Том 337 № 1 (2026)
DOI https://doi.org/10.18799/24131830/2026/1/5307
Анализ метрологического обеспечения реконструкций стратосферного озона по дендрохронологическим данным для нейропрогноза
Актуальность. Проблема снижения уровня стратосферного озона и интерес к его прошлым изменениям связаны с увеличением дозы ультрафиолетовой радиации в коротковолновом диапазоне, достигающей поверхности Земли. Метод множественной регрессии по данным плотности годичных колец хвойных позволяет осуществить реконструкцию и прогноз долгопериодных колебаний общего содержания озона в атмосфере. Чтобы расширить базу экспериментальных данных, проводятся поисковые работы по измерению новых характеристик годичных колец, уточняются методики предварительной обработки данных и разрабатываются новые модели их прогноза. Цель исследования заключается в комплексном анализе проблем метрологического обеспечения реконструкции стратосферного озона по дендрохронологическим данным (ширина и плотность годичных колец) в единицах Добсона с учетом современных достижений и разработок. Объекты: дендрохронологические данные сосны, кедра, ели и лиственницы для районов с выраженным влиянием озоновых изменений на древесную растительность Алтая (50–52° с.ш., 85–90° в.д.), Сибири (60–65° с.ш., 90–105° в.д.) и Урала (50–70 с.ш., 60 в.д.). Методы: дендрохронологический метод, сингулярный спектральный анализ, эконометрические методы анализа временных рядов, интеллектуальный анализ данных. Результаты. Комплексный анализ метрологического обеспечения реконструкций стратосферного озона выявил эффективность использования дендрохронологических индикаторов, таких как ширина годичных колец и максимальная плотность поздней древесины, которые статистически значимо коррелируют с инструментальными данными о содержании озона в атмосфере (r= –0,7 и p<0,01). Преимущество мульти-прокси подходов, состоящих в интеграции таких параметров, как ширина годичного кольца, максимальная плотность кольца, а также климатических показателей с данными измерений сходных параметров другими методами, позволяет значительно повысить точность реконструкций. Коэффициент детерминации (R²) с 0,64 увеличивается до 0,78, в то время как суммарная неопределенность уменьшается на 29 % (4,9 е.Д.). Основной вклад в суммарную неопределенность вносят модельные (40 %) и калибровочные (28 %) факторы. Инструментальные погрешности измерений общего содержания озона существенно ниже погрешности моделирования и составляют менее 5 %.
Ключевые слова:
стратосферный озон, дендрохронология, ширина годичных колец, максимальная плотность древесины, единицы Добсона, неопределенность измерений, прокси-данные, мульти-прокси подходы, калибровка
Библиографические ссылки:
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Karadan M., Raju P., Devara P. An overview of stratospheric ozone and climate effects // Earth and Planetary Science. – 2022. – Vol. 1. – № 2. – P. 19–34. DOI: 10.36956/eps.v1i2.782
2. WMO (World Meteorological Organization). Scientific Assessment of Ozone Depletion: 2022. Global Ozone Research and Monitoring Project – Report no. 58. – Geneva, Switzerland, 2022. URL: https://www.csl.noaa.gov/assessments/ozone/2022/ (дата обращения 02.09.2025).
3. Observed changes in Brewer–Dobson circulation for 1980–2018 / Q. Fu, S. Solomon, H.A. Pahlavan, L. Pu // Environmental Research Letters. – 2019. – Vol. 14. – № 11. – P. 114026. DOI: https://doi.org/10.1088/1748-9326/ab4de7
4. Solar ultraviolet radiation and ozone depletion-driven climate change: effects on terrestrial ecosystems / J.F. Bornman, P.W. Barnes, S.A. Robinson, C.L. Ballaré, S.D. Flint, M.M. Caldwell // Photochem Photobiol Sci. – 2015. – Vol. 14. – P. 88–107. DOI: 10.1039/c4pp90034k
5. Измерения характеристик природного композита древесины методом аннигиляции позитронов на основе имитационной модели годичного кольца / К.П. Арефьев, Б.Г. Агеев, А.В. Батранин, С.Л. Бондаренко, Ю.С. Бордулев, Р.С. Лаптев, Д.А. Савчук, В.А. Сапожникова, С.Г. Стучебров, И.Г. Устинова, Ц. Цуй, А.Д. Ломыгин // Известия высших учебных заведений. Физика. – 2025. – Т. 68. – № 1. – С. 40‒51. DOI: 10.17223/00213411/68/1/5
6. Зуев В.В., Бондаренко С.Л., Устинова И.Г. Аддитивная сингулярная спектральная модель дендрохронологического сигнала // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2023. – Т. 334. – № 12. – С. 56–64. DOI: 10.18799/24131830/2023/12/4282
7. Зуев В.В., Бондаренко С.Л., Устинова И.Г. Особенности реконструкции изменений стратосферного озона вдоль уральского меридиана по дендрохронологическим данным // География и природные ресурсы. – 2022. – Т. 43. − № 4. – С. 85–94. DOI: 10.15372/GIPR20220410
8. Bradley R.S. Paleoclimatology: reconstructing climates of the Quaternary. 3rd ed. – Amsterdam: Academic Press, 2015. – 696 p.
