуба черешчатого на Калужских засеках, интродуцентов в Московской области, образцов архитектурной древесины в Калужской области и в Поволжье. Ширина колец измерена с точностью до 0.01 мм, проведено перекрестное датирование образцов. Проведены измерения ширины поздней и ранней древесины в хронологиях сосны в Ярославской, Воронежской и Пензенской области. Все полученные значения внесены в базу данных (http://ruda.igras.ru/, http://igras.nextgis.com/resource/56/display). Мы провели иерархический кластерный и факторный анализы для расширенного массива древесно-кольцевых хронологий (52 хронологии), в первую очередь, для того чтобы оценить устойчивость регионализации, полученной нами в 2015 г. для 14-ти древесно-кольцевых хронологий сосны. После включения новых дополнительных хронологий анализ показывает более сложную картину группирования хронологий. «Восточный» (44–52º в.д., 53–58º с.ш.) и «южный» (35–53º в.д., 50–53º с.ш.) регионы по-прежнему выглядят обособленными и находятся примерно в тех же границах, что и при первом эксперименте с 14-ю хронологиями сосны. В «Центральном» (32–42º в.д., 53–59º с.ш.) представлены хронологии двух разных кластеров, причем сюда же попало и несколько (3) площадки из южного и восточного кластеров. Установлено, что, несмотря на большую удаленность мест отбора образцов друг от друга и локальные особенности произрастания деревьев, все три региональные хронологии (для центрального, восточного и южного регионов) имеют согласованный ход и высокую взаимную корреляцию. Три хронологии, наиболее чувствительные к изменениям климата из трех кластеров были выбраны для реконструкции индексов засушливости (Воронеж, Поволжье) и летних температур (Калуга). Хронология ширины колец сосны в Воронежской области охватывает период 1741–2014 гг. и коррелирует с зимними и весенними осадками, а также с индексами засушливости, например, PDSI и SPEI_10. Согласно нашей реконструкции, наиболее засушливые годы (<−1 стандартных отклонения) наблюдались в 1793, 1826, 1833, 1835, 1891, 1893, 1895, 1897, 1898, 1912, 1921, 1928, 1929, 1930, 1932, 1933, 1934, 1935, 1936, 1938, 1939, 1940, 1942, 1943, 1946, 1947, 1949, 1950, 1952, 1954, 1957, 1964, 1973, 1975, 1984, 1985, 2013, 2014 гг. В Поволжье на основании анализа главных компонент (PCA) выделены те площадки, теснота связи между которыми оказалась наибольшей и на этой основе была построена региональная хронология по ширине годичных колец, которая отрицательно коррелирует с температурами вегетационного периода и положительно – с количеством осадков за различные месяцы текущего и предыдущего года, а также с PDSI с июня по октябрь. Хронология имеет большую обеспеченность образцами, выбирает 34% изменчивости PDSI и, по-видимому, наиболее адекватно отражает региональный климатический сигнал. Для хронологии оптической плотности в Калужской области построена региональная реконструкция температуры теплого периода. В отличие от хронологий ширины кольца, хронология плотности устойчиво положительно коррелирует со значениями среднемесячных температур практически за весь тёплый период с мая по сентябрь. При осреднении среднемесячной температуры за пять месяцев (с мая по сентябрь) связь усиливается. Обратная связь за тот же период, но с более низкими значениями коэффициентов корреляции, обнаружена для количества выпавших осадков. Значимая корреляционная связь между хронологией плотности и средней температурой мая-сентября позволила нам провести реконструкцию этого параметра. Верификация свидетельствует об адекватности используемой модели. Ряды инструментальных наблюдений на метеостанции Москва значительно превышают продолжительность рядов сеточного архива базы данных CRU TS, которые были использованы в реконструкции температуры воздуха по оптической плотности сосны в Калужской области. Ряды температуры начинаются с 1780 года, а осадков - с 1820 гг. Наличие инструментальных наблюдений такой продолжительности позволили нам оценить устойчивость климатического сигнала во времени. Анализ климатической функции отклика показал наличие положительной статистически значимой связи с температурами воздуха марта-апреля текущего года. Как и ожидалось, самые высокие значения коэффициентов корреляции и регрессии обнаружены для августа (0,42 и 0,46) и сентября (0,21 и 0,19). Значения коэффициентов корреляции оказались ниже, чем при сравнении с данными сеточного архива. Анализ климатического сигнала во времени показал, что самая устойчивая связь оптической плотности температурой Москвы наблюдается в августе. Связь ослабевает в периоды 1813-1840, 1865-1884, 1894-1931 гг. Для мая и июня обнаружена положительная статистически значимая связь в период 1918-1979 гг. Связь с температурами марта наблюдается лишь в отдельные временные интервалы второй половины 20 века, а апреля – в середине и конце 19 века. Анализ реперных годов для всех использованных нами хронологий