秦莉，史玉光，喻樹龍，袁玉江*，張同文，陳峰，范子昂，尚華明

（1.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)開放實(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；2.山東省氣象局，山東 濟(jì)南 250031）

天山北坡三屯河流域樹輪重建的146 a降水變化

秦莉1，史玉光2，喻樹龍1，袁玉江1*，張同文1，陳峰1，范子昂1，尚華明1

（1.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)開放實(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；2.山東省氣象局，山東 濟(jì)南 250031）

通過對新疆天山北坡三屯河流域2個(gè)采點(diǎn)的云杉樹輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表與小渠子和大西溝氣象站月降水相關(guān)普查分析發(fā)現(xiàn)，區(qū)域森林中下部林緣年表與小渠子氣象站上年7月至當(dāng)年6月的降水呈顯著正相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)為0.694（p<0.000 1），且具有明確的樹木生理學(xué)意義。利用區(qū)域森林中下部林緣年表序列可較好地重建小渠子氣象站146 a來上年7月至當(dāng)年6月降水量。對天山北坡三屯河流域過去146 a降水變化特征分析表明：天山北坡三屯河流域降水大體經(jīng)歷了6個(gè)偏干階段和6個(gè)偏濕階段，具有2、4、7、14、26 a的變化準(zhǔn)周期，1942年和1945年分別是三屯河流域甚至天山山區(qū)較大范圍內(nèi)過去146 a的降水最大年份和最小年份，降水的長期變化與天山山區(qū)變化趨勢有很大的相似性。

樹木年輪；云杉；降水重建；天山北坡

樹木是人類生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，它的生長和立地環(huán)境密切相關(guān)并受氣候變化的影響，大多樹木年輪的寬窄能夠真實(shí)地記錄下每年有利或不利的氣候要素[1]。利用樹木年輪資料獲取氣候與環(huán)境的變化，成為獲取過去氣候環(huán)境演變數(shù)據(jù)的重要方法之一[1-2]，在全球變化研究中起著舉足輕重的作用。

新疆樹木年輪研究工作始于20世紀(jì)60年代初，至今已有50 a的歷史。在研究較為集中的天山地區(qū)開展了大量樹木年輪研究工作，并取得了一些成果[3-13]。在干旱半干旱地區(qū)，樹木年輪的徑向生長主要受到降水的限制，樹輪中蘊(yùn)涵了豐富的降水信息。通過對天山西部伊犁地區(qū)的樹輪寬度資料進(jìn)行研究，袁玉江和李江風(fēng)[3]發(fā)現(xiàn)降水是該區(qū)域樹木生長主要限制性氣候因子。彭劍峰等[4]對天山北坡中東部高海拔的天山云杉和西伯利亞落葉松的樹輪寬度資料進(jìn)行了研究。通過相關(guān)函數(shù)和響應(yīng)函數(shù)的分析發(fā)現(xiàn)，生長在該地區(qū)天山云杉對氣溫和降水都有較好的響應(yīng)關(guān)系。魏文壽等[5]利用4個(gè)樹輪序列與天山山區(qū)10個(gè)氣象站降水變化的響應(yīng)關(guān)系，重建了天山山區(qū)近235 a來氣候變化的年降水序列。20世紀(jì)90年代初，研究人員曾在烏魯木齊河流域開展過樹木年輪研究工作，并取得了豐碩的研究成果[7-10]。但對于與之毗鄰的三屯河流域，樹輪氣候研究較少，本研究利用2008年采自三屯河流域的樹輪樣本，建立樹輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表，分析樹輪對氣候的響應(yīng)，重建了該區(qū)域過去146 a來的降水序列，并進(jìn)一步探討了降水變化特征，以期對天山北坡的降水長期變化規(guī)律有更好的了解。

