Dzuds, droughts, and livestock mortality in Mongolia

Recent incidences of mass livestock mortality, known as dzud, have called into question the sustainability of pastoral nomadic herding, the cornerstone of Mongolian culture. A total of 20 million head of livestock perished in the mortality events of 2000–2002, and 2009–2010. To mitigate the effects of such events on the lives of herders, international agencies such as the World Bank are taking increasing interest in developing tailored market-based solutions like index-insurance. Their ultimate success depends on understanding the historical context and underlying causes of mortality. In this paper we examine mortality in 21 Mongolian aimags (provinces) between 1955 and 2013 in order to explain its density independent cause(s) related to climate variability. We show that livestock mortality is most strongly linked to winter (November–February) temperatures, with incidences of mass mortality being most likely to occur because of an anomalously cold winter. Additionally, we find prior summer (July–September) drought and precipitation deficit to be important triggers for mortality that intensifies the effect of upcoming winter temperatures on livestock. Our density independent mortality model based on winter temperature, summer drought, summer precipitation, and summer potential evaporanspiration explains 48.4% of the total variability in the mortality dataset. The Mongolian index based livestock insurance program uses a threshold of 6% mortality to trigger payouts. We find that on average for Mongolia, the probability of exceedance of 6% mortality in any given year is 26% over the 59 year period between 1955 and 2013

Past and future drought in Mongolia

The severity of recent droughts in semiarid regions is increasingly attributed to anthropogenic climate change, but it is unclear whether these moisture anomalies exceed those of the past and how past variability compares to future projections. On the Mongolian Plateau, a recent decade-long drought that exceeded the variability in the instrumental record was associated with economic, social, and environmental change. We evaluate this drought using an annual reconstruction of the Palmer Drought Severity Index (PDSI) spanning the last 2060 years in concert with simulations of past and future drought through the year 2100 CE. We show that although the most recent drought and pluvial were highly unusual in the last 2000 years, exceeding the 900-year return interval in both cases, these events were not unprecedented in the 2060-year reconstruction, and events of similar duration and severity occur in paleoclimate, historical, and future climate simulations. The Community Earth System Model (CESM) ensemble suggests a drying trend until at least the middle of the 21st century, when this trend reverses as a consequence of elevated precipitation. Although the potential direct effects of elevated CO2 on plant water use efficiency exacerbate uncertainties about future hydroclimate trends, these results suggest that future drought projections for Mongolia are unlikely to exceed those of the last two millennia, despite projected warming

Strip‐Bark Morphology and Radial Growth Trends in Ancient Pinus sibirica Trees From Central Mongolia

Some of the oldest and most important trees used for dendroclimatic reconstructions develop strip‐bark morphology, in which only a portion of the stem contains living tissue. Yet the ecophysiological factors initiating strip bark and the potential effect of cambial dieback on annual ring widths and tree‐ring estimates of past climate remain poorly understood. Using a combination of field observations and tree‐ring data, we investigate the causes and timing of cambial dieback events in Pinus sibirica strip‐bark trees from central Mongolia and compare the radial growth rates and trends of strip‐bark and whole‐bark trees over the past 515 years. Results indicate that strip bark is more common on the southern aspect of trees, and dieback events were most prevalent in the 19th century, a cold and dry period. Further, strip‐bark and whole‐bark trees have differing centennial trends, with strip‐bark trees exhibiting notably large increases in ring widths at the beginning of the 20th century. We find a steeper positive trend in the strip‐bark chronology relative to the whole‐bark chronology when standardizing with age‐dependent splines. We hypothesize that localized warming on the southern side of stems due to solar irradiance results in physiological damage and dieback and leads to increasing tree‐ring increment along the living portion of strip‐bark trees. Because the impact of cambial dieback on ring widths likely varies depending on species and site, we suggest conducting a comparison of strip‐bark and whole‐bark ring widths before statistically treating ring‐width data for climate reconstructions

Feuer- und Bestandesdynamik in verschiedenen Waldgesellschaften des West Khentey Gebirges, Mongolei

