基于树轮宽度的伊塞克湖入湖径流量重建与分析

尹仔锋 ，尚华明 ，魏文寿 *，何 清 ，袁玉江 ，张瑞波 ，张同文 ，Bakyt.Ermenbaev，Rysbek Satylkanov

（1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所；新疆树木年轮生态实验室；中国气象局树木年轮理化研究重点实验室，新疆 乌鲁木齐830002；2.新疆气象学会，新疆 乌鲁木齐830002；3.吉尔吉斯斯坦国家科学院水问题与水能研究所，吉尔吉斯斯坦 比什凯克720033）

中亚地区气候干旱，水资源矛盾突出。在全球气候变暖的背景下，中亚区域气候与水文变化的响应成为研究的热点问题。王劲松等利用插补延长的百年尺度气温序列研究了亚洲中部干旱半干旱区气温变化，发现中亚干旱区增温率比东部季风区、蒙古高原和塔里木干旱区较低[1]，陈发虎等分析了中亚地区近80 a来降水变化特征及其空间差异，指出了中亚干旱区降水对全球变化响应的复杂性[2]。王国亚等[3-4]利用器测资料对比分析了开都河、乌鲁木齐河和伊塞克湖流域气候变化与水文响应特征。以上研究均表明中亚区域气候与水文变化的独特性和复杂性，器测资料和格点资料长度仅约百年，不能满足对区域气候与水温变化规律认识的需要，因此需要寻找更长时间尺度的高分辨率代用资料。天山山区广泛分布着天山云杉原始森林，由于地处干旱半干旱区，树木年轮宽度对水分状况敏感，被大量应用于降水和径流量重建[5-7]。袁玉江[8-9]、喻树龙[10]、张瑞波等[11]发现了天山山区树轮宽度与河川径流量的显著正相关关系，并重建了过去几百年来乌鲁木齐河、玛纳斯河、奎屯河、阿克苏河的径流量变化历史。

伊塞克湖流域地处天山山区，流域周边广泛分布的天山云杉原始森林，为过去几百年气候水文序列重建提供了良好的代用资料。本文利用位于中亚伊塞克湖周边山区4个点的树木年轮宽度资料，基于对树轮指数与区域水文和气候要素响应关系分析，揭示地处中亚干旱区伊塞克湖流域的径流量变化历史，分析其变化特征，并与周边区域水文气候记录进行对比，进一步认识中亚干旱区气候水文变化规律，为流域水资源开发利用和水资源管理提供基础科学依据。

1 资料和方法

1.1 伊塞克湖流域概况

伊塞克湖位于亚洲中部吉尔吉斯斯坦东北部的天山山脉北麓的山间盆地，属内陆封闭咸水湖。湖泊中心位置 42°25′N，78°57′E，湖面海拔 1 608 m。湖泊面积6 236 km2，最大深度702 m，是世界最深的高山湖泊。湖泊为天山山脉所围，北面昆格山脉（Kungei Ala-Too）最高处达4 771 m，南面的泰尔斯凯山脉（Terskei Ala-Too）最高处为5 216 m。流域山区发育的现代冰川面积约为650.4 km2，冰川总储量为480×108m3[12]。共有102条河流汇入伊塞克湖，最大的为东北部的卡拉科尔河和秋普河[13]。流域位于大陆性气候带中部，气候温和干燥。年降水量约200～300 mm，山区可达800～1 000 mm，蒸发量达820 mm。

1.2 树木年轮资料

2012年10月在伊塞克湖东北的天山山区采集了1个点的天山云杉（Picea schrenkiana）树木年轮样本，共采集了来自30株健康活树的57个树芯标本，该采样点海拔2 900 m，接近天山云杉分布的上树线，坡向为W，坡度约40°，土层较薄。此外，还从国际树木年轮资料数据库（ITRDB，http://www.ncdc.noaa.gov）下载了伊塞克湖周边3个点的树木年轮宽度资料。表1给出采样点位置、样本量、年表长度等信息，一共包含来自91棵树的174个样芯序列。

