樹輪記錄的甘肅山丹近224年降水變化

陳 峰,袁玉江,魏文壽,喻樹龍,范子昂,張瑞波,尚華明,張同文

(中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所,中國氣象局樹木年輪理化研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆維吾爾自治區(qū)樹木年輪生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆烏魯木齊830002)

樹輪記錄的甘肅山丹近224年降水變化

陳 峰,袁玉江＊,魏文壽,喻樹龍,范子昂,張瑞波,尚華明,張同文

(中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所,中國氣象局樹木年輪理化研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆維吾爾自治區(qū)樹木年輪生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆烏魯木齊830002)

根據(jù)山丹大黃溝的樹輪樣本,建立樹輪寬度年表。相關(guān)分析發(fā)現(xiàn),大黃溝樹輪寬度差值年表與山丹上年8月至當(dāng)年6月的降水存在顯著的正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.654(P<0.00001)。利用大黃溝的樹輪寬度差值年表,可重建山丹近224年來上年8月至當(dāng)年6月的降水變化。交叉檢驗(yàn)表明降水重建結(jié)果穩(wěn)定可靠。通過對降水重建序列與周邊地區(qū)樹輪降水重建序列和樹輪年表資料的對比分析,發(fā)現(xiàn)該重建序列與周邊地區(qū)的樹輪重建降水的干濕階段變化具有一定的同步性,并對西北地區(qū)極端干旱歷史事件有良好的響應(yīng)。多窗譜分析發(fā)現(xiàn),重建降水序列具有4.2 a、3.4 a、3.2 a、2.6 a的準(zhǔn)周期變化;滑動 T檢驗(yàn)法發(fā)現(xiàn),重建降水序列在1887年、1908年發(fā)生過降水突變。

山丹;樹輪年表;降水重建

在干旱半干旱地區(qū),年降水量及其季節(jié)分配對整個樹木年輪的形成都有影響[1,2]。如果生長季前和生長季中長時間少雨,樹木生長所需的水分得不到滿足,光合作用速度降低或者呼吸作用速度增高將使樹木體內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)減少,導(dǎo)致偏窄年輪的形成。相反,如果降水充足,不僅能夠滿足樹木快速生長的需要,而且水分將保存在土壤中,有利于土壤墑情的改善,加之生長中存儲在樹體中的養(yǎng)料充足,能夠有效促進(jìn)整個植物生長季的樹木生長,有利于形成較寬的年輪。

祁連山作為青藏高原的重要組成部分,是河西走廊的重要水源地。近幾十年由于氣候變化和人類活動等原因引起的祁連山生態(tài)環(huán)境問題日益嚴(yán)重,冰川退縮,雪線上移,林地減少,巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠、庫木塔格沙漠不斷擴(kuò)張,黑河、石羊河流域土壤沙化鹽堿化嚴(yán)重,個別地區(qū)人類的生存受到嚴(yán)重威脅[3]。為了研究祁連山歷史氣候變化和氣候環(huán)境變化,筆者于2007年在祁連山進(jìn)行了樹輪采樣,并依據(jù)在山丹大黃溝所采樹輪樣本研制出的樹輪寬度年表,重建了山丹近224年降水變化情況。

1 研究區(qū)概況與研究方法

山丹屬大陸性高寒氣候,年均氣溫5.9℃,年均降水量在150～230 mm,年蒸發(fā)量為2 246 mm,年日照時數(shù)為2 993 h,無霜期為151 d。植被在山區(qū)垂直分布,由山麓到山頂依次為灌叢草原帶、森林草原帶。森林的主要建群種為青海云杉(Picea crassifolia)。由于水分不足,平原地區(qū)多分布荒漠化草原、山地草原、灌叢草甸草原,植被稀疏、結(jié)構(gòu)簡單,覆蓋率低,呈現(xiàn)典型的荒漠植被特征。

遵循樹木年輪氣候?qū)W采樣點(diǎn)選擇基本原理,同時考慮研究的需要,2007年4月選擇的采樣點(diǎn)為山丹大黃溝(圖1),區(qū)域海拔3 000～3 100 m,坡向NW,坡度20°～30°,樹木郁閉度為0.3,共采集了29棵青海云杉樹56個樣芯。

圖1 樹輪采樣點(diǎn)和氣象站點(diǎn)分布Fig.1 Location of tree-ring sampling sitesand meteorological stations