9. World Ozone and Ultraviolet Radiation Data Centre (WOUDC). URL: https://woudc.org (дата обращения: 15.11.2024).
10. An integration of µXRF and X-ray microdensitometry records in dendrochronology / S. Helama, T. Saarinen, T. Suominen, M. Fuentes, Th. Frank, B.E. Gunnarson // Dendrochronologia. – 2024. – Vol. 86. – 126229. DOI: 10.1016/j.dendro.2024.126229
11. ISO/IEC Guide 99. International vocabulary of metrology – basic and general concepts and associated terms (VIM). 2007. URL: https://cdn.standards.iteh.ai/samples/45324/eb6bc3e9ac174b70b732a949dd3338d3/ISO-IEC-Guide-99-2007.pdf (дата обращения: 15.11.2024).
12. Cook E.R., Kairiukstis L.A. Methods of dendrochronology: applications in the environmental sciences. – Dordrecht: Springer Science & Business Media, 2013. – 394 p.
13. McCarroll D., Loader N.J. Stable isotopes in tree rings // Quaternary Science Reviews. – 2004. – Vol. 23. – № 7–8. – P. 771–801.
14. Comparison of Brewer ultraviolet irradiance measurements with total ozone mapping spectrometer satellite retrievals / V.E. Fioletov, J.B. Kerr, D.I. Wardle, N. Krotkov, J.R. Herman // Optical Engineering. – 2002. – Vol. 41. – № 12. – P. 3051–3061.
15. Evaluation of measurement data – guide to the expression of uncertainty in measurement (GUM). Joint Committee for Guides in Metrology; 2008. URL: https://www.oiml.org/en/files/pdf_g/g001-101-e08.pdf (дата обращения: 15.11.2024).
16. Зуев В.В., Бондаренко C.Л., Устинова И.Г. Реконструкция изменений стратосферного озона в таёжной зоне на основе сингулярного спектрального анализа // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2022. – Т. 333. – № 3. – С. 174–183. DOI: 10.18799/24131830/2022/3/3461
17. Neukom R. et al. Consistent multidecadal variability in global temperature reconstructions and simulations over the Common Era // Nature Geoscience. – 2019. – Vol. 12. – P. 643–649.
18. Dobson G.M.B. Forty years' research on atmospheric ozone at Oxford: a history // Applied Optics. – 1968. – Vol. 7. – № 3. – P. 387–405.
19. Global validation of empirically corrected EP‐Total Ozone Mapping Spectrometer (TOMS) total ozone columns using Brewer and Dobson ground‐based measurements / A. Manuel, M. Koukouli, M. Kroon, R. McPeters, G. Labow, D. Balis, A. Serrano. – 2010. URL: https://www.researchgate.net/publication/228656992_Global_validation_of_empirically_corrected_EP-Total_Ozone_Mapping_Spectrometer_TOMS_total_ozone_columns_using_Brewer_and_Dobson_ground-based (дата обращения 03.09.2025).
20. Papadopoulos I. Comparative study on the effect of solar radiation on workers’ skin at different altitudes // J Dermat Cosmetol. – 2020. – Vol. 4. – № 1. – С. 14–18. DOI: 10.15406/jdc.2020.04.00142
21. Устинова И.Г., Бондаренко С.Л., Рожкова О.В. Анализ тригонометрических составляющих временных рядов данных мониторинга окружающей среды // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. –2020. – Т. 331. – № 10. – C. 135–145. DOI: https://doi.org/10.18799/24131830/2020/10/2859.
22. Bondarenko S.L., Savchuk D.A. Response of conifers to UV-B and climate in mountain areas // Global Journal of Environmental Science and Management. – 2018. – Vol. 4. – № 3. – P. 299–314.
23. Hyndman R.J., Athanasopoulos G. Forecasting: principles and practice. – Melbourne: OTexts, 2018. – 380 p.
REFERENCES
1. Karadan M., Raju P., Devara P. An overview of stratospheric ozone and climate effects. Earth and Planetary Science, 2022, vol. 1, no. 2, pp. 19–34. DOI: 10.36956/eps. v1i2.782.
2. WMO (World Meteorological Organization). Scientific Assessment of Ozone Depletion: 2022. Global Ozone Research and Monitoring Project – Report No. 58. Geneva, Switzerland, 2022. Available at: https://www.csl.noaa.gov/assessments/ozone/2022/ (accessed 2 September 2025).
3. Fu Q., Solomon S., Pahlavan H.A., Lin P. Observed changes in Brewer–Dobson circulation for 1980–2018. Environmental Research Letters, 2019, vol. 14, no. 11, pp. 114026. DOI: https://doi.org/10.1088/1748-9326/ab4de7.
4. Bornman J.F., Barnes P.W., Robinson S.A., Ballaré C.L., Flint S.D., Caldwell M.M. Solar ultraviolet radiation and ozone depletion-driven climate change: effects on terrestrial ecosystems. Photochem Photobiol Sci., 2015, vol. 14, pp. 88–107. DOI: 10.1039/c4pp90034k.
