Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Основной целью нашего проекта является создание тысячелетней климатической реконструкции на основе оптической плотности колец хвойных на Соловецких островах. Для достижения поставленной цели в 2017 г. были проведены полевые работы по отбору нового дендрохронологического материала с живых деревьев, рекогносцировочные работы по поиску погребённой древесины, проанализирован климатический отклик хронологий ширины годичных колец сосны и ели, проведён анализ трендов климатической изменчивости. Результаты перечисленных работ представлены ниже. Изменчивость климата по инструментальным данным. Для оценки трендов климатической изменчивости были использованы ряды наблюдений на метеостанциях, а также данные архива CRU-TS 4.0. с 1901 г. Для понимания региональных особенностей изменения климата Соловецких островов важно его рассматривать в контексте климатических изменений на севере Европейской части России (ЕЧР). Анализ трендов температуры воздуха показал наличие потепления во все сезоны для всего рассматриваемого региона. При этом максимальное потепление в летний и осенний сезоны отмечались на западе - на территории республики Карелия. На Соловецких островах также, как и на всей территории севера ЕЧР, наблюдалось потепление. В среднем за год оно составило 0.011⁰ С/год, зимнего - 0.006⁰ С/год, весеннего - 0.017⁰ С/год, летнего - 0.009⁰ С/год и осеннего - 0.01⁰ С/год. Как и в целом на территории исследования, весеннее потепление было наибольшим, а скорость роста температуры воздуха на Соловецких островах была максимальной в марте и мае. Вековые тренды суммарных осадков на севере ЕЧР во все сезоны в период 1901-2015 гг. были положительными на большей части территории. Зимний рост осадков был наибольшим и составил 0.24 мм/год, весной количество осадков возрастало со средней скоростью 0.13 мм/год, летом - 0.16 мм/год и осенью - 0.15 мм/год. Однако на фоне положительных трендов осадков на севере ЕЧР на Соловках (а также на востоке Карелии, на юге и юго-востоке Архангельской области) наблюдается уменьшение количества выпавших осадков во все сезоны. Проведена оценка связи температуры воздуха на севере ЕЧР с крупномасштабной атмосферной циркуляцией. Выполнен анализ пространственно-временной структуры связи многолетних сезонных изменений температуры воздуха на севере ЕЧР c изменениями аномалии высоты геопотенциальной поверхности 500 гПа Северного полушария (данные реанализа NCEP/NCAR пространственного разрешения 2.5° х 2.5°). Был применен метод линейных сингулярных разложений ковариационных матриц (SVD, Singular Value Decimposition). Таким образом, выявленные при помощи метода сингулярных разложений ковариационных матриц пространственно-временные структуры, описываемые первой ведущей компонентой SVD-анализа объясняют основную часть общей изменчивости температуры воздуха на севере ЕЧР и аномалии высоты геопотенциала на уровне 500 гПа. Установлено, что основной вклад в изменчивость температуры воздуха на севере ЕЧР зимой, весной и осенью вносят изменения Арктического колебания, а летом изменчивость температуры связана с колебанием барической системы с основными центрами действия атмосферы в Восточной Атлантике и Европейской части России. Показано, что рост температуры воздуха на севере ЕЧР зимой с 1970-х годов ассоциируется с положительной фазой Арктического колебания, а увеличение температуры воздуха летом с 1990-х годов связано с преобладанием отрицательной фазы индекса EAWR. Хронологии по ширине годичных колец хвойных. Заложенная нами на Соловецком архипелаге дендрохронологическая сеть включает в себя практически все возможные на этой территории местообитания. Так, дендрохронологические образцы получены из деревьев, растущих на заболоченных участках, в смешанном лесу, в сосняке-зеленомошнике, на морских террасах. Такое разнообразие ландшафтных условий может служить основой для выявления пространственных особенностей прироста сосны и ели. Результаты дендроклиматического анализа прироста ели показали, что все 13 хронологий имеют положительный отклик на среднемесячные температуры июня. Коэффициенты корреляции варьируют от 0.26 до 0.56. Тесная связь сводной хронологии ширины годичных колец ели (1626-2011 гг.) с температурами июня наблюдается на всём протяжении калибровочного периода (1901-2011 гг.), что позволяет провести реконструкцию этого параметра вплоть до 1676 г. Самым холодным годом в реконструкции был 1836 г., когда было холоднее на 2.9 ⁰C, чем в базовый период (1901-2012 гг.). Другие годы с аномально холодными температурами июня наблюдались в 1976 (−2.4 ⁰C), 1982 (−2.4 ⁰C), 1820 (−2.4 ⁰C), 1790 (−2.3 ⁰C), 1817 (−2.2 ⁰C), 1879 (−2.1 ⁰C) и 1810 (−2.1 ⁰C). Годом с самым тёплым июнем является 1685 г. (+3.0 ⁰C). Хронология ели достаточно хорошо отражает тренды последних десятилетий, что указывает на