Chương VII. ĐỊNH CỠ VÒNG NĂM

1. Chương VII. ĐỊNH CỠ VÒNG NĂM 7.1. GIỚI THIỆU • Bề rộng vòng năm trên thân cây gỗ mọc ở những lập địa xấu có biến động rất lớn từ năm này qua năm khác. • Sự biến động của bề rộng vòng năm là một hàm số của (hay được xác định bởi) khí hậu và các yếu tố khác của môi trường. PGS. TS. Ng. Van Them

2. Điều đó xảy ra là vì, khí hậu thay đổi sẽ kéo theo sự thay đổi của các yếu tố phi khí hậu. • Đến lượt mình, sự thay đổi của các yếu tố phi khí hậu lại ảnh hưởng đến tăng trưởng của cây gỗ. PGS. TS. Ng. Van Them

3. Mức độ quan hệ giữa bề rộng vòng năm với khí hậu tùy thuộc vào: • Biên độ sinh thái của loài; • Thời gian cây bị phơi ra các yếu tố giới hạn; • Phạm vi biến động của các yếu tố giới hạn có ảnh hưởng đến tăng trưởng… PGS. TS. Ng. Van Them

4. Chương 7 xem xét hai vấn đề sau đây: • Những thủ tục xác định biến động bề rộng vòng năm chuẩn hóa trong mối quan hệ với các yếu tố khí hậu. • Phương pháp xác định mối quan hệ giữa tăng trưởng với điều kiện khí hậu. PGS. TS. Ng. Van Them

5. 7.2. THỦ TỤC ĐỊNH CỠ VÒNG NĂM • Chúng ta có thể hình dung những biến động trong bề rộng vòng năm giống như biến động độ cao của cột thủy ngân trong nhiệt kế. PGS. TS. Ng. Van Them

6. Theo đó, những biến động trong bề rộng vòng năm được xem như một dụng cụđể đo đạc khoảng cách đều đặn của thời gian hoặc biến động của các biến môi trường theo thời gian. PGS. TS. Ng. Van Them

7. Vì thế,so sánh những biến động của bề rộng vòng năm với những điều kiện môi trường có thể biết được mức độ thay đổi của biến môi trường. PGS. TS. Ng. Van Them

8. Biến số ở đây được định nghĩa làmột đặc tính hoặc một yếu tố nhận các giá trị khác nhau khi hoàn cảnh thay đổi. • Trong trường hợp bề rộng vòng năm, các chỉ số tăng trưởng là các giá trị của biến số tăng trưởng trên cây gỗ. • Trong trường hợp khí hậu,lượng mưa và nhiệt độ không khí trung bình của các tháng trong năm là những giá trị của các biến số khí hậu. PGS. TS. Ng. Van Them

9. Những yếu tố khí hậu thay đổi sẽ tác động và gây ra sự thay đổi bề rộng vòng năm. • Phạm vi thay đổi của bề rộng vòng năm(rộng hay hẹp) tùy thuộc vào cường độ và thời gian tác động của các yếu tố khí hậu. PGS. TS. Ng. Van Them

10. Do đó,người ta gọi phạm vi thay đổi của yếu tố khí hậu được cây gỗ ghi lại trên bề rộng vòng năm là sự định cỡ(Calibration). • Kết qủa định cỡ đo đạc biến động vòng năm tăng lên hoặc giảm xuống tùy theo tập hợp biến khí hậu dùng để ước lượng vòng năm. PGS. TS. Ng. Van Them

11. Mục đích của định cỡ • Xác định sự biến đổi về mặt thống kê của biến động bề rộng năm khi thay đổi biến khí hậu. • Xác định các biến khí hậu dựa trên phản hồi của bề rộng vòng năm. PGS. TS. Ng. Van Them

