1801年以來河南堯山地區(qū)油松高溫變化及影響機(jī)制

楊 柳, 李靜茹, 彭劍峰,2,*, 霍嘉新, 陳 亮

1 河南大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院, 開封 475004

2 黃河中下游數(shù)字地理技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗室, 開封 475004

IPCC第五次評估報告指出,1880—2012年全球地表平均氣溫升高了0.85 ℃,過去50年的升溫速率幾乎是過去100年的2倍[1]。全球變暖作為一項公認(rèn)的事實(shí),已引起世界各國科學(xué)家們的廣泛關(guān)注,而樹木年輪具有定年準(zhǔn)確、連續(xù)性強(qiáng)、分辨率高、易于獲取樣本等特點(diǎn)[2],被廣泛用來研究影響樹木生長的氣候因子變化并重建過去時間尺度的氣候變化,現(xiàn)已成為研究全球氣候變化的重要指標(biāo)之一。升溫現(xiàn)象會對樹木的徑向生長產(chǎn)生影響,從而改變區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能[3-5],一些研究表明,隨著快速升溫樹木的徑向生長會加快[6-7]；也有研究結(jié)果表明快速升溫會減緩樹木的徑向生長[8-9],可見不同區(qū)域樹木的生長對升溫的響應(yīng)是不同的。

秦嶺山脈位于我國中部,是中國東部重要的南北地理分界線,同時也是亞熱帶與暖溫帶、濕潤與半濕潤氣候的分界線[10-11],是我國氣候變化的敏感區(qū)域。近年來,研究者們利用樹木年輪對秦嶺地區(qū)的氣候變化進(jìn)行了深入的研究,例如高娜等[12]分析發(fā)現(xiàn)牛背梁地區(qū)巴山冷杉的徑向生長對溫度的響應(yīng)存在著一定的分離效應(yīng)；秦進(jìn)等[13]利用太白紅杉探究了不同坡向植被對氣候變化響應(yīng)的差異；侯麗等[14]利用改進(jìn)的PPR方法,將秦嶺地區(qū)32個氣象站點(diǎn)1835—2013年2—4月的平均氣溫重建序列進(jìn)行插值,獲得秦嶺的歷史氣溫面域數(shù)據(jù)；Hu[15]等利用華北落葉松重建了秦嶺中段地區(qū)過去194年來5—7月的平均最低氣溫。但是由于秦嶺地區(qū)東西跨度較廣,地形復(fù)雜多變,局地氣候特征明顯,對該地區(qū)還有待更深入的研究。

堯山地處伏牛山東部,處于北亞熱帶向暖溫帶的過渡地帶,森林資源豐富且對氣候變化較為敏感,是較為理想的研究區(qū)域。王婷等[16]、彭劍峰等[2]、Peng[17-19]等已在伏牛山地區(qū)做了一些有關(guān)樹木徑向生長與氣候因子響應(yīng)關(guān)系的研究；田沁花等[20]、Shi等[21]、張艷華等[22]、劉禹[23-24]等樹輪學(xué)者利用樹輪寬度及同位素資料延長了河南地區(qū)的氣象資料。油松(Pinustabulaeformis)是我國的特有樹種,主要分布在東北和華北地區(qū),河南伏牛山已是油松分布的南緣地區(qū)[25-27],油松的年輪邊界清晰,可以進(jìn)行可靠的年輪分析和定年,是研究樹輪氣候的理想樹種。在此基礎(chǔ)上,本研究首先延長了堯山地區(qū)油松的樹輪寬度年表長度,其次是分析了堯山地區(qū)油松樹木徑向生長對氣候因子的響應(yīng)并揭示了氣候變化對樹木生長的影響,最后重建了該地區(qū)過去216年4—7月平均最高氣溫的變化特征并嘗試?yán)每臻g分析探討樹木生長對河南平原地區(qū)溫度變化的關(guān)系及其變化的形成機(jī)制,以期進(jìn)一步了解氣候變化對森林系統(tǒng)的影響,為本地區(qū)的森林管理及河南平原地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供基礎(chǔ)服務(wù)數(shù)據(jù)。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

