小五台山油松树轮宽度重建近百年夏季亚洲－太平洋涛动指数

万金红，杨志勇，张葆蔚，刘和平，方宏阳，5，李云鹏，张念强，刘建刚

（1．中国水利水电科学研究院a．水利史研究所；b．流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；2．水利部防汛抗旱减灾工程技术研究中心，北京 100048；3．国家防汛抗旱总指挥部办公室，北京 100053；4．辽宁省水文水资源勘测局，沈阳 110003；5．河北工程大学水电学院，河北邯郸 056038）

小五台山油松树轮宽度重建近百年夏季亚洲－太平洋涛动指数

万金红1a，2，杨志勇1b，张葆蔚3，刘和平4，方宏阳1b，5，李云鹏1a，2，张念强1a，2，刘建刚1a，2

（1．中国水利水电科学研究院a．水利史研究所；b．流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；2．水利部防汛抗旱减灾工程技术研究中心，北京 100048；3．国家防汛抗旱总指挥部办公室，北京 100053；4．辽宁省水文水资源勘测局，沈阳 110003；5．河北工程大学水电学院，河北邯郸 056038）

夏季亚洲－太平洋涛动指数（IAPO）能够很好地指示中国东部季风区夏季降水变化。利用树轮宽度指数作为代用资料，结合气象资料分析表明油松径向生长与春、夏两季的气温和降水呈现明显的相关关系。在此基础上，利用树轮指数序列重建了近百年（1914—2006年）夏季IAPO序列。重建结果表明，重建序列在低频信息1914—2006年间存在3个正位相阶段和4个负位相阶段，其中，1914—1948年间IAPO整体趋势一直处在负位相；1948—1965年间IAPO整体趋势一直处在正位相；60年代中期以来IAPO基本处在负位相，仅在70年代中期、90年代左右出现短暂的正位相。对比分析表明，重建的夏季IAPO序列与另一夏季IAPO重建序列具有良好的同步性。

夏季亚洲－太平洋涛动指数（IAPO）；油松树轮宽度；小五台山

1 研究背景

夏季亚洲－太平洋涛动（Asian-Pacific Oscillation，简称APO）描述为亚洲和太平洋中纬度对流层扰动温度之间存在的“跷跷板”现象，当亚洲大陆中纬度对流层偏冷时，中、东太平洋中纬度对流层偏暖，反之亦然。习惯上，把亚洲和太平洋500～200 hPa平均T之差定义为APO指数［1－2］。研究表明APO对东亚地区的气候异常也有着重要影响，APO指数能够很好地指示中国东部季风区夏季降水变化［3］。当APO指数偏高时，东亚和南亚夏季风偏强，长江以北和以南的降水增加，其中东部季风区北纬35°～40°间出现＋100mm降水异常，而长江流域降水会减少。也有研究指出，这种现象也发生在春季和秋季［4－5］。因此研究APO指数（IAPO）的变化规律，对于我国东部季风区水资源管理和防汛抗旱减灾工作的开展具有重要意义。

由于历史时期观测资料的缺乏，人们对IAPO长期变化规律的认识还很有限，目前利用代用资料重建IAPO的研究还不多见。树木年轮作为一种定年准确、分辨率高、连续性好的古气候代用资料可以在一定程度上反映IAPO长期的变化规律。目前，我国研究者已建立大量树轮年表，开展了许多富有意义的树轮气候学研究，如陈峰等人［6］采用我国低纬度武夷山山区的马尾松树轮重建了历史时期的IAPO的变化情况。

本文利用取自中纬度海河流域小五台山自然保护区的油松树轮样本，建立了一个长度为95 a的树轮宽度标准化年表，在分析年表对气候要素相应的基础上，尝试利用该年表重建了近百年夏季亚洲－太平洋涛动指数（IAPO）变化序列，分析近百年来夏季IAPO的变化特征，为历史时期气候变化研究提供基础数据与参考依据。

2 资料与方法

2．1 研究区概况

小五台山位于河北省西北部的蔚县和涿鹿县境内，地处燕山、恒山、太行山3大山脉交汇地带，属于恒山余脉。小五台山自然保护区范围为东经114°47′～115°30′，北纬39°50′～40°07′，东西长60 km，南北宽28 km，总面积为21 833 km2。

