Сравнительный анализ ритмической структуры региональных хронологий и рядов некоторых природных факторов

Для изучения ритмической структуры рядов хронологий и природных факторов мы использовали несколько методов спектрального анализа, в том числе СВАН, вейвлет-анализ и структурную функцию. Использование независимых методов позволяет увеличить достоверность выделенных ритмов.

Для сопоставления с рядами хронологий привлекались ряды природных факторов, потенциально влияющих на вариации прироста годичных колец: температуры воздуха, осадков (зарегистрированных ближайшими к рассматриваемым регионам метеостанциями (гмс) Архангельск, Санкт-Петербург, Усть-Цильма и Чердынь), солнечной активности. Принимая во внимание тот факт, что неравномерность вращения Земли обусловлена процессами, протекающими в атмосфере, гидросфере, лунно-солнечными приливами и пр., этот параметр также рассматривался как «условно потенциальный».

Анализ ритмической структуры региональных хронологий ширины ранней древесины и максимальной плотности колец (рис. 8.1) показал, что во всех хронологиях (продолжительность анализируемых рядов около 300 лет) присутствует ритм с периодом около 100 лет. Мы выделяем его всеми упомянутыми выше методами спектрального анализа, он имеет значительную амплитуду, поэтому можно считать его уверенно выделенным. Отметим, что он проявляется и в более длинных дендрохронологических сериях.

В работе 108-летний доминирующий период был выявлен в результате изучения периодических флуктуации температуры по годичным кольцам сосны в Скандинавии за 1400 лет. Помимо этого ритма в вариациях рядов хронологий присутствует большое число более короткопериодных ритмов, общая структура которых и некоторые их индивидуальные особенности рассматриваются ниже.

В структуре рядов ширины и плотности древесины есть сходные черты и различия. Корреляционный анализ рядов, составленных из значений структурных функций, приведенных на графиках (рис. 8.1-8.6), позволяет более наглядно их продемонстрировать. Как показывает анализ, скоррелированность структуры рядов ширины и плотности древесины зависит от того, какой интервал периодов мы рассматриваем - весь спектр периодов (Т = 1-139 лет) или его короткопериодную часть (Т = 1-60 лет).

В интервале периодов 1-139 лет наблюдается большее сходство между структурой рядов ширины и плотности древесины для Кольского полуострова и северной части Русской равнины, чем у тех же рядов для Урала и Карелии, коэффициенты корреляции соответственно 0.57, 0.5 и 0,13, 0,04. Для более короткопериодных ритмов (Т = 1-60 лет) корреляция для большинства регионов заметно лучше, соответственно: 0.70, 0.75 и 0.15, 0.56. Это, по-видимому, означает, что существует некий сигнал в интервале периодов Т = 1-60 лет, который формирует сходные черты обоих рассматриваемых параметров, и длиннопериодный сигнал, на который они реагируют по-разному. Эта закономерность, присущая всем районам, кроме Урала, наиболее ярко выражена для Карелии.

Анализ коэффициентов корреляции структуры рядов ширины древесины для четырех выделенных регионов и двух приведенных выше интервалов периодов (см. табл.) позволяет сделать следующие выводы. Различия локальных хронологий ширины ранней древесины, которые послужили основанием для формирования из них четырех региональных, относятся в большей степени к длиннопериодным вариациям параметра. Особенно сильно различаются длиннопериодные составляющие рядов Кольского полуострова и Карелии, это может быть связано с разной реакцией этих региональных хронологий на какой-то формирующий их длиннопериодный сигнал.

Для плотности древесины такой закономерности нет. Обращает на себя внимание отсутствие корреляции структуры рядов плотности древесины Урала и Кольского полуострова и Карелии, что может быть связано как с наличием на Урале каких-то локальных природных факторов, формирующих вариации плотности колец, так и с индивидуальной реакцией этой экологической системы на воздействие общих для всей рассматриваемой территории природных факторов.

Попытаемся оценить, какие из потенциально влияющих на ширину и плотность колец природных факторов формируют общие черты, а какие - их региональные особенности. Начнем с климатических факторов (рис. 8.2). Используя программный пакет DendroClim2002, для нескольких локальных и семи региональных хронологий была построена так называемая функция отклика на количество среднемесячных осадков и температуру воздуха на ближайших метеостанциях. Оказалось, что максимальная плотность древесины как для локальных, так и для региональных хронологий устойчиво коррелирует с летней температурой, что не противоречит результатам, полученным другими авторами.

(a)
Т, лет	Карелия-Кольский	Кольский-Север		Север-Урал	Кольский-Урал	Карелия-Север	Карелия-Урал
1-149	0.17	0.52		0.77	0.43	0.58	0.51
1-60	0.87	0.80		0.88	0.64	0.81	0.67
(б)
Т, лет	Кольский и Карелия-Север		Север-Урал			Кольский и Карелия-Урал
1-149	0.23		0.50			0.074
1-60	0.57		0.39			0.056

Функции отклика для ширины кольца ранней древесины на осадки и температуру, хаотичны и не дают представления о том, какой из климатических факторов оказывает господствующее влияние на этот параметр.

Сходные результаты дал и корреляционный анализ рядов, составленных из значений структурных функций хронологий и метеофакторов в интервале периодов Т = 1-45 лет. Коэффициенты корреляции структуры рядов плотности древесины и температуры воздуха для Кольского полуострова и Карелии, северной части Русской равнины и Урала составили соответственно 0.51, 0.39, 0.73. Рис. 8.3 демонстрирует синхронность (с точностью до 1-3 лет) появления и исчезновения одних и тех же ритмов в рядах плотности древесины и температуры, что более достоверно, чем просто выделение общих ритмов в этих рядах, может свидетельствовать в пользу существования причинно-следственной связи между рассматриваемыми параметрами.

Что касается рядов ширины кольца ранней древесины, то корреляционный анализ структуры этих рядов и температуры не дал положительных результатов, коэффициенты корреляции для всех регионов очень низкие. При этом обращает на себя внимание высокая корреляция структуры рядов ширины древесины и зимних осадков (Т = 1-45 лет) для регионов Севера и Урала (r = 0.6 и 0.84 соответственно), для западных регионов корреляция этих рядов слабая (r = 0.34 для Карелии и 0.16 для Кольского полуострова).

Отметим, что реконструкции осадков для северных районов по годичным кольцам деревьев крайне редки, поскольку лимитирующим фактором в этих условиях в подавляющем большинстве случаев является летняя температура. Оригинальную попытку реконструировать осадки на основе дендрохронологических данных Швейнгрубера на Полярном Урале предпринял Ю.М. Кононов с соавторами. Они показали, что ширина колец ранней древесины положительно коррелирует с осадками холодного периода, однако насколько устойчива эта связь, оставалось неясным из-за ограниченности привлеченного материала и не совсем ясного экологического обоснования такой связи. Таким образом, полученные нами результаты хоть и не проливают свет па природу этой связи, но свидетельствуют в пользу ее существования.