按照树木年轮学研究的规范程序[14]，将新采集的样本经过晾干、粘贴固定、打磨、初步查年等前处理程序后，利用精度为0.001 mm的Velmex轮宽测量仪获取原始的树轮宽度数据，用COFECHA程序[15-16]进行交叉定年检验。将定年准确的4个点的树轮宽度资料采用WinARSTAN程序[17]建立树轮宽度年表，采用的负指数或线性函数拟合树木的生长趋势，去除树木生长趋势的影响，再对去趋势序列以双权重平均法进行合成，分别得到4个点树轮宽度年表。所有采样点的海拔高度均位于2 800～2 900 m，且公共区间内（1753—1995年）互相关系数0.5以上，对气候响应特征也是一致的，因此将所有年表资料合并，采用上文的年表研制方法得到伊塞克湖合成区域年表（YSK），下文的响应与重建分析均选用差值年表。合成区域年表的公共区间（1800—1995年）分析表明，序列的信噪比为21.9，所有样芯间相关系数（Rbar）为 0.40，样本的总体代表性（EPS）为0.973，以EPS>0.85为标准[18]，得到合成区域年表可信的时段为1658—2012年，起始年包括11个树芯。

图1 研究区位置图

表1 采样点概况和树轮宽度标准年表特征

1.3 气象和水文资料

虽然流域内分布有长期监测的气象站，但由于站点的资料缺测较多，不连续，本文采用的气候资料为英国 East Anglia大学Climatic Research Unit（简称 CRU）提供的 0.5°×0.5°格点气象资料[19]，要素为月降水量和月平均温度。考虑到流域内气象站资料时段，所用资料的时段选为1935—2012年。以76°～79.5°E、42～43°N范围CRU资料的平均值代表流域气候状况，以采样点所在格点代表采样点气候状况。北大西洋年代际涛动（AMO）、北极涛动（AO）和北大西洋涛动（NAO）气候指数来源于CRU[19]。AMO定义为 25°～60°N，7°～70°W 范围平均海温与全球平均温度线性趋势之差[20]。水文资料为伊塞克湖入湖年径流深度，资料时段为1935—2000年[5]。图2a为伊塞克湖流域（76°～79.5°E，42°～43°N）多年平均气温和降水的年内分布状况，可以看出该区域为典型的大陆性气候，雨热同期，年平均气温为1.5℃，年降水量为325 mm。月降水峰值出现在5—7月（占年降水量的42.3%），7月温度最高（15.1℃），1月温度最低（-14.7℃）。图3为流域1935—2012年降水量和年平均气温的变化曲线，可以看出温度升高、降水增加的趋势，升温率为0.30℃/10 a，降水增加速率为7.73 mm/10 a，入湖径流量也呈现出与降水量一致的增加趋势。温度增加趋势达到了0.001的显著性水平，年降水量和年入湖径流量增加的趋势达到了0.01的显著性水平。

图2 伊塞克湖流域树木年轮宽度年表、样本量、Rbar和EPS值

2 结果

2.1 树轮宽度对气候与水文要素的响应分析

采用相关函数分析气候、水文要素与树木径向生长的关系。其中气象资料的时段为1935—2012年，径流量资料时段为1935—2000年，树轮年表时段为 1935—2012 年 （KBK、SKG、SJK） 和 1935—1995年（TBK、YSK）。同时考虑到气候、水文条件对树木生长影响可能存在的滞后效应，单月气象资料的时段为上年6月至当年9月，径流量资料为当年（t）和次年（t+1）。相关分析结果表明（图4），4个采样点与区域合成宽度年表对CRU格点气象条件的响应基本是一致的：与上年7月至当年5月的降水量呈正相关关系，同时与上年7、8月和当年4、5月的平均温度呈一致的负相关关系。计算树轮宽度指数与伊塞克湖流域上年7月至当年5月降水量组合以及伊塞克湖的入湖流量的相关系数发现（表2），4个点的年表和区域合成年表与区域降水组合和当年径流量的相关系数均达到了0.01的显著性水平。综合以上结果表明：区域树木生长主要受水分条件制约，与温度的负相关也是由于高温导致土壤蒸发和植物蒸腾作用加剧了水分的限制作用所致。树轮宽度指数与降水相关最好的时段为上年7月至当年5月，当年生长季前期的降水对树木生长正影响的原因是：（1）上年生长季晚期（上年7—9月）丰富的降水增加营养物质积累，有利于树木来年的生长；（2）上年10月至当年5月，山区的降水主要以积雪的形式储存，在当年生长季前期积雪消融，对树木的早材形成起关键作用，进而有利于形成宽年轮[21]。在天山山区以及柴达木盆地等中国西北干旱区，都发现了类似的树木年轮宽度与上年7月（或8月）至当年5月（或6月）降水量以及年径流量的正相关关系[22-25]。

