Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Сведения о фактическом выполнении плана работы в отчетный период. (1) В 2022 году коллективом проекта совместно с коллегами из России, зарубежных стран был организован сбор дендрохронологических данных по ширине годичных колец древесных растений различных видов для всей территории Северного полушария. Основным источником информации был Международный банк данных древесных годичных колец (International Tree-Ring Data Bank – ITRDB; https://www.ncei.noaa.gov/products/paleoclimatology/tree-ring) и персонализированные дендрохронлогические данные иностранных коллег. Качество дендрохронологического материала (кросс-датировка измерений, пропуски данных, корректность формата и кодировки файлов) проверялась автоматически при помощи модифицированного авторами проекта кода пакета программ DPL_R (Dendrochronologial Program Library), реализованной на программной платформе R. В результате был сформирован массив данных, состоящих из 3255 файлов высококачественных первичных измерений ширины годичного кольца и интегрированный в информационную платформу VS-GENN (http://www.vs-genn.ru/), который стал вычислительной основой для глобального модельного эксперимента, планируемого в данном проекте. (2) Проведен анализ пространственного распределения дендрохронологических участков на территории России. Выбор трех регионов (окрестности Красноярского водохранилища, междуречье р. Печора и Северной Двины; Северный Кавказ), для которых будет выполнен сбор нового дендрохронологического материала летом 2023 года, был осуществлен с учетом: отсутствия данных о радиальном приросте деревьев в периоды после 2010 гг.; пространственной связанности хронологий ширины древесных колец хвойных внутри дендроклиматических районов для территории РФ; логистической доступности районов сбора образцов; важности обновления данных с точки зрения достижения целей проекта. (3) В 2022 г. анализировались климатические данные суточного и ежемесячного разрешения по температуре и осадкам, опубликованные ГидроМетеоЦентром РФ (http://meteo.ru/data_temperat_precipitation/), системой Climate explorer KNMI (http://climexp.knmi.nl/) и экстраполяционная база данных CRU TS (Climatic Research Unit Time Series), а также климатические данные Китайской академии наук. Для оптимизации работы системы VS-GENN и увеличения скорости обработки данных при моделировании, мы интегрировали климатические базы GHCN Monthly NOAA (Global Historical Climatology Network Monthly Weather Data) в локальный депозиторий VS-GENN при помощи специально разработанного ПО в среде программирования R. Были проанализированы ежемесячные инструментальные климатические данные (температура и осадки) для сети метеостанций (всего 311) ГидроМетеоЦентра РФ (http://meteo.ru/), равномерно распределенных по территории Сибири, от Уральского хребта на западе до побережья Тихого океана на востоке (57° в. д. до 169° з. д.), за период 1960–2020 гг. (4) В 2022 году коллективом проекта разработан алгоритм по учету низкочастотной солнечной радиации для VS-модель и ее модификации VS-Lite, который протестирован и интегрирован в VS-GENN с учетом различного временного разрешения (от суточного до ежемесячного). (5) В результате проведенного классификационного анализа было определено четыре класса объектов (тест-полигонов), на которые разбивается исходная совокупность тест-полигонов (древесно-кольцевых хронологий) в 21-мерном пространстве параметров VS-модели. Пространственных и видовых закономерностей в распределении объектов классификации (тест-полигонов) по параметрам VS-модели не выявлено. Значения параметров модели С2 и С3, ответственные за транспирацию древесного растения достоверно уменьшаются с Севера на Юг и с Запада на Восток. Аналогичная пространственные закономерности по широте и долготе наблюдается и для нижнего предела оптимальных температур для роста T2. (6) Было определено шесть класса объектов (тест-полигонов или древесно-кольцевых хронологий) по параметрам VS-Lite, на которые разбивается исходная совокупность. Пространственных и видовых закономерностей в распределении объектов классификации по параметрам не выявлено. (7) Разработаны нейросетевые аналоги (метамодели), которые частично воспроизводят функционирование VS- и VS-Lite моделей. Программная реализация и исследование алгоритмов осуществляется в среде RStudio Server c применением пакетов ускорения двух видов: Rcpp и Сpp11. Для построения метамоделей в проекте использовались нейронные сети прямого распространения, которые являются мощным математическим аппаратом для аппроксимации сложных зависимостей. (8) Разработаны и протестированы две новые модели, описывающие камбиальную активность и растяжение клеток в годичном кольце: (1) прогнозная модель роста камбиальной зоны хвойных на основе динамики концентрации ингибитора роста под действием климатических факторов; (2) алгоритм по оценке скорости и времени растяжения клеток в годичном кольце. Сведения о достигнутых конкретных научных результатах в отчетном периоде (1) Анализ ежемесячных климатических данных 311 метестанций, расположенных на территории Сибири показал сложную пространственно-временную закономерность повышения температуры на территории Сибири. Тенденции потепления существенно варьируются по долготе и широте в зависимости от временного разрешения (Зима, Весна, Лето, Осень, Год). Работа подготовлена к печати для журнала, индексируемого в Scopus (SJR квартиль Q1). (2) Разработана и протестирвана усовершенствованная версия модели роста камбиальной зоны VS-Cambium-Developer, позволяющая существенно оптимизировать по скорости и качеству процесс калибровки и верификации на основе многомерной параметризации за счет выявленных новых зависимостей для оценки сезонной концентрации ингибитора роста камбиальных клеток, что значительно увеличило применимость модели к экосистемам в различных местообитаниях. Работа подготовлена к печати для журнала, индексируемого в Scopus (SJR квартиль Q1) (3) Разработан и протестирован новый алгоритм радиального растяжения клеток в годичном кольце для деревьев хвойных видов на базе оценки моментов деления клеток камбиальной зоны, формализации процедуры их выхода в зону растяжения, оценки скорости и времени их растяжения на основе функции Гомперца. Работа направлена в журнал Ecological Modelling (IF 3.6; SJR квартиль Q1) (4) Модифицированная версия VS-модели (со встроенными блоками по учету низкочастотной солнечной радиации) применялась для моделирования скорости роста годичных колец, и для оценки и анализа реконструированной фенологии камбия (начало и конца вегетационного периода) лиственницы сибирской (Larix sibirica), произрастающей на трех участка, расположенных на разных широтах в Алтае-Саянской горной стране. Показано, что увеличение длительности сезона камбиальной активности не способствуют увеличению радиального роста деревьев. Напротив, внутрисезонная динамика климатических переменных значимо положительно регулировала радиальный рост деревьев. Работа опубликована в журнале Ecological Indicators (IF 6.3; SJR квартиль Q1): (5) На основе сверхдлительных 200-летних клеточных измерений предложен алгоритмический подход, который является основой для разработки долгосрочных климатических реконструкций супервысокого (суточного) разрешения посредством реверсивного имитационного моделирования на базе VS-модели для различных видов хвойных и различных лесных экосистем. Работа опубликована в журнале Forests (IF 3.2; SJR квартиль Q1). (6) По результатам исследования в 2022 г. опубликовано 2 статьи в журналах 1-го квартиля, индексируемых в WoS и Scopus.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
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-датированных 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.