依照樹輪樣本處理的基本程序,對所采樣芯進(jìn)行預(yù)處理,然后用精度為0.001 mm的Velmex輪寬測量儀測量輪寬。利用COFECHA程序?qū)徊娑杲Y(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)[4],利用ARSTAN程序建立樹輪寬度年表[5]。采用hugershoff生長曲線進(jìn)行生長趨勢擬合,以雙權(quán)重平均法(RobustBiweight)將上述去除生長趨勢后的序列合并成均值為1、最小值為0的無量綱樹輪寬度指數(shù)序列[6,7]。最終建立了寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表(STD)、差值年表(RES)和自回歸年表(ARS)[8](表1)。圖2為大黃溝差值年表指數(shù)和EPS值曲線[9],其中EPS值大于0.85的起始年為1783年。

圖2 大黃溝樹輪差值年表指數(shù)與EPS值曲線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 大黃溝青海云杉寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表與差值年表主要統(tǒng)計特征Table 1 Statistics of tree-ring chronologies(STD and RES)for Picea crassifolia in Dahuanggou

根據(jù)山丹氣象站提供的月降水量資料(1953-2006年),利用相關(guān)函數(shù)(Pearson)分析樹輪寬度年表與降水的關(guān)系,并建立樹輪寬度與降水的回歸方程。為評價氣候重建效果,采用交叉檢驗(yàn)[1,2]方法進(jìn)行驗(yàn)證,計算的統(tǒng)計量有方差解釋量(r2)、符號檢驗(yàn)(Sign Test,ST)、誤差縮減值(Reduction of Error, RE)等。利用多窗譜分析[10-13]對重建序列進(jìn)行周期分析,為了進(jìn)一步了解周期的時變特征,本文采用Morlet小波分析,置信度定為95%,計算時采用對稱延伸法消除小波變換的邊界效應(yīng)。采用滑動T檢驗(yàn)法對重建得到的氣候要素序列進(jìn)行突變檢驗(yàn)[14-18],取滑動步長為10 a、15 a、20 a、25 a、30 a、35 a,以α=0.001作為判別突變的顯著水平,選出其發(fā)生年份較為接近的最強(qiáng)突變年。

2 降水序列的重建

2.1 降水與樹輪寬度年表的相關(guān)分析

利用山丹氣象站1953-2006年月降水量資料,取上年4月至當(dāng)年9月各種順序組合與大黃溝樹輪年表進(jìn)行了相關(guān)普查計算。與樹輪年表正相關(guān)顯著的主要降水時段有:當(dāng)年5月至8月,當(dāng)年8月至9月,上年7月至當(dāng)年4月,上年8月至當(dāng)年5月,上年8月至當(dāng)年6月和上年8月至當(dāng)年7月。重建與檢驗(yàn)的試算結(jié)果表明,只有針對上年8月至當(dāng)年6月這一時段降水量的方程是穩(wěn)定可靠的,且方差解釋量最大,故本文僅針對這一時段進(jìn)行降水重建。

2.2 重建方程的建立

上年8月到當(dāng)年6月包括了上年生長季末期、冬季樹木休眠期和當(dāng)年生長季,該時段降水偏多不僅有利于當(dāng)年(t)生長季中樹木年輪的生長,還將對次年(t+1)樹木年輪的生長產(chǎn)生影響。取山丹氣象站上年8月至當(dāng)年6月降水量,同時考慮降水對云杉年輪當(dāng)年t、次年t+1及再次年t+2樹輪生長的可能影響,用回歸分析方法建模,重建方程如下:

式中:P為山丹氣象站上年8月至當(dāng)年6月的降水量;D HG是大黃溝樹輪寬度差值年表序列。

重建方程的相關(guān)系數(shù) R為0.654,在校準(zhǔn)期內(nèi), 54年的重建值對實(shí)測值的解釋方差 R2為42.8%,調(diào)整自由度后解釋方差 R2adj為41.7%,F=38.129。從統(tǒng)計特征看,方程(1)具有很好的穩(wěn)定性和精確性,從圖3可見重建值與實(shí)測值有較好的同步性。

圖3 降水實(shí)測數(shù)據(jù)與重建值比較Fig.3 Comparison of recorded and estimated precipitation for common period from 1954 to 2006