отсутствие явления «дивергенции» в рядах. Была проведена оценка чувствительности реконструированной температуры воздуха июня на извержения эксплозивных вулканов. Применённый анализ наложенных эпох выявил статистически значимое понижение температуры воздуха на следующий год после извержений. Полученная нами реконструкция воздуха июня, судя по всему, отражает высоко- и среднечастотную изменчивость. Это подтверждается проведённым анализом вейвлет-когеренции между рядами, который выявил общую 2, 4 и 8-летнюю цикличность. Когерентность рядов реконструкции и солнечной активности, напротив, имеют общую 32-х и 128-ми летнюю цикличность. Также проведена оценка пространственной изменчивости прироста сосны на Соловках. Нами получены 15 стандартных хронологий по ширине годичных колец сосны, продолжительностью от 472 до 271 года. Судя по сглаженным 20-летним сплайном локальным хронологиям сосны, самую высокую синхронность хронологии проявляют в конце XVII, в первой половине XVIII и в начале XIX вв. Выделенные временные интервалы совпадают с периодами минимумов солнечной активности когда, судя по реконструкциям Северного полушария, наблюдалось значительное похолодание (Anchukaitis et al. 2017). Начиная с 1900-х гг. у рядов наблюдается асинхронность, хотя многие из них показывают увеличение прироста в 1920-е гг. Несмотря на то, что все локальные хронологии коррелируют друг с другом, проведённый нами кластерный анализ свидетельствуют о наличии сходных групп хронологий внутри выборки. Отдельными кластерами группируются хронологии из заболоченных местооибитаний, из смешанных лесов, из сосняков-зеленомошников и из смешанного леса на песчаном субстрате. Корректность кластеризации локальных хронологий подтверждается результатами проведённого дендроклиматического анализа. Оказалось, что прирост сосны из сосняков-зеленомошников и смешанных лесов зависит от температуры июля. Внутри этой группы, прирост сосны из сосняков-зеленомошников имеет положительную связь с количеством выпавших осадков в сентябре. Единственная площадка, расположенная на песках, показала отличный от остальных хронологий климатический сигнал, а именно зависимость от температуры августа. Хотя хронологии из болот объединены в один кластер, общего климатического отклика не обнаружено. Проведённый комплексный анализ показывает, что объединение локальных хронологий в сводную хронологию должно проводится с учётом наличия у них общего сигнала. Датировки погребённой древесины. Обнаруженная нами древесина, лежащая на дне озера, была проанализирована на предмет определения возраста и потенциала такого подхода для продления хронологии. Образец, покрытый мхом и лежащий под поверхностью острова, оказался самым старым из всех отобранных нами в 2017 г. образцом. Датировка образца проведена относительно мастер-хронологии ели и с высокой вероятностью можно сказать, что даты жизни дерева охватывают период 1652 – 1885 гг. Другой образец представляет собой обтёсанный кол, лежащий на берегу острова. Этот образец (115 лет) одинаково слабо датируется как относительно сосны (1816-1929 гг.), так и относительно ели 1863-1976 гг.). Ещё один образец получен из ствола сухого дерева, корни которого находились на острове. Методом перекрёстного датирования нами получены достаточно надёжные даты продолжительности жизни дерева (1748-1897 гг.). При этом самые высокие коэффициенты корреляции между рядами (0.8-0.9) наблюдаются в период 1800-1825 гг. Ствол следующего образца был найден на соседнем острове и лежал на песчаном берегу. Дерево оказалось достаточно старым, продолжительность его жизни достигает 250 лет. Согласно результатам перекрёстной датировки, полученной относительно хронологии сосны, период жизни этого дерева составляет 1712-1962 гг. Измерение оптической плотности колец. Измерению оптической плотности колец предшествовал процесс лабораторной подготовки образцов. Удаление смол из образцов проводилось путем их выпаривания в растворе этанола в аппарате Сокслета в течение 48 ч. Далее поверхность наклеенного на подложку керна зачищалась с помощью микротома. Перед каждым сканированием проводилась калибровка цвета сканера. Нами успешно проведены все перечисленные работы, связанные с лабораторной подготовкой образцов и сканированием. В отчётный период нам удалось обработать 39 образцов сосны (площадка B75S). Для каждого образца было получено 3 хронологии: оптическая плотность для ранней древесины колец, оптическая плотность для поздней древесины колец и разностная оптическая плотность колец. Последняя рассчитывается как разница между значениями оптической плотности, наблюдаемые в поздней и ранней древесине. Все серии оптической плотности успешно прошли процедуру перекрёстной датировки, а высокие значения коэффициентов корреляции указывают на наличие сильного климатического сигнала. Проведённый нами дендроклиматический