Die vorgelegte Forschungsarbeit beschäftigt sich vorwiegend mit der Rekonstruktion historischer Feuerregime und der Bestandesstruktur und -dynamik verschiedener Waldgesellschaften im nordwestlichen Khentey Gebirge, Mongolei. Hierbei wurden die Baumartenzusammensetzung, Regeneration, radiale Durchmesserzuwächse und die Zusammensetzung sowie der Zustand des stehenden und liegenden Totholzes analysiert. Die Waldtypen der dunklen Taiga, Pinus sibirica-Abies sibirica (PiSi-AbSi) Wälder und Picea obovata-Abies sibirica (PcOb-AbSi) Wälder, wiesen eine artenreichere Baumartenzusammensetzung und eine höhere Durchmesserdifferenzierung im Vergleich zu den lichten Larix sibirica-Betula platyphylla (LaSi-BePl) und Pinus sylvestris-Larix sibirica (PiSy-LaSi) Wäldern auf. Die Bestandeskomplexität in Waldtypen der dunklen Taiga ist somit höher als diese von Waldtypen der lichten Taiga.Zusammenfassend wird festgehalten, dass alle Hauptbaumarten in den jeweiligen Waldtypen vorkamen, sich jedoch in ihrem jeweiligen Anteil am Gesamtbestand (Importance Value IV) unterscheiden. PiSi-AbSi Wälder wiesen einen hohen Anteil an P. sibirica und A. sibirica Verjüngung auf, so dass weiterhin mit einer zukünftigen Dominanz dieser Baumarten im Hauptbestand gerechnet werden kann.Andere Baumarten wie P. obovata und B. platyphylla, verfügten nur über einen geringen Anteil im Hauptbestand und in der Verjüngung. In PcOb-AbSi Wäldern hatte P. obovata nur einen Anteil von 5,8 % an der Gesamtverjüngung, A. sibirica hingegen einen Anteil von 53,3% und P. sibirica 31,7 %. Selbst B. platyphylla wies mit 9,2% einen höheren Anteil an der Verjüngung auf als P. obovata.In LaSi-BePl Wäldern stellte L. sibirica 54,3% des Hauptbestandes, jedoch nur einen 22,4% Anteil in der Verjüngung. B. platyphylla stellte mit 77,6% den größten Anteil in der Verjüngung, mit einer regelmäßigen Verteilung über die Höhenklassen. PiSy-LaSi Wälder wiesen eine hohe Anzahl von P. sylvestris in der Verjüngung auf, gefolgt von B. platyphylla mit 15,4% und L. sibirica mit 11,5%.In den P. sibirica dominierten Wäldern mit ihrer kontinuierlichen Dominanz der Hauptbaumarten ist anzunehmen, dass diese Wälder in den letzten 200 Jahren keinen größeren Waldbränden ausgesetzt waren. Aufgrund des heterogenen Bestandesaufbaus und lichten Kronendaches findet sich eine hohe Artenvielfalt, die durch verschiedene Lichtregime und damit einhergehende thermale Unterschiede noch verstärkt wird.In LaSi-BePl Wäldern ist B. platyphylla nur während der ersten sieben bis zwölf Jahrzehnte häufig anzutreffen, danach kommt es zu einer Dominanz von P. sylvestris und L. sibirica. Die diskontinuierliche, wellenförmige Rekrutierung der Verjüngung in diesen Beständen lässt darauf schließen, dass bedeutende Störungen alle 40-60 Jahre auftreten. In PiSy-LaSi Wäldern findet eine kontinuierlich Verjüngung von P. sylvestris ohne Artverschiebungen statt, welche sich möglicherweise durch die trockeneren Standortbedingungen erklären lässt. Für diese Bestände lässt sich eine wellenförmige Rekrutierung der Verjüngung alle 20-40 Jahre feststellen.Zur Ermittlung des Wuchsverhaltens wurden Jahrringchronologien für alle Baumarten erstellt. Ein starker Zuwachsrückgang bei P. sylvestris korreliert mit Feuerereignissen verschiedener Jahre (1790, 1822, 1866, 1905, 1929, 1948, 1954, 1972, 1981, 1996 und 2009).Für alle Populationen (P. sibirica, A. sibirica, P. obovata, L. sibirica und P. sylvestris) wurden die Reaktionen auf klimatische Gegebenheiten bestimmt. Dies erfolgte durch Korrelation der Gesamtchronologie mit einem 17-monatigen Klimafenster von April bis August des jeweiligen Wuchsjahres. Die Korrelationsanalyse der fünf Baumarten ergab sehr differenzierte Reaktionen, die wahrscheinlich hauptsächlich auf die unterschiedliche Höhenlage, Topographie und das Mikroklima der Standorte zurückzuführen ist. Andererseits wurden verschiedene klimatische Variablen identifiziert, die mit dem Wachstum von Baumarten (P. sibirica, A. sibirica, and P. obovata) korrelierten. Diese Korrelationen treten bei Baumarten mit höherem Feuchtigkeitsbedürfnissen, wahrscheinlich aufgrund eines von klimatischen Faktoren unabhängigeren Wachstums auf. P. sylvestris zeigte deutliche Reaktionen in Bezug auf Niederschlags-, Schmelzwasser- und Trockenstresskennzahlen. In Hinblick auf die Analyse von Wachstum in Bezug auf klimatische Faktoren bieten sich P. sylvestris und L. sibirica als geeignete Arten für weitere klimabezogene Analysen im Untersuchungsgebiet an.Die durchschnittlichen Feuerintervalle unterschieden sich deutlich zwischen Waldtypen der dunklen Taiga und der hellen Taiga. Das durchschnittliche Feuerintervall betrug 46 Jahre (17,4-62 Jahre) in PiSi-AbSi Wäldern und 39 Jahre (15,8-68,5 Jahre) in PcOb-AbSi Wäldern, während die Feuerintervalle von LaSi-BePl und PiSy-LaSi Wäldern deutlich kürzer waren. Die Saisonalität der Feuerereignisse zeigte keine Unterschiede zwischen den einzelnen Waldtypen

