天山北坡三屯河流域树轮重建的146 a降水变化

秦莉，史玉光，喻树龙，袁玉江*，张同文，陈峰，范子昂，尚华明

（1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，中国气象局树木年轮理化研究重点开放实验室，新疆维吾尔自治区树木年轮生态重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830002；2.山东省气象局，山东 济南 250031）

天山北坡三屯河流域树轮重建的146 a降水变化

秦莉1，史玉光2，喻树龙1，袁玉江1*，张同文1，陈峰1，范子昂1，尚华明1

（1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，中国气象局树木年轮理化研究重点开放实验室，新疆维吾尔自治区树木年轮生态重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830002；2.山东省气象局，山东 济南 250031）

通过对新疆天山北坡三屯河流域2个采点的云杉树轮宽度标准化年表与小渠子和大西沟气象站月降水相关普查分析发现，区域森林中下部林缘年表与小渠子气象站上年7月至当年6月的降水呈显著正相关，其相关系数为0.694（p<0.000 1），且具有明确的树木生理学意义。利用区域森林中下部林缘年表序列可较好地重建小渠子气象站146 a来上年7月至当年6月降水量。对天山北坡三屯河流域过去146 a降水变化特征分析表明：天山北坡三屯河流域降水大体经历了6个偏干阶段和6个偏湿阶段，具有2、4、7、14、26 a的变化准周期，1942年和1945年分别是三屯河流域甚至天山山区较大范围内过去146 a的降水最大年份和最小年份，降水的长期变化与天山山区变化趋势有很大的相似性。

树木年轮；云杉；降水重建；天山北坡

树木是人类生态环境的重要组成部分，它的生长和立地环境密切相关并受气候变化的影响，大多树木年轮的宽窄能够真实地记录下每年有利或不利的气候要素[1]。利用树木年轮资料获取气候与环境的变化，成为获取过去气候环境演变数据的重要方法之一[1-2]，在全球变化研究中起着举足轻重的作用。

新疆树木年轮研究工作始于20世纪60年代初，至今已有50 a的历史。在研究较为集中的天山地区开展了大量树木年轮研究工作，并取得了一些成果[3-13]。在干旱半干旱地区，树木年轮的径向生长主要受到降水的限制，树轮中蕴涵了丰富的降水信息。通过对天山西部伊犁地区的树轮宽度资料进行研究，袁玉江和李江风[3]发现降水是该区域树木生长主要限制性气候因子。彭剑峰等[4]对天山北坡中东部高海拔的天山云杉和西伯利亚落叶松的树轮宽度资料进行了研究。通过相关函数和响应函数的分析发现，生长在该地区天山云杉对气温和降水都有较好的响应关系。魏文寿等[5]利用4个树轮序列与天山山区10个气象站降水变化的响应关系，重建了天山山区近235 a来气候变化的年降水序列。20世纪90年代初，研究人员曾在乌鲁木齐河流域开展过树木年轮研究工作，并取得了丰硕的研究成果[7-10]。但对于与之毗邻的三屯河流域，树轮气候研究较少，本研究利用2008年采自三屯河流域的树轮样本，建立树轮宽度标准化年表，分析树轮对气候的响应，重建了该区域过去146 a来的降水序列，并进一步探讨了降水变化特征，以期对天山北坡的降水长期变化规律有更好的了解。

1 资料与方法

1.1 树木年轮采样区概况

研究区位于天山北麓准噶尔盆地南缘，总的地势是南高北低，南侧为中天山的喀拉乌成山（亦称南山），东侧为博格达山（即东山）。三屯河发源于天格尔峰，位于86°24＇～87°37＇E，43°26＇～45°20＇N之间，东与头屯河、西与呼图壁河接壤，流域南北长260 km，东西宽31 km，流域总面积8 171 km2，是一条雨和融雪水混合补给的山溪性内陆河[14-15]。

1.2 树轮采集与年表研制

2008年8 月，依据树木年轮学的基本原理，在天山北坡三屯河流域完成2个采点（图1）的树木年轮样本的采集工作，树种为天山云杉（Picea schrenkiana）。每个采样点采集20棵以上树木，每棵树取2个树芯，共采集95个树芯样本。采样点概况见表1。

图1 天山北坡三屯河流域树轮采样点分布图

表1 天山北坡三屯河流域树轮采样点概况

按照树木年轮学的基本原理和研究步骤[2]，待样本干燥后，将样本固定，对钻芯样本进行磨平、打光、树轮标识，使用MeasureJ2X树木年轮宽度测量系统进行树轮宽度测量。用国际年轮库的COFECHA交叉定年质量控制程序[16]进行交叉定年，确保每一年轮具有准确的日历年龄。利用ARSTAN程序[17]建立树轮宽度年表时，采用三阶样条函数来去除树木的生长趋势，选取较佳的三阶样条函数长度，庙尔沟煤矿树轮宽度年表三阶样条函数是40 a，三屯河树轮宽度年表三阶样条函数为30 a[18]，建立了2个采样点的树轮宽度标准化年表。