堯山自然保護(hù)區(qū)(33°42′—33°45′N,112°11′—112°17′E),位于河南省魯山縣西部,地處伏牛山東段,最高海拔2153 m,是黃河、淮河、長江三大流域主要支流的分水嶺。堯山地處我國東部南北氣候分界線上,屬于北亞熱帶向暖溫帶過渡的大陸性季風(fēng)氣候,四季分明,雨量充沛,年平均溫度12 ℃左右,最熱月平均溫度24 ℃,最冷月平均溫度-0.5 ℃；年平均降水量820 mm左右,全年降水量的60%集中于7—9月份,四季較為濕潤。植被種類豐富,據(jù)初步調(diào)查,堯山植物區(qū)系復(fù)雜,以華北、華中植物區(qū)系成分為主[28],建群種、優(yōu)勢種明顯,如栓皮櫟(Quercusvariabilis)、油松(Pinustabulaeformis)、華山松(Pinus.armandi)等。土壤多為山地棕壤和黃棕壤,土壤腐殖質(zhì)大多在20 cm左右。

2.2 樣本采集和年表建立

樹輪樣品采集于2017年7月底,采集地為堯山自然保護(hù)區(qū),樣本采集于原始森林集中的青龍背油松純林中(33°43′N, 112°15′E,海拔高度在1664—1775m之間,圖1)?；趪H樹木年輪數(shù)據(jù)庫(International Tree-ring Data Bank, ITRDB)樣本采集標(biāo)準(zhǔn)[29],按照敏感性原則、復(fù)本原則等在采樣點(diǎn)選擇樹齡較長的油松,用生長錐在接近基部的不同位置每樹鉆取1—2個樣芯。鑒于青龍背地形陡峭,峰脊最窄處不足0.5 m,采樣難度較大,多數(shù)樹木采集1個樣芯,故本次采樣共采26棵樹30根樣芯(有的樹芯打通了整個胸徑,定年和測量時可作為2樣芯使用),標(biāo)注為YS05。

樣品帶回實(shí)驗室后,按照Stokes等[30]的方法將樣品固定在特制的樣槽中進(jìn)行編號并標(biāo)注采樣時記錄下的信息,然后置于陰涼處自然風(fēng)干,再用150—800目的不同粒級的砂紙對其進(jìn)行打磨,直至在顯微鏡下能夠清晰地分辨細(xì)胞的大小和年輪邊界為止。樣芯經(jīng)預(yù)處理后,在顯微鏡下以極窄輪為特征年進(jìn)行初步交叉定年。在初步定年無誤的情形下,利用精度為0.001 mm的Velmex年輪寬度測量儀(Velmex TA Tree Ring System, Velmex, Inc.)進(jìn)行逐年寬度測量,測量時基本沿著細(xì)胞串走向進(jìn)行。測量后的樹輪樣本序列用COFECHA[31]程序進(jìn)行質(zhì)量檢驗和控制,消除定年和量測過程中出現(xiàn)的錯誤,剔除一些生長異常和相關(guān)性較差的序列。最終選取21棵樹33個樣芯序列值,用ARSTAN程序[32]采用負(fù)指數(shù)函數(shù)或線性函數(shù)進(jìn)行擬合、未通過的進(jìn)行樣條函數(shù)擬合以去除樹木的幼齡效應(yīng),進(jìn)行生長量訂正的標(biāo)準(zhǔn)化,最后得到樹木年輪寬度標(biāo)準(zhǔn)年表、差值年表和自回歸標(biāo)準(zhǔn)年表3種形式的年表。本文選擇了樹木年輪寬度標(biāo)準(zhǔn)年表(圖2)進(jìn)行研究。

圖2 堯山油松樹木年輪寬度標(biāo)準(zhǔn)年表及樣本量(箭頭所指為SSS>0.85的年份)

