基于树木年轮的贺兰山东麓河流径流量的重建

陈峰，张同文，张瑞波，袁玉江

（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开放实验室，新疆乌鲁木齐 830002）

基于树木年轮的贺兰山东麓河流径流量的重建

陈峰，张同文，张瑞波，袁玉江

（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开放实验室，新疆乌鲁木齐 830002）

以采自贺兰山的5个采样点的树轮宽度资料为基础，建立区域标准化年表和差值年表，发现区域差值年表中包含的年径流总量信息多于标准化年表，并最终用区域差值年表序列重建了贺兰山东麓过去259 a的年径流量。相关分析发现降水和温度变化对于树木年轮生长及贺兰山东麓河流年径流总量的形成均有重要影响，是本文从树木年轮重建年径流量的气候水文学基础。校准方程的相关系数为0.638，可解释校准期内年径流总量变化总方差的40.8%，交叉检验的误差缩减值达0.328。分析259 a重建年径流量的变化特征发现：（1）重建流量经历了12个枯水期（1751—1759年，1765—1771年，1788—1802年，1809—1820年，1835—1840年，1847—1855年，1860—1866年，1877—1884年，1899—1908年，1924—1932年，1962—1967年，1980—1994年）和位于其间及1995—2004年的14个丰水期，以平水年份出现最多，但259 a来年径流量的变化较为剧烈。（2）年径流总量出现了持续≥10 a的4次持续枯水期和4次持续丰水期；持续枯水期中以1788—1802年的枯水期强度最大（平均距平百分率-14.9%），而强度第二的持续枯水期（平均距平百分率-10.4%），持续时间也长达15 a（1980—1994年）；持续丰水期中以1867—1876年的丰水期强度最大（平均距平百分率+17.9%）。

贺兰山；树木年轮；径流量变化

20世纪是最近一千年以来最为温暖的一个世纪，而最近30 a又是温度最高的时段[1]。温度上升对于全球和区域尺度的降水和水资源分布都有着重要影响[2]。然而，区域降水和水资源变化对于气候变暖的响应有着显著差异，20世纪80年代起在中国西北地区东部出现持续性变干趋势，而中国西北地区西部，包括新疆北部在内却出现显著暖湿化[3,4]。在更长时间尺度上，中亚干旱区与东亚季风区的降水和干湿变化也呈现反位相变化的特征，体现出显著的西风模式特征[5]。尽管在中国西北一些气象和水文台站的观测数据年代长达60 a，但总体上中国西北的器测气象水文资料分布仍然过于稀疏且观测时间较短，难以有效揭示区域气候水文特征，限制了对中国西北气候水文变化机理理解。因此，有必要借助树轮、湖泊沉积物等气候水文代用资料重建过去气候水文变化，并将现代气候水文变化趋势置于长期历史背景中进行相关分析[6-10]。其中基于树木年轮（以下简称树轮）的径流量重建序列不仅能够有效延长器测水文序列，同时还能有效揭示干旱半干旱区水文长期自然变率与相关变化机理[11]。为了弄清中国西北长期水文变化规律，减少其洪水和干旱造成的损失，中国树木年轮研究工作者自20世纪80年代开始用树轮重建河流径流量的年轮水文学研究工作，现已取得较多研究成果[12-16]。但是到目前为止，在贺兰山地区的树轮研究工作多是关注降水和干湿指数重建[17-19]，对于该区域河流径流变化尚没有涉及，尤其是高质量的径流量重建序列更为缺乏。

为了能更好地给水资源管理部门提供水文长期背景，满足防洪减灾和流量年景预报的实际需求，2008年在贺兰山地区进行树轮采样，开展了以重建年径流为目标的年轮水文学研究的工作。本文以2008年采集的5个采样点树轮宽度资料为基础，重建了贺兰山东麓过去259 a的河流径流量长序列，并分析其长期变化特征，以期能为贺兰山地区的年度流量年景预测和水资源评价提供较长的水文背景资料。

1 研究区概况与树轮年表建立

1.1 研究区概况

贺兰山位于宁夏与内蒙古两个自治区交界处，西接腾格里沙漠，东邻黄河，南北长220 km，东西宽20～40 km。贺兰山北段地势较高，南部地势平缓，最高峰海拔3556 m。贺兰山森林资源丰富，主要森林建群种以青海云杉（Picea crassifolia）、油松（Pinus tabuliformis）为主，其余为山榆、山杨、桦木及多种野生灌木。贺兰山高海拔地区（大于2800 m）山地上部还有面积不大的亚高山灌丛与草甸。树轮样本于2008年10月采自贺兰山中低山森林区，共采集了5个采点树轮样芯，所采树种为青海云杉和油松。在采样布局上，除遵循树轮气候学中采样点选择的基本原理[20]外，还考虑了流域水文特征。每个采点采集树木20棵左右，每棵树取2个树轮样芯。采样依据树轮研究基本方法[11]的要求进行，树轮样本均采自贺兰山针叶林的林片边缘或上树线附近，且采样点具有土层薄、坡度大、受人类活动影响较小的特征，因此所采集的树轮样本对气候水文的响应较为敏感，能较好地反映出贺兰山的气候水文变化状况，具有较好的代表性。贺兰山5个树轮采样点和气象水文站点信息如图1和表1所示。