1.3 气候资料

气候资料采用与2个树轮采点位于同一气候区且距离最近的小渠子气象站（87°06＇E，43°34＇N，2 161 m，1957—2008年）和大西沟气象站（86°50＇E，43°06＇N，3 544 m，1959—2008年）历年各月降水量。图2为小渠子气象站和大西沟气象站多年平均逐月降水量与平均气温的值。研究区主要降水水汽来源于西风环流，降水量随海拔高度增高而增多。春秋两季较短，冬夏两季较长，夏季降水较多且气温较高，全年以1月最冷，7月最热。

图2 小渠子气象站和大西沟气象站多年平均逐月降水量与平均气温

1.4 研究方法

采用Dendro Clim2002相关分析和响应分析解释树轮径向生长对气候的响应；采用逐步回归建立拟合方程重建降水序列。采用国际年轮研究中常用的“逐一剔除法”，进行交叉检验，从误差缩减值RE、相关系数r、一阶差相关系数rd、符号检验值z、一阶差符号检验值zd和乘积平均数t等几个方面对重建方程进行交叉检验。如果这些检验统计量中的误差缩减值或其它某几个能通过检验，则说明该重建方程是稳定可靠的。采用对称延伸法消除子波变换效应的Morlet子波变换和功率谱分析提取时间序列的变化准周期。

2 结果与分析

2.1 天山北坡三屯河流域树轮对气候的响应

鉴于降水是干旱、半干旱区树木年轮生长的最主要限制因子，将2个气象站的月降水量的上年1月至当年12月所有不同时段的顺序组合分别与天山北坡三屯河流域2个树轮宽度标准化年表的年轮指数序列进行单相关普查。在所有组合中以小渠子气象站上年7月至当年6月的降水量相关最好，说明该时段降水量是该区域树木年轮生长主要限制因子。考虑到庙尔沟煤矿树轮宽度标准化年表和三屯河树轮宽度标准化年表与此时段相关最佳，将这两个宽度年表序列平均后作为区域森林中下部林缘年表（MSZ，1863—2008年）与小渠子气象站上年7月至当年6月的降水量做相关分析，发现MSZ当年轮宽度指数与气象站降水量呈显著正相关，其相关系数为0.694（p<0.0001）（表2）。从树木生理角度讲，这是因为“生长季中树木体内营养物质的减少，是由于生长季以前长时间维持少雨，光合作用速度降低或者呼吸作用速度增高造成的，此外前期不良的气候条件会限制新芽、叶片和根系的形成，从而影响到水分和无机物的吸收及光合效率”，这样将会导致在翌年形成偏窄的年轮[19]。树轮宽度与该时段降水的显著正相关，也说明影响天山云杉年轮生长的降水时段是有其树木生理学意义的。

表2 研究区上年7月至当年6月的降水量与树轮宽度标准化年表相关系数

2.2 降水序列的重建

利用区域森林中下部林缘树轮宽度标准化年表重建其降水，校准期长度为1958—2008年，由逐步回归分析法，构建的最佳重建方程为：

式中：Pt为小渠子气象站上年7月至当年6月的降水量，MSZt是MSZ当年（t）序列。

该方程的复相关系数是0.696，方差解释量为48.4%，F检验统计量为45.992，超过0.000 001的极显著水平。由该方程可较好的重建天山北坡三屯河流域过去146 a的降水变化（图3）。

图3 小渠子气象站上年7月至当年6月降水重建序列（细实线）及低通滤波曲线（粗实线）

从表3可见：对降水重建结果进行交叉检验，所得的误差缩减值RE为0.446（大于一般认为RE> 0.0就算通过检验）；交叉检验所得的相关系数r为0.669（p<0.000 1）；原始值符号检验结果z值为6/51（α=0.001）；一阶差序列符号检验结果zd是8/50（α= 0.01）。乘积平均数检验值t为5.533，其显著性水平均为0.001。由检验结果可以得出，降水的重建方程具有较好的稳定性，由方程所进行的降水重建结果是可靠的。对比51 a的气象站实测降水数据也表明，重建的上年7月至当年6月的降水量与实测值有较好的一致性（图4）。

表3 重建方程的交叉检验

图4 降水实测值与重建值的比较

2.3 天山北坡三屯河流域过去146 a降水变化

2.3.1 阶段分析

研究表明（图3），146 a来天山北坡三屯河流域的上年7月至当年6月的降水经历了6个偏湿阶段和6个偏干阶段，偏湿阶段为：1869（？）—1874年、1887—1906年、1920—1932年、1938—1942年、1955—1970年、1988—1996年；其他阶段及1997—2002（？）年为偏干阶段。最长的偏湿阶段持续了20 a，而最长的偏干阶段仅有12 a。本文结果与崔宇等[10]重建的乌鲁木齐河源春季降水的偏湿阶段1888—1914年较为吻合。其中1875—1886年的偏干阶段，与东天山4—7月干旱日数[13]偏多期（1877—1886年）较为相似，说明天山山区降水变化趋势具有一定的同步性。

