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Reconstitution millénaire des températures estivales de l'Est de l'Amérique du Nord à partir de la densité maximale du bois final des cernes annuels de croissance des arbres

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Wang, Feng (2021). Reconstitution millénaire des températures estivales de l'Est de l'Amérique du Nord à partir de la densité maximale du bois final des cernes annuels de croissance des arbres. Thèse. Rimouski, Université du Québec à Rimouski, Département de biologie, chimie et géographie, 182 p.

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Résumé

RÉSUMÉ : La reconstitution de la variabilité climatique à haute résolution au cours des millénaires passés fournit un contexte historique essentiel pour évaluer l'importance des changements climatiques récents à l'échelle régionale et globale. En se basant sur une compilation de reconstitutions de température à grande échelle, le 5e rapport du Groupe intergouvernemental d'experts sur l'évolution du climat (IPCC, 2013) a mis en évidence l'occurrence d'époques climatiques au cours de l'ère commune (EC), telles que l'anomalie climatique médiévale, le petit âge glaciaire et la période du réchauffement récent. Cependant, les dates et l'amplitude de ces périodes diffèrent selon les reconstitutions et les régions, ce qui souligne la nécessité d'améliorer les reconstitutions climatiques en utilisant de meilleurs enregistrements proxy provenant de divers endroits, ainsi qu'en utilisant des méthodes statistiques avancées. La densité maximale du bois final (MXD) des conifères des hautes latitudes est largement considérée comme l'indicateur le plus sensible pour la reconstitution des températures avec une résolution annuelle. Cependant, en raison des coûts élevés pour effectuer des mesures densitométriques par rayons X, seulement 12 reconstitutions des températures estivales basées sur la MXD couvrent le dernier millénaire, dont 11 sont regroupées en Eurasie. Ce manque de données a entravé notre compréhension de l'histoire millénaire des températures estivales en Amérique du Nord. Cette thèse de doctorat vise à produire une reconstitution précise et robuste de la température estivale millénaire en utilisant des mesures MXD ou d'intensité du bleu (une alternative à la MXD moins chère mais prometteuse) d'épinettes noires (Picea mariana (Mill.) BSP.) vivantes et subfossiles dans la forêt boréale de l'est du Canada. Ces nouvelles données permettront de mieux quantifier la variabilité des températures estivales dans le nord-est de l'Amérique du Nord au cours du dernier millénaire. Dans le premier chapitre, mon objectif était d'étudier le potentiel de la nouvelle méthode d'intensité de la lumière bleue comme substitut des données de la méthode conventionnelle de densité maximale du bois final basées sur les rayons X. À l'aide de 178 échantillons provenant d'épinettes noires vivantes dans 17 sites de la forêt boréale de l'est du Canada, j'ai démontré que l'intensité du bleu du bois final, l'intensité delta du bleu (i.e. correction delta de l'intensité du bleu) et la densité maximale du bois final répondent de façon très similaire aux températures moyennes du printemps-été à l'échelle régionale. Ces paramètres basés sur la densité sont supérieurs aux mesures de la largeur des cernes et contiennent un signal de température estivale plus fort sur une saison de croissance plus longue. L'intensité du bleu du bois final semble être déformée par des biais de couleur et une faible résolution de mesure. L'intensité delta du bleu possède une cohérence légèrement plus élevée avec les températures estivales que l'intensité du bleu du bois final en raison de sa capacité à éliminer les biais de couleur en plus d'un signal potentiel de température lié à la largeur des cernes. Cependant, par rapport aux paramètres d'intensité du bleu, la densité maximale du bois final est systématiquement plus robuste et moins sensible aux biais de couleur et au nombre d'arbres mesurés. L'objectif du deuxième chapitre était de vérifier si les mesures de l'intensité du bleu issues de bois subfossile coloré peuvent être utilisées comme un proxy robuste pour les reconstitutions de la température. J'ai testé sept réactifs chimiques pour éliminer la coloration bleu-gris des arbres subfossiles enfouis dans les sédiments de deux lacs boréaux de l'Est du Canada. Les chronologies résultantes de l'intensité du bleu du bois final ont été comparées à la correction mathématique delta ainsi qu'à la méthode conventionnelle de densité maximale du bois final basée sur les rayons X. Les analyses chimiques ont montré que l'oxydation post-échantillonnage du fer dissous transféré des sédiments aux tissus du bois enfouis est très probablement responsable de la coloration. Cependant, même le meilleur protocole de décoloration chimique n'a pas permis d'obtenir des données non biaisées d'intensité du bleu du bois final en raison d'une décoloration incomplète et de la grande sensibilité des données d'intensité du bleu à la contamination par la couleur. En revanche, la correction delta de l'intensité du bleu (c'est-à-dire l'intensité delta du bleu) a produit une reconstitution de la température très similaire à celle basée sur la densité maximale du bois final dans tout le spectre de fréquences, même lorsqu'elle est mesurée à partir d'échantillons colorés n'ayant subi aucun traitement chimique. Ce résultat indique l'utilité de l'intensité delta du bleu mesuré