Главная
База знаний "Allbest"
Экология и охрана природы
Исследование природных ритмов хвойных деревьев
Исследование природных ритмов хвойных деревьев
Анализ данных по приросту древесины на севере Европейской части России. Построение сводной хронологии ширины и плотности древесины. Выявление структуры природных ритмов путем проведения исследования годичных колец хвойных деревьев методом вейвлет-анализа.
| Рубрика | Экология и охрана природы |
| Вид | дипломная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 09.09.2014 |
| Размер файла | 6,3 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Рис.15. Функция отклика максимальной плотности региональных хронологий и температурных данных метеостанций, находящихся внутри данного региона (по оси х - месяцы, по оси у - значении функции отклика, по оси z - метеорологические станции)
Рис.16. Функция отклика максимальной плотности локальных хронологий и температуры отдельных станций (подписи см.рис.15)
Согласно нашей рабочей гипотезе, основанной на выводах Кононова и др. (200,), ширина колец ранней древесины в этом регионе отражает количество осадков холодного периода. Однако наш анализ показывает, что функции отклика, как для осадков, так и для температур в этом случае хаотичны, и, следовательно, не дают представления о том, какой климатический фактор оказывает господствующее влияние на параметр ширины ранней древесины годичных колец ни для локальных, ни для региональных хронологий.
Рис.17. Функция отклика ранней ширины региональных хронологий с количеством осадков (подписи см рис.15)
Рис.18. Функция отклика ранней ширины региональных хронологий с температурными данными метеостанций, находящиеся внутри региона (подписи см рис.15)
Таким образом, в северной части Европейской России максимальную плотность колец можно использовать как индикатор, отражающий летнюю температуру в прошлом, в то время как ширина колец ранней древесины непригодна для реконструкции температур и осадков.
Вейвлет-анализ хронологий и метеорологических данных
На рис.19 и 20 показаны результаты вейвлет-анализа каждой из региональных хронологий ширины колец ранней древесины и максимальной плотности годичного кольца. Анализ проводился с помощью математического пакета MatLab 6.0. Кроме того, мы провели вейвлет-анализ летних температур и осадков холодного периода, измеренных на самых длиннорядных метеостанций, расположенных в этом регионе и соотносимые с исследуемыми региональными хронологиями: Санкт-Петербург (Карельская хронология), Архангельск (северная часть), Усть-Цильма (северная часть), Чердень (Урал). На получившихся диаграммах (рис.19,20,21,23) по осям абсцисс и ординат откладываются время (в годах) и период соответственно. Шкала справа показывает амплитуду сигнала (относительная величина).
Рис.19. Вейвлет-анализ рядов ширины ранней древесины с помощью DOG-вейвлета (по осям абсцисс - время в годах, по осям ординат - длина периода в годах, справа колонка - спектр мощности)
Рис.20. Вейвлет-анализ рядов максимальной плотности древесины с помощью DOG-вейвлета (подписи см.рис.19)
Рис.21. Вейвлет-анализ метео данных по осадкам с октября по апрель следующего года на различных станциях (подписи см.рис.19)
Рис.22. Упрощённое представление циклов, полученные с помощью вейвлет-анализа. По оси абсцисс - время (в годах), по оси ординат - длина периода (в годах).
Рис.23. Вейвлет-анализ метео данных по температуре с мая по август на различных станциях (подписи см.рис.19)
В результате этого исследования замечены следующие особенности региональных хронологий ширины и плотности колец (рис. 20-21). Для большей наглядности на рис.22 выделенные периоды показаны в упрощенном виде.
1. В первую очередь, хочется обратить внимание на то, что периодичность в рядах ширины колец ранней древесины в целом ярче выражены, чем в рядах плотности. И при этом степень хаотизации для всех хронологий по ширине примерно 0,25, а по плотности около 0,4. Это связано с большей амплитудой изначального ряда ширины колец (примерно 1), по сравнению с максимальной плотностью примерно 0,4 (см.рис.13). То же самое показывает и преобразование Фурье - по ранней ширине хорошо отслеживаются доминирующие частоты в сигнале.