2.3.2 周期分析

利用功率谱分析方法对天山北坡三屯河流域的上年7月至当年6月的降水量做了周期分析，以便了解区域降水历史变化的周期性，选用的最大滞后m相当于序列长度的三分之一，当功率谱大于一定置信水平所对应的临界值，则认为相应周期显著，上年7月至当年6月的降水重建序列的最大m=48，分析发现在0.05显著性水平上，三屯河流域过去146 a降水量具有2.1 a和4.4 a的变化周期。基于对称延伸法的Morlet子波变换表明（图5、图6），三屯河流域过去146 a降水量具有7 a，14 a和26 a左右的较长的变化准周期，在整个146 a中，26 a的变化准周期最为稳定，而7 a和14 a的变化周期在20世纪60年代之前表现明显，60年代后周期缩短，降水在20世纪初周期震荡较强烈，而20世纪后期，周期震荡明显减弱，周期缩短；这些变化周期与张瑞波等[20]重建的吉尔吉斯斯坦天山北坡过去百年的干湿变化周期一致。其中，2.1 a的准周期与气象学上的“准两年脉动”具有一致性。吉尔吉斯斯坦东部过去百年干湿变化具有的6 a左右的变化准周期特征与“准两年脉动（QBO）”十分接近。已有研究表明，QBO的影响存在于较大的范围，其可能与海气间相互耦合振荡有关[21]；而4.4 a和7 a的变化准周期与厄尔尼诺（ENSO）的周期3～5 a一致，ENSO现象具有全球性[22]，13～14 a和20～21 a的变化准周期可能对应太阳黑子活动11 a和22 a准周期,说明太阳活动对这一区域的降水变化也有影响。这些周期暗示了三屯河流域过去146 a降水除受当地气候变化影响外，还受到更大范围气候变化的影响，进一步证明了气候变化的全球性。

图5 降水量重建序列的MORLET小波变换图

图6 降水量重建序列的小波方差

2.3.3 降水频率与极值

历史气候变化频率与极值是气候要素变化特征的一个重要的方面。重建降水干湿频率反映的是过去几百年来各类干湿年份出现的频率。

如果以降水距平百分率在±10%之间为正常年份，>+30%为湿润年，<-30%为干旱年，其间分别为偏湿及偏干年份[18]。公式如下：

式中xi为降水重建值为重建值的平均值。

在146 a以来，天山北坡三屯河流域上年7月至当年6月降水出现的偏湿年有24个，占16.4%，正常年有102个，占69.9%，偏干年有20个，占13.7%。通过分析发现三屯河流域146 a来上年7月至当年6月降水无湿润年和干旱年，正常年份居多，偏干、偏湿年份大体相当，这从一个侧面反映了降水变化的稳定性比较好。重建出的降水最大值出现在1942年（711.0 mm，28.2%），而最小值则出现在1945年（339.1 mm，-28.0%），这与李金豹等[23]得出中天山的极端干旱年是1945年的结论是一致的。从高频变化上看（图7），三屯河流域过去146 a降水变化与天山北坡中部[7]和天山山区[5]的降水变化较为一致，三屯河流域降水序列与天山北坡中部和天山山区降水序列相关达到0.573（p<0.000 1）和0.427（p<0.000 1），尤其是部分极端干旱年和极端湿润年对应较好，天山北坡中部和天山山区过去146 a的降水同样在1942年和1945年分别为降水最大值和最小值。

图7 天山山区不同区域过去146 a降水比较

3 结论

（1）上年7月至当年6月的降水量是天山北坡三屯河流域森林下线树轮径向生长的主要限制性因子；利用三屯河流域树轮年表可以较好的重建该地区近146 a的上年7月至当年6月的降水量。

（2）天山北坡三屯河流域近146 a上年7月至当年6月的降水大体经历了6个偏干阶段和6个偏湿阶段，降水具有2、4、7、14、26 a的变化准周期。

（3）1942年和1945年分别是三屯河流域甚至天山山区较大范围内过去146 a的降水最大年份和最小年份，降水的长期变化与天山山区变化趋势有很大的相似性。

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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，FAN 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

中国沙漠气象科学研究基金（Sqj2011003），科技部公益性行业（气象）科研专项（GYHY201206014），国家科技支撑计划（2012BAC23B01），国家自然科学基金（41271098，41205070）共同资助。

秦莉（1985-），女（蒙古族），助理研究员，主要从事树木年轮气候学研究。E-mail：qinhappy@sina.com

袁玉江（1955-），男，研究员，主要从事树轮气候、树轮水文研究。E-mail：yuanyuj5502@sina.com

秦莉，史玉光，喻树龙，等.天山北坡三屯河流域树轮重建的146 a降水变化[J].沙漠与绿洲气象，2014，8（5）：23-28.