хвойных показывает, что наиболее сильные угнетения в годы засух произошли в 1921, 1939, 1936, 1957, 2010, 1924, 1981, 1999, 1920, 1965 гг. (перечислены по мере уменьшения количества хронологий, в которых они выражены), или на следующий после засухи год в 1996, 1973, 1956, 1992, 1940, 1964, 2011 гг. Серия угнетений в 1942, 2003, 1941, 1943, 1969, 2007, 2002, 1977, 2007, 1989 гг. вообще не связана с инструментально зафиксированными засухами. Из-за изменения числа имеющихся хронологий во времени, данные о реперных годах во второй половине 18-го – первой половине 19-го вв. несопоставимы с более поздним периодом и нуждаются в пополнении. Наш анализ реперных годов показал, что сильнейшая за 120 лет засуха 2010 г. является только пятой по угнетению в ряду наших дендрохронологических данных за период 20-го - начало 21-го века (после засух 1921, 1939, 1936 и 1957 гг.). Она проявилась как реперный год в 26 из 45 хронологий на ЕТР. По-видимому, это связано с тем, что засуха пришлась на вторую половину лета, когда формирование ранней древесины уже закончилось. Сопоставление ширины ранней, поздней древесины и всего годичного кольца сосны в 2002 и 2010 гг. – т.е. в годы с аномально жаркими летними сезонами на территории Европейской части России (Мохов, 2011) показывает различие отклика ширины поздней древесины от отклика ширины ранней древесины и всего годичного кольца. Понижение прироста поздней древесины происходит в тот же год, что и аномальная жара, а у ранней древесины и годичного кольца в целом более значительное понижение прироста приходится на следующий год. Таким образом, использование всех трёх типов хронологий позволяет диагностировать аномальную жару и засуху во второй половине лета по описанной схеме: максимальное уменьшение ширины поздней древесины в текущий год и уменьшение ширины ранней древесины и всего годичного кольца на следующий год после аномальной жары. Пространственный анализ распространения наиболее сильных засух 20-го века, включая засуху 2010 г. и следующий после нее 2011 год показывает, что группа хронологий, расположенных в центральном регионе обладает более низкой чувствительностью к засушливости, что подтверждает приведенный ранее вывод, основанный на кластерном анализе и нелинейном методе анализа климатического сигнала. Мы оценили изменчивость во времени и пространстве климатических аномалий, отраженных в хронологиях ширины годичных колец и реперных годах в новых хронологиях. На основе сети, включающей 60 древесно-кольцевых хронологий из 20 регионов Европейской России, была построена пространственно-временная реконструкция индекса суровости засухи Палмера (Palmer Drought Severity Index, PDSI) на сетке с шагом 2,5 градуса по широте и долготе за период 1751-1900 гг. Реконструкция построена методом поточечной регрессии (point-by-point regression, PPR, Cook et al., 2015). Итоговая реконструкция представлена в виде серии карт-схем для каждого года за период 1751-1900 гг., а также в виде таблицы временных рядов реконструированных значений PDSI в каждой точке пространственной сетки (всего 105 точек) (http://ruda.igras.ru/). Полученные нами реконструкции засушливости на территории ЕТР мы преобразовали в сеточный архив и сопоставили с результатами реконструкции засушливости, полученными недавно большим коллективом авторов для Европы (Cook et al., 2015). Сравнение наших дендрохронологических данных с реконструкцией Кука с соавторами показало, что для ЕТР они плохо соотносятся друг с другом. Коэффициенты корреляции лишь в некоторых пространственных точках достигают значений 0,5, но в основном в тех точках, которые находятся в отдалении от наших пробных площадей. Средний же коэффициент корреляции двух реконструкций близок к нулю. Это не удивительно, так как в работе (Cook et al. 2015) не использовано древесно-кольцевых данных с территории Европейской России, а сами значения засушливости для этого региона являются статистическим артефактом. Этот вывод говорит о необходимости полноценной реконструкции засушливости для ЕТР, которая должна быть основана на массовой дендрохронологической информации. По данным 33 климатических моделей при двух различных сценариях антропогенного воздействия («умеренном» RCP 4.5 и «агрессивном» RCP 8.5) мы получили оценки изменений условий засушливости на европейской территории России в 21 веке. Оценки получены на основе модифицированного индекса засушливости Dm для выделенных на основе кластерного анализа трех регионов: «центральный»; «восточный»; «южный». В целом, климатические модели показывают рост индекса засушливости в 21 веке, обусловленный как ростом температуры воздуха, так и изменением пространственной структуры поля осадков. http://ruda.igras.ru/ Информационный сайт о проекте http://igras.nextgis.com/resource/56/display Карта древесно-кольцевой сети http://www.igras.ru/news/1188 Информационное сообщение о выходе монографии