12. Những thủ tục định cỡ bề rộng vòng năm • Phương phápđơn giản nhất là sử dụng một biến hữu ích để xác định bản chất của mối quan hệ. • Một số phương pháp phức tạp hơn là sử dụng các thống kê để xác định những mối quan hệ dựa trên nhiều biến số. • Trong trường hợp này, bắt đầu từ nhiều biến, thủ tục thống kê sẽ chọn lựa những biến có ý nghĩa và loại bỏ dần những biến kém ý nghĩa. PGS. TS. Ng. Van Them

13. Tất cả thủ tục định cỡ bao gồmmột số mô hình mô tả hoặc xác định mối liên hệgiữa quá trình sinh học với khí hậu. • Số lượng mô hình đã chỉ ra ở chương 5. • Chương 7 có nhiệm vụ làm đơn giản hóa các mô hình và định lượng chúng. PGS. TS. Ng. Van Them

14. 7.2.1. Mô hình sinh học • Phần A của hình 7.1a là một biểu đồ dòng mô tả tóm tắt nhiệm vụ phát triển các mô hình sinh học. PGS. TS. Ng. Van Them

15. Bước 1. Giả định mô hình Bước 2. Khảo sát những chứng cứ sinh học Bước 3. Mô hình có phù hợp với những chứng cứ sinh học? PGS. TS. Ng. Van Them

16. Trước hết, chúng ta giả định một số mối liên hệ sinh – khí hậu (bước 1). • Chẳng hạn: • Bề rộng vòng năm phụ thuộc vào độ ẩm đất, còn độ ẩm đất lại phụ thuộc vào lượng mưa của một số tháng trong năm. • Bề rộng vòng năm phụ thuộc vào số giờ mà nhiệt độ đảm bảo cho quang hợp của cây... PGS. TS. Ng. Van Them

17. Nhà nghiên cứu có thể giả định một mô hình cụ thể nào đó. • Kế đến,khảo sát số liệu và kiểm định số liệu bằng thực nghiệm hoặc bằng những chứng cứ thu thập ở thực địa (hình 7.1a, bước 1, 2 và 3). • Nếu thiếu những thông tin sinh học cho mối quan hệ, nhà nghiên cứu có thể chọn nhiều số liệu trước khi kiểm định mô hình khác. • Nếu thông tin sinh học không phù hợp với mô hình, nhà nghiên cứu cần xem xét lại giả định, chỉnh sửa lại mô hình và kiểm định lại mối liên hệ mới (bước 2 và 3). PGS. TS. Ng. Van Them

18. Khi thông tin phù hợp với mô hình sinh học giả định, nhà nghiên cứu sẽ sử dụng mô hình này để xây dựng mô hình thống kê dùng cho việc kiểm định hay định cỡ (phần B, hình 7.1b). PGS. TS. Ng. Van Them

19. Bước 4. Xây dựng mô hình thống kê Bước 5.Tìm hàm phản hồi thích hợp Bước 6. Tính những ước lượng từ hàm dự đoán Bước 7. So sánh những ước lượng với những gái trị thực Bước 8.Ước lượng có phù hợp với số liệu thực tế hay không? PGS. TS. Ng. Van Them

20. 7.2.2. Mô hình thống kê • Mô hình thống kê được xây dựng nhằm mục đích mô tả những đặc trưng của mô hình sinh học. • Mô hình thống kê là một dạng đơn giản hoá mối quan hệ giữa tăng trưởng với những biến khí hậu. PGS. TS. Ng. Van Them

21. Khi thay những biến tăng trưởng và khí hậu vào mô hình, chúng ta sẽ nhận được những ước lượng (hình 7.1b, bước 4, 5, 6, 7). • Nếu mô hình thống kê giống với mối quan hệ thực tế, thì những biến động trong những giá trị tính toán từ mô hình (số đo lý thuyết hay ước lượng)sẽ giống với những giá trị mẫu (số đo thực tế). PGS. TS. Ng. Van Them

22. Trong ví dụ mối quan hệ giữa tăng trưởng với lượng mưa, chúng ta có thể giả định mối quan hệ tuyến tính giữa tăng trưởng và tổng lượng mưa trong những tháng nào đó. • Trong ví dụ sử dụng nhiệt độ và tăng trưởng, nhiệt độ đo đạc ở trạm khí tượng được so sánh với số đo tăng trưởng. PGS. TS. Ng. Van Them