5. Arefev K.P., Ageev B.G., Batranin A.V., Bondarenko S.L., Bordulev Y.S., Laptev R.S., Savchuk D.A., Sapozhnikova V.A., Stuchebrov S.G., Ustinova I.G., Cui J., Lomygin A.D. Measurements of the characteristics of a natural wood composite by positron annihilation based on a simulation model of the annual ring. Russian Physics Journal, 2025, vol. 68, no. 1, pp. 40‒51. (In Russ.) DOI: 10.17223/00213411/68/1/5
6. Zuev V.V., Bondarenko S.L., Ustinova I.G. Additive singular spectral model of a dendrochronological signal. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Аssets Engineering, 2023, vol. 334, no. 12, pp. 56–64. (In Russ.) DOI: 10.18799/24131830/2023/12/4282
7. Zuev V.V., Bondarenko S.L., Ustinova I.G. Features of reconstruction of changes in stratospheric ozone along the Ural meridian using dendrochronological data. Geography and Natural Resources, 2022, vol. 43, no. 4, pp. 85–94. (In Russ.) DOI: 10.15372/GIPR20220410
8. Bradley R.S. Paleoclimatology: reconstructing climates of the Quaternary. 3rd ed. Amsterdam, Academic Press, 2015. 696 p.
9. World Ozone and Ultraviolet Radiation Data Centre (WOUDC). Available at: https://woudc.org (accesed 15 November 2024).
10. Helama S., Saarinen T., Suominen T., Fuentes M., Frank Th., Gunnarson B.E. An integration of µXRF and X-ray microdensitometry records in dendrochronology. Dendrochronologia, 2024, vol. 86, 126229. DOI: 10.1016/j.dendro.2024.126229
11. ISO/IEC Guide 99. International vocabulary of metrology – basic and general concepts and associated terms (VIM). 2007. Available at: https://cdn.standards.iteh.ai/samples/45324/eb6bc3e9ac174b70b732a949dd3338d3/ISO-IEC-Guide-99-2007.pdf (accessed 15 November 2024).
12. Cook E.R., Kairiukstis L.A. Methods of dendrochronology: applications in the environmental sciences. Dordrecht, Springer Science & Business Media, 2013. 394 p.
13. McCarroll D., Loader N.J. Stable isotopes in tree rings. Quaternary Science Reviews, 2004, vol. 23, no. 7–8, pp. 771–801.
14. Fioletov V.E., Kerr J.B., Wardle D.I., Krotkov N., Herman J.R. Comparison of Brewer ultraviolet irradiance measurements with total ozone mapping spectrometer satellite retrievals. Optical Engineering, 2002, vol. 41, no. 12, pp. 3051–3061.
15. Evaluation of measurement data – guide to the expression of uncertainty in measurement (GUM). Joint Committee for Guides in Metrology, 2008. Available at: https://www.oiml.org/en/files/pdf_g/g001-101-e08.pdf (accessed 15 November 2024).
16. Zuev V.V., Bondarenko S.L., Ustinova I.G. Reconstruction of changes in stratospheric ozone in the taiga forests based of the singular spectral analysis. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Аssets Engineering, 2022, vol. 333, no. 3, pp. 174–183. (In Russ.) DOI: 10.18799/24131830/2022/3/3461
17. Neukom R. Consistent multidecadal variability in global temperature reconstructions and simulations over the Common Era. Nature Geoscience, 2019, vol. 12, pp. 643–649.
18. Dobson G.M.B. Forty years' research on atmospheric ozone at Oxford: a history. Applied Optics, 1968, vol. 7, no. 3, pp. 387–405.
19. Manuel A., Koukouli M., Kroon M., McPeters R., Labow G., Balis D., Serrano A. Global validation of empirically corrected EP‐Total Ozone Mapping Spectrometer (TOMS) total ozone columns using Brewer and Dobson ground‐based measurements. 2010. Available at: https://www.researchgate.net/publication/228656992_Global_validation_of_empirically_corrected_EP-Total_Ozone_Mapping_Spectrometer_TOMS_total_ozone_columns_using_Brewer_and_Dobson_ground-based (accessed 3 September 2025).
20. Papadopoulos I. Comparative study on the effect of solar radiation on workers’ skin at different altitudes. J Dermat Cosmetol, 2020, vol. 4, no. 1, pp. 14–18. DOI: 10.15406/jdc.2020.04.00142
21. Ustinova I.G., Bondarenko S.L., Rozhkova O.V. analysis of trigonometric components of time series of environmental monitoring data. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Аssets Engineering, 2020, vol. 331, no. 10, pp. 135–145. (In Russ.) DOI: https://doi.org/10.18799/24131830/2020/10/2859
22. Bondarenko S.L., Savchuk D.A. Response of conifers to UV-B and climate in mountain areas. Global Journal of Environmental Science and Management, 2018, vol. 4, no. 3, pp. 299–314.
23. Hyndman R.J., Athanasopoulos G. Forecasting: principles and practice. Melbourne, OTexts, 2018. 380 p.