小五台山自然保护区是理想的气候变化研究区，它地处温带半湿润与半干旱气候的天然分界线上，自然环境特殊，属暖温带大陆季风型山地气候。一年中温差大，冬季受蒙古高压控制，气候寒冷干燥，风大，冻结时间长，无霜期短；夏季受海洋气团影响，气候温暖湿润，雨热同期，降水一般集中于6—8月份。由于人类活动的强烈影响，大部分的原生森林都已被砍伐破坏，只是在保护区内保存有较完好的大片原生林和次生林［7］。

2．2 采样与树轮年表制作

树轮样本采样布局遵循树木年轮气候学采样点的选择基本原理，同时考虑到小五台山地区环境特点和研究需要，在蔚县小五台山麓的常宁乡西金河口村（114°57．268′E，39°56．251′N）布设采样点（图1），采样点均处于当地油松林分布的下限。为保证树芯样本所含气候信息的一致性，所采集树木样本间的垂直高度差被控制在100 m左右。所采树种为油松，采样时间为2011年8月。

图1 树轮采样点和气象站位置Fig．1 Location of tree-ring sampling and meteorological station

此次研究共选取25棵油松，每棵树采集2个复本，共采集50个样芯，样本直径5 mm。这些油松生长海拔约1 330 m，坡度为25°左右的山麓阴坡，多与白桦、坚桦组成的针阔混交林，森林郁闭度较高，林下灌木有毛榛、虎榛子、胡枝子等。

树木年轮样本在北京师范大学地理学与遥感科学学院树木年轮实验室进行处理。依照树轮样本处理的基本程序，首先对所采样芯进行晾干、粘贴、磨平和打光及交叉定年初步处理，然后使用精度为0．01 mm的LINTAB5树木年轮分析仪对样芯树轮宽度进行测量。去除有火烧痕迹的样芯及个别与主序列相关性不好的样芯，最终选用44条样芯进行分析。

利用COFECHA程序对测量结果进行检验。经分析，样芯平均敏感度为0．304，序列之间相关系数为0．689（P＜0．01）。总体上看，采样点样本的定年效果较好，样点树木对环境的响应也较敏感，适合建立树轮年表。利用ARSTAN程序建立小五台山油松树轮年表。由于小五台山处于半湿润半干旱地区，样本所处森林的郁闭度较高，故树木之间存在较明显的生长竞争。为了更好地减少非气候因素对树木生长的影响，且考虑到序列平均长度不足100 a，因此选用负指数函数拟合生长趋势，去除低频噪音，运用双权重平均法将上述去除生长趋势后的序列合并为均值为1和最小值为0的无量纲树轮宽度指数序列，最终建立了树轮宽度标准化年表（STD）；考虑到树木之间的竞争可能会导致宽度上的低频变化，为最大限度地排除这些非气候变化的持续影响，又以赤池信息量准则最小为依据，对自回归模型确定阶次，拟合去趋势序列的最优回归模型，对去趋势序列进行再次标准化，对得到的差值序列同样以双权重平均法合成差值年表（RES）。相关统计量见表1。

表1 小五台山油松年轮宽度标准化年表、差值年表主要统计指标Table 1 Statistics of tree-ring STD and RES chronologies

2．3 夏季APO指数重建方法

利用NCEP的夏季IAPO资料［1］（年代长度为1948—2008年）与树轮宽度指数序列进行相关分析。相关分析表明，油松树轮宽度标准化年表序列与NCEP的夏季IAPO存在明显的正相关，相关系数为0．249（P＜0．05，N＝61）。经典的树轮气候学认为树木年轮形成不仅受到当年气候的影响，而且还有可能受到上年，甚至前年的气候条件的影响。因此，我们利用小五台山油松宽度标准化年表，应用SPSS 19．0进行线性回归分析方法建模。

利用当年夏季IAPO与当年、次年和再次年树轮宽度指数进行回归，得到回归方程为

式中：IAPO为重建的夏季亚洲－太平洋涛动指数；XWTt为小五台油松树轮宽度指数当年序列；XWTt＋1为油松树轮年表次年序列；XWTt＋2为油松树轮年表再次年序列。

