在气候有明显年变化的地区，树木一般每年形成一个生长层，即年轮。年轮的宽度与气候条件有密切关系。在温暖、湿润的年份，树木生长快，年轮较宽；在寒冷干旱的年份，树木生长慢，年轮较窄。因此，分析树木年轮宽度的差异，可以取得有关过去气候的信息，推论出某些气候要素的变化状况，弥补仪器观测的气候资料年代短暂的不足。除了年轮宽度外，植物组织结构也与气候有密切关系，也可作为推论过去气候的依据。
20世纪初，美国A.E.道格拉斯最早论证了树木年轮宽度变化与降水量之间的关系，并在30年代创建了专门研究树木年轮的实验室。此后，年轮气候学家对形成年轮的生理过程与气候的关系作了详细研究，并在样本树种的选择和年轮序列的统计分析技术方面取得进展，逐步建立起年轮气候学的基本原理和分析方法。
研究方法和成果 选取样本时，应选择生长条件最受某个气候要素(温度或降水)限制的树木。例如，生长在高纬度或高寒山区森林上界处的树木，由于受到热量不足的限制，常能很好地反映出冷暖的变化；在干旱、半干旱地区，由森林向草原或荒漠过渡的林缘树木，由于受到雨量不足的限制，常能反映干湿的变化。在实际应用中常在同一地点选取多个重复的样本，互相对比，以准确定年和消除非气候因子影响。此外，对年轮宽度变化还要进行树木随年龄变化的生长量等方面的订正，并用已有的各项资料校验。
经过严格校验后的年轮序列，可以反映大尺度的气候变迁。例如，美国V.C.拉马奇在美国加利福尼亚州惠特尼山亮叶松分布上界附近所取的年轮序列与欧洲（英国中部）气温变化趋势是一致的。70年代初，美国H.C.弗里茨根据年轮宽度变化与气压距平场的关系，绘制出1700年以来北半球西半部每十年平均的环流图。
中国自20世纪30年代开始研究年轮气候学。研究表明，在华北和西北广大地区，用年轮分析了解历史时期的气候变迁，尤其用以反映降水量的变化，很有价值。70年代后期，北方的许多省（区）和青藏高原等地都广泛开展了这项工作。各地得到许多反映温度或降水的长达数百年的序列，为研究历史时期气候变迁的史实提供更多的依据。
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