à partir de subfossiles colorés par le fer pour développer de longues reconstitutions de températures. Cependant, au stade actuel, la MXD est toujours considérée comme le proxy le plus robuste selon les résultats des premier et deuxième chapitres. L'objectif du troisième chapitre était d'utiliser la densité maximale du bois final pour reconstituer les températures estivales au cours du dernier millénaire dans la forêt boréale de l'est du Canada. J'ai développé un nouveau réseau de données comprenant un nombre sans précédent de mesures de densité de bois final d'épinettes noires vivantes et subfossiles (N = 1249) de trois sites. Ce réseau millénaire a été combiné à un ensemble de données existant plus court (N = 45 arbres) pour reconstituer de la température estivale (mai-août) sur 1300 ans. Cette reconstitution a ensuite été combinée avec les données de largeur de cernes et les données isotopiques du carbone et de l'oxygène disponibles afin de développer une reconstitution de la température encore plus robuste couvrant la période 997-2006 EC. Les résultats indiquent que le nord-est de l'Amérique du Nord a connu des étés chauds pendant l'Anomalie Climatique Médiévale (997-1250 EC ; 0,25 ºC plus chaud par rapport à 1905-2006 EC) suivie par la période froide du Petit Âge Glaciaire (997-1250 EC, -0,27 ºC plus froid que la période 1905-2006 ; en particulier pendant la période 1601-1930 EC), puis par le réchauffement récent contenant la décennie la plus chaude du millénaire en 1997-2006 EC (1,0ºC par rapport à la période 1905-2006 EC), de même que la tendance au réchauffement centennal la plus rapide (1904-2003 EC). La variabilité régionale multidécennale des températures estivales a été synchronisée avec les températures estivales de l'hémisphère nord par les plus fortes éruptions volcaniques. Bien que les éruptions tropicales et extratropicales de l'hémisphère nord aient conduit à des étés extrêmement froids au cours des 1000 dernières années, les éruptions tropicales ont eu des impacts climatiques plus importants et plus persistants (12 ans contre 1-3 ans) que les éruptions extratropicales. En résumé, cette thèse met en évidence les avantages de la densité maximale du bois final comme indicateur des températures du passé dans la forêt boréale de l'est du Canada. L'intensité du bleu a un fort potentiel pour se substituer aux données de densité des cernes des arbres issues de bois vivant et de bois subfossile teinté par le fer pour reconstituer le climat dans la région étudiée. La densité et l'intensité du bleu sont supérieures aux mesures de la largeur des cernes en raison de leurs corrélations plus fortes avec les températures estivales et leur faible mémoire biologique. Par conséquent, elles pourraient améliorer la représentation spatiale des reconstitutions climatiques et fournir des informations plus précises sur les variations du climat dans le passé. Les reconstitutions basées sur la densité du bois ont permis de mieux comprendre la variabilité des températures estivales et les mécanismes de forçage externe dans le nord-est de l'Amérique du Nord. -- Mot(s) clé(s) en français : dendroclimatologie ; densité maximale du bois final ; intensité du bleu ; épinette noire ; reconstitutions de la température estivale ; forêt boréale de l'est du Canada ; forçage externe ; changement climatique. --
ABSTRACT : Reconstructing high-resolution climate variability over past millennia provides a critical historical context to assess the importance of the recent climate changes at regional to global scales. Based on a compilation of large-scale temperatures, the 5th Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC, 2013) has demonstrated the occurrence of climate epochs over the Common Era (CE), such as the Medieval Climate Anomaly, the Little Ice Age, and the recent warming period. However, the timing and amplitudes of these periods differ by reconstructions and regions, highlighting the need to develop high-quality temperature reconstructions using proxy records from various locations, as well as using advanced statistical methods. Maximum latewood density (MXD) of high-latitude conifers is widely considered to be the most sensitive proxy for reconstructing temperatures with an annual resolution. However, due to the high costs of conducting X-ray densitometric measurements, only 12 MXD-based summer temperature reconstructions cover the last millennium, and 11 of them are clustered in Eurasia. The resulting geographical data gap has hampered our understanding of North American millennial summer temperatures. This PhD thesis aimed to produce a robust reconstruction of millennial summer temperatures using annually resolved MXD or blue intensity measurements (a less expensive but promising alternative to MXD) of living and subfossil black spruce (Picea mariana (Mill.) BSP.) trees in the eastern Canadian boreal forest. These new data will improve the assessment of summer temperature variability in northeastern North America during the last millennium. In the first chapter, my objective was to investigate the potential of the recent, optical-based blue intensity method as a surrogate for X-ray-based MXD data from living black spruce trees. Using 178 samples collected from 17 sites across the eastern Canadian boreal forest, I demonstrated that latewood blue intensity, delta blue intensity (i.e., delta correction of blue intensity), and MXD respond in very similar ways to spring-summer mean temperatures at the regional scale. These