利用树木年轮重建马鞍山地区7～9月降水量序列

江善虎,任立良,雍 斌,刘 黎,杨海峰

(1.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏南京 210098;2.南京大学地理与海洋科学学院,江苏南京 210093;3.内蒙古自治区水文总局,内蒙古呼和浩特 010010)

树木年轮资料以其定年准确、连续性强、分辨率高、与水文要素高度相关等特点[1],成为获取历史大气降水等水文要素信息、研究水文循环全球变化的重要资料之一.研究树木年轮水文学,对更好地了解和把握过去所发生的水文循环过程具有重要的实际意义.在我国,吴祥定等[2-4]进行了大量基于树木年轮的气候学、水文学相关研究,并取得了显著成果.但目前研究区域主要集中在青藏高原和西北典型干旱半干旱地区[5],而在东北基于树轮的相关研究较少.本文利用取自东北老哈河流域马鞍山地区兴安落叶松的树轮宽度资料,建立了该地区树轮标准化年表,根据建立的年表分析了树轮宽度对月降水的响应,重建了该地区7～9月份降水量序列,并对重建降水序列的变化特征进行了分析.

1 研究区概况及年表建立

1.1 采样区概况

马鞍山国家森林公园(图1)位于内蒙古赤峰市喀喇沁旗锦山镇东南5km处,距赤峰市区50km.园区地处中温带大陆性季风气候,植被覆盖良好,为原始阔叶林,树种多为菜树、兴安落叶松及麻栗,海拔较高,人类活动影响较小,多年平均气温6℃,一年中除夏季外其他季节气温偏低.

1.2 树轮资料及年表研制

所用树轮样本采自马鞍山林区中限位置,采样区植被覆盖良好,郁密度较高,与林区植被覆盖情况基本相同,能较好代表林区的植被状况,且采样区为林区重点防护区,树木生长受人类活动影响小.采样时间为2008年8月,采样区为东北坡,坡度在20°～30°之间,采样中心点坐标为(118°47′16″E,41°51′50″N),海拔 1120m.用生长锥在选定的树木上钻取树芯,所选树木为林区的优势树种兴安落叶松,每株树取1～2个树芯,共采集12株树19个样芯.依据树木年轮分析的基本程序[3],对样本进行如下处理:(a)对样芯进行干燥、固定、打磨、交叉定年和轮宽测量;(b)对测量结果进行合理性检验,除去奇异轮过多或与主序列相关性不好的序列,所得样芯12条;(c)采用二次多项式拟合树轮宽度的生长趋势序列[6](R2=0.3～0.45),剔除遗传因素的影响,计算标准化树轮指数 Ii(Ii=wi/yi,其中wi为树轮宽度实测读数,yi为拟合的树轮宽度生长值,i=1,2,…,n),对计算出来的树轮指数序列以平均法合成树轮宽度标准化年表,记为STDS.

图1 研究区位置及采样点Fig.1 Location of study area and sampling sites for tree rings

表1为STDS标准化年表的统计特征及公共区间分析结果,反映了树木生长的基本特征以及树轮年表所含不同频率信息量的多少.分析结果表明:马鞍山地区各单株树木径向生长较为一致,是受相似气候因子影响的结果;年表的序列敏感度达0.41,说明马鞍山地区树木对气候响应较好;序列的信噪比、第一主成分解释方差量等参数,表明所建立的STDS标准化年表包含一定的气象信息,可以用来进行树木年轮水文学研究.

表1 STDS标准化年表的统计特征及公共区间分析结果Table 1 Statistic characteristics of standardized chronology and results of common interval analysis

1.3 降水资料

所用降水资料取自距采样点较近的双庙雨量站,站点坐标为(118°47′E,41°48′N),海拔800m.选用1970～2005年共36a逐月降水量,对降水资料的可靠性及一致性检验表明,选用的月降水量资料能够较好地满足可靠性和一致性要求,可以用来代表当地自然降水的变化情况.双庙站1970～2005年多年平均降水量为455mm,其中7～9月份降水量较大,占全年降水量的60%.考虑到树木生长早晚材情况,采用降水资料为上年10月至当年9月的月降水量.

2 树轮宽度对水文要素的响应

树木生长与水文要素的响应关系是树木年轮水文学分析的基础,研究树木生长与水文要素之间的线性关系较为常用的方法是相关函数法和响应函数法[7].本文采用相关函数法分析树轮年表与月降水的响应关系.月降水量与树轮年表的相关性结果如表2所示.从表2可以看出,马鞍山地区树轮宽度对月降水既有正响应,也有负响应,且全年以负响应为主.其中:上年10月至当年1月,树木生长与降水量呈负响应关系,主要响应月份为上年10月;当年2～6月,树木生长与降水量呈正响应关系,主要响应月份为6月;而当年7～9月,树木生长与降水量又呈负响应关系,主要响应月份为7月和9月,分别达0.01和0.05水平下显著;树木生长对7月份的降水量响应最为显著.从树木生理学角度讲,上年10月至当年1月,马鞍山地区属寒冷季,土壤大面积受冻,这一时期降水更加剧了冻害的发生,抑制了树木的生长发展;2～6月属兴安落叶松的生长期,这一时期的降水形成的湿润条件能为树木生长提供充足的水分,较好促进树木的生长;而马鞍山地区年降水量相对较为丰沛,7～9月更占据了全年60%以上的降水量,这一时期频繁出现阴雨天气,减小了树木光合作用的有效进行,抑制了树木的生长.

