X-ray imaging and computed tomography of conifer tree rings for climatological purposes

This paper presents images of wood structure for various measurement regimes of X-ray microtomography. This is done by obtaining tomographic slices (iSee, CTvox), averaging them with the help of a statistical script called Adobe Photoshop, converting the average images into multidimensional data sets, and then averaging the image profiles (OriginCalc) to finally obtain a two-dimensional array of dendrochronological series of tree-ring density. The results of measurements are checked by a weight method to confirm the reliability of the data processing algorithm. For dendrochronological measurements of the ring density, it is shown that, depending on the width, two modes can be used: 80-µm (for wide rings) and 30-µm (for narrow rings). A measurement mode of less than 10-µm is used to display the structure of the wood inside a ring. The results of XCT-density measurements performed with an 8-µm resolution are given to assess the daily changes in wood density during the growing season

Probabilistic-statistical models of the dynamics of climatic changes in the Altai Mountains

A probabilistic-statistical parameterization of time series characterizing geological and climatic processes allows determining some regularities by an autocorrelation analysis of signals which differ in nature. The use of the autocorrelation method for analyzing data related to solar and tectonic activity and characterizing the level of stratospheric ozone (total ozone content), hydrothermal regimes (De Martonne aridity index), and wood structure (maximum density of annual rings) allows us to find regularities in time series of various natural processes. Data on the maximum density of Siberian larch trees growing in the Altai Mountains made it possible to calculate the past changes in total ozone content and the aridity index in the Altai Mountains from 1900 to 2014 based on some similarities in the series and a separation of a dendrochronological signal into its main components

Trends of climatic changes in density of year rings

Актуальность исследования обусловлена необходимостью сохранности лесных зон и развития лесной индустрии в целом. Цель: использование многолетних трендов исследуемых характеристик: плотности годичных колец, изменений общего содержания озона в атмосфере и индекса аридности де Мортона для оценки климатических изменений; разложение дендрохронологического сигнала на компоненты, связанные с отдельными факторами. Объекты: временные ряды общего содержания озона в атмосфере, плотность годичных колец и индекс аридности де Мортона. Методы: анализ временных рядов, спектральный сингулярный анализ (метод «Гусеница», F-критерий). Результаты. Был выполнен анализ дендрохронологических и климатических данных в двух численных экспериментах (Data Mining). Это позволило получить информацию для прогноза условий годичного прироста хвойных и связать отдельные компоненты дендрохронологического сигнала с воздействием определенных факторов (температура, осадки, ультрафиолет-B радиация или УФ-В и др.). Использование метода «Гусеница» в сочетании с предварительно выполненным факторным анализом дисперсии дендрохронологических рядов помогает выделить климатическую и УФ-В чувствительную (радиационную) компоненты в отдельные временные ряды. Мы можем использовать полученные компоненты для долгосрочного прогнозирования плотности древесины. Сигналы УФ-B радиации (общего содержания озона) и климатический - для реконструкции и прогноза атмосферных характеристик (общего содержания озона, индекса аридности де Мортона). Уравнения нелинейных трендов максимальной плотности годичных колец, общего содержания озона, индекса аридности де Мортона также позволяют получить достоверный прогноз условий формирования годичных колец и плотности древесины, но на меньший период, так как в них не учитывается цикличность климатических процессов.The relevance of the research is caused by the need to conserve forest zones and to develop forest industry. The main aim of the research is to use long-term trends in characteristics under study such as density of annual rings, changes in total ozone in the atmosphere and the de Martonne aridity index for assessing climate change. In addition, another aim of the study is to de-compose the dendrochronological signal into components associated with individual factors. Objects of the research are time series of the total ozone content in the atmosphere, density of annual rings and the de Martonne aridity index. Methods: time series analysis, spectral singular analysis (Caterpillar-SSA method), F-criterion. Results. The authors have analyzed the dendrochronological and climatic data in two numerical experiments (Data Mining). This allowed obtaining the information for the forecast of annual growth of coniferous trees and linking the individual components of the dendrochronological signal with the influence of certain factors (temperature, precipitation, ultraviolet-B radiation, etc.). The use of the Ca-terpillar-SSA method in combination with previously made factor analysis of the dispersion of the dendrochronological series helps allocate climatic and sensitive to ultraviolet-B radiation components in separate time series. The obtained components can be used for longterm prediction of wood density. Ultraviolet-B radiation (total ozone content) and climate signal can be used for reconstruction and prediction of atmospheric characteristics (total ozone content, the de Martonne aridity index). Equations of nonlinear trends of maximum density of annual rings of coniferous trees, of total ozone content, of the de Martonne aridity index also allow obtaining a reliable prediction of the conditions of formation of annual rings and wood density, but for a shorter period, as they do not consider the cyclicity of climatic processes