анализ хронологии оптической плотности на температуру и осадки показал наличие сильного климатического сигнала. Оказалось, что оптическая плотность колец сосны зависит от температуры практически всего вегетационного периода (апрель-сентябрь). При этом самая сильная связь наблюдается в августе (R=0.51, p<0.05). При осреднении температуры всех месяцев (апрель-сентябрь) коэффициент корреляции достигает значения 0.63. Правомерность применяемого подхода основана не только на высоких значениях корреляции, но и на весьма устойчивом сигнале во времени. Такая высокая и устойчивая во времени связь оптической плотности и температуры воздуха тёплого периода подтверждает справедливость применяемого метода. Полученные положительные результаты на первом этапе проведения наших работ дают основание полагать, что при увеличении репликации хронологии значения коэффициентов корреляции будут только увеличиваться. Таким образом, территория Соловецких островов является уникальным объектом для целей дендрохронологии. Это связано со временем освоения территории, которое началось со строительства монастыря в 15 в. и озёрно-канальной системы в 1514 г. Использованная при строительстве каналов древесина может служить дополнительным материалом для продления хронологии в глубь веков. Результаты датировок погребённой древесины свидетельствуют о наличии старовозрастного материала. Нами был проведён детальный дендроклиматический анализ локальных хронологий сосны и ели. Он показал, что прирост ели на Соловках зависит от температуры июня не зависимо от местообитания, в то время как фактор, определяющий прирост сосны, определяется местообитанием деревьев. Самым чувствительным параметром колец является оптическая плотность. Связь этого параметра с температурами тёплого периода статистически значимая и устойчивая во времени. На созданный специально для проекта сайт (www.solovki-dendro.ru) будут выложены в открытый доступ публикации результатов, карты, отчёты, фотографии и другие материалы, посвящённые ходу выполнения проекта.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Основной целью нашего проекта является создание тысячелетней климатической реконструкции на основе оптической плотности колец хвойных на Соловецких островах. Для достижения поставленной цели в 2018 г. мы работали в нескольких направлениях. Мы продолжили лабораторную обработку кернов и начали измерение оптической плотности колец хвойных. Во время полевых работ мы провели работы по отбору нового дендрохронологического материала с живых деревьев, работы по поиску погребённой древесины, отбор плавника на дендрохронологический анализ. Результаты перечисленных работ описаны ниже. Впервые для этой территории, нами показана, возможность успешного датирования плавника и архитектурной древесины с использованием оптической плотности колец. С очень высокой вероятностью плавник датируется периодом XV – XX вв. Несколько образцов плавника были датированы относительно дендрохронологической шкалы по ширине годичных колец из Архангельска, что указывает на происхождение плавника. Датировки архитектурной древесины, полученные нами на основе ширины и плотности колец, в большинстве случаев совпали. Однако статистические характеристики датирования намного выше при использовании оптической плотности. Нами построено четыре хронологии на основе разных параметров – ширины годового кольца, ширины ранней и поздней древесины, оптической плотности колец. Обеспеченность образцами хронологий разная от 350 серий для ширины и 70 для ранней и поздней древесины. Дендроклиматический анализ показал, что самым перспективным для целей палеоклиматических реконструкций является оптическая плотность колец. Этот параметр зависит от температурных условий тёплого периода. В качестве целевого параметра для дальнейшей реконструкции была выбрана средняя температура лета поскольку связь с ней оказалась устойчивой во времени. Для целей реконструкции было использовано две различные хронологии – 1) хронология, для которой стандартизация измерений проводилась для каждой серии по отдельности с использованием кубических сплайнов (50% уменьшения дисперсии на 1/2 длины серий), и 2) хронология полученная с помощью стандартизации региональной кривой роста (RCS) с применением signal-free имплементации этого метода – sfRCS. Первый метод не способен сохранять в реконструкции долгопериодную климатическую изменчивость на периодах длиннее индивидуальных серий измерений, т.