2.3 氣象數(shù)據(jù)和研究方法

選取距離采樣點(diǎn)較近的河南省寶豐站(33°53′ N, 113°03′ E；海拔136.4 m；1960—2016年)和欒川站(33°47′ N, 111°36′ E；海拔750.3 m；1957—2016年)的氣象數(shù)據(jù)作為參考(數(shù)據(jù)來源于國家氣候中心,圖3)。氣象資料顯示,寶豐和欒川氣象站的溫度數(shù)據(jù)大多在1984年達(dá)到最低點(diǎn),故選擇1984年作為溫度數(shù)據(jù)的分界點(diǎn)。這一分界點(diǎn)的選擇參考張艷靜等人[33]和趙嘉陽[34]的研究結(jié)果,尤其后者認(rèn)為華北和東北地區(qū)的年際氣溫在80年代發(fā)生了突變。

圖3 寶豐和欒川氣象站月平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、降水量圖及其年均變化情況

寶豐和欒川氣象站的年均降水量在1984年后變化幅度較小,而年均溫度在1984年以前均呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢,在1984—2016年間呈現(xiàn)波動上升的趨勢。年均高溫的升溫速率分別為0.35 ℃/(10a)和0.46 ℃/(10a),年均溫的升溫速率分別為0.37 ℃/(10a)和0.41 ℃/(10a),年均低溫的升溫速率分別為0.46 ℃/(10a)和0.54 ℃/(10a),降水量的增加速率為-0.38 mm/(10a)和-0.01 mm/(10a)。

本研究選取前一年4月到當(dāng)年11月的月均溫、月均高溫、月均低溫和降水量利用樹木年輪學(xué)的專業(yè)軟件Dendroclim2002[35]與油松標(biāo)準(zhǔn)年表進(jìn)行相關(guān)分析,確定影響油松徑向生長的主要限制因子并分析1984年快速升溫前后油松對該因子的響應(yīng)差異。在此基礎(chǔ)上利用線性回歸模型建立轉(zhuǎn)換方程對主要限制因子進(jìn)行重建,同時將重建結(jié)果與近地面CRU TS 4.01 格點(diǎn)數(shù)據(jù)(http://climexp.knmi.nl)進(jìn)行空間相關(guān)分析,并利用小波分析和譜分析方法分析重建序列的周期變化,最后與采樣點(diǎn)海拔高度相近的850 hpa高空的ERA全球大氣再分析系統(tǒng)(歐洲中期天氣預(yù)報中心)的溫度資料進(jìn)行空間相關(guān)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 樹木年輪寬度年表統(tǒng)計特征

堯山地區(qū)油松標(biāo)準(zhǔn)化年表的統(tǒng)計特征值(表1)可以看出,樹輪序列中樣本的平均敏感度為0.320,標(biāo)準(zhǔn)化后的樹輪寬度年表的平均敏感度為0.242,表明樹木年輪的寬窄變化中可能含有較多的高頻信息；所有樣芯間的相關(guān)系數(shù)(r1)、樹木間相關(guān)系數(shù)(r2)、樹木內(nèi)相關(guān)系數(shù)(r3)都較高,表明采樣點(diǎn)油松的樹木年輪寬度變化具有較高的一致性；較高的信噪比SNR(14.543)和樣本解釋總量EPS(0.936)表明標(biāo)準(zhǔn)年表序列中含有較多的氣候信息,說明油松適于進(jìn)行樹木年輪氣候?qū)W研究。年表的起始年代以子樣本信號強(qiáng)度SSS[36]來確定,本文選取SSS大于0.85的第一年作為年表的可靠起始年份,起始年份為1801年(對應(yīng)于7個樹芯)。

表1 樹木年輪標(biāo)準(zhǔn)年表的統(tǒng)計特征

3.2 氣象站點(diǎn)的選擇及樹木徑向生長與氣候要素的關(guān)系

從圖4可以看出,油松樹輪寬度序列與寶豐氣象站當(dāng)年5、6月溫度和3、4、7月月均高溫及4—7月月均高溫呈顯著負(fù)相關(guān),與9月均溫和月均低溫呈顯著正相關(guān)；與欒川氣象站當(dāng)年5、6月溫度和當(dāng)年4月月均低溫及4—7月月均高溫呈顯著負(fù)相關(guān)。樹輪寬度序列與寶豐氣象站上年8月及當(dāng)年2—5月降水量呈顯著正相關(guān),與上年4月降水量呈顯著負(fù)相關(guān)；與欒川氣象站當(dāng)年5月份的降水量呈顯著正相關(guān)。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)年表與欒川和寶豐氣象站的月均溫、月均低溫、月均高溫和月總降水量的相關(guān)分析

