树轮记录的甘肃山丹近224年降水变化

陈 峰,袁玉江,魏文寿,喻树龙,范子昂,张瑞波,尚华明,张同文

(中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所,中国气象局树木年轮理化研究重点实验室,新疆维吾尔自治区树木年轮生态重点实验室,新疆乌鲁木齐830002)

树轮记录的甘肃山丹近224年降水变化

陈 峰,袁玉江＊,魏文寿,喻树龙,范子昂,张瑞波,尚华明,张同文

(中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所,中国气象局树木年轮理化研究重点实验室,新疆维吾尔自治区树木年轮生态重点实验室,新疆乌鲁木齐830002)

根据山丹大黄沟的树轮样本,建立树轮宽度年表。相关分析发现,大黄沟树轮宽度差值年表与山丹上年8月至当年6月的降水存在显著的正相关,相关系数为0.654(P<0.00001)。利用大黄沟的树轮宽度差值年表,可重建山丹近224年来上年8月至当年6月的降水变化。交叉检验表明降水重建结果稳定可靠。通过对降水重建序列与周边地区树轮降水重建序列和树轮年表资料的对比分析,发现该重建序列与周边地区的树轮重建降水的干湿阶段变化具有一定的同步性,并对西北地区极端干旱历史事件有良好的响应。多窗谱分析发现,重建降水序列具有4.2 a、3.4 a、3.2 a、2.6 a的准周期变化;滑动 T检验法发现,重建降水序列在1887年、1908年发生过降水突变。

山丹;树轮年表;降水重建

在干旱半干旱地区,年降水量及其季节分配对整个树木年轮的形成都有影响[1,2]。如果生长季前和生长季中长时间少雨,树木生长所需的水分得不到满足,光合作用速度降低或者呼吸作用速度增高将使树木体内营养物质减少,导致偏窄年轮的形成。相反,如果降水充足,不仅能够满足树木快速生长的需要,而且水分将保存在土壤中,有利于土壤墒情的改善,加之生长中存储在树体中的养料充足,能够有效促进整个植物生长季的树木生长,有利于形成较宽的年轮。

祁连山作为青藏高原的重要组成部分,是河西走廊的重要水源地。近几十年由于气候变化和人类活动等原因引起的祁连山生态环境问题日益严重,冰川退缩,雪线上移,林地减少,巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠、库木塔格沙漠不断扩张,黑河、石羊河流域土壤沙化盐碱化严重,个别地区人类的生存受到严重威胁[3]。为了研究祁连山历史气候变化和气候环境变化,笔者于2007年在祁连山进行了树轮采样,并依据在山丹大黄沟所采树轮样本研制出的树轮宽度年表,重建了山丹近224年降水变化情况。

1 研究区概况与研究方法

山丹属大陆性高寒气候,年均气温5.9℃,年均降水量在150～230 mm,年蒸发量为2 246 mm,年日照时数为2 993 h,无霜期为151 d。植被在山区垂直分布,由山麓到山顶依次为灌丛草原带、森林草原带。森林的主要建群种为青海云杉(Picea crassifolia)。由于水分不足,平原地区多分布荒漠化草原、山地草原、灌丛草甸草原,植被稀疏、结构简单,覆盖率低,呈现典型的荒漠植被特征。

遵循树木年轮气候学采样点选择基本原理,同时考虑研究的需要,2007年4月选择的采样点为山丹大黄沟(图1),区域海拔3 000～3 100 m,坡向NW,坡度20°～30°,树木郁闭度为0.3,共采集了29棵青海云杉树56个样芯。

图1 树轮采样点和气象站点分布Fig.1 Location of tree-ring sampling sitesand meteorological stations

依照树轮样本处理的基本程序,对所采样芯进行预处理,然后用精度为0.001 mm的Velmex轮宽测量仪测量轮宽。利用COFECHA程序对交叉定年结果进行检验[4],利用ARSTAN程序建立树轮宽度年表[5]。采用hugershoff生长曲线进行生长趋势拟合,以双权重平均法(RobustBiweight)将上述去除生长趋势后的序列合并成均值为1、最小值为0的无量纲树轮宽度指数序列[6,7]。最终建立了宽度标准化年表(STD)、差值年表(RES)和自回归年表(ARS)[8](表1)。图2为大黄沟差值年表指数和EPS值曲线[9],其中EPS值大于0.85的起始年为1783年。

