以臺灣中部雲杉樹輪重建三百年古氣候：利用傳統樹輪及總體經驗模態分解法

陳姿彤

doi:10.6342/NTU.2011.01116

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以台湾中部云杉树轮重建三百年古气候：利用传统树轮及总体经验模态分解法

300-year dendroclimatic reconstructions based on conventional methods and Ensemble Empirical Mode Decomposition using Picea morrisonicola tree rings from central Taiwan

陈姿彤 , 硕士　　导师：魏国彦　　共同指导教授：李红春

繁体中文 DOI： 10.6342/NTU.2011.01116

树轮气候学；台湾云杉；总体经验模态分解法；最高温；日较温差； dendrochronology ； Picea morrisonicola ； Ensemble Empirical Mode Decomposition (EEMD) ； maximum temperature ； diurnal temperature range

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摘要 │ 被引用文献 (1) │ 国际计量

摘要〈TOP〉

本研究以塔塔加山区的台湾云杉 (Picea morrisonicola) 树轮宽度资料建立轮宽年表，作为探讨过去气候变化的依据，结果重建了 373 年 (1636-2008) 的树轮宽度年表。根据气候对树木生长影响机制，将树轮宽度与气候因子进行相关及反应函数分析，结果显示晚材轮宽主要反映阿里山 7-9 月平均最高温 (maximum temperature, Tmax)；而早材轮宽主要反映 4-6 月日较温差 (Diurnal Temperature Range, DTR)。

为了改善传统树轮年表建立方法 (ARSTAN) 中，主观去除树木生长趋势的问题，本研究以黄锷院士在 1998 年所提出「希尔伯特—黄转换 (Hilbert-Huang Transform, HHT) 」中之总体经验模态分解法 (Ensemble Empirical Mode Decomposition, EEMD) 法作为建立年表的替代方法，将树轮宽度序列分解为具有不同频率讯息的分量，并以与气候反应最佳的分量组合做为新的分量总和年表，提供一个有别於传统树轮建立年表的替代方法。EEMD 与 ARSTAN 年表所重建之 Tmax 与 DTR 皆通过重建模式技巧检测且结果相似，但 EEMD 总和年表在 DTR 重建上结果较佳。

由修正晚材残差年表所重建之阿里山山区过去 373 年的 7-9 月 Tmax，重建结果可解释观测期间 (1951-2008) 7-9 月 Tmax 之 23% 变异 (r=0.48)，并显示几个较明显的暖期，分别是 1718-1726、1908-1916 与 2002-2008。由 NCEP/NCAR 再分析资料显示 Tmax 反映台湾夏季受西太平洋夏季季风 (Western North Pacific Summer Monsoon, WNPSM) 的影响，在少雨年时，WNPSM 其中一个环流系统—西太平洋副热带高压 (Western Pacific Subtropical High, WPSH) 规模扩大并往西延伸，阻挡西南气流及梅雨锋面，并伴随着东海的反气旋活动，因而产生异常温暖且乾燥的夏季，并对应到较大轮宽发生的年份。此外，重建的 Tmax 中最温暖的 10 年有 8 年与 El Niño 事件的年份相符合，表现出台湾夏季 Tmax 与 ENSO 活动的关联性。

以早材 IMF 总和年表重建之阿里山山区过去 373 年 4-6 月日较温差 (DTR) 可解释观测期间 (1934-2000) DTR 之 28% 变异 (r=0.53)。阿里山日照时数与 DTR 的变化趋势一致 (r=0.87)，而日照时数减少是日间云层覆盖量增加的结果，由 DTR 与云量间显着的负相关，可证实阿里山山区 DTR 的变小确实与增加的中高云量有关。此外，重建之 DTR 显示过去地表接受到的太阳辐射量变化周期约为 28 年；可反映其变化所引起的 global dimming/brightening 及推测 DTR 开始大幅变化的起始时间点。

并列摘要〈TOP〉

Virtually very little dendrochronology data have been reported internationally from Taiwan, despite the existence of many dendrochronologically appropriate tree species. In this study, the potential for reconstruction of local paleoclimate was investigated using multi-century tree-ring chronologies developed from Picea morrisonicola (the endemic Taiwan Spruce). Signiﬁcant correlations were found against the mean April-June diurnal temperature range (DTR) and against the mean July-September maximum temperature (Tmax). Both of these climate parameters were reconstructed based on the regression relationships.

In a related study, a new frequency decomposition method called empirical mode decomposition (EMD), one part of the Hilbert-Huang Transform (HHT), was investigated as an alternative to standard methods of chronology generation in terms of climate signal. A noise assisted version of EMD called ensemble empirical mode decomposition (EEMD) was used to decompose the tree-ring time series into a series of quasi-periodic modes from high to low frequency. Consecutive modes were combined from high to low frequency and compared with the climate data. The combination with the most significant climate relationships was then used to reconstruct the climate parameters. As with the reconstructions using traditional methods of chronology generation, statistics from the reconstructions of DTR and Tmax also passed tests for model skill. The reconstruction statistics and variance explained were similar for both methods of chronology generation, with EEMD chronology having better results in the DTR reconstruction and the traditional chronology having better results in the Tmax reconstruction.

Adjusted latewood ring widths show significant (p<0.01) positive correlation against Alishan July-September Tmax. Linear regression of the Alishan Tmax on the tree-ring chronology produced a calibration model that accounted for 23% of the actual Tmax variance. This model was used to reconstruct the July-September Tmax back to A.D. 1636. The reconstruction shows warm periods during 1718-1726, 1908-1916, and 2002-2008. Evidence from comparisons with NCEP-NCAR reanalysis data indicates that the summer climate variability in Taiwan is regulated by processes associated with changes in the Western Pacific Subtropical High (WPSH). In years with less precipitation the WPSH reduces the southwesterly monsoonal flow by extending further westward than in other years. This appears as an anomalous warm and dry summer accompanied with anti-cyclonic motion over the East China Sea. In addition, eight of the ten warmest summers (July-September Tmax) in central Taiwan occurred during El Niño years, indicating a link between Taiwan summer maximum temperatures and ENSO dynamics.

The earlywood mean chronology was calibrated against April-June DTR. A calibration model that accounted for 28% of the actual DTR variance was then produced to reconstruct the DTR. The increasing Tmin, which can be attributed to locally increased cloud cover, contributed to the reduction of DTR. The reconstructed DTR has a cycle of period 28 years, showing the variations in solar irradiance possibly due to cloudiness changes.

被引用文献 (1) 〈TOP〉

刘闵硕(2018)。菲律宾中部树轮及塔奥湖岩心AMS 14C 定年及地球化学研究。国立台湾大学地质科学系学位论文。2018。1-106。

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