天山山区树轮气候研究若干进展

张瑞波，袁玉江，魏文寿，勾晓华，喻树龙，尚华明，张同文，陈　峰，秦　莉

（1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所；新疆树木年轮生态实验室；中国气象局树木年轮理化研究重点实验室，新疆　乌鲁木齐830002；2.兰州大学资源环境学院西部环境教育部重点实验室，甘肃　兰州730000）

天山山区树轮气候研究若干进展

张瑞波1，2，袁玉江1*，魏文寿1，勾晓华2，喻树龙1，尚华明1，张同文1，陈峰1，秦莉1

（1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所；新疆树木年轮生态实验室；中国气象局树木年轮理化研究重点实验室，新疆乌鲁木齐830002；2.兰州大学资源环境学院西部环境教育部重点实验室，甘肃兰州730000）

由于分布广泛、分辨率高、定年准确和气候敏感性好等原因，树木年轮在重建过去区域、半球甚至全球气候环境变化中扮演着重要角色。天山地处中亚干旱区，气候变化波动大，对全球变化响应敏感，植物生长的干旱胁迫作用强烈，天山山区分布有大量雪岭云杉和西伯利亚落叶松等长龄且对气候敏感的针叶树种，因此天山山区是树轮气候研究的理想区域。天山山区树轮气候研究始于20世纪70年代，尤其是近10 a有了长足的进步，有关天山山区树轮气候研究已经在国际上有一定影响。本文通过综述国内外对天山山区树轮气候研究的现状和进展，总结了近200 a基于树轮资料的天山山区较为一致的气候变化规律，并为进一步开展天山山区树轮气候研究提出建议。天山山区未来树木年轮气候学研究应在开展大量不同区域树木年轮气候学重建基础上，尝试理解树木径向生长对气候的响应机理研究，同时选用不同数理方法和多树木年轮指标进行长时间尺度和大空间范围重建工作，并讨论中亚干旱区过去千年气候变化的影响机制。

天山；树轮气候学；树木年轮；气候变化

张瑞波，袁玉江，魏文寿，等.天山山区树轮气候研究若干进展[J].沙漠与绿洲气象，2016，10（4）：1-9. doi：10.3969/j.issn.1002-0799.2016.04.001