图2 大黄沟树轮差值年表指数与EPS值曲线Fig.2 RES tree-ring width chronologies used to reconstruct precipitation for Dahuanggou (The date 1783 indicates that based on the EPS cut-off of 0.85)

表1 大黄沟青海云杉宽度标准化年表与差值年表主要统计特征Table 1 Statistics of tree-ring chronologies(STD and RES)for Picea crassifolia in Dahuanggou

根据山丹气象站提供的月降水量资料(1953-2006年),利用相关函数(Pearson)分析树轮宽度年表与降水的关系,并建立树轮宽度与降水的回归方程。为评价气候重建效果,采用交叉检验[1,2]方法进行验证,计算的统计量有方差解释量(r2)、符号检验(Sign Test,ST)、误差缩减值(Reduction of Error, RE)等。利用多窗谱分析[10-13]对重建序列进行周期分析,为了进一步了解周期的时变特征,本文采用Morlet小波分析,置信度定为95%,计算时采用对称延伸法消除小波变换的边界效应。采用滑动T检验法对重建得到的气候要素序列进行突变检验[14-18],取滑动步长为10 a、15 a、20 a、25 a、30 a、35 a,以α=0.001作为判别突变的显著水平,选出其发生年份较为接近的最强突变年。

2 降水序列的重建

2.1 降水与树轮宽度年表的相关分析

利用山丹气象站1953-2006年月降水量资料,取上年4月至当年9月各种顺序组合与大黄沟树轮年表进行了相关普查计算。与树轮年表正相关显著的主要降水时段有:当年5月至8月,当年8月至9月,上年7月至当年4月,上年8月至当年5月,上年8月至当年6月和上年8月至当年7月。重建与检验的试算结果表明,只有针对上年8月至当年6月这一时段降水量的方程是稳定可靠的,且方差解释量最大,故本文仅针对这一时段进行降水重建。

2.2 重建方程的建立

上年8月到当年6月包括了上年生长季末期、冬季树木休眠期和当年生长季,该时段降水偏多不仅有利于当年(t)生长季中树木年轮的生长,还将对次年(t+1)树木年轮的生长产生影响。取山丹气象站上年8月至当年6月降水量,同时考虑降水对云杉年轮当年t、次年t+1及再次年t+2树轮生长的可能影响,用回归分析方法建模,重建方程如下:

式中:P为山丹气象站上年8月至当年6月的降水量;D HG是大黄沟树轮宽度差值年表序列。

重建方程的相关系数 R为0.654,在校准期内, 54年的重建值对实测值的解释方差 R2为42.8%,调整自由度后解释方差 R2adj为41.7%,F=38.129。从统计特征看,方程(1)具有很好的稳定性和精确性,从图3可见重建值与实测值有较好的同步性。

图3 降水实测数据与重建值比较Fig.3 Comparison of recorded and estimated precipitation for common period from 1954 to 2006

降水重建方程交叉检验所得误差缩减值 Re为0.383;乘积平均数检验值t为5.157,显著性水平均达0.0001;交叉检验所得相关系数为0.620,显著性水平为0.0001;一阶差相关系数为0.581,显著性水平为0.001。在符号检验方面,低频符号检验和高频符号检验均达到0.01的显著性水平(表2)。

表2 降水重建方程交叉检验参数Table 2 Leave-one-out cross-validation statistics for reconstruction of precipitation in Shandan

2.3 降水重建序列变化特征

图4为重建的山丹地区近224年来上年8月至当年6月的降水量及其10年的低通滤波曲线。1)1783 -2006年,山丹上年8月至当年6月的降水量平均值(Mean)为153.23 mm,标准差(σ)为19.72;1783-1799年、1800-1899年、1900-2009年降水量平均值分别为153.55 mm、153.32 mm和153.09 mm。重建的1900年前的降水历年平均值为153.30 mm,标准差为14.8,变异系数为0.096;1900年后的降水历年平均值为153.1 mm,标准差为24.0,变异系数为0.157。2)1983年(202.20 mm)和1960年(87.33 mm)分别是山丹降水重建序列的最高值和最低值,5个最湿润和5个最干旱的年份都分布在20世纪。3)在年代变化上,20世纪60年代是降水最少的10年,20年代也是降水重建序列中降水最少的5个年代之一;19世纪90年代和20世纪80年代是最湿润的2个年代(表3)。