е. максимального возраста деревьев, использованных в исследовании. Второй метод лишен этого недостатка, но обладает меньшей устойчивостью малому количеству образцов в хронологии, что особенно критично в ранней части реконструкции. Было использовано два метода реконструкции – 1) реконструкция методом линейной регрессии и 2) реконструкция методом скейлинга. Первый метод, как известно, уменьшает дисперсию реконструируемого параметра на процент необъясненной дисперсии на калибровочном периоде. Метод скейлинга позволяет избежать этой проблемы, но при этом уменьшает такие калибровочные статистики как коэффициент детерминации и среднюю квадратическую ошибку. Тем не менее, для реконструкций чаще используется именно метод скейлинга. Третий использованный метод реконструкции – метод прямой реконструкции DIRECT, переводящий измерения параметров годичных колец в оценки целевого параметра с учетом информации о биологическом возрасте каждого кольца. В этом году было получено пять реконструкций – четыре на основе двух различных методик построения хронологий и двух методик перехода к целевому параметру, плюс одна методом прямой реконструкции. Три из них (DIRECT, и две реконструкции, полученные методом скейлинга стандартной и sfRCS хронологий). коррелируют с инструментальными данными за период 1891-2012 гг. ( r=0.71, r =0.68 и r=0.61). Процент объясненной дисперсии инструментальных данных – 50%, 46% и 37% соответственно. Поскольку высокочастотная составляющая всех реконструкций примерно одинакова, различия в качестве вызваны в основном долгопериодной составляющей. В стандартной хронологии она отсутствует, а для двух других реконструкций видно, что долгопериодная составляющая лучше соответствует инструментальным данным для метода DIRECT. Некоторое отклонение тренда присутствует для последних 10 лет реконструкции, и это будет являться вопросом для исследования на следующий год проекта. В целом, 50% объясненной дисперсии является очень хорошим показателем для дендроклиматических реконструкций, поэтому полученные результаты могут считаться более чем удовлетворительными. В дальнейшем мы не рассматриваем реконструкцию на основе sfRCS хронологии из-за ее неудовлетворительной согласованности с инструментальными данными на инструментальном периоде с точки зрения долгопериодной составляющей. Показана корреляция полученной реконструкции методом DIRECT с сеточными данными CRU TS 4.02 за июнь-август. Коэффициенты корреляции больше 0.5 на территории западной части Архангельской области, Карелии и Кольского полуострова очерчивают область, для которой полученная реконструкция имеет наибольшую актуальность. В год извержений наблюдается значимое (на уровне p=0.05) отклонение летней температуры, также, как и на следующий год (p=0.05 для стандартной реконструкции и p=0.1 для реконструкции методом DIRECT). В целом, наши результаты подтверждают известный факт влияния крупных вулканических извержений на летнюю температуру в высоких широтах. Изучены различия пространственно-временных закономерностей связи между изменчивостью температуры воздуха (SAT) на севере Европейской России в сочетании с температурой поверхности моря (SST) в Северной Атлантике и высотой геопотенциала 500 гПа (Z500) в Северном полушарии для зимнего и весеннего сезонов. Для данных за период 1953-2012 гг. применен метод сингулярного разоложения. Как зимой, так и весной первая ведущяя мода объясняет более 85% общей изменчивости SAT в парах с SST и Z500. Выявлены области значимой пространственно-временной связи зимнего и весеннего DAT с Z500 и SST. Ведущие моды общей изменчивости сезонных SAT и Z500 связаны с арктическим колебанием (АО) и североатлантическим колебанием (NAO). Зимой положительные аномалии SST над Норвежским и Баренцевым морями и рост повторяемости положительного индекса AO с 1970-х годов привели к положительному тренду температуры воздуха в период 1953-2012 гг. (0.3⁰C / десятилетие). Выявлено, что вариабельность АО и SST в Норвежском и Баренцевом морях контролируют зимние вариации SAT на севере Европейской России. В этот же период наблюдается значительный рост весенней температуры воздуха со скоростью 0.4⁰C / десятилетие, что также связано с изменчивостью АО и SST; однако с начала 1990-х годов роль АО уменьшается. Наши результаты по выявлению связи зимних и весенних SAT с Z500 и SST помогают понять механизмы их изменения и улучшить прогнозы региональной температуры воздуха на севере Европейской части России. На созданный специально для проекта сайт (www.solovki-dendro.ru) будут выложены в открытый доступ публикации результатов, карты, отчёты, фотографии и другие материалы, посвящённые ходу выполнения проекта.