一般來說,相比單月氣候要素值,樹輪寬度指數(shù)對氣候要素在季節(jié)上的平均值往往有更好的響應(yīng)[37-38]。結(jié)合年表與單月氣候要素的相關(guān)分析結(jié)果,本研究分別針對欒川和寶豐兩個氣象站點(diǎn)氣候要素的月份組合與年表之間的顯著相關(guān)性進(jìn)行了分析,研究結(jié)果除平均最低氣溫外均表明年表與氣候要素季節(jié)組合的相關(guān)性高于單月氣候要素的相關(guān)性。從分析結(jié)果中可以明顯看出油松樹木年輪寬度與寶豐氣象站各氣候因子間的相關(guān)性優(yōu)于欒川氣象站,可能是由于采樣點(diǎn)位于伏牛山東麓的堯山北坡,從圖1可以看出寶豐氣象站地處平原地區(qū),地形相對均一,而欒川氣象站位于伏牛山中部、海拔相對較高,容易受到山地小氣候因子的影響,相關(guān)結(jié)果比較復(fù)雜,故本研究主要對標(biāo)準(zhǔn)年表與寶豐氣象站的氣候因子進(jìn)行相關(guān)分析,以便今后分析樹木生長對平原地區(qū)氣候變化的響應(yīng)。

樹木年輪寬度年表與當(dāng)年3、4月月均高溫和當(dāng)年5、6月溫度呈顯著負(fù)相關(guān),而與9月均溫和月均低溫呈顯著正相關(guān),表明生長季初期的快速升溫會加強(qiáng)土壤水分的蒸發(fā)和植物的蒸騰,而圖3寶豐氣象站各月降水量數(shù)據(jù)表明生長季初期的降水量較少,升溫會影響木質(zhì)部形成層細(xì)胞的分化,限制油松樹輪早材的生長；生長季中期(5、6月份)較高的溫度引起葉片蒸騰作用強(qiáng)烈,導(dǎo)致細(xì)胞失水而出現(xiàn)一系列的代謝失調(diào)和生長發(fā)育不良,而研究區(qū)屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候,雨熱同期,降水多集中于7、8月份,5、6月份的降水相對較少,此時的高溫導(dǎo)致土壤可利用水分不足,根系吸收的水分無法滿足葉片蒸騰所需水分,植物組織處于缺水狀態(tài),從而限制了油松形成層細(xì)胞的分裂活動,形成窄輪；生長季后期即9月份較高的溫度(月均溫及月均低溫)與樹輪寬度呈顯著正相關(guān),表明較溫暖的秋季有利于植物光合作用合成有機(jī)物質(zhì),相對延長了油松的生長期,促進(jìn)樹木晚材的生長形成寬輪。

樹輪寬度指數(shù)與上年8月的降水量及當(dāng)年2—5月的降水量均呈顯著正相關(guān),表明降水量多有利于樹木的生長。8月份高溫高濕的環(huán)境有利于樹木儲存較多的營養(yǎng)物質(zhì)和次年樹木的萌發(fā)；生長季初期的溫度升高較快、季風(fēng)雨季又未到來,此時充足的降水可使樹木形成層細(xì)胞分裂和伸長較旺盛,細(xì)胞體積變大、細(xì)胞壁薄,有利于形成較寬的年輪[39]。

相關(guān)分析結(jié)果表明4—7月的月均最高氣溫對樹木生長有重要意義。4—7月月均高溫與年表的相關(guān)系數(shù)高達(dá)-0.64(P< 0.05),與田沁花等[21]在伏牛山地區(qū)(圖1)以及鄭永宏等[40]在大別山地區(qū)的研究結(jié)果一致,都表現(xiàn)出季風(fēng)雨到來之前的高溫對樹木生長有抑制現(xiàn)象,不同地區(qū)僅時間上有一定的差異。因此,從樹木生理學(xué)意義上可知堯山地區(qū)油松生長的主要限制因子是4—7月的月均最高氣溫。