图3 伊塞克湖流域气候和水文变化背景

图4 树轮宽度指数与其所在CRU格点资料的上年6月至当年9月的温度和降水的相关系数

表2 树轮宽度指数与伊塞克湖入湖径流量和上年7月至当年5月降水量的相关系数

2.2 径流量重建与检验

以树轮资料和流量资料的公共期为校准期（1935—2000年），采用一元线性回归方法建立二者之间的转换方程：R=218.34×YSKres+384.06。其中R为伊塞克湖入湖年径流量，YSKres为区域树木年轮差值年表，该转换方程的方差解释量为30.2%，调整方差为29.1%，F检验值为27.63（P<0.000 1）。

将校准期分为 1935—1967年和1968—2000年，分别作为建模期和独立检验期，对重建方程的稳定性进行检验[26]，检验参数包括相关系数（r）、方差解释量（R2）、乘积平均数（PMT）、误差缩减值（RE）、和符号检验（ST）。检验统计结果表明（表3），验证期的相关系数分别为0.584和0.552，PMT、RE值均为正值，符号检验均达到了0.05的置信水平，以上统计量均表明了重建方程稳定有效。整段时期内重建值和实测值的一阶差序列的相关系数为0.596，证明了二者的高频变化特征是一致的。

表3 转换方程的参数和独立检验统计量

校验期内（1935—2000年）径流量实测值与重建值的对比（图5）发现，重建序列与实测序列在高低频变化上均能较好的对应，二者的平均值一致，但实测序列的变化幅度高于重建序列，实测序列的极差和标准差参数高于重建值，表明了树木年轮在反应极端丰水和枯水年份的能力不强。重建值和实测值偏差最大的3个年份分别为1998年（偏少115.7 mm），1981年（偏少 98.5 mm）和 1943年（偏多 94.7 mm），这3个年份分别为器测径流量序列中排名第3、第4和第65的年份。由于本文所用的树轮资料都来源于海拔2800 m以上，位于该区域天山云杉森林分布的上限区，在中高纬度干旱区的森林上限，虽然主要的影响因子为水分条件，同时也受温度条件的限制作用[27]，图4中树轮指数与当年生长季晚期（7—9月）温度较弱的正相关也表明了温度对树木生长的正贡献，导致了树轮宽度记录径流极值变化的能力不足。

图5 伊塞克湖年入湖径流量实测值与重建值的对比

3 讨论

3.1 径流量的丰枯阶段与周期变化特征

根据上文建立的转换方程重建了过去355 a来伊塞克湖径流量变化历史，考虑到上树线树木年轮宽度对径流变化极值记录能力不足，将重建的径流量序列标准化处理（Z-scores）后进行21 a滑动平均处理，分析低频的丰枯阶段变化特征。将径流量序列分为5个丰水期（1668—1685年、1725—1761年、1785—1801年、1926—1966年、1984—2002年）和 4个枯水期（1686—1724年、1762—1784年、1802—1925年、1967—1983年）。采用多窗谱分析法[28]分析径流量序列的周期特征，发现以低于8 a的高频周期为主，在95%的置信水平上，存在显著的15.5 a、7.4 a、6 a、5.2 a、3.2～3.5 a 和 2.1～2.8 a 的周期（图6）。

图6 伊塞克湖入湖径流量序列多窗谱方法周期分析

3.2 伊塞克湖径流量序列与天山山区径流量序列的对比

为了理解中亚天山山区水文气候要素变化时空异同及其与大尺度气候系统的联系，将本文重建的序列与基于树轮宽度重建的天山北坡玛纳斯河[8]、乌鲁木齐河[9]、伊犁地区[29]以及天山南坡阿克苏河[11]出山口径流量标准化序列处理后对比（图7）。结果表明，伊塞克湖入湖径流量的5个偏枯阶段（图7中的阴影条），均能与天山北坡的玛纳斯河和乌鲁木齐河径流量的偏枯阶段对应，但相位并不完全一致。仅有20世纪之后的两个枯水期与天山南坡的阿克苏河对应，1650—1900年间的3个偏枯阶段并不能对应，甚至出现反相位的变化。这表明，伊塞克湖流域和位于天山北坡的玛纳斯河流域和乌鲁木齐河流域同位于天山主脉的北坡，直接受到西风气流的影响，位于天山南坡的阿克苏河流域虽然与本文的研究区地理位置更为接近，但西风环流系统受到天山山脉的阻挡，翻山才能进入塔里木盆地，同时该区域还受到青藏高原北侧下沉气流的影响。