2. На диаграммах ширины и плотности колец видно, что во всех хронологиях присутствует в первую очередь примерно столетний период. Несмотря на то, что анализируемые ряды (около 300 лет) слишком коротки для достоверного выявления периода такой продолжительности, полностью игнорировать присутствие данного ритма нельзя. Как будет показано ниже, этот период, так как он часто фигурирует в других дендроклиматических рядах большей длительности в субарктике.
3. На всех рисунках (кроме Урала) виден сигнал с периодом в 55-60 лет, который обрывается примерно в 1860 году. На Урале по ширине древесины он, напротив, появляется в 19 в. (чётко начинает проявляться с 1830 года).
4. Во всех хронологиях отслеживается сигнал, близкий к 20-ти годам, который по ширине ранней древесины существует примерно до 1800 года, а по максимальной плотности - постоянно (кроме Урала, там - до 1900 года).
5. Рассмотрим, как изменяются хронологии ширины колец ранней древесины на всей Европейской части России с запада на восток. Кольский полуостров и Карелия очень схожи во временной и частотной локализации циклов. 100 и 60-ти летние присутствуют одновременно в обеих хронологиях, на Кольском п-ове 20-ти летний цикл сменился 30-ти летним примерно в 1830 году, а в Карелии на несколько лет раньше, но потом он перешёл в 35-ти летний. Таким образом, хотя корреляционный анализ показал различие локальных хронологий в этих двух районах, в них отмечается сходная ритмическая структура климатического сигнала, и, скорее всего, климатические изменения к этом регионе в последние 300 лет имеют сходный характер.
На севере Русской равнины присутствуют периоды той же длины, что и на западе, причём, 60-тилений период так же сменяется 30-32-хлетним примерно в 1860 году. Так же как и на западе здесь существует период длиной 18-20 лет до 1850 года. Отличие только в том, что на севере после 1900 года появляется циклы длиной 17 и 10-11 лет. Несмотря на то, что ширина ранней древесины плохо коррелирует с метеоданными, осадки холодного периода (рис.23, станция Архангельск) показывают наличие аналогичных периодов.
На Урале картина несколько иная. Здесь (как было сказано выше) 60-ти летний период появляется только в 1830 год; заметен так же цикл длиной 35-37, просуществовавший до 1900 года. Но при этом так же, как на западе и на севере Русской равнины, отмечается периодичность длиной 20 лет, присутствовавшая до 1830 года. Кроме того, здесь (как и на западе) заметен 10-11-ти летний период, который появился примерно с 1850 года, но с 1900 он перешёл в 6-ти летний. Диаграмма метеоданных (осадков) со стации Чердынь так же начиная с 1900 года показывает присутствие 10-11-ти и 6-ти летних периодов.
Таким образом, можно заключить, что ширина колец ранней древесины в районах Кольского полуострова и Карелии с одной стороны и в северной части Русской равнины, с другой имеют сходную структуру ритмов в последние 300 лет. в то время как региональная хронология Урала существенно отличается от первых трех по своей ритмике. Это различие подтверждается и низкой корреляцией этой хронологи с остальными. Сходство ритмической структуры у разных региональных хронологий и их совпадение со структурой соответствующих метеорологических рядов указывает на общность климатического сигнала ими управляющего. Показательно, что в этом смысле запад и север рассматриваемого региона существенно отличается от восточной, уральской хронологии.
6. Теперь рассмотрим изменения ритмов в рядах максимальной плотности на трех региональных площадках. В первую очередь видно, что во всех трёх хронологиях практически на протяжении всего времени присутствует 10-11-ти летний период (по ширине они наблюдались только эпизодически). Кроме того, в западном и северном регионе в течение всех 300-х лет виден постоянный сигнал длиной 18-20 лет, а на Урале схожий сигнал (15-17 лет) просуществовал до 1900 года, а в 1800 он изменился и стал более долгопериодным - 22-25 лет. Если рассматривать цикл длиной 60 лет, то на западе он так же, как и для ранней ширины прослеживается до 1850 года, на Севере сходный сигнал проявляется тогда же, но длиной примерно 50 лет, а на Урале очень слабо проявляется, начиная с 1930 года. Хронология запада равнины схожа с северной частью, в то время как север довольно тесно коррелирует с Уралом (корреляция 0,42 при значимости 95%). Но так как во всех трёх рядах в основном доминируют короткопериодные колебания, можно сделать вывод, что хронологии по максимальной плотности хорошо реагируют на климатические колебания, периоды которых меньше 30-ти лет. Это видно и на самих рядах - малые амплитуды сигнала свидетельствуют о доминирующем высокочастотном сигнале.