该重建方程的复相关系数为0．450，方差解释量为20．2%，调整方差解释量为15．9%，F＝4．646，P＜0．01。当选择更多的年份进行回归计算时，F值的改变量不再显著。因此本文采用方程（1）重建近百年夏季的亚洲－太平洋涛动指数。

利用交叉验证法对回归方程的稳定性进行检验，统计重建序列与NCEP序列符号检验、乘积平均值和残差缩减值（reduction of error，RE）等相关参数。符号检验达到了0．05的显著性水平；乘积平均值检验t＝3．514（P＜0．01），表明重建序列和NCEP的夏季IAPO资料序列间同号年与异号年之间在量值上的差别比较显著，估计序列与实测序列较接近；残差缩减值是精确检验气候重建值可靠性的统计量，研究［8］指出RE是一个非常苛刻的检验统计量，其取值范围是（－∞，＋1．0］，RE＞0表示重建是有技巧的，RE＞0．2表示重建是可信的，RE＝1表示重建序列是完美的。本研究的误差缩减值RE＝0．249，表明重建所得到的夏季IAPO值是可靠的。交叉检验结果表明，回归方程的各项检验参数均达到或超过95%的置信度，显示选定的回归方程是稳定、有效的。

3 结果与讨论

3．1 树轮指数对气候要素的响应

树木生长对气候要素的响应研究是树轮气候学的基础，准确地响应关系是可靠重建的保证。处在半湿润半干旱过渡带上的树木，降水和气温是制约树木生长的主要限制因子。在生长季的降水主要通过光合作用来影响树木的生长，尤其当年春、夏两季是树木年轮形成层活跃期，光合作用逐渐增强，此时降水量的增加将有利于净光合产物的产生，从而促进植物细胞的分裂，提高生长速度，形成较宽的轮。

本研究选取采样点附近的蔚县气象站（114°34′E，39°50′N）的气象资料（1954—2008年）（来自中国气象科学数据共享服务网：http：∥cdc．cma．gov．cn），该站气象资料的一致性检验表明，蔚县的月降水量和月平均温度资料能够较好地满足一致性要求，可被认为代表了自然界的气候要素变化。气象序列自相关分析表明，上述序列没有表现出明显的自相关关系。将油松树轮宽度指树序列与蔚县气象资料进行相关分析，表明小五台山油松年轮宽度标准化年表与春、夏两季的降水和气温2项主要气候要素存在显著相关性，其中与夏季降水显著相关（r＝0．515，P＜0．01），与春季降水也存在显著相关（r＝0．351，P＜0．01）；与夏季气温显著相关（r＝－0．348，P＜0．01），与春季气温也存在相关（r＝－0．232，P＜0．05）。

3．2 夏季APO指数重建系列分析

利用回归方程（2）重建了1914—2006年的夏季IAPO序列（图2（a））。为了检测低频信息，采用10年快速傅立叶变换（FFT）低通滤波对重建序列进行处理，发现在低频信息上1914—2006年间存在3个正位相阶段和4个负位相阶段。其中，1914—1948年IAPO整体趋势一直处在负位相，表示这一时段反映了夏季亚洲－太平洋东西向热力差异偏弱。根据文献［1－2］，这种热力差异的负位相表明东亚夏季风偏弱，即长江流域降水较多，黄淮海地区降水相对较少，这与Zheng等人［9］的东部地区降水变率研究结论相符合。此外，也与1920年、1940年北方地区的大面积干旱事件的史实相吻合。1948—1967年IAPO整体趋势一直处在正位相，并在20世纪50年代中期这种正位相达到最高值，这与20世纪50年代北方地区频繁出现暴雨洪涝事件相吻合。20世纪70年代以来IAPO基本为负位相，这与文献［10］的结论基本一致。如1967—1973年、1977—1987年和1997—2006年间存在短暂5～10 a的负位相阶段；仅在1973—1977年和1987—1996年间存在短暂4～10 a的正位相阶段，这与我国北方地区近30年来持续的干旱化事实相符合。通过与蔚县夏季实测降水数据（图2（b））进行对比，在低频信息上夏季APO指数重建值与夏季降水系列变化具有较好的同步性。