近年来，气候变化、形成原因及其影响已经成为地球科学中最为活跃的研究领域，并取得重大进展。现代观测资料（50～100 a）已经证实气候是不稳定的，在不同时间尺度上存在各种变率。对人类社会具有迫切现实意义的是几十年到百年尺度上的变化，关系到当代和今后几代人的生存环境[1-2]。IPCC第五次评估报告指出：1880—2012年，全球平均地表温度升高了0.85℃（0.65～1.06℃）[3]，全球变暖成为不争的事实。20世纪气候变化的归因是当前全球关注的焦点之一，而解决这一问题的途径之一是对过去千年的气候变化历史进行精确重建。树木年轮由于具有空间分布广、时间序列长、分辨率高、定年准确、环境变化指示意义明确且可定量等优势而成为研究过去气候变化的首选代用资料之一，在揭示气候变化规律及机理研究中发挥了重要作用[4]。树木年轮研究有助于理解过去气候状况和机制并预测未来气候变化趋势[5]。树木年轮可以重建过去2000 a的气候变化，但是仅有少量的树轮年表超过千年，目前世界最长的年表序列超过7000 a[6]。在中国，建立的最长树轮年表达3585 a[7]，重建的最长气候序列为利用古墓、死树和活树祁连圆柏重建的青藏高原东北过去3500 a降水变化[8]。树轮长年表有助于最大限度的延长气象记录，分析多年代际气候变动，并评估各种气候因素的影响[6]。天山山系是亚洲中部最大的山系，呈纬向分布，全长2400多千米，是亚洲最大山系之一，总面积约1.0×106km2，宽度一般为250～350 km，山脊平均高度为4000 m，是南北疆气候的分水岭。该区域气候主要受西风环流和北大西洋涛动的影响[9-10]，显著有别于受季风环流控制的以夏季降水为主的中纬度亚洲大陆东部地区，作为气候过渡带的天山山区，被称为干旱区的“湿岛”，无论降雨形成径流，还是冰川和积雪的积累与融化，都为天山南北提供着水资源，天山山区的降水变化对新疆的环境有重要影响，其温度低，降水量大，局地变化强的特点明显不同于位于平原的南北疆地区。另外，天山山区远离人类活动密集区，其气候变化反映了全球气候背景变化的区域响应[11]。因此，建立新疆天山山区气候变化序列对于正确、客观的认识新疆现代气候变化的特征，进一步研究全球变化的区域响应具有一定的科学意义。理解该地区气候变化机制对区域水资源可持续利用至关重要[12]。但该区气象台站稀疏，实测气象资料不足60 a（吉尔吉斯斯坦和哈萨克斯坦部分气象资料达到百年，但是其气象观测不连续，仪器设备陈旧，观测场不够规范，数据精确度不高），限制了人们对其长期气候变化历史规律的认识，需要寻找过去气候变化的替代资料。由于历史文献记录匮乏，其它代用资料（冰芯、湖泊沉积、黄土等）也受到时空分辨率的限制，难以准确地反映该区过去气候年际和年代际变化特征。所幸的是，天山山区分布有大量的针叶原始森林，如雪岭云杉、西伯利亚落叶松等，国内外过去的研究表明，生长在干旱半干旱山地环境的该树种的树木年轮生长对气候响应敏感，适合用于气候重建工作。天山山区树轮研究始于20世纪70年代，但直到21世纪，由于对树轮代用资料重要性的理解，越来越多的树木年轮采样和统计方法的改进，天山山区树轮气候研究得到迅速发展，采样范围和树轮气候研究区域扩大，逐步覆盖整个天山山区（图1）。本文总结了近几十年来国内外关于天山山区树轮气候研究进展，提出了该地区树轮气候学的薄弱环节和未来研究的重点发展方向。以期为基于树轮的天山山区过去千年气候变化研究提供指导和借鉴。

图1　天山山区树轮气候重建序列分布

1　树轮对气候响应

天山山区适合树轮气候研究的树种主要为雪岭云杉（Picea schrenkiana Fisch.et Mey）、西伯利亚落叶松（Larix sibirica Ledb.）和土耳其斯坦圆柏（Juniperus turkestanica Kom.），雪岭云杉是天山山区的建群种，普遍分布于天山山区海拔1200～3500 m的山体阴坡，在天山东部，分布有少量的西伯利亚落叶松，而在西天山还有少量土耳其斯坦圆柏分布。关于树轮宽度对气候的响应研究较多，大量研究表明，在整个天山山区，树木年轮径向生长对降水响应要远远好于气温，尤其是在接近森林下线的区域。树轮宽度对生长季及生长季前期的降水响应均较好，尤其是生长季之前和生长季前期（上年6月到当年5月、上年7月到当年6月、上年8月到当年7月）的降水量是树木径向生长的主要限制性因子[13-28]。西天山森林上下线树轮宽度对气候的响应表明，位于森林上线的树轮径向生长对4—5月气温响应较好，而森林下线树轮响应6—7月气温；森林下线树轮宽度与上年7月到当年6月降水相关最好，降水可能是西天山北坡森林下线树木径向生长的主要限制性因子[29]。而针对新疆天山西部不同区域云杉上树线树木年轮资料，采用三种不同生长去趋势方法，分析不同采点和树轮去趋势方法对树轮宽度年表的气候信号也发现：降水是天山西部云杉上树线的树轮宽度生长的主要限制因子，且树轮宽度生长对降水的响应具有显著的滞后性[30]。但中天山树木生长主要受到上年7—8月由高温引起的干旱和当年4—5月由降水不足导致的干旱的影响。在接近气候林线处，低温的限制作用才表现出来[31]。还有研究人员认为，在天山中西部部分地区，7—8月的降水量是树木径向生长有重要影响[32-34]。而在乌鲁木齐河流域的山区，春季降水和≥5.7℃积温是雪岭云杉生长的主要限制因子[15，23，42]。天山东部西伯利亚落叶松树轮年表对气候的响应表明，位于森林下线的树轮年表与3—6月的降水和气温相关显著[35]。树轮宽度对温度响应方面，在天山山区不同区域也有一定差异。天山山区采集的天山圆柏建立的2个西天山千年年表序列气候响应分析表明，天山圆柏树轮年表可能包含夏季温度信息[37]。在天山北坡西部，雪岭云杉树轮宽度也主要响应夏季气温[29，38-41]。然而，在天山南坡开都河流域，树轮宽度响应上年9月到当年4月的平均气温[36，43]。另外，开都河流域的天山桦树径向生长对气候的响应结果表明，天山桦对降水的响应不显著，与上年12月平均气温显著正相关[44]。在天山西部伊犁地区，由于部分地区水热组合配比较好，树木径向生长对气候的响应往往较为复杂，很难提取绝对的限制性因子。最近，有学者在树轮宽度对气候响应复杂的伊犁地区，运用简单的气温降水分离方法，较好地分离出了树轮宽度中的气温和降水信号，并据此重建了当地过去200 a的气温和降水变化[45]。这一结果为我们分离影响树轮的气候因子提供了启发，其适用性有待进一步验证。另外，科研人员还尝试其他气候因子与树木径向生长的关系，如沙尘天气日数[46]、最大积雪深度[47]等。