图1 贺兰山区域树木年轮采样点分布

表1 贺兰山树轮采样点和气象水文站点信息

1.2 树轮年表建立

利用传统的树轮研究方法建立贺兰山区域树轮宽度年表。首先将树轮样芯晾干，放入木槽中固定，然后用砂纸打磨。树轮宽度数据是使用精度为0.001 mm的Velmex宽度测量系统测量得到的。树轮数据的交叉定年使用COFECHA程序完成[21]。为去除非气候因素和树木生长趋势，同时保留气候低频信号，利用负指数函数对原始树轮宽度数据进行去趋势处理。由于存在较强树间相关性（r=0.669），利用ARSTAN程序得到树轮宽度年表[11]，其1900—2000年的第一主成分为45.2%。利用样本总体代表性来界定树轮宽度年表的可靠性，在本研究中只截取样本总体代表性（EPS）[22]大于0.85的树轮宽度年表进行分析。因此，树轮宽度年表有效起始年代为1750年。从表2中本文重建贺兰山河流径流量最终用到的区域差值树轮年表的主要特征参数及公共区间分析结果来看，年表的平均敏感度和树间平均相关系数较高，具有典型干旱半干旱区树轮年表的特征。从树间互相关系数、信噪比、年表对总体的方差解释量，区域树轮差值年表中所包含的公共信号很强，特别是信噪比达到了86.506。

表2 贺兰山区域树轮宽度差值年表主要统计特征

1.3 水文气候资料

水文部门于1971、1956年和1973年分别在贺兰山东麓苏峪口沟、汝箕沟和大武口沟设立水文站。苏峪口沟平均年径流深为36.9 mm，汝箕沟平均年径流深50.1 mm[22]。贺兰山区域径流量变化主要取决于大气降水，由于该区域降水主要集中于暖季（6—9月），因此暖季径流量占全年径流量的70%以上，冬半年（上年11月—当年3月）径流量较小。本研究获取了1979—2008年苏峪口沟和汝淇沟出山年径流量序列，两沟多年平均径流量为5.86×106m3。选取采点附近最大的城市银川的月降水量、月平均温度资料（1951—2008年）与贺兰山东麓苏峪口沟和汝淇沟两条河流的出山年径流量之和（以下简称贺兰山东麓河流年径流量，1979—2008年）与树轮年表序列进行相关分析。

2 基于树轮资料的贺兰山东麓径流量重建

2.1 径流量与树轮年表的相关分析

取银川气象站1955—2008年的月降水量与月平均温度季节组合，与贺兰山区域树轮差值年表序列进行相关分析，结果发现：贺兰山区域树轮差值年表序列与当年5—8月平均温度相关系数最高，达到-0.472（P＜0.001），而贺兰山区域树轮差值年表序列与上年8月至当年6月降水总量存在着显著的相关性，相关系数为0.566（P＜0.001），同时，还与当年1—8月降水总量存在着显著的相关性，相关系数为0.401（P＜0.001）。可见，在当年生长季及生长季前降水偏多，温度偏低使得蒸发量偏小的情况下，有利于贺兰山地区青海云杉和油松在当年及次年的树木年轮生长，反之温度偏高，导致蒸发量大，且降水偏少不利于其当年及次年年轮生长，这一结果符合干旱半干旱区树木年轮—气候相关的基本原理[20]。

降水是山区河流径流的最为主要来源之一，夏季温度通过影响土壤蒸发和冰雪融化而间接影响河水径流量。相关分析发现，在1979—2008年的时段上，贺兰山东麓河流年径流量对银川气象站1—8月降水量的响应最好，相关系数为0.522（P＜0.001），此外对5—8月最高温度具有一定的负响应，相关系数为-0.323（P＜0.05）。由此不难看出气候对贺兰山东麓河流年径流量变化有着重要作用。从上述相关分析可知，影响贺兰山树轮生长的重要气候因子同样也对贺兰山地区水文变化具有重要影响。这就是本文可以从贺兰山区域树轮年表中提取贺兰山东麓河流年径流量变化信息的气候水文研究基础。