降水重建方程交叉檢驗(yàn)所得誤差縮減值 Re為0.383;乘積平均數(shù)檢驗(yàn)值t為5.157,顯著性水平均達(dá)0.0001;交叉檢驗(yàn)所得相關(guān)系數(shù)為0.620,顯著性水平為0.0001;一階差相關(guān)系數(shù)為0.581,顯著性水平為0.001。在符號檢驗(yàn)方面,低頻符號檢驗(yàn)和高頻符號檢驗(yàn)均達(dá)到0.01的顯著性水平(表2)。

表2 降水重建方程交叉檢驗(yàn)參數(shù)Table 2 Leave-one-out cross-validation statistics for reconstruction of precipitation in Shandan

2.3 降水重建序列變化特征

圖4為重建的山丹地區(qū)近224年來上年8月至當(dāng)年6月的降水量及其10年的低通濾波曲線。1)1783 -2006年,山丹上年8月至當(dāng)年6月的降水量平均值(Mean)為153.23 mm,標(biāo)準(zhǔn)差(σ)為19.72;1783-1799年、1800-1899年、1900-2009年降水量平均值分別為153.55 mm、153.32 mm和153.09 mm。重建的1900年前的降水歷年平均值為153.30 mm,標(biāo)準(zhǔn)差為14.8,變異系數(shù)為0.096;1900年后的降水歷年平均值為153.1 mm,標(biāo)準(zhǔn)差為24.0,變異系數(shù)為0.157。2)1983年(202.20 mm)和1960年(87.33 mm)分別是山丹降水重建序列的最高值和最低值,5個最濕潤和5個最干旱的年份都分布在20世紀(jì)。3)在年代變化上,20世紀(jì)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個年代之一;19世紀(jì)90年代和20世紀(jì)80年代是最濕潤的2個年代(表3)。

圖4 山丹224年來上年8月至當(dāng)年6月降水重建值及10年低通濾波曲線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關(guān)統(tǒng)計特征Table 3 Statistic characteristics of precipitation reconstruction in Shandan

圖5為降水重建序列的M TM譜估計值和相應(yīng)的紅噪聲臨界譜分析結(jié)果,可見降水重建序列存在著顯著的周期性變化,主要的振蕩準(zhǔn)周期有4.2 a(95%)、3.4a(95%)、3.2a(95%)、2.6a(99%)。由圖6可見,不同時段最強(qiáng)振蕩頻率也不同,一個30～50 a的中尺度振蕩貫穿20世紀(jì)。同時,以19世紀(jì)80年代為界,出現(xiàn)了一次較為明顯的氣候轉(zhuǎn)型,降水的振蕩開始加劇,變幅增大,2～5 a和30～50 a等中、短尺度的振蕩都有不同程度增強(qiáng)。

圖5 降水重建序列的M TM譜估計及其相應(yīng)的紅噪聲臨界譜Fig.5 MTM spectrum of the precipitation seriesand associated 95%red noise significance levels

表4 山丹上年8月至當(dāng)年6月降水突變年份Table 4 Abruptly changing years of the previous year′s August to present year′s June(A to J)total precipitation

滑動T檢驗(yàn)結(jié)果見表4。對降水重建序列的突變分析發(fā)現(xiàn),山丹近224年在1887年和1908年出現(xiàn)了2次降水突變,而且變幅很大,與干旱半干旱地區(qū)氣候變化較劇烈的特征相符。

圖6 降水的小波變換結(jié)果Fig.6 The wavelet transforms for the precipitation

3 討論

18世紀(jì)末到20世紀(jì)初氣候濕潤,降水在均值附近小幅波動(圖4),這與祁連山中部公元904年以來樹木年輪記錄的旱澇變化分析中19世紀(jì)是最濕潤時段[19]一致,同時在邵雪梅等[20]重建青海德令哈地區(qū)千年降水變化中存在一個1840-1915年長達(dá)76年的偏濕階段相對應(yīng)。根據(jù)小波分析結(jié)果,18-19世紀(jì)沒有出現(xiàn)明顯的變化周期,周期變化多集中于20世紀(jì)。與之對應(yīng),從19世紀(jì)末開始,降水的變化頻率增加,變幅增大,重建的1900年后降水序列的變異系數(shù)(0.157)大于1900年前降水序列的變異系數(shù)(0.096)。同時,在20世紀(jì)初該地區(qū)的降水還出現(xiàn)了一次較為明顯的干濕階段變化,其中1887-1909年偏濕,1910-1932年偏干,且這次干濕變化與西北多個樹輪重建降水序列[16,21-25]在這一時期干濕變化相對應(yīng)。20世紀(jì)20-30年代,嚴(yán)重的干旱使青藏高原東北部的祁連圓柏、內(nèi)蒙古中部的油松和關(guān)中地區(qū)華山松(Pinus arm andii)樹輪序列都出現(xiàn)了不同程度的生長速率下降情況[26],新疆多個降水序列都有所體現(xiàn)[16]。