树轮稳定碳氧同位素是树轮气候重建的一个重要指标，但其对气候因子的响应仍然不够明确。研究表明，雪岭云杉树轮δ13C和δ18O均受生长季降水和相对湿度影响显著。而西伯利亚落叶松树轮δ18O序列与7—8月的平均气温和平均最高气温显著正相关，与7月降水和相对湿度显著负相关，并与在3个参数上反应树轮氧同位素分馏的综合作用的7—8 月scPDSI显著相关，同时，水分可能是控制东天山树轮氧同位素分馏的主要因子[48]。也有研究认为在天山东部的雪岭云杉树轮碳同位素与温度和降水的关系较为复杂，可能受到多种因素的共同影响[49]。而天山西部伊犁地区树轮δ13C对降水、相对湿度、温度和日照时数的响应均较好，并可以据此恢复近300 a来新疆昭苏地区的降水变化[50]。

在天山山区长期树轮气候研究过程中一般认为，森林下线树木径向生长的限制性因子是生长季以前及前期的降水（水分）信息。而树木径向生长对温度的响应不显著或包含的是水热综合信息，因此，很难从树轮中提取温度信息。研究认为，树轮密度一般对生长季气温响应较好，因此，近几年树轮密度手段在天山山区树轮气候学中的应用弥补了树轮宽度和稳定同位素难以捕捉到温度信号的缺点，树轮密度研究为理解天山山区历史温度变化和全球变暖提供了新的证据。吉尔吉斯斯坦天山山区雪岭云杉树轮最大密度与7—8月平均温度显著相关[51]。而伊犁地区雪岭云杉树轮最大密度年表与4—8月的平均气温和平均最高气温均有较好的正相关关系[52]。也有研究认为天山西部不同区域的晚材最大密度年表均包含春夏季的温度信号[53]。而乌鲁木齐河流域的雪岭云杉树轮早材密度对夏季（7月）气温响应强烈[54]。树轮图像灰度实际上是树轮密度的间接反映，与树轮密度变化具有较好的相关性。研究人员分析树轮灰度和树轮密度对气候的响应差异，发现早材平均灰度和晚材平均灰度的变化能够较好的反映早材平均密度和晚材平均密度的变化。证明了树轮灰度在历史时期气候变化研究中的应用潜力[55]。在天山西部，树轮图像建立的全轮灰度、早材灰度和最大灰度与4、5月气温相关较好[56]。

