巴丹吉林沙漠南缘191 a来年降水量重建及初步分析

张永香，於琍，尹红

（国家气候中心，北京 100081）

巴丹吉林沙漠南缘191 a来年降水量重建及初步分析

张永香，於琍，尹红

（国家气候中心，北京 100081）

沙漠及其边缘地区生态环境脆弱，对气候变化敏感。但沙漠地区有限的森林资源限制了区域百年到千年尺度上的历史气候变化研究。利用采自巴丹吉林南缘的青海云杉年轮宽度资料，重建了区域近191 a（1815—2005年）来的年降水（前一年7月至当年8月的总降水量）变化序列。重建的相关系数是0.636，方差解释量为40.4%，调整自由度后的解释方差R2adj为0.392。重建结果稳定可靠。分析区域过去年降水变化结果可见，19世纪该区域干湿变化频繁，20世纪前半段主要以干旱为主，干湿转变较少。20世纪20年代的干旱事件在巴丹吉林南缘的干旱持续时间更长。周期分析的结果表明，区域年降水量变化有2 a、4 a、64 a等周期。

巴丹吉林沙漠南缘；树木年轮；年降水量重建

全球变暖已成为不争的事实。近期发布的IPCC第五次评估报告明确指出[1]，近一个世纪以来的全球变暖一半以上由人类活动造成。这种由于人类活动引起的气候系统变化是史无前例的，同时这一变化对生态系统的影响也极为深刻。最新的模式预估结果表明未来全球变暖仍将持续，而随着变暖的加剧，对不同区域的影响也不尽相同。未来的中纬度地区，干湿两极分化将更为严重，湿润的区域将更为湿润而干旱的区域将更加干旱[2]。

巴丹吉林沙漠是我国四大沙漠之一，地处对气候变化响应敏感的季风边缘区，对气候变化极为敏感[3]。已有的研究表明近半个世纪以来，随着变暖的加剧巴丹吉林沙漠周边地区诸如民勤绿洲、额济纳绿洲等土地荒漠化不断加剧，沙尘天气频发，生态环境不断恶化，沙漠腹地的湖泊也出现不同程度的缩小[4，5]。在此区域展开气候变化历史研究有助于更好地理解周边地区土地沙漠化和腹地湖泊退缩的气候背景，为沙漠气候资源利用和周边地区沙漠化治理提供理论依据，对当地生态环境保护和社会经济发展具有重要的现实意义。

目前关于该区域的研究主要集中于地质历史时期的气候变迁[6，7]。树木年轮资料是研究过去千年和百年尺度气候变化的可靠代用资料，但沙漠内有限的森林分布限制了基于此手段对区域百年尺度的气候变化研究。也有学者借助沙漠绿洲中的胡杨做相关研究，但结果表明，该树种的径向生长更多反映的是地下水的变化[8]。沙漠以南的祁连山区，森林资源丰富。已有的研究表明，利用该地的针叶树种可以重建当地及邻近区域历史时期的气候变化[9-11]。因此，本研究尝试利用采自沙漠南缘的青海云杉重建区域的气候变化，以期能为研究该地区气候变化，环境保护以及社会经济发展规划提供百年尺度的气候背景。

1 树轮样本的采集和年表建立

本研究所用资料是2006年采自巴丹吉林南缘东大山样点（DDS）的青海云杉的宽度资料（图1）。样品的采集选择了受人类活动干扰较少的青海云杉生长的最上限处，平均海拔约2 826 m，林地相对较开阔。所有样芯均是借助生长锥在健康的、没有明显机械伤害的成年青海云杉采得。考虑到树木与气候的关系，在采样中尽量选择树龄较大的树木，坡面、海拔差异较小的范围内采集样芯。共采集28棵树34个样芯。

在样品的前处理过程中，依据国际树轮年代学的基本处理方法对所有样芯依次进行固定和晾干。然后将固定好的样芯依次用由粗到细不同大小粒度的干砂纸打磨。所用最细的砂纸粒度为600目，打磨到在显微镜下能够清晰分辨细胞大小为止。再用骨架示意图法对所有采集的树芯进行了初步辅助交叉定年[12]，接着采用精度为0.01 mm的量测仪对所有样芯进行轮宽测量，之后用COFECHA程序[13]对定年和量测结果进行检验。最后，在确定定年无误后，所有的序列用负指数函数去除其生长趋势，对负指数函数不能去趋势的个别样芯采用2/3步长的样条函数去除生长趋势。所有去趋势序列通过双权重平均方法借助ARSTAN程序建立3个树轮年表（标准年表，差值年表和自回归年表）。其中差值年表在1815年达到稳定通过分析，最终采用差值年表重建区域近200 a来的气候变化历史（图2）。

2 气象资料和区域气候分析

本文所用的气象资料均来自中国气象科学数据集。在选择气象站点时，主要考虑巴丹吉林南缘各气象站点的资料情况，并遵从与采样点的距离近、环境差异较小，站点受城市化影响较小[14]资料可靠性好的选点原则，最终选取了6个气象站点（鼎新（DX）、阿拉善右旗（ALSYQ）、张掖（ZY）、山丹（SD）、永昌（YC）、民勤（MQ））的资料作为主要的气象资料来源。借助Person相关分析，计算了样点附近各站点记录的温度降水的空间一致性。相关分析的结果显示，除距离相对较远的DX站外，各站的记录具有较强的空间一致性。就前一年7月至当年8月的降水而言，位于巴丹吉林沙漠内部的ALSYQ站的年降水与SD站相关可达0.742，意味着利用SD站资料重建的年降水可以反映沙漠南缘的水分条件波动（表1）。本文最终选取了与采样点气候相对一致的SD站资料与树轮宽度资料进行气候重建。从SD站记录的多年平均气候状况（图3）来看，该区域气候具有明显的大陆性气候特征，冬季严寒干燥，雨热同期，年平均气温为6.4℃，7月平均最高气温可达20.6℃，1月平均最低气温为-10.1℃。年平均降水量为200.2 mm，5—9月的降水占全年的83.5%。

