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樹木気候学とは、樹木（主に年輪の特性）から過去の気候を推定する科学です。年輪は、生育に適した条件が整うと幅が広くなり、生育が困難な時期には幅が狭くなります。年輪の他の特性、例えば最大晩材密度（MXD）などは、単純な年輪幅よりも優れた指標となることが示されています。科学者たちは年輪を用いて、数百年から数千年前の多くの地域の気候を推定してきました。複数の年輪研究（時には他の気候指標記録も併用）を組み合わせることで、科学者たちは過去の地域および地球規模の気候を推定しています。
樹木の年輪は、年輪年代学、つまりサンプル間の年輪の照合によって年代を正確に特定できるため、気候の指標として特に有用です。これにより、枯死した樹木のサンプル、さらには建物や考古学的発掘現場のサンプルを使用して、過去に遡って年代を推定することが可能になります。樹木の年輪のもう1つの利点は、ボーリング調査などの他の指標方法とは異なり、年単位で明確に区切られていることです。さらに、樹木の年輪は複数の気候要因（気温、湿度、雲量）に反応するため、気温だけでなく、気候のさまざまな側面を研究することができます。しかし、これは諸刃の剣となる可能性があります。
樹木気候学には利点がある一方で、いくつかの限界も存在する。例えば、 交絡因子、地理的範囲、年輪の解像度、そしてデータ収集の難しさなどが挙げられる。この分野では、これらの課題を部分的に克服するための様々な手法が開発されてきた。
樹木の年輪幅に影響を与える要因は、気候要因と非気候要因、そして非線形効果など多岐にわたります。関心のある単一の要因を分離する方法としては、成長への影響を較正するための植物学的研究や、「制限要因となる林分」（関心のある変数に最も反応すると予想される林分）のサンプリングなどが挙げられます。
樹木に影響を与える気候要因には、気温、降水量、日照、風などがあります。これらの要因を区別するために、科学者は「制限林」から情報を収集します。制限林の一例として、標高の高い森林限界があります。ここでは、樹木は降水量の変化（過剰）よりも気温の変化（「制限」）の影響をより強く受けると予想されます。逆に、標高の低い森林限界では、気温の変化よりも降水量の変化の影響をより強く受けると予想されます。これは、複数の要因が「制限林」でも樹木に影響を与えるため、完璧な解決策ではありませんが、役立ちます。理論的には、異なるタイプの近隣の制限林（たとえば、同じ山の標高の高い森林限界と低い森林限界）からサンプルを収集することで、複数の気候要因に対する数学的な解が得られるはずです。
気候以外の要因には、土壌、樹齢、火災、樹木間の競争、遺伝的差異、伐採やその他の人為的撹乱、草食動物の影響（特に羊の放牧）、害虫の発生、病気、CO2濃度などが含まれます。空間的にランダムに変動する要因（樹木ごと、または林分ごと）については、交絡ノイズを補正するために十分なデータ（より多くのサンプル）を収集するのが最善の解決策です。樹齢は、さまざまな統計的手法で補正されます。全体の樹木記録にスプライン曲線を当てはめるか、異なる期間にわたって比較するために同様の樹齢の樹木を使用する（地域曲線標準化）かのいずれかです。慎重な調査と場所の選択は、たとえば現代人の影響を受けていない場所を選択するなど、いくつかの交絡効果を制限するのに役立ちます。
一般的に、気候学者は年輪幅が対象となる変数（例えば水分）に線形的に依存すると仮定します。しかし、変数が十分に変化すると、反応は横ばいになったり、逆になったりすることもあります。家庭菜園をする人は、観葉植物に水をやりすぎたり、水を与えすぎたりすることがあることを知っています。さらに、相互作用効果が発生する可能性もあります（例えば、「気温×降水量」は、気温や降水量単独の場合と同様に、成長に影響を与える可能性があります）。また、「制限林分」は、対象となる変数を分離するのに多少役立ちます。例えば、樹木が「寒さによって制限される」上部の森林限界では、高温の非線形効果（「逆二次関数」）が、生育期間を通じて年輪幅に数値的に有意な影響を与える可能性は低いでしょう。
植物学的研究は、交絡変数の影響を推定し、場合によってはそれらの補正を導くのに役立ちます。これらの実験は、成長変数がすべて制御されている場合（例：温室）、部分的に制御されている場合（例：FACE［Free Airborne Concentration Enhancement］実験—参考文献を追加）、または自然環境下で条件が監視されている場合のいずれかです。いずれの場合も、重要なのは、成長に影響を与える要因を特定するために、複数の成長要因を注意深く記録することです（フェノスカンダナビア論文の参考文献を挿入）。この情報があれば、年輪幅の反応をより正確に理解でき、過去の（監視されていない）年輪からの推論がより確実になります。概念的には、これは限界林分原理に似ていますが、より定量的で、較正のようなものです。