图7 天山北坡主要河流的径流量变化序列的对比

3.3 重建序列的空间代表性及其与AMO的关系

重建序列与CRU格点降水资料的空间相关分析（1950—2012年）发现，伊塞克湖流域重建径流量变化能较好地代表中亚天山北坡以及哈萨克斯坦东南部和新疆北部平原区降水变化（图8）。这也与上文的区域径流量水文序列对比结果对应：伊塞克湖入湖径流量与天山北坡的玛纳斯河和乌鲁木齐河径流量的丰枯阶段一致。为了进一步探讨伊塞克湖流域径流量变化的气候驱动因子，将本文重建径流量序列与AO、NAO）、欧亚纬向环流指数、AMO等气候因子和环流指数进行对比，发现伊塞克湖径流量的低频变化与AMO的关系最为密切（图9）。AMO本身是一个低频的变化过程，将AMO指数和重建的径流量序列（1874—2012年）进行11 a滑动平均处理后，比较发现二者的低频变化趋势一致，公共区间内相关系数为0.431。AMO是指发生在北大西洋区域空间上具有海盆尺度、时间上具有数十年尺度的海表温度的准周期性冷暖异常变化[30]。AMO在局地、区域乃至全球气候变化中发挥了重要作用，大量的研究论述其对欧亚大陆气温、北美、南亚、西非等地的降水、北大西洋飓风以及亚洲季风区的影响，但还未见关于AMO对中亚干旱区气候影响的相关研究[31]。关于本文发现的AMO与中亚地区水文变化关系的物理机制还需要气候模式进一步的验证。

图8 重建径流量序列与CRU上年7月到当年5月降水量的空间相关分析

图9 伊塞克湖入湖径流量的序列（11 a滑动平均）与北大西洋长周期年代际振荡（11 a滑动平均）的对比

4 结论

（1）伊塞克湖流域周边山区的树木年轮宽度对流域的降水信息敏感，能较好的反应伊塞克湖入湖径流量的变化，但记录径流极值的能力不足。这是由于本文所用树轮资料主要来源于海拔较高的森林上限区，且伊塞克湖与冰川补给有关。

（2）基于伊塞克湖流域区域树轮宽度差值年表重建了伊塞克湖355 a来的入湖径流量变化历史，二者线性转换方程的方差解释量为30.2%。径流量序列存在15.5的年代际周期以及7.4 a、6 a、5.2 a、3.2～3.5 a和2.1～2.8 a的高频周期，其丰枯阶段变化特征与天山北坡的玛纳斯河、乌鲁木齐河径流量的枯水期一致，但与天山南坡的阿克苏河流域的径流量的低频变化特征不一致，在1850年前的变化趋势相反。

（3）伊塞克湖径流量与AMO的年代际变化趋势是一致的，二者在1874—2012年11 a的滑动平均序列的相关系数为0.431。

[1]王劲松，陈发虎，张强，等.亚洲中部干旱半干旱区近100年来的气温变化研究[J].高原气象，2008，27（5）：1035-1045.

[2]陈发虎，黄伟，靳立亚，等.全球变暖背景下中亚干旱区降水变化特征及其空间差异 [J].中国科学:地球科学，2011，41（11）：1647-1657.

[3]王国亚，沈永平，秦大河，等.1860—2005年伊塞克湖水位波动与区域水文气候变化的关系 [J].、冰川冻土，2006，28（6）：854-860.

[4]王国亚.中亚天山高山区近期气候变化与河流水文响应[D].兰州，2007：43-49.

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

[6]陈峰，袁玉江，魏文寿，等.特克斯河流域近236 a降水变化及其趋势预测[J].山地学报，2010，28（5）：545-551.