7. Сравнивая хронологии максимальной плотности за последние 100 лет с летними температурами за этот же период, видно, что, за исключением периода длиной 60 лет, сходство в диаграммах очень заметное. В Карелии присутствуют 40, 20 и 11-ти летние периоды, на севере 15-18 и 8-11-ти летние, а на Урале 25-28 и 8-11-ти летние периоды. То есть, подтверждается предположение, что максимальная плотность хорошо отражает температуру летнего периода.
8. Если рассмотреть отдельно северную часть Русской равнины, то в первую очередь необходимо отметить самый низкий показатель степень хаотизации по ширине ранней древесины. Так же нигде кроме севера нет 80-ти летнего цикла, который появился в хронологии по ширине примерно с 1870, а по плотности с 1770 года. Сравнив хронологию ранней ширины с метеоданными по осадкам (Архангельск), видно, что с 1900 г. в обоих рядах в одно и то же время присутствуют периоды длиной 25-30, 17 и 10-11 лет, которые обрываются так же одновременно. А если сравнить с данными станции Усть-Цильма, то так же видны одновременно существующие периоды длиной 17 и 8-11 лет. То есть, на севере Русской равнины короткие циклы (до 30-ти лет) одновременно присутствуют в метео и дендроклиматических данных.
9. Для хронологий Урала по плотности и по ранней ширине степень хаотизации максимальна (рис.24). Кроме того, как было сказано выше, это единственное место, где по ширине древесины 60-ти летний цикл не исчезает в 1860, а наоборот - появляется в 1840 году. По максимальной плотности период этой длины начиная с 1950 года проявляется слабо, что видно так же и по ряду летних температур метеостанции Чердынь. Так же на диаграмме по плотности видно, что в первые примерно 100 лет не были чётко ясны доминирующие периоды, потом начали появляться циклы длиной 25 и 40 лет. И только за последние 100 лет структура ряда начала выстраиваться менее хаотично (коэффициент хаотизации так же это подтверждает, с 1900 года он опустился примерно с 0,6 до 0,4) - появились ярко выраженные 100, 25 и 10-11 летние периоды. Но, несмотря на высокую степень хаотизации, при этом, как было сказано выше, Уральская региональная хронология максимальной плотности хорошо коррелирует с севером Русской равнины.
Рис.24. Графический анализ максимальной плотности хронологии Урала (подписи см.рис.9)
Обсуждение возможных причин периодов разной продолжительности, выявленных в древесно-кольцевых хронологиях
Ритмы разной продолжительности могут иметь разное происхождение. Более того, иногда и ритмы одинаковой или близкой продолжительности также бывают вызваны разными причинами (Атлас временных вариаций). Понятно, что явления с одинаковой ритмической структурой могут быть никак не связанными причинно-следственными связями, поэтому к интерпретации ритмических сигналов в рядах разного просхождения следует подходить с осторожностью и прежде всего, учитывать физические процессы, которые могут объяснить ритмическое сходство разных рядов. Имея ввиду эти положения, мы лишь гипотетически можем объяснить происхождение ритмов, обнаруженных нами в дендрохронологических данных.
Самый длинный период - около 100 лет, обычно связывают с длиной солнечного цикла. Хотя в рядах длиной 300 лет этот цикл, возможно появляться как краевой эффект, присущий вейвлет-анализу, и таким образом является артефактом. Однако, этот период часто обнаруживается в дендросериях большей продолжительности. Так например, Кляшторин и Любушин (2005), изучая периодические флуктуации температуры по годичным кольцам сосны в Скандинавии за 1400 лет так же выявили 108-летний доминирующий период (рис.25). Скандинавия - наиболее близкий к исследуемому регион не только в пространственном, но и в климатическом отношении. Поэтому вероятность того, что 100-летний период - это не краевой эффект, а истинная периодичность в анализируемых рядах очень велика.