图2 夏季APO重建值与降水变化Fig．2 Reconstructed summer IAPOand precipitation variation

古气候代用资料校准是当前我国古气候研究的关键问题之一。张德二［11］指出任何从自然环境（树轮、石笋、湖泊、冰芯等）和人文记录取得的古气候待用资料都需要尽可能地与不同途径的地气候记录（仪器测量、人文记录等）进行对比，以进一步确认这些代用记录的气候含义解释的正确性和测量、推演数据的可靠性，以及时间刻度的准确性等。为了检验油松树轮重建的夏季IAPO历史变化的可靠性，本文将重建的IAPO序列与周秀骥等［12］重建的夏季IAPO序列（简称周序列）进行对比（图3）。周序列是利用北京房山石花洞石笋数据重建历史时期夏季IAPO序列。对比分析表明，油松重建序列与周序列的相关显著（r＝0．514，P＜0．01），在气候变化的低频信息上呈现出良好的同步性。这证明利用树轮年表构建的IAPO序列与利用石笋重建的IAPO序列具有良好的一致性，也就是说利用我国东部中纬度树木年轮重建历史时期夏季亚洲－太平洋涛动变化是可行的。

图3 夏季IAPO重建序列对比Fig．3 Comparison of reconstructed summer IAPO（gray line）and Zhou’s IAPO（short dash）

3．3 重建精度的讨论

气候变化基本上控制着树木合成养分的过程，树木年轮宽度的不同主要是因为树木在生长季所得到的养分和激素的量不同。在良好的气候条件下，树木能产生充分的养分供给生长所需，因而能形成宽年轮。但在干燥的地方或高温、干旱的年份，树木内部吸收营养的竞争比较激烈，养分和激素在从树冠向根部运输的过程中因被消耗而减少，树干基部的形成层只能吸收到有限的养分，这种情况下就极易形成窄年轮或者缺轮。事实表明，小五台山自然保护区处在东亚季风区的边缘，已有的研究表明［13］降水是制约小五台山自然保护区内油松生长的主要限制因子。而且20世纪初期长期干旱环境造成了油松径向生长受阻，缺轮现象较为常见。尽管树木年轮的宽度可能与树的种类及树木所处地点和地理环境不同而异，但现有的大量研究表明，利用树木年轮重建历史时期的气候变化是可行。

由于树木年轮是一个缓慢的生长过程，无法适应超过限制能力的快速变化过程，或者超过生理适应极限时出现抑制生长的结果。如局地气温的急剧变化、长期的低温或高温、降水量的高频级差变化、土壤理化属性等，这些因素都影响着树木年轮生长的时滞效应，从而出现气候要素与树木年轮的对应关系在特定适度较为稳定，而另一些时段则不一定很稳定得现象。因此，树木年轮重建历史时期的气候变化可以较好的反应气候要素变化的低频信息，对高频信息的获取，仍需要大量的研究。因此利用小五台山自然保护区内的树木年轮资料来刻画APO指数年代际或更长时间尺度上的变化趋势是可行的。

4 结 论

夏季亚洲－太平洋涛动强弱变化直接影响到小五台山地区（蔚县）主要气象要素的变化，小五台山油松年轮宽度与夏季的降水间存在显著相关关系，使利用树轮宽度指数重建夏季IAPO成为可能。因此，本文利用海河流域小五台山地区的树轮宽度指数序列，重建了1914—2006年的夏季亚洲－太平洋涛动指数（IAPO）序列。

重建结果表明，在IAPO系列的低频信息1914—2006年间存在3个正位相阶段和4个负位相阶段。其中1914—1948年间出现了一次长达30 a的负位相阶段，这与民国政府时期我国北方地区频繁发生的大范围干旱灾害事件彼此验证。1948—1967年间IAPO整体趋势一直处在正位相，持续长达20 a。此外，1967—1973年、1977—1987年和1997—2006年间存在短暂5～10 a的负位相阶段；1973—1977年和1987—1996年间存在短暂4～10 a的正位相阶段，这与北方地区近30 a来持续的干旱化事实相符合。并且自1950年代以来，IAPO重建系列与气象实际观测资料在低频信息上存在较好的同步性。此外，本文重建的夏季IAPO序列与已有夏季IAPO重建序列间具有良好的同步性。