2　树轮气候重建

2.1历史温度变化

基于树轮宽度和密度的天山山区温度重建较少，而且变化趋势有一定差异，分析西天山1300 a的气候变化序列认为[57]，最暖的年代出现在公元8世纪和公元10世纪，而最冷的年出现在17世纪前期。但是目前关于天山山区千年气候年际变化仍不明确，而过去200 a较为一致的温度变化集中在天山北坡中西部的夏季气温变化，过去200 a中，天山北坡中西部夏季气温较为一致的趋势是：在19世纪20—30年代处于下降趋势，从19世纪60年代夏季温度上升，而19世纪70年代直到20世纪60年代，是一个漫长的降温期，从20世纪70年代至今，夏季气温迅速上升。19世纪末到20世纪初是过去200 a夏季气温最高的时期（图2）。

图2　天山山区过去200 a夏季温度变化（30 a低通滤波）

另外，俄罗斯学者利用树轮最大密度重建了天山1626—1995年夏季温度[60]，伊犁地区近250 a冷暖变化在20世纪90年代也被重建[61]。利用区域树轮最大密度年表重建的吉尔吉斯斯坦天山山区自1650年以来的7—8月温度变化认为该地区在过去的346 a来气候以暖干/冷湿为主，近20 a来出现了明显暖湿化趋势[49]。西天山合成的区域树轮年表重建的过去352 a的5—8月平均最低气温研究结果显示，平均最低气温序列在1657—1738,1855—1899,1977—2008偏暖，1738—1854和 1900—1976相对较冷。同时，该研究揭示了20世纪末是过去352 a最暖的时期[59]。重建的伊犁地区1848—2000年的4—8月平均最高气温结果表明，20世纪50年代初到70年代初是过去153 a春夏季最冷的时段[50]。在天山中部乌鲁木齐河源450 a冬季温度变化、7月温度变化和≥5.7℃积温认为，≥5.7℃积温变化具有两个基本特征：一是偏冷年出现的频率大于偏暖年，二是暖年出现的频率多于冷年。最显著的≥5.7℃积温减少趋势出现在1806—1852年，最显著的≥5.7℃积温增加趋势出现在1958—1987年[42，62-63]。在天山南坡，阿克苏河流域过去378 a春季气温变化在20世纪初到10年代中期持续下降，20年代初—30年代末缓慢上升，40—70年代初缓慢回落，70年代中后期到现在春季气温持续上升，其中，1911—1922年是最冷阶段，而1640—1651年是最暖阶段[64]。而开都河1680年以来的上年9月到当年4月的平均气温变化为：偏暖期1696—1708，1730—1748，178—1804，1832—1855，1892—1903，1924—1928，1937—1943，1987—2006；偏冷期为1685—1695，1709—1729，1749—1783，1805—1831，1856—1891，1904—1923，1929—1936，1944—1986[43]。

2.2历史干湿变化

近几十年来，伴随着全球气候变暖，亚洲干旱事件强度和频率均有所增加。尤其是位于中亚的干旱半干旱地区。因此，理解长时间尺度干旱模态及其影响机制尤为重要。理解器测以前气候变化和长期水分变化周期对区域水资源管理和农业至关重要。