23. Ở hai mô hình trên, lượng mưa và nhiệt độ hàng tháng được tập hợp theo năm và so sánh với số đo tăng trưởng hàng năm. PGS. TS. Ng. Van Them

24. Những giá trị bề rộng vòng năm được tính toán từ mô hình thống kê là những ước lượng của tăng trưởng. • Trong những ví dụ này, tài liệu khí tượng là biến quan trắc (biến độc lập hay biến giải thích), còn tăng trưởng thực là biến dự đoán hay biến phụ thuộc(hình 7.1b, bước 6, 7 và 8). • Trong thống kê, thuật ngữ biến quan trắc và ước lượng được sử dụng để biểu thị tương ứng số liệu thống kê đầu vào và kết quả thống kê đầu ra. PGS. TS. Ng. Van Them

25. Biến dự đoán là số liệu thực tế mà những ước lượng đem so sánh. • Những sai khác (chênh lệch) giữa những giá trị dự đoán thực tế và những giá trị ước lượng được gọi là những sai lệch. • Những sai lệch mô tả biến động của hệ thống và những dấu hiệu không được đưa vào mối quan hệ thống kê. PGS. TS. Ng. Van Them

26. Những hệ số của mô hình thống kê kết hợp với các biến quan trắc để tạo ra những ước lượng được gọi là hàm phản hồi hoặc hàm chuyển đổi(hình 7.1b, bước 5). • Hàm phản hồi biểu thị những ảnh hưởng của khí hậu đến tăng trưởng cây gỗ. PGS. TS. Ng. Van Them

27. Những hệ số của hàm phản hồi kết hợp với chỉ tiêu khí hậu được dùng để ước lượng tăng trưởng. • Những hệ số của hàm phản hồi phản ánh cây gỗ “phản hồi lại” khí hậu như thế nào. PGS. TS. Ng. Van Them

28. Khác với hàm phản hồi,hàm chuyển đổi biểu diễn biến động khí hậu theo biến động của các chuỗi niên đại vòng năm. • Trong hàm chuyển đổi, số liệu khí hậu là biến số dự đoán, còn niên đại vòng năm là biến số quan trắc (biến độc lập hay biến giải thích). • Ở đây những ghi nhận tăng trưởng của cây gỗ(thông qua bề rộng vòng năm)được “chuyển thành” những dữ liệu khí hậu. PGS. TS. Ng. Van Them

29. Hàm chuyển đổi cũng bao gồm một tập hợp hệ số khác nhau được sử dụng để ước lượng khí hậu từ những giá trị bề rộng vòng năm. • Những hệ số của hàm chuyển đổi kết hợp với chỉ số vòng năm được dùng để ước lượng khí hậu. PGS. TS. Ng. Van Them

30. Một số lưu ý • Vì khí hậu của một năm nhất định có ảnh hưởng đến tăng trưởng của cây gỗ sau một số năm; do đó hàm chuyển đổi có thể được xây dựng từ một số chỉ số vòng năm sau khi khí hậu xuất hiện. • Vì chuỗi vòng năm có thể có hiện tượng tự tương quan; do đó hàm chuyển đổi cũng có thể bao gồm một số chỉ số vòng năm của những năm trước khi khí hậu xuất hiện. • Thủ tục xây dựng hàm chuyển đổi cũng được thực hiện bằng phân tích hồi quy đa biến giống như hàm phản hồi. • Hàm chuyển đổi có thể đơn giản, nhưng cũng có thể rất phức tạp. Điều đó tùy thuộc vào số lượng niên đại được sử dụng để xây dựng hàm chuyển đổi. PGS. TS. Ng. Van Them