以上表明，利用中纬度树木年轮重建夏季亚洲－太平洋涛动年际变化可行，蔚县树轮宽度指数变化不仅反映出区域的气象要素的变化，也对大尺度气候变化模式存在明显响应关系。通过树轮等高分辨率古气候代用资料重建历史时期夏季IAPO指数的变化情况，对于研究我国东部季风区历史时期干湿气候变化趋势具有重要的参考意义。

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［12］周秀骥，赵 平，刘 舸．近千年亚洲－太平洋涛动指数与东亚夏季风变化［J］．科学通报，2009，54：3144－3146．（ZHOU Xiu-ji，ZHAO Ping，LIU Ge．Asian-Pacific Oscillation Index and Variation of East Asian Summer Monsoon over the Past Millennium［J］．Chinese Science Bulletin，2009，54：3768－3771，doi：10．1007／s11434－009－0619－z．（in Chinese））

［13］魏本勇，李亚楠，严晓丹，等．利用树木年轮重建小五台山地区1895年以来2－5月份的降水量［J］．北京师范大学学报（自然科学版），2008，44（1）：96－102．（WEIBen-yong，LIYa-nan，YAN Xiao-dan，et al．Estimation of February-May Precipitations from Tree-ring in XiaowutaiMountain Region from 1895 Onwards［J］．Journal of Beijing Normal University（Natural Science），2008，44（1）：96－102．（in Chinese） ）

（编辑：赵卫兵）

Summer Asian-Pacific Oscillation Index Variations during the Past Century Recorded in Pinus tabulaeformis Tree-ring at Xiaowutai Mountain

WAN Jin-hong1，3，YANG Zhi-yong2，ZHANG Bao-wei4，LIU He-ping5，FANG Hong-yang2，6，LIYun-peng1，3，ZHANG Nian-qiang1，3，LIU Jian-gang1，3
（1．Water History Department of IWHR，Beijing 100038，China；2．State Key Laboratory of Simulation and Regulation ofWater Cycle in River Basin of IWHR，Beijing 100038，China；3．Research Center on Flood and Drought Disaster Reduction of MWR，Beijing 100048，China；4．Office of State Flood Control and Drought Relief Headquarters，Beijing 100053，China；5．Hydrology and Water Resources Survey Bureau of Liaoning Province，Shenyang 110003，China；6．School ofWater Conservancy and Electric Power，Hebei University of Engineering，Handan 056038，China）

Summer Asian-Pacific Oscillation Index（IAPO）is a good indicator of summermonsoon precipitation variations in east China．With the tree-ring width index as proxy data，significant correlation is found between the radial growth of Pinus tabulaeformis and themeteorological data（temperature and precipitation）in spring and summer．On this basis，the summer IAPOsequence in the past hundred years（1914-2006）is reconstructed by using

tree-ring index sequence．The results show that there are three positive phase stages and four negative phase stages in the low-frequency information of reconstruction sequence．Except for transitory positive phase in mid-1970s and around 1990s，the overall trend of IAPOis negative phase from 1914 to 1948，positive phase from 1948 to 1965，and generally negative phase since the mid-1960s．Comparative analysis shows that the reconstructed summer IAPOsequence is well synchronic with another summer IAPOreconstruction sequence．

summer Asian-Pacific Oscillation index（IAPO）；tree-ring width of Pinus tabulaeformis；Xiaowutai Mountain

P467；Q94

A

1001－5485（2013）11－0011－05

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．11．003

2012－12－06；

2013－01－06

国家重点基础研究发展计划（973）资助项目（2010CB951102）；科技部科技基础性工作专项资助项目（2009FY220200）

万金红（1980－），男，北京人，工程师，从事水旱灾害史、灾害社会学研究，（电话）010－68786146（电子信箱）wanjh＠iwhr．com。