图4 山丹224年来上年8月至当年6月降水重建值及10年低通滤波曲线Fig.4 The precipitation reconstruction for Shandan from 1783 to 2006 along with 10-year low-pass filtered value

表3 山丹降水重建序列的相关统计特征Table 3 Statistic characteristics of precipitation reconstruction in Shandan

图5为降水重建序列的M TM谱估计值和相应的红噪声临界谱分析结果,可见降水重建序列存在着显著的周期性变化,主要的振荡准周期有4.2 a(95%)、3.4a(95%)、3.2a(95%)、2.6a(99%)。由图6可见,不同时段最强振荡频率也不同,一个30～50 a的中尺度振荡贯穿20世纪。同时,以19世纪80年代为界,出现了一次较为明显的气候转型,降水的振荡开始加剧,变幅增大,2～5 a和30～50 a等中、短尺度的振荡都有不同程度增强。

图5 降水重建序列的M TM谱估计及其相应的红噪声临界谱Fig.5 MTM spectrum of the precipitation seriesand associated 95%red noise significance levels

表4 山丹上年8月至当年6月降水突变年份Table 4 Abruptly changing years of the previous year′s August to present year′s June(A to J)total precipitation

滑动T检验结果见表4。对降水重建序列的突变分析发现,山丹近224年在1887年和1908年出现了2次降水突变,而且变幅很大,与干旱半干旱地区气候变化较剧烈的特征相符。

图6 降水的小波变换结果Fig.6 The wavelet transforms for the precipitation

3 讨论

18世纪末到20世纪初气候湿润,降水在均值附近小幅波动(图4),这与祁连山中部公元904年以来树木年轮记录的旱涝变化分析中19世纪是最湿润时段[19]一致,同时在邵雪梅等[20]重建青海德令哈地区千年降水变化中存在一个1840-1915年长达76年的偏湿阶段相对应。根据小波分析结果,18-19世纪没有出现明显的变化周期,周期变化多集中于20世纪。与之对应,从19世纪末开始,降水的变化频率增加,变幅增大,重建的1900年后降水序列的变异系数(0.157)大于1900年前降水序列的变异系数(0.096)。同时,在20世纪初该地区的降水还出现了一次较为明显的干湿阶段变化,其中1887-1909年偏湿,1910-1932年偏干,且这次干湿变化与西北多个树轮重建降水序列[16,21-25]在这一时期干湿变化相对应。20世纪20-30年代,严重的干旱使青藏高原东北部的祁连圆柏、内蒙古中部的油松和关中地区华山松(Pinus arm andii)树轮序列都出现了不同程度的生长速率下降情况[26],新疆多个降水序列都有所体现[16]。

把降水量介于Mean±σ值之间视为山丹的正常湿润条件,而把降水量≤M ean-σ(133.5 mm)作为判断干旱的临界值,则在该降水重建序列中,共有35个干旱年,其降水量平均值为122 mm。根据《西北灾荒史》[27]和其他相关历史资料记载,发现这35个干旱年对西北地区极端干旱事件有着良好的响应(图4),其中光绪初年的“丁戊奇荒”(1877-1879年、1883-1884年)、20世纪20-30年代西北大旱(1925-1928年、1930-1931年)和1960年前后的大旱(1957年,1960年)表现得最为明显。重建的1960年降水量87.3 mm(实测值为78.7 mm)仅为54年实测平均值(155 mm)的56.3%,为近224年来最低值。

本降水重建序列在1887年的突变与青海德令哈地区千年来降水量的突变分析[28]中1887年突变、天山北坡呼图壁河流域近 313年降水[16]中1886年的突变相对应。1908年的突变标志着该地区近224年最干旱阶段的开始,但这次以西北地区20世纪20-30年代大旱为背景的突变出现的时间在空间上存在差异,德令哈地区出现在1916年,呼图壁河出现在1921年,南天山西部地区出现在1911年,这可能是小冰期结束后气候转型、干湿变化波动加剧造成的。