首先，利用Person相关分析计算了差值年表与SD站的单月气温与降水的关系。相关计算结果显示，该样点树轮径向生长与当年6月气温显著负相关（-0.303），与当年1月和前一年7月8月的降水显著正相关（0.273，0.274，0.289），其他月份均不显著。这说明水分条件是限制当地树木径向生长的主要限制因子。利用前一年7月至当年8月（P7C8）的降水总和与样点差值年表计算结果表明，该样点的树轮宽度资料能够很好地记录区域年降水的变化。其中与SD站的年降水相关可达0.636，与ALSYQ相关可达0.576。这表明DDS样点的树轮宽度资料可以用于重建并能反映巴丹吉林南缘历史时期区域年降水的变化。

3 巴丹吉林南缘年降水量重建

利用1953年以来SD站年降水量资料（P7C8）和DDS样点的宽度年表进行了回归分析，并建立了重建方程，最终得到转换函数：

式中：Pp7c8为该地区上年7月到当年8月的总年降水量重建值，DDSres为树轮差值年表。该转换函数的单相关系数是0.636，方差解释量为40.4%，调整自由度后的解释方差R2adj=0.392，F2，97=33.89，超过0.000 1的显著水平，由该方程可以重建出1815—2005年巴丹吉林沙漠南缘上年7月到当年8月的年降水量（图4）。对比重建值和实测值可见（图5），重建值在高低频上均能很好地反映实测降水的变化。

4 分析与讨论

祁连山区的树轮宽度资料已被广泛用于历史时期气候变化研究。陈峰等[11]利用研究区附近样点重建的过去两百多年的前一年8月到当年6月的降水。对比二者可见，两条重建序列在典型干旱事件如20世纪20年代的干旱事件上趋势相近（图5）。分析结果表明，本研究重建序列均值为238.1，方差为605.97，而陈峰等重建序列的均值为153.2，方差为389.15。本研究的重建结果在降水多寡年的变幅和时间上均更为清晰。除了树轮记录本身的敏感性差异之外，本文重建的降水总量包含了两年的降水最大月的降水量，因此其变化更明显。

为了更好理解过去区域降水的趋势变化，利用t检验[15]，采取10 a的步长检测了区域过去191 a以来的年降水量的变化趋势（图4b）。通过无信息先验分布的贝叶斯方法计算了各突变点的显著性[16]。突变点的正负表征降水的增加或减少。趋势分析的结果表明，19世纪区域整体为偏湿，干湿转换相对频繁，而20世纪则整体呈干旱趋势，干旱时期较长，干湿转换缓慢。19世纪存在四次显著的干湿转换（1839年变湿，1849年变干，1867年变湿，1876年变干，1887年变湿）（图4）。主要干旱时段与《西北灾荒史》[17]中记录的典型期基本一致，如1821—1847年，1857—1871年，1877—1884年。20世纪区域的干旱时期较长，且属于长期渐变的干旱趋势，其中1954年有变湿趋势，1971年变干，2002年变湿，但这几个干湿转换并不显著。整个20世纪中偏干的时期从世纪初一直持续到世纪中叶。其中西北地区最大持续时间最长的干旱事件，20世纪20年代在本重建序列中反映的最为清晰。相比于柴达木[18]和祁连山中东段[19]重建的降水结果，20世纪20年代的干旱在巴丹吉林沙漠南缘持续时间更长。

利用小波分析对区域年降水进行了周期分析（图6）。周期分析的结果表明，区域年降水量存在2 a、4 a、64 a和百年尺度上的震荡。其中，4 a期的周期与袁林等[17]研究的甘青宁地区存在4～6 a的干旱周期相一致。长周期信号较强主要在20世纪，短周期在近期也有所体现。

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Annual Precipitation Reconstruction over Last 191 Years at the South Edge of Badain Jaran Desert Based on Tree Ring Width Data

ZHANG Yongxiang，YU Li，YIN Hong
（National Climate Center，Beijing 100081，China）

Desert and its surrounding area are vulnerable and sensitive to climate change.Due to the limited resource of forest,few paleo-climate researches has been conducted at Badain Jaran Desert at century and millenary scale.Based on tree ring width data sampled at south edge of Badain Jaran,a 191 annual precipitation has been reconstructed.The annual precipitation is the total precipitation from previous July to current year August.The correlation between tree ring chronology and observed annual precipitation is 0.636.The reconstruction is reliable and stable and could explain variance 40.4%,adjusted 0.392.During last 200 years,there were frequent dry and wet switches during the 19th century,but less abrupt change in the 20th century.Drought is the domain condition in the first half part of the 20th century.The 1920s drought event is a long lasting and extreme drought period at the south edge of Badain Jaran Desert.

Badain Jaran Desert；tree ring width；annual precipitation reconstruction

P467

B

1002-0799（2015）01-0012-05

张永香，於琍，尹红.巴丹吉林沙漠南缘191 a来年降水量重建及初步分析[J].沙漠与绿洲气象，2015，9（1）：12-16.

10.3969/j.issn.1002-0799.2015.01.003

2014-10-28；

2014-11-22

气象行业专项（GYHY201206014）和沙漠气象科学研究基金共同资助。

张永香（1979-），女，副研究员，主要从事历史气候与气候变化研究。E-mail：zhangyx@cma.gov.cn