1 資料與方法

1.1 樹木年輪采樣區(qū)概況

研究區(qū)位于天山北麓準(zhǔn)噶爾盆地南緣，總的地勢是南高北低，南側(cè)為中天山的喀拉烏成山（亦稱南山），東側(cè)為博格達(dá)山（即東山）。三屯河發(fā)源于天格爾峰，位于86°24＇～87°37＇E，43°26＇～45°20＇N之間，東與頭屯河、西與呼圖壁河接壤，流域南北長260 km，東西寬31 km，流域總面積8 171 km2，是一條雨和融雪水混合補(bǔ)給的山溪性內(nèi)陸河[14-15]。

1.2 樹輪采集與年表研制

2008年8 月，依據(jù)樹木年輪學(xué)的基本原理，在天山北坡三屯河流域完成2個(gè)采點(diǎn)（圖1）的樹木年輪樣本的采集工作，樹種為天山云杉（Picea schrenkiana）。每個(gè)采樣點(diǎn)采集20棵以上樹木，每棵樹取2個(gè)樹芯，共采集95個(gè)樹芯樣本。采樣點(diǎn)概況見表1。

圖1 天山北坡三屯河流域樹輪采樣點(diǎn)分布圖

表1 天山北坡三屯河流域樹輪采樣點(diǎn)概況

按照樹木年輪學(xué)的基本原理和研究步驟[2]，待樣本干燥后，將樣本固定，對鉆芯樣本進(jìn)行磨平、打光、樹輪標(biāo)識，使用MeasureJ2X樹木年輪寬度測量系統(tǒng)進(jìn)行樹輪寬度測量。用國際年輪庫的COFECHA交叉定年質(zhì)量控制程序[16]進(jìn)行交叉定年，確保每一年輪具有準(zhǔn)確的日歷年齡。利用ARSTAN程序[17]建立樹輪寬度年表時(shí)，采用三階樣條函數(shù)來去除樹木的生長趨勢，選取較佳的三階樣條函數(shù)長度，廟爾溝煤礦樹輪寬度年表三階樣條函數(shù)是40 a，三屯河樹輪寬度年表三階樣條函數(shù)為30 a[18]，建立了2個(gè)采樣點(diǎn)的樹輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表。

1.3 氣候資料

氣候資料采用與2個(gè)樹輪采點(diǎn)位于同一氣候區(qū)且距離最近的小渠子氣象站（87°06＇E，43°34＇N，2 161 m，1957—2008年）和大西溝氣象站（86°50＇E，43°06＇N，3 544 m，1959—2008年）歷年各月降水量。圖2為小渠子氣象站和大西溝氣象站多年平均逐月降水量與平均氣溫的值。研究區(qū)主要降水水汽來源于西風(fēng)環(huán)流，降水量隨海拔高度增高而增多。春秋兩季較短，冬夏兩季較長，夏季降水較多且氣溫較高，全年以1月最冷，7月最熱。

圖2 小渠子氣象站和大西溝氣象站多年平均逐月降水量與平均氣溫

1.4 研究方法

采用Dendro Clim2002相關(guān)分析和響應(yīng)分析解釋樹輪徑向生長對氣候的響應(yīng)；采用逐步回歸建立擬合方程重建降水序列。采用國際年輪研究中常用的“逐一剔除法”，進(jìn)行交叉檢驗(yàn)，從誤差縮減值RE、相關(guān)系數(shù)r、一階差相關(guān)系數(shù)rd、符號檢驗(yàn)值z、一階差符號檢驗(yàn)值zd和乘積平均數(shù)t等幾個(gè)方面對重建方程進(jìn)行交叉檢驗(yàn)。如果這些檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量中的誤差縮減值或其它某幾個(gè)能通過檢驗(yàn)，則說明該重建方程是穩(wěn)定可靠的。采用對稱延伸法消除子波變換效應(yīng)的Morlet子波變換和功率譜分析提取時(shí)間序列的變化準(zhǔn)周期。

2 結(jié)果與分析

2.1 天山北坡三屯河流域樹輪對氣候的響應(yīng)