Рис.25. Спектр периодических флуктуаций температуры по кольцам арктической сосны за 1400 лет
11-ти летний цикл, который ярче всего проявился в хронологиях максимальной плотности, т.е. в рядах, отражающих температуру летнего времени года, с большой долей вероятности отражает именно влияние Солнечной активности. Доминирование этого сигнала в дендрохронологических рядах из самых разных районов хорошо известно и описано в соответствующей литературе (см. например, Fritts, 1976) На рис.26 показан Фурье и вейвлет-анализ ряда солнечной активности. На этих рисунках также виден доминирующий сигнал длиной 100 и 11 лет. Кроме того, здесь виден 60-ти летний цикл солнечной активности, который так же проявляется во всех наших хронологиях до 1850 года, а на Урале начиная с 1840 года.
Рис.26. Фурье и вейвлет-преобразование ряда солнечной активности
Известно, что на климат рассматриваемой территории существенное влияние оказывает так называемый North Atlantic Oscillation Index (индекс Северо-Атлантического колебания - разница высоты поверхности 500 гПа между пунктами в Исландии (64° с.ш., 24° з.д.) и вблизи Азорских островов (39° с.ш., 24° з.д.) за зимне-весенний период). Этот показатель является мерой активности западного переноса воздушных масс и поэтому крайне важен для формирования климата Европы и северной части России. Чтобы понять, какие периоды доминируют в этом индексе, приведём вейвлет-анализ ежегодного и сезонных (май-август, октябрь-апрель) индексов НАО (www.cpc.ncep.noaa.gov) (рис.27). Из диаграмм видно, что его основные периоды составляют примерно 5, 10-15, 20 и 40 лет.
Рис.27. Вейвлет-анализ ежегодного и сезонных индексов NAO (подписи см.рис.19)
Самое сильное сходство видно между индексом NAO за летний период (май-август) и ряда плотности по Карелии и Кольскому полуострову. В обоих рядах присутствуют периоды длиной 40, 20-22 и 5 лет. Схожесть индекса с хронологией севера и Урала проявляется только в цикле длиной порядка 20-ти лет. Следовательно, можно предположить, что этот индекс за летний период большее влияние оказывает именно на западную часть равнины, в то время как на север и на Урал в меньшей степени. Что касается индекса в зимний период, то здесь видно сходство со всеми тремя рядами плотности - везде присутствуют периоды 5, 10 и 20 лет. Так же замечено сходство индекса NAO в зимний период со всеми тремя хронологиями максимальной плотности в периодах длиной 20 и 10 лет, а на западе равнины ещё схожий и 5-ти летний цикл. Таким образом, если предположить, что периоды длиной 20 и 5 лет обусловлены влиянием Северо-Атлантического колебания, то этот индекс влияет именно на максимальную плотность, так как сильно выраженного сходства индекса за летний и зимний период с хронологиями ранней ширины не наблюдается.
Заключение
В ходе дипломной работы было:
1. Изучен метод дендрохронологии в обработке данных по ежегодному приросту древесины.
2. Освоены на практике лабораторные методы обработки образцов древесины.
3. Знакомство с международной дендрохронологической базой данных (National Climatic Data Centre).
4. Создан и структурирован массив данных, необходимых для дальнейшего анализа климата Русской равнины.
5. Проведён корреляционный анализ хронологий
6. Изучена связь метеоданных и хронологический рядов
7. Изучены основы метода вейвлет-анализа.
8. С помощью Фурье-, СВАН и вейвлет-анализа изучена ритмика региональных хронологий европейской части России.
В результате наших исследований мы установили, что по индикатору ранней ширины кольца все площадки лучше всего разбить на 4 региональные хронологии - Кольский полуостров, Карелия, Северная часть Русской равнины и Урал, а по максимальной плотности - на 3: Кольский полуостров с Карелией вместе, северная часть и Урал. Длина всех рядов - примерно 300 лет. Таким образом, мы получили 7 хронологий. Хронологии по максимальной плотности несколько лучше коррелируют между собой, чем по ранней ширине (средний коэффициент корреляции 0,51 против 0,41 соответственно при уровне значимости 95%). Более высокая корреляция максимальной плотности в пространстве скорее всего связана с тем, что после летних температур, от которой в основном зависит этот параметр, обычно мало изменчиво в пределах европейского севера России.