2.2 径流量重建方程的建立

由于气候要素对树木生长和径流量形成都可能存在滞后影响[20,23]，故在本文中，利用当年（t）、次年（t+1）及再次年（t+2）的树轮宽度序列与径流量资料进行相关分析[16]。结果表明，区域差值年表当年树轮宽度序列对贺兰山东麓年径流量的相关系数最高，为0.638（P＜0.001），以用区域差值年表当年树轮宽度序列对贺兰山东麓河流年径流量进行重建的结果较好。

基于区域差值年表当年树轮宽度序列和贺兰山东麓河流年径流量，以1979—2008年共30 a的资料为校准期，由线性回归分析方法建立贺兰山东麓河流年径流量与区域差值年表当年树轮宽度序列间的校准方程如下：

式中St为贺兰山东麓河流年径流量当年年径流量，RC为贺兰山区域差值年表序列。该方程的相关系数为0.638，F值为19.091，超过0.001的显著水平。该方程可还原贺兰山东麓河流年径流量总方差的40.8%。考虑到校准期较短（30 a），难以进行独立检验，故采用交叉检验法[25-26]对校准方程的稳定性进行了检验。结果发现重建的径流量与实测的径流量相似性较好（图2），其误差缩减值达0.328，交叉检验相关系数为0.602。原序列符号检验（5/25）和一阶差符号检验（5/24）均达到了0.01的显著水平。这些交叉检验参数表明，校准方程是稳定的，由它得到的贺兰山东麓河流年径流量的重建值是可信的。

图2 贺兰山东麓河流年径量实测值与重建值对比

3 重建的295 a年径流量变化特征

3.1 259a年径流总量的丰、枯水期

利用上述校准方程，重建出1750—2008年共259 a贺兰山东麓河流年径流量。从图3中的10 a低通滤波曲线和均值线可见：贺兰山东麓山区流域1750—2008年年径流量的变化经历了频繁的丰枯变化，大致可分为12个枯水期（持续时间超过5 a）（1751—1759年，1765—1771年，1788—1802年，1809—1820年，1835—1840年，1847—1855年，1860—1866年，1877—1884年，1899—1908年，1924—1932年，1962—1967年，1980—1994年）和位于其间与1995—2004年14个丰水期。其大于等于10 a的枯水期有4个：分别出现在1788—1802（15 a），1809—1820年（12 a），1899—1908年（10 a），1980—1994年（15 a）；≥10 a的丰水期有4个，分别出现在：1772—1787年（16 a），1821—1834年（14 a），1867—1876年（10 a），1933—1951年（19 a）。

图3 贺兰山东麓河流年径流量重建序列（细线）及其10 a低通滤波值（粗线）

3.2 丰枯频率分析

根据相关水资源评价方法[24]，用距平百分率将贺兰山东麓河流年径流量划分为5级，大于+25.0%作为丰水年，+10.1%～+24.9%为偏丰水年；小于-25.0%为枯水年；-24.9%～-10.1%为偏枯水年；-10.0%～+10.0%为平水年；对1750—2008年共259 a贺兰山东麓河流年径流量的丰枯频率进行了统计（表3）。

表3 贺兰山东麓河流年径流量的丰枯频率

由表3可知，自1750年以来的259 a，贺兰山东麓河流年径流量以平水年份出现最多，偏枯水年多于偏丰水年3.8%，枯水年出现39次，丰水年出现35次。这表明，贺兰山东麓河流259 a来的径流量变化变率较大，偏枯水年数和偏丰水年数年份均接近平水年数。其原因在于，贺兰山高海拔山地没有大规模冰川发育，缺乏稳定冰雪融水补给；同时其位于亚洲夏季风边缘区，季风季节降水也存在较强变率，在干旱高温的年份，土壤水分蒸发增加，又会使枯水的程度进一步加剧[25-28]。据田文彬等计算[22]：1993—2003年贺兰山东麓河流主要水文站年径流补给来源主要是大气降水，其中70%以上降水集中于6—9月的季风季节，并容易引发局部流域型洪水，而冬半年径流量较小。不稳定的补给来源是使得贺兰山东麓河流径流量不稳定的主要原因。