鑒于降水是干旱、半干旱區(qū)樹木年輪生長的最主要限制因子，將2個(gè)氣象站的月降水量的上年1月至當(dāng)年12月所有不同時(shí)段的順序組合分別與天山北坡三屯河流域2個(gè)樹輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表的年輪指數(shù)序列進(jìn)行單相關(guān)普查。在所有組合中以小渠子氣象站上年7月至當(dāng)年6月的降水量相關(guān)最好，說明該時(shí)段降水量是該區(qū)域樹木年輪生長主要限制因子?？紤]到廟爾溝煤礦樹輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表和三屯河樹輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表與此時(shí)段相關(guān)最佳，將這兩個(gè)寬度年表序列平均后作為區(qū)域森林中下部林緣年表（MSZ，1863—2008年）與小渠子氣象站上年7月至當(dāng)年6月的降水量做相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)MSZ當(dāng)年輪寬度指數(shù)與氣象站降水量呈顯著正相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)為0.694（p<0.0001）（表2）。從樹木生理角度講，這是因?yàn)椤吧L季中樹木體內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)的減少，是由于生長季以前長時(shí)間維持少雨，光合作用速度降低或者呼吸作用速度增高造成的，此外前期不良的氣候條件會(huì)限制新芽、葉片和根系的形成，從而影響到水分和無機(jī)物的吸收及光合效率”，這樣將會(huì)導(dǎo)致在翌年形成偏窄的年輪[19]。樹輪寬度與該時(shí)段降水的顯著正相關(guān)，也說明影響天山云杉年輪生長的降水時(shí)段是有其樹木生理學(xué)意義的。

表2 研究區(qū)上年7月至當(dāng)年6月的降水量與樹輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表相關(guān)系數(shù)

2.2 降水序列的重建

利用區(qū)域森林中下部林緣樹輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表重建其降水，校準(zhǔn)期長度為1958—2008年，由逐步回歸分析法，構(gòu)建的最佳重建方程為：

式中：Pt為小渠子氣象站上年7月至當(dāng)年6月的降水量，MSZt是MSZ當(dāng)年（t）序列。

該方程的復(fù)相關(guān)系數(shù)是0.696，方差解釋量為48.4%，F(xiàn)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量為45.992，超過0.000 001的極顯著水平。由該方程可較好的重建天山北坡三屯河流域過去146 a的降水變化（圖3）。

圖3 小渠子氣象站上年7月至當(dāng)年6月降水重建序列（細(xì)實(shí)線）及低通濾波曲線（粗實(shí)線）

從表3可見：對降水重建結(jié)果進(jìn)行交叉檢驗(yàn)，所得的誤差縮減值RE為0.446（大于一般認(rèn)為RE> 0.0就算通過檢驗(yàn)）；交叉檢驗(yàn)所得的相關(guān)系數(shù)r為0.669（p<0.000 1）；原始值符號檢驗(yàn)結(jié)果z值為6/51（α=0.001）；一階差序列符號檢驗(yàn)結(jié)果zd是8/50（α= 0.01）。乘積平均數(shù)檢驗(yàn)值t為5.533，其顯著性水平均為0.001。由檢驗(yàn)結(jié)果可以得出，降水的重建方程具有較好的穩(wěn)定性，由方程所進(jìn)行的降水重建結(jié)果是可靠的。對比51 a的氣象站實(shí)測降水?dāng)?shù)據(jù)也表明，重建的上年7月至當(dāng)年6月的降水量與實(shí)測值有較好的一致性（圖4）。

表3 重建方程的交叉檢驗(yàn)

圖4 降水實(shí)測值與重建值的比較

2.3 天山北坡三屯河流域過去146 a降水變化

2.3.1 階段分析

研究表明（圖3），146 a來天山北坡三屯河流域的上年7月至當(dāng)年6月的降水經(jīng)歷了6個(gè)偏濕階段和6個(gè)偏干階段，偏濕階段為：1869（？）—1874年、1887—1906年、1920—1932年、1938—1942年、1955—1970年、1988—1996年；其他階段及1997—2002（？）年為偏干階段。最長的偏濕階段持續(xù)了20 a，而最長的偏干階段僅有12 a。本文結(jié)果與崔宇等[10]重建的烏魯木齊河源春季降水的偏濕階段1888—1914年較為吻合。其中1875—1886年的偏干階段，與東天山4—7月干旱日數(shù)[13]偏多期（1877—1886年）較為相似，說明天山山區(qū)降水變化趨勢具有一定的同步性。