为验证降水重建序列的可靠性,了解河西走廊干湿变化的一致性,利用分布在河西走廊的3个青海云杉和1个油松年表(与当地的降水存在显著相关,图1和表5)进行相关分析,发现重建序列与这些年表均有良好的相关性,其中与河西走廊西部肃南大火烧沟年表的相关性最高,达到0.508(n=224)。

表5 本年表序列与河西走廊其他树轮样点年表的相关性Table 5 The correlation coefficients between tree-ring width series in Shandan and other tree-ring width series in Hexi Corridor

4 结论

山丹大黄沟青海云杉差值年表序列与山丹上年8月至当年6月平均降水量相关系数达0.654,且具有明确的树木生理学意义。经交叉检验,重建方程稳定,降水重建结果可信。山丹近224年上年8月至当年6月的降水与河西走廊及周边地区的树轮记录的干湿变化有良好的同步性,并与历史记录的干旱极端事件有良好的响应。山丹近224年来上年8月至当年6月的降水具有4.2 a、3.4 a、3.2 a、2.6 a的变化准周期,并在20世纪存在一个明显的30～50 a振荡变化。降水重建结果显示该地区在1887年和1908年发生过降水突变。

[1] 李江风,袁玉江,由希尧,等.树木年轮水文学研究与应用[M].北京:科学出版社,2000.

[2] 吴祥定.树木年轮与气候变化[M].北京:气象出版社,1990.

[3] 王素萍,宋连春,韩永翔.河西走廊地区气候和绿洲生态研究的若干进展[J].干旱气象,2006,24(2):78-83.

[4] HOLMESR L.Computer-assisted quality control in tree-ring dating and measurement[J].Tree-Ring Bulletin,1983,43:69-75.

[5] COOK ER.A Time Series Analysis Approach to Tree-Ring Standardization[D].Tucson:The University of A rizona,1985.

[6] 袁玉江,魏文寿,ESPER J,等.采点和去趋势方法对天山西部云杉上树线树轮宽度年表相关性及其气候信号的影响[J].中国沙漠,2008,28(5):810-814.

[7] 吴普,王丽丽,邵雪梅.采用高山松最大密度重建川西高原近百年夏季气温[J].地理学报,2005,60(6):998-1006.

[8] 邵雪梅,吴祥定.华山树木年轮年表的建立[J].地理学报, 1994,49(2):174-181.

[9] W IGLEY T M L,BRIFFA K,JONES PD.On the average value of correlated time series,with applications in dendroclimatology and hydrometeorology[J].Climate and Applied Meteorology,1984,23:201-213.

[10] MANN M E,LEE J M.Robust estimate estimation of background noise and signal detection in climatic time series[J]. Climatic Change,1996,33:409-445.

[11] THOMSON D J.Time series analysis of Holocene climate date [J].Philosophical Transactionsof the Royal Society A,1990a, 330:601-616

[12] THOMSON D J.Quadratic-inverse spectrum estimates:App lications to palaeoclimatology[J].Philosophical Transactions of the Royal Society A,1990b,332:593-597.

[13] GRAY S T,FASTIE C L,JACKSON S T,et al.Tree-ring-based reconstructionof precipitation in the Bighorn Basin,Wyoming, since 1260 A.D[J].Climate,2004,17:3855-3856.

[14] 陈峰,袁玉江,魏文寿,等.呼图壁河流域过去313a春季平均最高气温序列及其特征分析[J].中国沙漠,2009,29(1):162-167.

[15] 袁玉江,ESPER J,魏文寿,等.新疆天山西部三个云杉上树线树轮最大密度年表的研制、相关性及其气候信号分析[J].干旱区地理,2008,31(4):561-566.

[16] 陈峰,袁玉江,魏文寿,等.天山北坡呼图壁河流域近313年降水的重建与分析[J].干旱区研究,2009,26(1):130-135.

[17] 陈峰,袁玉江,魏文寿,等.利用树轮图像灰度重建南天山北坡西部初夏温度序列[J].中国沙漠,2008,28(5):842-847.