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В третий год работы над проектом, мы продолжили работы по поиску древесины, возраст которой смог бы повлиять на продолжительность и качество итоговой хронологии. Возраст 6 образцов плавника, найденного нами на берегах острова Анзер, оказался достаточно древним. Благодаря измерениям оптической плотности плавника нам удалось продлить нашу хронологию вплоть до 888 года. Примечательно, что этот плавник датировался исключительно относительно мастер-хронологии по оптической плотности, а не по ширине годичных колец. Благодаря дендрохронологическому датированию удалось установить географическое происхождение плавника: 80% от общего числа является местным, а 20% с большой вероятностью принесено из Архангельской области. Современная часть хронологии (вплоть до 2016 г.) обеспечена образцами из живых елей. Объединение в одну обобщённую хронологию серий оптической плотности ели и сосны стало возможным благодаря результатам дендроклиматического анализа выполненного для каждой породы. Оказалось, что оптическая плотность у двух пород зависит от изменчивости одного и того же параметра – летней температуры воздуха (r = 0.75, p<0.01). Связь между оптической плотностью и средней летней температурой воздуха не только высокая, но и устойчива во времени. Эти результаты позволяют использовать средние температуры июня-августа в качестве выбранного параметра для дальнейшей реконструкции. Для построения итоговой реконструкции был выбран метод DIRECT (Matskovsky, Helama, 2016), так как его уникальной особенностью является возможность учета различного климатического отклика для годичных колец различного камбиального возраста. Был проведён подбор параметра сглаживания поверхности отклика. По общему виду поверхности отклика можно оценить различия климатического отклика разных возрастных групп годичных колец: более крутой уклон поверхности для колец старшего камбиального возраста говорит о большей климатической чувствительности. Кроме того, по изгибу поверхности отклика можно учитывать нелинейный климатический отклик косвенных данных о климате. Хотя хронология оптической плотности хвойных начинается с 888 года, индекс EPS ограничивает нашу реконструкцию 1347. Это может связано с низкими корреляциями между немногочисленными сериями в «хвосте» хронологии. В реконструкции очень хорошо воспроизводятся практически все локальные минимумы, а также многие локальные максимумы инструментального ряда. Некоторая недооценка максимумов присутствует в 1972-74 гг. Напротив, в 1920-е – 30-е годы, а также в 1943 и 1954 гг. наблюдается переоценка реконструкцией теплых значений. Тем не менее, из-за отсутствия надежных инструментальных наблюдений непосредственно с Соловецких островов, возможно, что часть этих отклонений объясняется некоторой грубостью сеточного архива инструментальных данных CRU TS. Что касается декадной изменчивости, реконструкция отлично отражает постепенное увеличение летней температуры с начала 20-го века до начала 1940-х годов, последовавшее снижение до конца 1970-х и последующий восходящий тренд. Переходя к анализу долгопериодного сигнала в полученной реконструкции, можно выделить наличие сквозного восходящего тренда реконструированных значений, а также периодических колебаний с периодом около 200 лет. Весь 20-й век, а также начало 21-го века находятся выше линии долгопериодного среднего, примерно соответствующего температурам первой половины 17-го века. Период положительных аномалий также наблюдается во второй половине 18-го – начале 19-го века, и в середине 16-го века. Максимальная долговременная отрицательная аномалия наблюдается для начального периода реконструкции – с 1420 до 1530 года. Также отрицательные аномалии присутствуют во второй половине 17-го – первой половине 18-го, и во 2-й половине 19-го веков. Для оценки адекватности применяемой модели в качестве независимых источников были привлечены летописные упоминания о климате. Для сравнения были использованы как уже опубликованные исторические свидетельства, так и собранные нами в рамках проекта. Мы нашли упоминания в исторических летописях для 8 аномальных лет, полученных по дендрохронологической реконструкции. Исследование связи приземной температуры воздуха (SAT) на европейском севере России с крупномасштабной атмосферной циркуляцией внетропической зоны Северного полушария во второй половине XX - начале XXI-го вв., проведенное с помощью метода линейных сингулярных разложений ковариационных матриц, показало, что наибольший вклад в высокочастотную изменчивость SAT вносили центры действия колебания Восточная Атлантика/Западная Россия, колебания в приполярной области и Западно-Тихоокеанского колебания, чей вклад варьировался от 12% до 21%. Выполненные количественные оценки связи ведущих режимов совместной изменчивости SAT на севере ЕТР с аномалиями высоты геопотенциала Северного полушария на уровне 500 гПа в летний сезон в период 1952-2012 гг. выявили неравнозначность влияния основных центров действия указанных колебаний на формирование SAT. Установлено, что наибольшее влияние на SAT на севере ЕТР в летний сезон оказывали центры действия атмосферы над ЕТР, Норвежским морем и п-овом Камчатка. Наиболее существенная связь долгопериодных колебаний ведущего режима SAT в летний сезон на севере ЕТР обнаружена с долгопериодными колебаниями температуры поверхности океана в апреле-июне в Норвежском море и в регионе Британских островов.