density-based parameters are superior to ring-width measurements because they retain stronger summer temperature signals over a longer growing season. Latewood blue intensity appears to be distorted by color biases and low measurement resolution. Delta blue intensity possesses slightly higher coherence with summer temperatures than latewood blue intensity because of its ability to remove color biases and its potential to retain an additional temperature signal related to ring-width formation. In general, MXD is consistently more robust and less sensitive to color biases and low tree replication compared to blue intensity parameters. The objective of the second chapter was to test whether blue intensity measurements from stained subfossil wood of black spruce can be used as a robust proxy for temperature reconstructions. I tested seven chemical destaining reagents to remove the blue-gray stain on subfossil trees buried in sediments of two boreal lakes in eastern Canada. The resulting latewood blue intensity chronologies were compared with the mathematical delta correction and conventional X-ray-based MXD data from the same trees. Chemical analyses showed that post-sampling oxidation of dissolved ferrous iron transferred from sediments to buried wood tissues was most likely responsible for the stain. However, even the best chemical destaining protocol could not yield unbiased latewood blue intensity data because the destaining was incomplete and blue intensity measurement is highly sensitive to color contamination. In contrast, the delta correction of blue intensity (i.e., delta blue intensity) produced a temperature reconstruction very close to that based on MXD across the frequency spectrum, even when measured from untreated stained samples. This result indicated the usefulness of delta blue intensity measured from iron-stained subfossil materials for long-term temperature r constructions. MXD is still considered as the most robust proxy according to the results of the first and second chapters. The objective of the third chapter was to use MXD to reconstruct summer temperatures during the last millennium in the eastern Canadian boreal forest. I developed a new data network comprising an unprecedented number of latewood density measurements from living and subfossil black spruce trees (N = 1,249) at three sites. This millennial network was combined with an existing shorter dataset (N = 45 trees) to produce a 1300-year reconstruction of summer (May-August) temperatures. This was then combined with available ring-width, and carbon and oxygen isotopic data in order to develop an even more robust temperature reconstruction spanning 997-2006 CE. The results indicated that northeastern North America experienced warm summers during the Medieval Climate Anomaly (997-1250 CE; 0.25 ºC warmer than 1905-2006 CE), followed by the relatively cold Little Ice Age (997-1250 CE), which was 0.27 ºC colder than the 1905-2006 period, especially during 1601-1930 CE. The recent warming includes the warmest decade during 1997-2006 CE (1.0 ºC with respect to (w.r.t.) 1905-2006 CE) and the fastest centennial warming trend (1904-2003 CE) of the last millennium. Regional multidecadal summer temperature variability has been synchronized with Northern Hemispheric summer temperatures by strong volcanic eruptions. Although tropical and Northern Hemispheric extratropical eruptions have led to extremely cold summers over the past 1000 years, the climatic impacts of tropical eruptions were more prominent and persistent (12 years vs 1-3 years) than extratropical eruptions. In summary, this thesis highlights the advantages of using MXD as a temperature proxy in the eastern Canadian boreal forest. Blue intensity has great potential to produce excellent surrogates for tree-ring density data from living and iron-stained subfossil wood for reconstructing climate in the study region. Density and blue intensity are superior to ring-width measurements due to their stronger correlations with summer temperatures and weaker biological memory. Therefore, they could improve the spatial representation of the reconstructed climate and reduce potential errors in the reconstruction, providing better constraint and more precise information of climate changes in the past. Finally, the density-derived reconstructions enhanced the understanding of summer temperature variability and external forcing mechanisms in northeastern North America. -- Mot(s) clé(s) en anglais : dendroclimatology; maximum latewood density; blue intensity; black spruce; summer temperature reconstructions; eastern Canadian boreal forest; external forcing; climate change.

Type de document : Thèse ou Mémoire (Thèse)
Directeur(trice) de mémoire/thèse : Arseneault, Dominique
Co-directeur(s) ou co-directrice(s) de mémoire/thèse : Boucher, Étienne
Information complémentaire : Thèse présentée comme exigence partielle du doctorat en biologie extensionné de l'Université du Québec à Montréal.
Mots-clés : Dendroclimatologie; Dendrochronologie; Canada (Est); Climats; Changements; Température estivale; Amérique du Nord (Est); Épinette noire; Picea mariana; Arbres; Cernes; Densité; Bois; Densité maximale.
Départements et unités départementales : Département de biologie, chimie et géographie > Biologie
Déposé par : DIUQAR UQAR
Date de dépôt : 21 juin 2022 16:31
Dernière modification : 21 juin 2022 16:31
URI : https://semaphore.uqar.ca/id/eprint/2064

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