[18] 潘娅婷,袁玉江,喻树龙.博尔塔拉河流域过去461a夏季气温的重建和分析[J].中国沙漠,2007,27(1):159-164.

[19] 康兴成,程国栋,陈发虎,等.祁连山中部公元904年以来树木年轮记录的旱涝变化[J].冰川冻土,2003,25(5):37-44.

[20] 邵雪梅,黄磊,刘洪滨,等.树轮记录的青海德令哈地区千年降水变化[J].中国科学D辑,2004,32(2):145-153.

[21] 魏文寿,袁玉江,喻树龙,等.中国天山山区235a气候变化及降水趋势预测[J].中国沙漠,2008,28(5):803-808.

[22] 勾晓华,陈发虎,王亚军.利用树木年轮指数重建近280年来祁连山东部地区的春季降水[J].冰川冻土,2001,23(3):292-296.

[23] 王亚军,陈发虎,勾晓华.利用树木年轮资料重建祁连山中段春季降水的变化[J].地理科学,2001,21(4):373-376.

[24] 杨银科,刘禹,蔡秋芳,等.以树木年轮宽度资料重建祁连山中部地区过去248年来的降水量[J].海洋地质与第四纪地质, 2005,25(3):113-117.

[25] 喻树龙,袁玉江,金海龙,等.用树木年轮重建天山北坡中西部7-8月379a的降水量[J].冰川冻土,2005,27(3):404-410.

[26] 梁尔源,邵雪梅,黄磊,等.中国中西部地区树木年轮对20世纪20年代干旱灾害的指示[J].自然科学进展,2004,14(4): 469-474.

[27] 袁林.西北灾荒史[M].兰州:甘肃人民出版社,1994.

[28] 黄磊,邵雪梅,刘洪滨,等.青海德令哈地区千年来降水量的突变分析[J].地理学报,2006,61(7):713-719.

Abstract:The tree-ring chronologieswere established according to samp les from Shandan.Single co rrelation calculation indicated that the co rrelationswere significant between the tree-ring chronologiesand p revious year′s August to p resent year′s June(A to J)total p recipitation,and the co rrelation coefficientwas0.654.Using DHG(RES)tree-ring chronology,the p revious year′s August to p resent year′s June p recipitation during the last 224 years was reconstructed,w ith an exp lained variance of 42.8%.The reconstructed equation was stable by crossing-test.The reconstruction p recipitation is compared to historical archives and other tree-ring reconstructions in No rthwest China.The results reveal common climatic extremes and change overmuch of Northwest China.Many of these events have had p rofound impactson the peop lesover the past several centuries.The reconstructed p recipitation series fo r M iddle Hexi Co rrido r during the last 224 a had significant period cycles of 4.2 a,3.4 a,3.2 a,2.6 a.The abrupt change of p recipitation occurred in 1887,1908.

Key words:Shandan;tree-ring chronology;p recipitation reconstruction

Reconstruction of Annual Precipitation in Shandan Based Tree-Ring since 1783A.D.

CHEN Feng,YUAN Yu-jiang,W EIWen-shou,YU Shu-long,FAN Zi-ang, ZHANG Rui-bo,SHANG Hua-ming,ZHANG Tong-wen
(Institute of Desert M eteorology,China M eteorological A dm inistration,Key Laboratory of Tree-Ring Physical Chem ic Research of China M eteorological A dm inistration,Key Laboratory of Tree-Ring Ecology of Uigur A utonomous Region,U rumchi 830002,China)

P426.61+4

A

1672-0504(2010)05-0082-05

2010-05-20;

2010-08-10

科技部公益性行业(气象)科研专项(GYHY200806011);国家自然科学基金(40975056);科技部科技基础性工作专项(2007FY220200);中国气象局新技术推广项目(CMATG2008Z13);中央级公益性科研院所基本科研业务费项目(IDM 200601、IDM 200801);国家自然科学重大基金(40890051);新疆气象局青年基金项目“塔城东部树轮密度对温度响应研究”

陈峰(1982-),男,硕士,助理研究员,主要从事树木年轮与气候变化研究。＊通讯作者E-mail:yuanyuj5502@sina.com