Корреляционный анализ показал, что максимальная плотность колец довольно сильно коррелирует с температурой летнего периода (май-август), коэффициент корреляции при этом составляет от 0,22 до 0,78. К сожалению, сказать то же самое о связи между ранней шириной и осадками в зимний период (октябрь-апрель следующего года) нельзя. Корреляция практически отсутствует, и нет никакого выраженного сезона, где бы она была бы постоянной. Таким образом, максимальная плотность отражает летнюю температуру, тогда как климатические параметры, определяющие прирост ранней древесины остались невыясненными. Гипотеза Кононова и др. о связи этого параметра с зимними осадками не подтвердилась. Однако, скоррелированность ширины ранней древесины на площадках, удаленных друг от друга на тысячу и более километров показывает, что такой общий внешний управляющий параметр(ы) существует. Сходство ритмической структуры рядов ширины ранней древесины и осадков зимы косвенно свидетельствует, что это в какой-то мере могут быть именно зимние осадки. Отсутствие непосредственной корреляции с метеоданными может быть вызвано большой пространственной изменчивостью снегонакопления и удаленностью метеостанций от мест отбора образцов.
Сопряженный анализ региональных хронологий, метеорологических данных, солнечной активности и Индекса Северо-Атлантического колебания был проведен с помощью вейвлет-преобразований, простого и оконного анализа Фурье (в работе он фигурирует как Спектрально-временной анализ - СВАН). Мы установили, что
· Хронологии ранней ширины колец хорошо отражают циклы только высокой продолжительности (40-100 лет), а хронологии максимальной плотности - ещё и более короткие циклы (5-20 лет).
· Во всех семи рядах присутствуют 100-летний цикл и 11-летний циклы которые, скорее всего, связаны с Солнечной активностью.
· Во всех рядах кроме Урала присутствует и сигнал 60-ти летней продолжительности примерно до 1850 годы, а на Урале он появился с 1840 года.
· Более высокочастотные сигналы 40, 20-22 и 5, обнаруженные в древесно-кольцевых хронологиях, скорее всего связаны с климатическими флуктуациями, вызванными колебаниями Северо-Атлантического Индекса, имеющего сходную ритмическую структуру.
· В целом, хронологии Кольского полуострова, Карелии и северной части Русской равнины демонстрируют большое сходство ритмического рисунка, Уральская - существенно от них отличается. Это согласуется с современными представлениями о климате севера европейской части России. В то время как на Урале периоды (не считая 100-летнего цикла), выявленные в хронологии ширины отличаются и по частоте и по временной локализации.
Список литературы
древесина вейвлет прирост
1. Шиятов С.Г. Ваганов Е.А., Кирдянов А.В., Круглов В.Б., Мазепа В.С., Наурзбаев М.М., Хантемиров Р.М. Методы дендрохронологии. Часть I. Основы дендрохронологии. Сбор и получение древесно-кольцевой информации, 2000.
2. Ваганов Е.А., Шиятов С.Г., Мазепа В.С. Дендроклиматические исследования в Урало-Сибирской Субарктике. - Новосибирск: Наука,1996.
3. Ваганов Е.А., Шишкин А.В. Рост и структура годичных колец хвойных. - Новосибирск: Наука, 2000.
4. Кляшторин Л.Б., Любушин А.А. Циклические изменения климата и рыбопродуктивности. - М.: Издательство ВНИРО, 2005
5. Briffa K.R., Osborn T.J., Schweingruber F.H. Large-scale temperature influence from tree rings. Global and planetary change 40 (2004).
6. Briffa K.F., Osborn T.J., Schweingruber F.H., Jones P.D., Shiyatov S.G., Vaganov E.A. Tree-ring width and density data around the Northern Hemisphere: Part 1, local and reginal climate signals.//The Holocene, 2002.
7. Briffa K.F., Schweingruber F.H., Jones F.N., Osborn T.J., Shiyatov S.G., Vaganov E.A. Reduced sensitivity of recent tree-growth to temperature at high northern latitudes.// Nature, 1998.