31. Ở hình 7.2 dẫn một ví dụ mô tả biến động của những chỉ số vòng năm thực tế ở loài thông ba lá (Pinus keysia)và những chỉ số vòng năm dự đoán từ hàm phản hồi. • Ở ví dụ này, chỉ số vòng năm dự đoán được ước lượng từ mối quan hệ giữa biến động chỉ số bề rộng vòng năm (Y)với biến động chỉ số thủy nhiệt tháng 9 (X) ở Đà Lạt. PGS. TS. Ng. Van Them

32. Chuỗi giá trị thực tế • Chuỗi giá trị dự đoán • Y = 0,821 + 0,179*X • với r = 0,54. PGS. TS. Ng. Van Them

33. Ở bước 6,chúng ta sử dụng hàm phản hồi để ước lượng biến dự đoán. Kết quả nhận được đem so sánh với giá trị thực tế (bước 7). PGS. TS. Ng. Van Them

34. Khi số liệu thực tế và số liệu dự đoán phù hợp với nhau, thì đồ thị mô tả quan hệ giữa chúng là một đường thẳng đi qua gốc toạ độ. • Nếu điều vừa nói không thoả mãn(hình 7.1b, bước 8), thì việc định cỡ bị bác bỏ. • Khi mô hình bị bác bỏ, chúng ta cần phải xem xét lại mô hình sinh học, mô hình thống kê hoặc cả hai. • Khi giá trị ước lượng của biến dự đoán phù hợp với số liệu thực tế, thì bước kế tiếp là kiểm tra (phần C, hình 7.1c, bước 9). PGS. TS. Ng. Van Them

35. 7.2.3. Kiểm tra • Kiểm tra thu được bằng việc sử dụng số liệu từ phân tích định cỡ. • Những hệ số của hàm định cỡ được áp dụng vào một tập hợp số liệu dự đoán cho một khoảng thời gian khác nhau, cho một trạm khí tượng, hoặc cho những cây mà từ đó đã tính mối liên hệ định cỡ. PGS. TS. Ng. Van Them

36. Số liệu sử dụng trong định cỡ đầu tiên được gọi là một tập hợp phụ thuộc,còn số liệu sử dụng để kiểm tra là một tập hợp độc lập (số liệu không tham gia lập hàm dự đoán). PGS. TS. Ng. Van Them

37. Việc kiểm tra được tiến hành nhằm xác định những ước lượng nhận được từ tập hợp biến quan trắc độc lập có giống với tập hợp biến dự đoán độc lập hay không. • Thủ tục kiểm tra có thể được lặp lại nhiều lần. Điều đó tùy thuộc vào số liệu dự đoán có phù hợp với số liệu kiểm tra độc lập hay không (hình 7.1c, bước 11). PGS. TS. Ng. Van Them

38. Nếu mối quan hệ giữa biến quan trắc độc lập và biến dự đoán độc lập phù hợp với nhau, thì việc định cỡ được chấp nhận. • Đến đây chúng ta có thể sử dụng mối liên hệ giữa bề rộng vòng năm với các yếu tố khí hậu để khôi phục khí hậu quá khứ hoặc để giải thích tăng trưởng (hình 7.1c, bước 12). PGS. TS. Ng. Van Them

39. 7.3. VAI TRÒ CỦA THỐNG KÊ VÀ KÍCH THƯỚC MẪU • Việc định cỡ thành công hay thấp bại phụ thuộc rất lớn vào việc chọn mô hình thống kê và kích thước mẫu. PGS. TS. Ng. Van Them

40. Để việc định cỡ thành công theo mong đợi, mô hình thống kê phải được xác lập trên những tập hợp biến có quan hệ chặt chẽ với nhau. PGS. TS. Ng. Van Them

41. Một số lưu ý • Bề rộng vòng năm có quan hệ không chỉ với những yếu tố khí hậu, mà còn với những yếu tố phi khí hậu. • Bề rộng vòng năm cũng không ổn định, mà thay đổi tùy thuộc vào cây mẫu, tuổi cây và vị trí của cây trong lập địa. • Vì thế, việc thu mẫu vòng năm để xác định mối liên hệ với những biến khí hậu là việc làm rất quan trọng. PGS. TS. Ng. Van Them