[7]尚华明，魏文寿，袁玉江，等.树轮记录的中天山150年降水变化特征[J].干旱区研究，2010，27（3）：43-449.

[8]袁玉江，喻树龙，穆桂金，等.天山北坡玛纳斯河355 a来年径流量的重建与分析[J].冰川冻土，2005，27（3）：411-417.

[9]袁玉江，魏文寿，陈峰，等.天山北坡乌鲁木齐河年径流总量的树轮重建[J].第四纪研究，2013，33（3）：501-510.

[10]喻树龙，袁玉江，龚原，何清.奎屯河近379 a 9月径流量的重建与特征分析 [J].干旱区资源与环境，2008，22（7）：115-119.

[11]张瑞波，魏文寿，袁玉江，等.树轮记录的天山南坡阿克苏河过去300 a径流变化特征 [J].冰川冻土，2011，33（4）：744-751.

[12]王国亚，沈永平，王宁练，等.气候变化和人类活动对伊塞克湖水位变化的影响及其演化趋势 [J].冰川冻土，2010，32（6）：1085-1097.

[13]Giralt S，Riera S, Klerkx J，et al.Recent paleoenvironmental evolution of Lake Issyk-Kul.In:J.Klerkx.and B.Imanackunov （Editors）Lake Issyk-Kul:its natural environment[J].NATO Science Series,Kluwer Academic Publishers, Netherlands, Earth and Environmental Sciences 2002（13）：125-145.

[14]Fritts H C.Tree rings and climate [M].Elsevier，1976：258-270.

[15]Holmes RL.Computer-assisted quality control in treering dating and measurement[J].Tree-ring Bulletin,1983，43：69-75.

[16]Stokes M A.An introduction to tree-ring dating[M].University of Arizona Press,1996:1-61.

[17]Cook E.R.Methods of Dendrochronology [M].The Netherlands,Dordrecht:Kluwer Academic Publishers,1990：1-200.

[18]Wigley TM，Briffa KR,Jones PD.On the average value of correlated time series, with applications in dendroclimatology and hydrometeorology[J].Journal of Climate and Applied Meteorology，1984，23：201-213.

[19]MitchellTD,JonesPD.An improved method of constructing a database of monthly climate observations and associated high-resolution grids[J].International Journal of Climatology,2005，25：693-712.

[20]van Oldenborgh,G J,te Raa L A,Dijkstra H A,et al.Frequency- or amplitude-dependent effects of the Atlantic meridional overturning on the tropical Pacific Ocean[J].Ocean Sci.5：293-301.

[21]吴祥定.树木年轮与气候变化[M].北京：气象出版社，1990：171-172.

[22]张瑞波，尚华明，魏文寿，等.吉尔吉斯斯坦西天山上下树线树轮对气候的响应差异 [J].沙漠与绿洲气象，2013，7（4）：1-6.

[23]邵雪梅，梁尔源，黄磊，等.柴达木盆地东北部过去1437 a 的降水变化重建[J].气候变化研究进展，2006，2（3）：122-126.

[24]张同文，王丽丽，袁玉江，等.利用树轮宽度资料重建天山中段南坡巴仑台地区过去645年来的降水变化[J].地理科学，2011，31（2）：251-256.

[25]张瑞波，魏文寿，袁玉江，等.1396—2005年天山南坡阿克苏河流域降水序列重建与分析[J].冰川冻土，2009，31（1）：27-33.

[26]Meko D M,Graybill D A.Tree-ring reconstruction of upper Gila River discharge[J].Water Resource Bulletin，1995，31：605-616.

[27]喻树龙，袁玉江，秦莉，等.新疆沙湾夏季最低气温的重建与分析[J].地球环境学报，2012，3（3）：868-873.

[28]Mann M E,Lees J M.Robust estimation of background noise and signal detection in climatic time series[J].Climatic Change，1996，33（3）：409-445.

[29]李江风，袁玉江，马慧明，等.伊犁地区历史径流深度场的重建[J].自然资源学报，1994，9（1）：67-76.

[30]Kerr R A.North Atlantic climate pacemaker for the centuries[J].Science，2000，288：1984-1986.

[31]李双林，王彦明，郜永祺.北大西洋年代际振荡（AMO）气候影响的研究评述 [J].大气科学学报，2009，32（3）：458-465.