2.3.2 周期分析

利用功率譜分析方法對天山北坡三屯河流域的上年7月至當(dāng)年6月的降水量做了周期分析，以便了解區(qū)域降水歷史變化的周期性，選用的最大滯后m相當(dāng)于序列長度的三分之一，當(dāng)功率譜大于一定置信水平所對應(yīng)的臨界值，則認(rèn)為相應(yīng)周期顯著，上年7月至當(dāng)年6月的降水重建序列的最大m=48，分析發(fā)現(xiàn)在0.05顯著性水平上，三屯河流域過去146 a降水量具有2.1 a和4.4 a的變化周期?；趯ΨQ延伸法的Morlet子波變換表明（圖5、圖6），三屯河流域過去146 a降水量具有7 a，14 a和26 a左右的較長的變化準(zhǔn)周期，在整個(gè)146 a中，26 a的變化準(zhǔn)周期最為穩(wěn)定，而7 a和14 a的變化周期在20世紀(jì)60年代之前表現(xiàn)明顯，60年代后周期縮短，降水在20世紀(jì)初周期震蕩較強(qiáng)烈，而20世紀(jì)后期，周期震蕩明顯減弱，周期縮短；這些變化周期與張瑞波等[20]重建的吉爾吉斯斯坦天山北坡過去百年的干濕變化周期一致。其中，2.1 a的準(zhǔn)周期與氣象學(xué)上的“準(zhǔn)兩年脈動(dòng)”具有一致性。吉爾吉斯斯坦東部過去百年干濕變化具有的6 a左右的變化準(zhǔn)周期特征與“準(zhǔn)兩年脈動(dòng)（QBO）”十分接近。已有研究表明，QBO的影響存在于較大的范圍，其可能與海氣間相互耦合振蕩有關(guān)[21]；而4.4 a和7 a的變化準(zhǔn)周期與厄爾尼諾（ENSO）的周期3～5 a一致，ENSO現(xiàn)象具有全球性[22]，13～14 a和20～21 a的變化準(zhǔn)周期可能對應(yīng)太陽黑子活動(dòng)11 a和22 a準(zhǔn)周期,說明太陽活動(dòng)對這一區(qū)域的降水變化也有影響。這些周期暗示了三屯河流域過去146 a降水除受當(dāng)?shù)貧夂蜃兓绊懲?，還受到更大范圍氣候變化的影響，進(jìn)一步證明了氣候變化的全球性。

圖5 降水量重建序列的MORLET小波變換圖

圖6 降水量重建序列的小波方差

2.3.3 降水頻率與極值

歷史氣候變化頻率與極值是氣候要素變化特征的一個(gè)重要的方面。重建降水干濕頻率反映的是過去幾百年來各類干濕年份出現(xiàn)的頻率。

如果以降水距平百分率在±10%之間為正常年份，>+30%為濕潤年，<-30%為干旱年，其間分別為偏濕及偏干年份[18]。公式如下：

式中xi為降水重建值為重建值的平均值。

在146 a以來，天山北坡三屯河流域上年7月至當(dāng)年6月降水出現(xiàn)的偏濕年有24個(gè)，占16.4%，正常年有102個(gè)，占69.9%，偏干年有20個(gè)，占13.7%。通過分析發(fā)現(xiàn)三屯河流域146 a來上年7月至當(dāng)年6月降水無濕潤年和干旱年，正常年份居多，偏干、偏濕年份大體相當(dāng)，這從一個(gè)側(cè)面反映了降水變化的穩(wěn)定性比較好。重建出的降水最大值出現(xiàn)在1942年（711.0 mm，28.2%），而最小值則出現(xiàn)在1945年（339.1 mm，-28.0%），這與李金豹等[23]得出中天山的極端干旱年是1945年的結(jié)論是一致的。從高頻變化上看（圖7），三屯河流域過去146 a降水變化與天山北坡中部[7]和天山山區(qū)[5]的降水變化較為一致，三屯河流域降水序列與天山北坡中部和天山山區(qū)降水序列相關(guān)達(dá)到0.573（p<0.000 1）和0.427（p<0.000 1），尤其是部分極端干旱年和極端濕潤年對應(yīng)較好，天山北坡中部和天山山區(qū)過去146 a的降水同樣在1942年和1945年分別為降水最大值和最小值。