3.3 升溫對油松徑向生長的影響

相關(guān)分析結(jié)果表明油松標(biāo)準(zhǔn)年表與1984年氣溫升高前后氣候因子的相關(guān)性相較于1960—2016年間發(fā)生了一定的變化(圖5)。升溫前,油松徑向生長與上年6月和當(dāng)年3、5、6、7月高溫呈顯著負(fù)相關(guān),與上年8月和當(dāng)年5月降水量呈顯著正相關(guān)；升溫后,油松樹輪指數(shù)與上年10月高溫顯著正相關(guān),與當(dāng)年2、3、4、5月降水顯著正相關(guān),與當(dāng)年4、5月高溫顯著負(fù)相關(guān),與當(dāng)年9、10月高溫顯著正相關(guān)。

圖5 升溫前后標(biāo)準(zhǔn)年表與月平均最高氣溫和降水量的相關(guān)分析及4—7月年均高溫和降水量的變化

氣溫升高前,樹木的徑向生長與上年6月高溫顯著負(fù)相關(guān),可能是因為較高的溫度導(dǎo)致樹木光合速率降低,葉片氣孔部分關(guān)閉,植物光合作用合成的有機(jī)物質(zhì)減少,不利于樹木的徑向生長,同時可能會減緩下一年樹木的生長。與上年8月降水正相關(guān)的原因可能是8月份堯山地區(qū)雨季來臨,前一年8月豐富的降水量有利于土壤涵養(yǎng)水分,為樹木的生長提供了充足的水分。4—7月降水有利于樹木的生長可能與7月下旬雨季到來之前的降水能夠為樹木的生長提供必須的水分,有利于樹木光合產(chǎn)物的積累,促進(jìn)樹木的徑向生長有關(guān)。

升溫后即1985—2016年間,年表與上年10月高溫的正相關(guān)有所增強(qiáng),說明前一年生長季末期(10月)較高的溫度會延長樹木生長時間,有利于加強(qiáng)樹木光合作用積累營養(yǎng)物質(zhì),為來年樹木的生長創(chuàng)造了良好的條件。生長季前期年表與平均最高氣溫明顯增加的顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(4、5月份)以及與降水量的顯著正相關(guān)關(guān)系(2、3、4、5月份)表明生長季前期的降水量相對樹木生長所需來說還不充足,此時的高溫加重了土壤水分的匱乏,降低了樹木的葉水勢,限制了葉內(nèi)水分的運(yùn)動[41],降低了樹木的光合作用速率,影響樹木的生長。而4—7月油松徑向生長與降水相關(guān)性降低的原因可能是溫度升高后降水量相應(yīng)增加,能夠滿足樹木正常的生長,油松對降水的敏感性降低。造成樹輪年表與9、10月份高溫顯著正相關(guān)的原因很復(fù)雜,在本研究中可以解釋為正常情況下,9月以后隨著氣溫降低,油松的生長將逐漸減緩,而溫度的升高會延長生長季,增加樹木的光合產(chǎn)物,有利于樹木代謝活動的正常進(jìn)行。

4—7月的年均高溫和降水量在1960—2016年間的波動較小(圖5c),年均高溫的升溫速率為0.03 ℃/(10a),降水量的增加速率為 4.78 mm/(10a)。升溫后年表與降水的相關(guān)性減弱,而平均最高氣溫作為影響堯山地區(qū)油松徑向生長的主要限制因子,4—7月平均最高氣溫與年表間的相關(guān)系數(shù)由升溫前的-0.648變?yōu)樯郎睾蟮?0.671,變化幅度相對較小,說明溫度變化前后的4—7月年均高溫與樹木徑向生長間的關(guān)系較為穩(wěn)定,都趨向于穩(wěn)定的較強(qiáng)負(fù)相關(guān),表現(xiàn)出明顯的高溫抑制作用,可以用來進(jìn)行長時間尺度的4—7月平均最高氣溫重建。