乖離問題とは、北部の森林の多くの森林限界地点において、一方では温度計で測定された温度（機器による温度）と、他方では晩材の密度や年輪の幅から再構築された温度との間に不一致が生じることである。
温度計の記録からのデータの表示と分析は、概して大幅な温暖化傾向を示唆しているが、これらの特定の場所の年輪は、晩材の最大密度や、場合によっては幅に相応の変化を示していない。これは、すべての研究に当てはまるわけではない。[ 2 ]このことが当てはまる場合、年輪のみから抽出された温度傾向は、実質的な温暖化を示さないだろう。したがって、機器による温度とこれらの年輪の代理指標から計算された温度グラフは、1950年代以降互いに「乖離」しており、これがこの用語の起源である。この乖離は、温度計の時代以前の過去に、認識されていない他の乖離が起こったかどうかという明らかな疑問を提起する。[ 3 ]乖離は人間の活動によって引き起こされ、したがって最近の過去に限られていることを示唆する証拠があるが、影響を受けた代理指標を使用すると、過去の温度を過大評価し、現在の温暖化傾向を過小評価することになる。年輪データと温度計データに基づく分析の間のこの不一致の説明と調和する方法に関する研究が続けられています。[ 2 ]
地球は樹木で覆われているわけではありません。極地や海洋の気候は、年輪から推定することはできません。オーストラリアや南アフリカのような多湿な熱帯地域では、樹木は一般的に一年中成長し、明確な年輪を示しません。一部の森林地域では、樹木の成長は複数の要因に大きく影響されるため（「制限林分」が存在しない）、明確な気候復元は不可能です。樹木被覆の困難さは、それを認識し、困難な地域では他の代替指標（例えば、氷床コア、サンゴ）を使用することで対処されます。場合によっては、例えば観測記録のパターンを調べることで、関心のあるパラメータ（気温、降水量など）が地域ごとに同様に変動することが示されることがあります。その場合、適切な年輪サンプルが入手できない地域にも樹木気候学の推論を拡張することが正当化されます。
年輪は、生育期全体における成長への影響を示します。休眠期（冬）の深い時期の気候変動は記録されません。また、年輪幅に関しては、生育期の時期によって重要性が異なる場合もあります（例えば、5月と9月など）。しかし、一般的には、年輪幅は対応する年の全体的な気候変動を推定するために使用されます（近似値）。もう一つの問題は、「記憶」または自己相関です。ストレスを受けた樹木は、厳しい季節から回復するのに1年か2年かかる場合があります。この問題は、より複雑なモデリング（回帰における「ラグ」項）を行うか、年代記の推定精度を低下させることで対処できます。
樹木の年輪は自然界、特に人里離れた地域から採取する必要がある。そのため、採取場所を適切にマッピングするには特別な努力が必要となる。さらに、サンプルは困難な（多くの場合、傾斜地のような）条件下で採取しなければならない。一般的に、年輪は手持ち式の穿孔器を用いて採取されるが、良質なサンプルを得るには熟練した技術が求められる。最良のサンプルは、樹木を伐採して断面を採取することで得られる。しかし、この方法はより危険を伴い、森林に損傷を与える。特に、手つかずの場所に生育する最も古い樹木（科学的に最も興味深い樹木）については、特定の地域では許可されない場合がある。すべての実験家と同様に、樹木気候学者も、時には不完全なデータを最大限に活用し、再サンプリングを行わないという決断を迫られる。このトレードオフは、サンプル採取（野外）と分析（実験室）が時間的にも空間的にも大きく離れている場合があるため、より困難になる。こうした採取上の課題は、データ収集が従来の実験室科学ほど単純でも安価でもないことを意味する。
当初の研究は、木の年輪幅の測定に焦点を当てていました。これは測定が簡単で、気候パラメータと関連付けることができます。しかし、木の年間成長は他の痕跡を残します。特に、最大晩材密度(MXD) は、環境変数を推定するために使用されるもう 1 つの指標です。[ 4 ]ただし、これは測定が困難です。他の特性 (同位体または化学痕跡分析など) も試みられており、最も有名なのはLM Libbyが1974 年の論文「木の年輪における同位体比の温度依存性」で発表したものです。[ 5 ] 理論的には、同じ年輪で複数回測定することで、交絡因子 (降水量と温度など) を区別することができます。しかし、ほとんどの研究は依然として限界林分の年輪幅に基づいています。
年輪中の放射性炭素濃度を測定することは、過去の太陽黒点活動を再現するのに役立つことが証明されており、現在では11,000年以上前のデータも得られている。[ 6 ]
ヨーロッパの冬の嵐は、年輪の異常によって記録されることもある。[ 7 ]