表2 月降水量与树轮年表的相关性Table2 Correlation coefficients between standardized chronology and monthly precipitation data

3 降水量重建方程及检验

3.1 降水量重建方程

通过树轮宽度对月降水量的响应分析,并对比全年各个单月及不同月份组合降水量与树轮宽度指数的响应关系,可知7～9月降水量与树轮宽度指数有较好的响应关系,相关系数达-0.43,达0.01水平下显著,且有较好的树木生理学意义,故最终选择重建马鞍山地区7～9月降水量.马鞍山地区7～9月降水量占年降水量的比例为60%,与年降水量的相关性达70%,说明马鞍山地区7～9月降水量能较好代表该区域年降水量变化情况.

利用树轮宽度指数重建过去的降水量,需要进行校准分析,建立转换方程.本文采用回归分析法建立树轮宽度指数对降水量的转换方程,通过对不同回归方程R2的比较分析,最终建立马鞍山地区7～9月降水量的转换方程为

式中:P7-9——马鞍山地区 7～9降水量重建值;S——马鞍山地区兴安落叶松标准化年表值.在1970～2005年校准时段,方程相关系数为0.53,超过0.01水平下显著.比较校准期实测值与重建值(图2)可以看出,重建值与实测值有较好的同步性,2条曲线拟合较好,说明重建序列与实测序列较为接近,得到了较为理想的重建结果.在重建序列中,除1970年、1980年、1993年和 1994年外,重建值与实测值都非常接近,尤其在2000年以后,重建值与实测值基本完全吻合.个别年份拟合效果较差.因为影响树木生长的因子并非单一的降水要素,由于个别年份其他要素对树木生长产生了较大影响,导致重建值与实测值产生较大的偏差.

图2 校准期(1970～2005年)7～9月降水量重建值与实测值的对比Fig.2 Comparison between reconstructed and observed precipitation from July to September during datum period(1970—2005)

3.2 重建方程的检验

进行重建方程的稳定性检验是判断重建方程是否可靠的关键一步.本文校准期为36a,根据树木年轮重建值检验原则,采用逐一剔除法对重建方程进行以下检验[8-9].

a.误差缩减值(R)检验.误差缩减值是精确检验估计水文要素重建值可靠性的统计量,其取值范围为-∞～1,一般认为R＞0就通过了检验,R＞0.3就较好地通过了检验.R计算公式为

b.符号检验.符号检验通过计算重建值与实测值的距平符号相同或不相同的对应次数进行检验,分为原始值符号检验和一阶差符号检验,两者分别对应重建值与实测值在低频变化和高频变化上的一致性.在36 a校准期内,原始值检验同号年数占总年数比例为24/36,接近0.05水平显著;一阶差值检验同号年数占总年数比例为29/35,超过0.01水平显著.这说明两序列在低频及高频变化上都有较好的一致性,高频上更优.

c.参数检验.校准期7～9月实测降水量多年平均值为267.26mm,标准差为87,变异系数为0.32,而重建结果平均值为267.26mm,标准差为46,变异系数为0.17.此外,历年的重建降水量平均值为265.9mm,标准差为47,变异系数为0.18.重建结果的变异系数较实测值的变异系数小,说明重建结果的平均值是稳定的[8],从而重建方程也是稳定的.

以上检验结果表明,重建方程是稳定、可靠的,重建降水序列是可信的.

图3 马鞍山地区7～9月降水量重建序列Fig.3 Reconstructed precipitation series for Ma'an Mountain area from July to September

4 降水量重建及变化特征分析

根据建立的转换方程,重建了马鞍山地区1942年以来7～9月的降水量序列,如图3所示.从图3可以看出,马鞍山地区7～9月的降水量多年变化较为平缓,1942年以来7～9月的降水量多年平均值为266 mm.

4.1 降水量的变化趋势分析

引进气象要素的时间序列法,通过计算重建降水序列的变化倾向率进一步定量分析其变化趋势[10].计算得马鞍山地区7～9月重建降水量变化倾向率为-0.1mm/a,可见马鞍山地区多年降水量较为稳定,有较小的逐年减小趋势.

4.2 降水量的干湿变化分析

降水量模比离差系数累积曲线[11-12]能较好地反映降水年际间的丰枯变化情况.马鞍山地区7～9月重建降水量模比离差系数累积曲线如图4所示.从图4可知:1942～1957年降水量的模比离差系数累积曲线处在一个较小波动下降过程,说明此段年份马鞍山地区降水处在枯水期;1957～1989年曲线出现一个较小波动上升过程,说明此段年份马鞍山地区降水处在丰水期;而1989年往后曲线又出现一个较小波动下降过程,说明此段年份马鞍山地区降水量又出现一个枯水期的变化过程.

图4 重建降水量模比离差系数累积曲线Fig.4 Accumulated curves for variation coefficients of modulus ratio of reconstructed precipitation

5 结 论

本文利用采自马鞍山地区的兴安落叶松树轮资料,建立了树轮标准化年表,并与月降水量进行响应分析,重建了马鞍山地区1942年以来7～9月降水量序列,进而对重建降水序列进行了变化特征分析.主要结论如下:

a.马鞍山地区兴安落叶松的生长,对2～6月降水表现出正响应,其中6月响应系数为0.19;对7～9月降水量表现出显著的负响应,其中7月负响应系数为0.4,达0.01水平下显著;结合马鞍山地区气候条件及兴安落叶松的生长特性,分析建立的树轮年表有较好的树木生理学意义.

b.利用建立的兴安落叶松树轮标准年表,重建了马鞍山地区7～9月降水量序列,检验结果表明,所得重建方程是稳定可靠的,重建结果是可信的.

c.马鞍山地区降水量多年变化较为稳定,有较小的逐年减小趋势;1942～1957年马鞍山地区降水量处在枯水期;1957～1989年马鞍山地区降水量处在丰水期;1989年往后马鞍山地区降水量又出现一个枯水期的变化过程.

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