4 堯山地區(qū)4—7月平均最高氣溫重建及討論

4.1 4—7月平均最高氣溫重建

根據(jù)以上相關(guān)分析,利用堯山地區(qū)油松STD年表與寶豐氣象站觀測時段(1960—2016年)4—7月的月均高溫數(shù)據(jù),采用線性回歸方法對堯山地區(qū)1801年至2016年以來4—7月平均最高氣溫進(jìn)行重建,轉(zhuǎn)換函數(shù)設(shè)計為：

T4-7=-3.184×Wt+31.269

式中,T4—7為4—7月平均最高溫度,Wt代表標(biāo)準(zhǔn)年表中第t年的寬度指數(shù)。該方程的相關(guān)系數(shù)r=-0.633(P< 0.0001), 方差解釋量R2為40%(調(diào)整自由度后的解釋方差為38.9%),F=36.717。在重建期內(nèi),重建結(jié)果與觀測數(shù)據(jù)對應(yīng)良好(圖6)。

圖6 4—7月平均最高溫度重建值與觀測值對比

本文采用分段檢驗和符號檢驗法對重建方程的可靠性進(jìn)行檢驗,其結(jié)果見表2,檢驗的主要統(tǒng)計量包括R,R2,效率系數(shù)CE,誤差縮減值RE和符號檢驗Sign test。結(jié)果表明RE和CE均大于0且RE>CE,這說明重建模型可以被用來進(jìn)行氣候歷史重建,且4—7月月均高溫的重建方程是比較可靠的,而符號檢驗的結(jié)果大多超過了99% 的置信水平,這些均體現(xiàn)了重建方程的可靠性。

表2 重建方程的檢驗統(tǒng)計結(jié)果

圖7為4—7月月均高溫的重建序列,有圖可以看出1801年以來堯山地區(qū)4—7月平均最高氣溫波動較為頻繁,波動振幅在26.12—30.23 ℃之間,最高和最低溫度差達(dá)4.11 ℃。為了獲取更多氣候變化的低頻信息,對重建的氣溫序列進(jìn)行了11年滑動平均處理,11年滑動平均序列顯示堯山地區(qū)過去216年間4—7月平均最高氣溫經(jīng)歷了6次暖期和5次冷期。氣溫大致高于平均值的暖期時段為：1801—1825,1845—1853,1876—1889,1922—1944,1957—1975,1996—2013年；低于平均值的冷期時段為：1826—1844,1854—1875,1890—1921,1945—1956,1978—1995年。

圖7 堯山地區(qū)1801—2016年4—7月平均最高溫度重建曲線和11年滑動平均曲線

圖7中間的橫線代表該重建序列的平均值28.21 ℃,重建序列的標(biāo)準(zhǔn)誤差σ為0.79 ℃。我們定義：氣溫高于平均值+σ(29 ℃)的年份為極端高溫年份,氣溫低于平均值-σ(27.42 ℃)的年份為極端低溫年份。那么在重建的216年中,極端高溫年份為34年,占重建總年份的15.7%；極端低溫年份為35年,占重建總年份的16.2%。這一研究結(jié)果與河南地區(qū)歷史文獻(xiàn)記載所出現(xiàn)的大范圍干旱事件時間相吻合：嘉慶十八年(1813年)河南、直隸、山東三省發(fā)生的特大旱災(zāi)所導(dǎo)致的一連三次歉收造成了癸酉年的特大饑荒,史稱“癸酉大饑”[42]；1879年的“丁戊奇荒”是清朝“二百三十余年未見之凄慘、未聞之悲痛”,因此次大旱以山西和河南受災(zāi)最為嚴(yán)重,又稱“晉豫大荒”,是過去千年中國最為嚴(yán)重的極端干旱事件之一[43]；始于1928年的民國十八年年饉是以干旱為主,遍及河南、陜西、甘肅等八個省份的并發(fā)性災(zāi)害,河南全省春夏大旱,秋繼旱,民饑[44]；發(fā)生在1942年夏秋至1943年春夏的河南大旱災(zāi),涉及60余縣,受災(zāi)民眾數(shù)以百萬計[45]；由于長期少雨造成了1959—1961年全國大范圍的旱災(zāi),全國旱災(zāi)受災(zāi)面積37846700 hm2。