42. (3) Khi biến động vòng năm ở những cây mẫu giống nhau, thì giá trị trung bình của vòng năm là có ý nghĩa. • Ngược lại,khi biến động vòng năm ở những cây mẫu không giống nhau, thì giá trị trung bình của vòng năm được tính từ nhiều cây gỗ là không có ý nghĩa. PGS. TS. Ng. Van Them

43. (4)Theo lý thuyết thống kê, mẫu lớn làm giảm biến động của giá trị trung bình. • Mặc dù vậy, nhiều nghiên cứu trong khí hậu thực vật đã chỉ ra rằng, việc gia tăng kích thước mẫu không phải lúc nào cũng có lợi. • Chẳng hạn,khi tăng kích thước mẫu từ 5 cây lên 10 cây, thì tín hiệu sẽ gia tăng và biến động sẽ giảm nhiều hơn so với việc tăng kích thước mẫu từ 15 lên 20 cây. PGS. TS. Ng. Van Them

44. (5)Trong các nghiên cứu khí hậu thực vật, điều quan trọng là chọn được những cây mẫu phản ánh rõ biến động của khí hậu. • Để đạt được mục đích này, số lượng cây mẫu có thể chỉ là một hoặc một số ít cây. PGS. TS. Ng. Van Them

45. 7.4. CHỌN NHỮNG MÔ HÌNH THỐNG KÊ • Mô hình thống kê cho các hàm phản hồicó thể được xây dựng từ số liệu của biến khí hậu trung bình tháng hoặc trung bình mùa (một số tháng). PGS. TS. Ng. Van Them

46. Nhiều nghiên cứu cho thấy, bề rộng vòng năm phản ứng không rõ rệt với những biến khí hậu trung bình năm. • Mỗi trọng số của hàm phản hồi nhân với tài liệu khí hậu, kết qủa tập hợp lại để thu được các ước lượng tăng trưởng. • Nếu hàm phản hồi phù hợp với thực tế, thì kết qủa sẽ mở rộng cho những năm khác có điều kiện khí hậu tương tự. • Đối với những trường hợp mà các điều kiện khí hậu gần với giá trị trung bình, kết qủa tăng trưởng nhận được sẽ gần với giá trị trung bình. PGS. TS. Ng. Van Them

47. Chúng ta có thể xây dựng rất nhiều mô hình thống kê để iểu diễn mối quan hệ giữa tăng trưởng (Y) với các biến khí hậu (Xi). • Ví dụ: • Y – mưa hàng tháng; • Y - nhiệt độ hàng tháng; • Y - cân bằng nước hàng tháng; • Y - số ngày trong mùa sinh trưởng; • Y – tập hợp nhiều yếu tố kiểm soát tăng trưởng… PGS. TS. Ng. Van Them

48. Tuy nhiên,thông qua kiểm định thống kê chúng ta cần phải chọn được những mô hình hữu ích nhất. • Thế nào là một mô hình thống kê hữu ích nhất? • Đó là mô hình phản ánh đầy đủ mối quan hệ giữa tăng trưởng với các biến khí hậu. PGS. TS. Ng. Van Them

49. Sự thành công của mô hình phụ thuộc vào những yếu tố nào? • Trình độ nhận thức của nhà nghiên cứu. • Chiến lược thu mẫu. • Nói chung, trước hết nhà nghiên cứu có thể bắt đầu từ những mô hình đơn giản, sau đó tiến dần đến những mô hình phức tạp hơn. PGS. TS. Ng. Van Them

50. Chương VII. ĐỊNH CỠ VÒNG NĂM • Tại sao nhà nghiên cứu cần phải thận trọng hay phải linh hoạt trong việc chọn mô hình thống kê để diễn tả mối quan hệ giữa tăng trưởng với các yếu tố kiểm soát tăng trưởng (khí hậu, phi khí hậu)? • Trả lời: PGS. TS. Ng. Van Them