Analysis of trigonometric components of time series of environmental monitoring data

Актуальность. Прогноз состояния природных ресурсов и изменений климата всегда актуален, так же, как и поиск новых математических подходов. Анализ дендрохронологических и климатических временных рядов дает важную информацию для описания этих рядов, понимания, а также предсказания поведения рядов, характеризующих годичный прирост лесов, протекающих в них экологических процессов, а также климата в целом. Работы такого плана полезны и связаны с необходимостью сохранения заповедных лесных зон и развития лесной индустрии в целом. Цель: прогнозирование природных ресурсов и климата на основе выделения и использования многолетних трендов и тригонометрических составляющих известных характеристик: плотности годичных колец, изменений общего содержания озона в атмосфере, влияющего на уровень УФ-В радиации или УФ-В, и индекса аридности де Мортона, содержащего информацию о температуре и влажности лесных зон; представление исходных временных рядов в аддитивной форме в аналитическом виде. Объекты: временные ряды общего содержания озона в атмосфере, плотности годичных колец и индексов аридности де Мортона. Методы: анализ временных рядов (декомпозиция временного ряда, идентификация параметров модели, прогнозирование временного ряда), статистический анализ (F-критерий, [chi]{2}- критерий Пирсона). Результаты. Произведен анализ дендрохронологических и климатических данных на предмет наличия тригонометрической компоненты. Это дало возможность получить сведения для прогноза температуры, осадков, УФ-В и др. Получены аналитические выражения для тригонометрических составляющих максимальной плотности годичных колец, общего содержания озона, индекса аридности де Мортона. Совокупность тригонометрической составляющей и тренда позволяет получить достоверный прогноз и реконструкцию условий формирования годичных колец и плотности древесины. Прогнозные модели аппроксимации временных рядов тригонометрическим полиномом могут конкурировать с прогнозными моделями временных рядов спектрально-сингулярного разложения ("Гусеница").The relevance. The forecast of the state of natural resources and climate change is always relevant, as well as the search for new mathematical approaches. Analysis of dendrochronological and climate time series provides important information for describing these series, understanding, and predicting the behavior of these series. Therefore, the relevance of the study is caused not only by the need to predict the growth of trees, forecasting environmental processes, climate in general, but also by the need to preserve forest zones and develop the forest industry as a whole. The main aim of the research is to identify and use long-term trends and trigonometric components of the studied characteristics: the density of annual rings, changes in the total ozone content in the atmosphere and the De Martonne aridity index to assess climate change. The original time series are presented in additive form in analytical one. Objects of the research are time series of the total ozone content in the atmosphere, density of annual rings and the De Martonne aridity index. Methods: time series analysis, statistical analysis, F-criterion. Results. The analysis of dendrochronological and climatic data for the presence of trigonometric components is produced. This made it possible to obtain information for the forecast of temperature, precipitation, ultraviolet-B radiation, etc. Analytical expressions for trigonometric components of maximum density of annual rings, total ozone content, De Martonne aridity index are obtained. The combination of the trigonometric component and the trend allows us to obtain a reliable forecast of the conditions for the formation of annual rings and the density of wood. The resulting model will provide a prediction of the value of a variable (UV-B radiation, the maximum density of annual rings or the De Morton aridity index) at unobserved moments of time

Reconstruction of changes in stratospheric ozone in the taiga forests based of the singular spectral analysis