為了驗證高溫重建序列的可靠性,將4—7月平均最高氣溫重建序列與同期田沁花等[20]在伏牛山龍池曼地區(qū)重建的5—7月平均最高氣溫重建序列進(jìn)行了對比分析,兩條序列均為經(jīng)過11 a滑動平均計算后的低頻變化序列(圖8)。對比結(jié)果顯示兩條序列的變化趨勢具有較好的一致性,冷熱階段基本吻合,如1918年前后平均最高氣溫呈明顯的上升趨勢；1940年前后呈下降趨勢。在重建結(jié)果中,兩條序列經(jīng)歷了較為相似的冷暖時期波動過程,兩條曲線均體現(xiàn)了20世紀(jì)10年代的溫暖期、20世紀(jì)10—20年代的寒冷期、20世紀(jì)30—40年代的溫暖期、20世紀(jì)40—60年代以及80年代的寒冷期和20世紀(jì)90年代的溫暖期。但是兩條序列間冷暖變化的幅度以及持續(xù)的時間略有差異,同時也存在著一些冷暖變化差異的時期,這可能與重建所選擇的時期不同以及海拔并不完全一致有關(guān)。

圖8 伏牛山龍池曼5—7月高溫重建值與堯山4—7月高溫重建值的對比

4.2 空間代表性分析

為探索本文重建結(jié)果對較大范圍平均最高氣溫變化的區(qū)域代表性,本研究利用寶豐氣象站觀測資料和重建結(jié)果分別與CRU TS 4.01,0.5°×0.5°格點(diǎn)數(shù)據(jù)做空間相關(guān)分析。結(jié)果表明器測月均最高氣溫(圖9)和重建月均最高氣溫(圖9)與CRU格點(diǎn)數(shù)據(jù)空間相關(guān)場的分布較為一致,相關(guān)性最好的區(qū)域(r>0.5)主要集中在我國豫東平原地區(qū),表明本文重建的4—7月平均最高氣溫對豫東平原地區(qū)的溫度變化具有很好的代表性。

圖9 器測平均最高氣溫與重建平均最高氣溫序列與CRU格點(diǎn)4—7月平均最高氣溫數(shù)據(jù)(1960—2016年)空間相關(guān)分析結(jié)果

4.3 堯山地區(qū)4—7月平均最高氣溫的周期性及機(jī)制

本研究使用多窗口譜分析方法(MTM)分析堯山地區(qū)過去216年4—7月平均最高氣溫重建序列的周期(圖10),并使用KNMI氣候探測器(荷蘭皇家氣象研究所；http://climexp.knmi.nl)對堯山地區(qū)1801—2016年的溫度序列進(jìn)行Wavelet小波分析,來發(fā)現(xiàn)不同周期的時段穩(wěn)定性(圖10)。

圖10 堯山地區(qū)平均最高氣溫重建序列的MTM周期分析和小波分析圖

功率譜分析結(jié)果表明,堯山地區(qū)過去216年的4—7月平均最高氣溫重建序列存在3.16a,35.23—48.47a的顯著高頻變化周期(P<0.01)。此外,6.59a,3.80a,3.66a,2.87—2.83a,2.28a的周期超過了0.05的顯著性水平。其中3a左右的周期與ENSO的2—7年變化周期比較吻合,說明該地區(qū)的氣候變化可能與ENSO活動有關(guān)[46-47],小波分析結(jié)果顯示2—4a的準(zhǔn)周期在1920年之后較為穩(wěn)定；1920年之前35.23a—48.47a是堯山地區(qū)氣溫變化的主要控制周期。這些周期暗示了堯山地區(qū)過去最高氣溫不僅受當(dāng)?shù)貧夂蜃兓挠绊?還可能受到更大范圍氣候變化的影響。