8. IPCC, 2007: Climate change: The Scientific Basis. Contribution of Working group 1 to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Houghton, J.T., Ding,Y., Griggs D.J et al. (eds).Cambridge, United Kindom and New York, USA, Cambridge University Press.
9. Cook E.R., A time series analysis approach to tree-ring standardization. The University of Arizona, 1985
10. Raspopov, O.M., Dergachev, V.A., Kolstrom, T. Periodicity of climate conditions and solar variability derived from dendrochronological and other paleoclimatic data in high latitudes. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 2004
11. Смоленцев Н.К. Основы теории вейвлетов. Вейвлеты в MATLAB. - М.: ДМК Пресс, 2005.
12. Воробьёв В.И., Грибунин В.Г. Теория и практика вейвлет-преобразования. - СПб: ВУС, 1999.
13. Астафьева Н.М. Вейвлет-анализ: основы теории и примеры применения. УФН, 1996. - Т.166. - №11.
14. Дремин И.М, Иванов О.В., Нечитайло В.А. Вейвлеты и их использование. УФН, 2001. - Т.177. - № 5
15. Дьяконов В.П., Абраменкова И.В. MATLAB. Обработка сигналов и изображений. Специальный справочник. - СПб.: Питер, 2002.
16. http://matlab.exponenta.ru/wavelet/index.php
17. http://www.oceanographers.ru/index.php?option=com_content&task=view&id=324&Itemid=53
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Пигментный состав хвои. Особенности влияния техногенного загрязнения воздушной среды на различных представителей хвойных: сосну обыкновенную и ель сибирскую. Анализ побегов сосны обыкновенной и ели сибирской из районов с разным уровнем загрязнения.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 23.02.2012Лесные пожары как процесс деградации природных экосистем под влиянием деятельности человека. Определение и классификация сукцессий, понятие лесных климаксных сообществ. Динамические ряды восстановления сосновых лесов после пожаров в Кандалакшском заливе.
курсовая работа [31,7 K], добавлен 01.05.2011Дистанционные методы сбора и регистрации информации с последующей обработкой полученных данных средствами цифровой техники. Методы исследования природных ресурсов. Понятие и задачи космического мониторинга окружающей среды. Анализ спутниковых систем.
реферат [16,5 K], добавлен 19.02.2016Характеристика основных этапов развития национальных природных парков России. Особенности современного этапа развития сети национальных природных парков. Перспективы и пути дальнейшего исторического развития национальных природных парков России.
курсовая работа [31,0 K], добавлен 20.10.2010Хвойные растения как индикаторы окружающей среды. Влияние температуры на морфофизиологические процессы хвойных растений на примере ели европейской. Изменение белков при повышении температуры. Влияние температуры на содержание пигментов фотосинтеза.
дипломная работа [1,7 M], добавлен 31.01.2018Особенности и достопримечательности некоторых представителей древесной флоры, их необычные размеры, форма и древний возраст. Научная ценность вековых деревьев. Проблемы охраны достопримечательных и мемориальных деревьев, крымских реликтовых дубрав.
реферат [22,3 K], добавлен 19.04.2010Организация лесопользования на европейском севере России. Эксплуатационная заготовка древесины, виды рубок, возобновления леса. Геоэкологическая характеристика Никольского района, источники загрязнения. Лесохозяйственные мероприятия и лесовозобновление.
дипломная работа [2,6 M], добавлен 09.11.2016Свойства природных вод. Антропогенное воздействие на гидросферу. Определение химических свойств природных вод. Химические показатели воды. Содержание тяжелых металлов в воде и донных отложениях озера "Яльчик". Обобщающие показатели качества воды.
курсовая работа [406,1 K], добавлен 02.10.2014Современное состояние, проблемы и перспективы охраны достопримечательных деревьев Крыма. Характеристика объектов природно-заповедного фонда АРК. Развитие, восстановление и закрепление экологического мышления простых людей, план инвентаризации дерева.
реферат [30,3 K], добавлен 19.04.2010Изучение природопользования - общественно-производственной деятельности, направленной на удовлетворение материальных, культурных потребностей общества путем использования различных видов природных ресурсов и природных условий. Особенности эко-мониторинга.
шпаргалка [48,8 K], добавлен 25.03.2010