把降水量介于Mean±σ值之間視為山丹的正常濕潤條件,而把降水量≤M ean-σ(133.5 mm)作為判斷干旱的臨界值,則在該降水重建序列中,共有35個干旱年,其降水量平均值為122 mm。根據(jù)《西北災(zāi)荒史》[27]和其他相關(guān)歷史資料記載,發(fā)現(xiàn)這35個干旱年對西北地區(qū)極端干旱事件有著良好的響應(yīng)(圖4),其中光緒初年的“丁戊奇荒”(1877-1879年、1883-1884年)、20世紀(jì)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)表現(xiàn)得最為明顯。重建的1960年降水量87.3 mm(實(shí)測值為78.7 mm)僅為54年實(shí)測平均值(155 mm)的56.3%,為近224年來最低值。

本降水重建序列在1887年的突變與青海德令哈地區(qū)千年來降水量的突變分析[28]中1887年突變、天山北坡呼圖壁河流域近 313年降水[16]中1886年的突變相對應(yīng)。1908年的突變標(biāo)志著該地區(qū)近224年最干旱階段的開始,但這次以西北地區(qū)20世紀(jì)20-30年代大旱為背景的突變出現(xiàn)的時間在空間上存在差異,德令哈地區(qū)出現(xiàn)在1916年,呼圖壁河出現(xiàn)在1921年,南天山西部地區(qū)出現(xiàn)在1911年,這可能是小冰期結(jié)束后氣候轉(zhuǎn)型、干濕變化波動加劇造成的。

為驗(yàn)證降水重建序列的可靠性,了解河西走廊干濕變化的一致性,利用分布在河西走廊的3個青海云杉和1個油松年表(與當(dāng)?shù)氐慕邓嬖陲@著相關(guān),圖1和表5)進(jìn)行相關(guān)分析,發(fā)現(xiàn)重建序列與這些年表均有良好的相關(guān)性,其中與河西走廊西部肅南大火燒溝年表的相關(guān)性最高,達(dá)到0.508(n=224)。

表5 本年表序列與河西走廊其他樹輪樣點(diǎn)年表的相關(guān)性Table 5 The correlation coefficients between tree-ring width series in Shandan and other tree-ring width series in Hexi Corridor

4 結(jié)論

山丹大黃溝青海云杉差值年表序列與山丹上年8月至當(dāng)年6月平均降水量相關(guān)系數(shù)達(dá)0.654,且具有明確的樹木生理學(xué)意義。經(jīng)交叉檢驗(yàn),重建方程穩(wěn)定,降水重建結(jié)果可信。山丹近224年上年8月至當(dāng)年6月的降水與河西走廊及周邊地區(qū)的樹輪記錄的干濕變化有良好的同步性,并與歷史記錄的干旱極端事件有良好的響應(yīng)。山丹近224年來上年8月至當(dāng)年6月的降水具有4.2 a、3.4 a、3.2 a、2.6 a的變化準(zhǔn)周期,并在20世紀(jì)存在一個明顯的30～50 a振蕩變化。降水重建結(jié)果顯示該地區(qū)在1887年和1908年發(fā)生過降水突變。

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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

科技部公益性行業(yè)(氣象)科研專項(xiàng)(GYHY200806011);國家自然科學(xué)基金(40975056);科技部科技基礎(chǔ)性工作專項(xiàng)(2007FY220200);中國氣象局新技術(shù)推廣項(xiàng)目(CMATG2008Z13);中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(IDM 200601、IDM 200801);國家自然科學(xué)重大基金(40890051);新疆氣象局青年基金項(xiàng)目“塔城東部樹輪密度對溫度響應(yīng)研究”

陳峰(1982-),男,碩士,助理研究員,主要從事樹木年輪與氣候變化研究。＊通訊作者E-mail:yuanyuj5502@sina.com