為了深入探究更大范圍內(nèi)影響堯山地區(qū)4—7月平均最高氣溫變化的因素,本文利用850hPa高度上的ERA全球大氣再分析系統(tǒng)(歐洲中期天氣預(yù)報中心)的溫度資料對堯山地區(qū)的溫度重建序列進(jìn)行研究,結(jié)果表明,堯山地區(qū)的高溫變化主要與北太平洋副熱帶高壓帶(此高度的副高中心主要位于中太平洋上空)呈顯著正相關(guān),與赤道東太平洋厄爾尼諾海區(qū)上空的溫度呈負(fù)相關(guān)(圖11)?？赡苁怯捎诒碧窖蟾睙釒Ц邏涸?—7月時的強(qiáng)度增強(qiáng),位置稍向北移動,受東亞夏季風(fēng)包括副高西部東南風(fēng)、副高南側(cè)偏東風(fēng)、副高西北部西南風(fēng)的共同影響,在副高西到北部邊緣地區(qū)形成一條暖濕氣流輸送帶,使得副高外圍的東南氣流輸送到中國東部30°—40° N地區(qū)的熱量增多[48],從而促進(jìn)了這些區(qū)域高溫的形成。由于發(fā)生在赤道東太平洋海區(qū)的厄爾尼諾事件導(dǎo)致中、西太平洋地區(qū)海洋蒸發(fā)上升的水汽偏少,且異常的偏西風(fēng)不利于將熱帶太平洋上空的水汽輸送到中國大陸[49],這可能是導(dǎo)致堯山地區(qū)的高溫變化與赤道東太平洋海區(qū)上空的溫度成負(fù)相關(guān)的原因。雖然圖11所顯示的正相關(guān)可以用大氣環(huán)流影響該區(qū)域的溫度變異性來解釋,但是區(qū)域氣候變化的可能驅(qū)動機(jī)制需要從大氣和海洋環(huán)流系統(tǒng)的角度進(jìn)一步研究。

圖11 重建序列與ERA 850hpa溫度資料遙相關(guān)分析

5 結(jié)論

利用采自堯山青龍背地區(qū)的油松樹輪樣本,建立了樹輪寬度標(biāo)準(zhǔn)年表,通過年表與氣候要素間的相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)平均最高氣溫和降水量是影響堯山地區(qū)油松徑向生長的主要?dú)夂蛞?其中4—7月的月均最高氣溫對樹木生長的限制作用最強(qiáng)。本研究利用樹木氣候?qū)W方法分析升溫對油松徑向生長的影響,結(jié)果表明升溫后油松徑向生長與上年10月、當(dāng)年9、10月的平均最高氣溫及當(dāng)年2、3月份降水量呈顯著正相關(guān),與3、6、7月份平均最高氣溫負(fù)相關(guān)關(guān)系減弱,與上年8月、當(dāng)年4—7月降水正相關(guān)減弱,與4—7月平均最高氣溫的相關(guān)性較為穩(wěn)定,可以用來進(jìn)行4—7月平均最高氣溫的重建。

本文重建了堯山地區(qū)1801—2016年以來4—7月的平均最高氣溫,結(jié)果顯示該地區(qū)4—7月平均最高氣溫經(jīng)歷了6次暖期和5次冷期的波動,并且重建序列的顯著高溫期與文獻(xiàn)記載的干旱年份具有較好的一致性,與伏牛山地區(qū)重建的5—7月平均最高氣溫序列也有很好的一致性。周期分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)該地區(qū)4—7月平均最高氣溫變化存在著2—4年(ENSO周期)和35.23—48.47年的主要變化周期,小波分析發(fā)現(xiàn)在1920年前后氣候由長周期變?yōu)槎讨芷谧兓?。空間相關(guān)分析結(jié)果表明高溫重建序列對豫東平原地區(qū)的溫度變化具有很好的代表性,發(fā)現(xiàn)與北太平洋副熱帶高壓850hPa上空的溫度有非常好的一致性,表明豫東高溫的波動可能與北太平洋海氣振蕩有關(guān)。這一研究結(jié)果為山區(qū)森林管理和平原區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等提供一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)服務(wù)。