3.3 持续丰、枯水期及其强度

计算259 a重建年径流量相对于其平均值的距平，作为流量丰枯强度标准，并统计正距平或负距平持续≥10 a的丰枯水期，以其平均距平百分率作为流量丰枯水期强度标准，并辅以该丰枯水期的最大流量距平百分率作为另一强度参考值[16]。从表4可见：（1）近259 a来，贺兰山东麓河流年径流量出现了4次≥10 a的持续丰水期和4次持续枯水期。（2）持续枯水期中以1788—1802年的枯水期强度最大（平均距平百分率-14.9%），而强度第二的持续枯水期（平均距平百分率-10.4%）持续时间也为15 a（1980—1994年），约为最强枯水期持续时间的2倍多；持续丰水期中以1867—1876年的丰水期强度最大（平均距平百分率+17.9%），但时间较短（10 a）。（3）持续丰水期中最大的流量正距平出现在平均强度第三的丰水期中，达+68.9%（1787年），而持续枯水期中最大的流量负距平出现在平均强度第二的枯水期中，达-42.9%（1981年）。

表4 贺兰山东麓河流年径流量≥5 a的持续丰枯水及其强度

4 结论

综上所述，可得如下几点结论：

（1）在贺兰山青海云杉和油松的区域差值年表中包含了较强的干湿变化信号。贺兰山区域气候变化对于树木年轮生长及年径流量的形成均有重要影响，是可以从树轮重建年径流量的气候水文学基础及物理意义之所在。经交叉检验，径流量重建方程可还原贺兰山东麓河流年径流量总方差的40.8%的校准方程稳定可靠，重建结果可信。

（2）重建流量经历了12个枯水期（1751—1759年，1765—1771年，1788—1802年，1809—1820年，1835—1840年，1847—1855年，1860—1866年，1877—1884年，1899—1908年，1924—1932年，1962—1967年，1980—1994年）和位于其间及1995-2004年的14个丰水期，以平水年份出现最多，偏枯水年多于偏丰水年3.8%，枯水年出现39次，丰水年出现35次。总的来说，259 a来年径流总量的变化较大。

（3）年径流总量出现了出现持续≥10 a的4次持续枯水期和4次持续丰水期；持续枯水期中以1788—1802 a的枯水期强度最大（平均距平百分率-14.9%），而强度第二的持续枯水期（平均距平百分率-10.4%），持续时间也长达15 a（1980—1994年）；持续丰水期中以1867—1876年的丰水期强度最大（平均距平百分率+17.9%）。

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Annual Runoff in the Eastern Slope of Helan Mountains Reconstructed from Tree-ring Width for the Past 259 Years

CHEN Feng，ZHANG Tongwen，ZHANG Ruibo，YUAN Yujiang
（Key Laboratory of Tree-ring Physical and Chemical Research of China Meteorological Administration/ Xinjiang Laboratory of Tree Ring Ecology，Institute of Desert Meteorology，China Meteorological Administration，Urumqi 830002，China）

We present tree-ring-based annual total runoff reconstruction（CE 1750-2008）for the eastern slope of Helan Mountains，China.Spruce and pine forests grow on the hillsides near valleys. All increment cores were collected from living trees at 5 sites of the Helan Mountains in 2008.After naturally drying，mounting and sanding in the laboratory，annual ring widths were measured at resolution 0.001 mm by a Velmex measuring system.The quality of the measurement and crossdating of ring-widths was checked by the COFECHA program.The tree-ring width chronologies were developed by the ARSTAN program.We used the stepwise regression reconstruction method to reveal the potential of reconstructing runoff from the tree-ring width chronologies.The results indicated that the explained variance of the residual chronology to annual total runoff is 40.8%. Finally，based on three residual chronologies，a model was used to estimate the annual total runoff. The model accounted for 40.8%of the instrumental data variance and allowed us to reconstruct runoff for the period 1750-2008.Cross-validation tests were employed to evaluate the statistical fidelity of our reconstruction model.The reduction of error is positive，which indicates significant skill in the tree-ring estimates.Low runoff periods occurred during 1751-1759，1765-1771，1788-1802，1809-1820，1835-1840，1847-1855，1860-1866，1877-1884，1899-1908，1924-1932，1962-1967，1980-1994，whereas high runoff periods were also identified.In according to our runoff reconstruction，the longest low and high runoff periods lasted about 15 years（from 1788 to 1802）and 19 years（from 1933 to 1951），respectively.

Helan Mountains;tree rings;runoff reconstruction

P467

B

1002-0799（2017）03-0025-06

陈峰，张同文，张瑞波，等.基于树木年轮的贺兰山东麓河流径流量的重建[J].沙漠与绿洲气象，2017，11（3）：25-30.

10.12057/j.issn.1002-0799.2017.03.004

2017-04-01

国家自然科学基金（91547115,41405081），中央级公益性科研院所基本科研业务费项目（IDM2017002）,自治区青年科技创新人才培养工程（qn2015yx040）和中国气象局气象部门青年英才计划共同资助。

陈峰（1982-）,男,副研究员,主要研究方向为树木年轮与气候水文变化研究。E-mail：feng653@163.com