Impacts of climate and tree morphology on tree-ring stable isotopes in central Mongolia

Recent climate extremes in Mongolia have ignited a renewed interest in understanding past climate variability over centennial and longer time scales across north-central Asia. Tree-ring width records have been extensively studied in Mongolia as proxies for climate reconstruction, however, the climate and environmental signals of tree-ring stable isotopes from this region need to be further explored. Here, we evaluated a 182-year record of tree-ring δ13C and δ18O from Siberian Pine (Pinus sibirica Du Tour) from a xeric site in central Mongolia (Khorgo Lava) to elucidate the environmental factors modulating these parameters. First, we analyzed the climate sensitivity of tree-ring δ13C and δ18O at Khorgo Lava for comparison with ring-width records, which have been instrumental in reconstructing hydroclimate in central Mongolia over two millennia. We also compared stable isotope records of trees with partial cambial dieback ('strip-bark morphology'), a feature of long-lived conifers growing on resource-limited sites, and trees with a full cambium ('whole-bark morphology'), to assess the inferred leaf-level physiological behavior of these trees. We found that interannual variability in tree-ring δ13C and δ18O reflected summer hydroclimatic variability, and captured recent, extreme drought conditions, thereby complementing ring-width records. The tree-ring δ18O records also had a spring temperature signal and thus expanded the window of climate information recorded by these trees. Over longer time scales, strip-bark trees had an increasing trend in ring-widths, δ13C (and intrinsic water-use efficiency, iWUE) and δ18O, relative to whole-bark trees. Our results suggest that increases in iWUE at this site might be related to a combination of leaf-level physiological responses to increasing atmospheric CO2, recent drought, and stem morphological changes. Our study underscores the potential of stable isotopes for broadening our understanding of past climate in north-central Asia. However, further studies are needed to understand how stem morphological changes might impact stable isotopic trends.Peer reviewe

Evaluation of Tree Growth Relevant Atmospheric Circulation Patterns for Geopotential Height Field Reconstructions for Asia

Atmospheric circulations influence local and regional weather conditions and, thus, tree growth. To identify summer weather types relevant for tree growth, and their associated synoptic-scale circulation patterns, an atmospheric circulation tree ring index (ACTI) dataset, derived from 414 tree-ring sites across Asia spanning the period 1871–2010, was created. Modes of common variability in the ACTI dataset were compared with leading modes of observed summertime 500-hPa geopotential height. The first four ACTI modes (explaining 88% of the total variance) were associated with pressure centers over Eurasia, the tropics, and the Pacific Ocean. The high spatiotemporal resemblance between the leading circulation modes, derived from both tree rings and 500-hPa geopotential height fields, indicates a strong potential for reconstructing large-scale circulation patterns from tree rings in Asia. This would allow investigations of natural atmospheric circulation variability prior to anthropogenic climate change and provide a means to validate model simulations of climate predictions. </jats:p