圖7 天山山區(qū)不同區(qū)域過去146 a降水比較

3 結(jié)論

（1）上年7月至當(dāng)年6月的降水量是天山北坡三屯河流域森林下線樹輪徑向生長的主要限制性因子；利用三屯河流域樹輪年表可以較好的重建該地區(qū)近146 a的上年7月至當(dāng)年6月的降水量。

（2）天山北坡三屯河流域近146 a上年7月至當(dāng)年6月的降水大體經(jīng)歷了6個(gè)偏干階段和6個(gè)偏濕階段，降水具有2、4、7、14、26 a的變化準(zhǔn)周期。

（3）1942年和1945年分別是三屯河流域甚至天山山區(qū)較大范圍內(nèi)過去146 a的降水最大年份和最小年份，降水的長期變化與天山山區(qū)變化趨勢有很大的相似性。

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Variability of Precipitation over the Past 146 Years in the Santun River Basin Recorded by Tree-Ring

QIN Li1,SHI Yuguang2，YU Shulong1,YUAN Yujiang1*,ZHANG Tongwen1，CHEN Feng1，F(xiàn)AN Ziang1，SHANG Huaming1
（1.Institute of Desert Meteorology，China Meteorological Administration；Key Laboratory of Tree Ring Ecolog of Xinjiang Uygur Autonomous Region；Key Laboratory of Tree-ring Physical and Chemical Research of China Meteorological Administration；Urumqi 830002，China；2.Shandong Meteorological Bureau，Ji’nan 250031，China）

Single correlation calculation between the standard chronologies of tree-ring width in two sites and precipitation of Xiaoquzi and Daxigou meteorological stations found that the correlations were significant among standard chronologies of tree-ring width and precipitation from July of last year to June of current year in the Santun river basin on the north slope of Tianshan Mountains.Mining Miaoergou mine and Santun river standardization chronologies of tree-ring width for the region received the regional tree-ring standardized chronology in the mid-lower limit of forest.And it has distinct physiological significance with a maximum correlation of 0.694（p<0.001）. Using the regional tree-ring standardized chronology reconstructed a 146-year precipitation series. It was verified that the reconstructed precipitation series was reliable.Analyzing the 146 years reconstructed precipitation series indicated:there were 6 dry periods below its mean and 6 wet periods above its mean,and there significant change cycles of 2a,4a,7a,14a and 26a in the longterm precipitation series.1942 is maximum precipitation year and 1945 is minimum precipitation year over the past 146 years in Santun river basin even throughout the Tianshan Mountains.

Tree-ring；Picea schrenkiana；reconsructed precipitation；north slope of Tianshan Mountains

P467

A

1002-0799（2014）05-0023-06

10.3969/j.issn.1002-0799.2014.05.004

2014-03-20；

2014-06-10

中國沙漠氣象科學(xué)研究基金（Sqj2011003），科技部公益性行業(yè)（氣象）科研專項(xiàng)（GYHY201206014），國家科技支撐計(jì)劃（2012BAC23B01），國家自然科學(xué)基金（41271098，41205070）共同資助。

秦莉（1985-），女（蒙古族），助理研究員，主要從事樹木年輪氣候?qū)W研究。E-mail：qinhappy@sina.com

袁玉江（1955-），男，研究員，主要從事樹輪氣候、樹輪水文研究。E-mail：yuanyuj5502@sina.com

秦莉，史玉光，喻樹龍，等.天山北坡三屯河流域樹輪重建的146 a降水變化[J].沙漠與綠洲氣象，2014，8（5）：23-28.