Актуальность. Проблема снижения уровня стратосферного озона и интерес к его прошлым изменениям связаны с происходящим при этом увеличением дозы ультрафиолетовой радиации в коротковолновом диапазоне, достигающей поверхности Земли. Реконструкция и прогноз долгопериодных колебаний исследуемых параметров могут быть осуществлены при помощи метода множественной регрессии по данным плотности годичных колец хвойных. Чтобы расширить базу экспериментальных данных, проводятся поисковые работы по измерению новых характеристик годичных колец, а также уточняется математический аппарат методик предварительной обработки данных, анализируются связи биоиндикаторов с атмосферными параметрами, и разрабатываются новые модели их прогноза. Реконструкция исторических изменений атмосферных характеристик может быть рассмотрена в контексте перспективы искусственного восстановления лесных ресурсов. Цель: рассмотреть методику реконструкции общего содержания озона на основе разработанной многокомпонентной сингулярной спектральной модели отклика древесины годичных колец хвойных на изменения атмосферных параметров. Объекты. В течение сезона роста у деревьев формируется древесная структура годичных колец со свойствами композиционного материала. Каждая из компонент годичного кольца: углеродсодержащая матрица, вода и углекислый газ, содержит отклики на изменения условий окружающей среды. На основе многокомпонентной модели суммарные отклики годичных колец, полученные при помощи программного обеспечения Caterpillar SSA 3.40, могут быть использованы для реконструкции изменений общего содержания озона в зонах с оптимальными условиями роста хвойных в отличие от зон с доминированием температурного фактора. Методы: дендрохронологический метод; сингулярный спектральный анализ; эконометрические методы анализа временных рядов; интеллектуальный анализ данных; имитационное моделирование. Результаты. Достоверность разработанной модели откликов годичных колец хвойных на изменения атмосферных параметров подтверждается на выборке эргодичных хронологий компонент древесины. Критерий Дарбина-Уотсона позволяет выделить группу хронологий, в моделях которых отсутствует автокорреляция возмущений. Использование модели суммарных откликов для трех компонент древесины существенно повышает достоверность реконструкции исследуемых атмосферных параметров для таежной зоны с оптимальными условиями для годичного прироста деревьев. Данные реконструкции общего содержания озона для таежной зоны Томского области позволяют сделать вывод, что, несмотря на рост уровня озона в стратосфере, изменения общего содержания озона не вернулись к своим средним историческим значениям, уровень УФ-В по-прежнему высок, но, тем не менее, территория и современный период являются благоприятными для лесопосадок.The relevance. The problem of reducing the level of stratospheric ozone and the interest in its past changes are associated with the increase in the dose of ultraviolet radiation in the short-wave range reaching the Earth's surface. Reconstruction and prediction of longperiod fluctuations of the studied parameters can be carried out using the method of multiple regression according to the density of annual growth rings of conifers. In order to expand the experimental data base, exploratory work is being carried out to measure new characteristics of annual growth rings, as well as the mathematical apparatus of data preprocessing techniques is being refined, the connections of bioindicators with atmospheric parameters are being analyzed and new models of their prediction are being developed. Reconstruction of historical changes in atmospheric characteristics can be considered in the context of the prospect of artificial restoration of forest resources. The aim of the research is to discuss a technique for reconstructing the total ozone content based on a multicomponent singular spectral model of the response of conifers annual growth rings. Objects. During the growing season, trees form a woody structure of annual growth rings with the properties of a composite material. Each of the components of the annual growth rings such as a carbon-containing matrix, water and carbon dioxide contains responses to changes in environmental conditions. On the basis of a multicomponent model, the total responses of annual rings obtained using the Caterpillar SSA 3.40 software can be used to reconstruct changes in the total ozone content in zones with optimal coniferous growth conditions, as opposed to zones with dominance of the temperature factor. Methods: dendrochronological method; singular spectral analysis; econometric methods of time series analysis; data mining; simulation modeling. Results. The reliability of the model of responses of coniferous annual growth rings to changes in atmospheric parameters is confirmed by a sample of ergodic chronologies of wood components. The Durbin-Watson statistic makes it possible to identify a group of chronologies in whose models there is no autocorrelation of perturbations. The use of the cumulative response model for three wood components significantly increases the reliability of the reconstruction of the studied atmospheric parameters for the taiga zone with optimal conditions for annual tree growth. The data of the reconstruction of the total ozone content for the taiga zone of the Tomsk region allow us to conclude that despite the increase in the ozone level in the stratosphere, the changes in the total ozone content have not returned to their average historical values, the level of UV-B is still high, but nevertheless the territory and the modern period are favorable for forest plantations