基于树轮的天山山区历史干湿变化重建较多，但变化趋势差异较大，过去百年干湿变化较为一致的趋势（图3）为：1820—1840年代，1860—1900年代，1920—1930年代，1940—1960年代，1970—2000年代降水量增加，1800—1820年代，1840—1860年代，1900—1920年代，1930—1940年代，1960—1970年代，降水量减少。其中1920年代是过去300 a最为干旱的年代，1970年代至今，是降水增加最为迅速的时期。基于树轮宽度重建的西天山伊塞克湖流域、哈萨克斯坦南部和阿克苏河流域的降水、帕尔默干旱指数（PDSI）和降水—蒸发指数（SPEI）变化，并与整个天山山区降水序列进行对比表明，在中亚气候暖湿化背景下，20世纪70年代至今，天山山区经历了快速的增湿过程，并认为，夏季的北大西洋涛动（SNAO）变化对西天山干湿变化有重要影响[17-19，29]。利用大量的降水重建资料与天山山区10个气象站降水变化的响应关系，从而重建的天山山区近235 a来气候变化表明，近百年天山山区气候变化中的降水变化分为两个阶段，20世纪初到80年代，降水量逐渐减少，导致冰川退缩、河流径流量减少、湖泊萎缩、沙漠面积增大、植被覆盖率减少；80年代后期至今，降水量迅速增加，导致河川径流量增加、湖泊面积增大和沙尘暴日数减少，生态环境趋于好转，但同时造成洪水和地质灾害频繁[16]。利用天山中西部6条树轮降水和PDSI序列集合重建了该地区降水变化表明，过去300 a存在6个干的阶段（1707—1719，1768—1782，1822—1832，1880—1886，1913—1924和 1973—1989）和五个湿润阶段（1723—1741，1843—1857，1893—1907，1933—1940及1990年至今）。重建的区域降水（干/湿）系列也表现出准周期性2～5 a，7～8 a，11 a，30 a，50 a和80 a的的变化准周期[65-67]。天山中部乌鲁木齐河流域降水重建序列较多[13-15]。研究表明，天山北坡乌鲁木齐河流域树轮宽度年表与5月20日—6月8日的降水日数相关最高[68]。

图3　天山山区过去200 a干湿变化（30 a低通滤波）

干旱指数方面，PDSI是最常用的干旱指标，其可以准确评估干旱严重程度[69]。天山山区有多条干旱指数序列（PDSI和SPEI）[58，70-75]。结果表明，西天山过去426 a的干旱阶段是1614—1628，1700—1722，1758—1790，1806—1833，1873—1898，1908—1936，1943—1951，1960—1966，1973—1988；并认为重建的干湿变化与北大西洋和印度西太平洋海温有一定关联[71]。呼图壁河流域区域年表重建过去550 a的4—5月的 PDSI序列[72]发现，1643，1775，1885，1917—1919，1944—1945，1974—1975为极端干旱年。过去几个世纪，这些干旱事件影响整个中国西部和中亚。同时，干旱变化和东赤道太平洋和大西洋海温均有较好的相关。该地区干旱变化可能受到ENSO和亚洲季风以及西风影响。相对湿度方面[26，35]，近200 a来天山东段巴里坤地区的春季到初夏主要经历了 6个湿润期(1836—1849，1889—1904，1937—1951，1953—1955，1974—1977和1979—1988年）和7个干旱期（1820—1830，1851—1855，1858—1868，1879—1886，1920—1934，1959—1971 和1991—1996年）。

天山地处中亚干旱区，其山区径流主要来源于山区的冰雪融水和大气降水，径流变化是气候要素变化的综合反映，天山北坡玛纳斯河流域1629—2000年的年径流量变化研究表明[76]，利用雪岭云杉树轮代用指标可以较好的重建天山山区河流径流量。天山北坡西部精河流域山区1615—2007年径流量变化与天山北坡玛纳斯河和乌鲁木齐河的丰枯阶段以及天山山区、伊犁地区降水变化的干湿阶段较好的对应，表明天山北坡水文和气候变化的大尺度环流背景和驱动因子一致[77]。而天山南坡阿克苏河流域过去300 a径流变化重建表明，在全球变暖和新疆气候暖湿化背景下，阿克苏河自20世纪70年代至今经历了一个快速的增加过程，并认为径流量的异常增加与北大西洋涛动等大尺度环流异常有关[78]。西天山伊塞克湖355 a来的入湖径流量变化历史发现，伊塞克湖径流量与北大西洋长周期年代际震荡（AMO）在年代际尺度的同步变化[79]。

2.3揭示历史极端干旱事件

大尺度和区域的旱灾对社会经济以及生态环境有重要影响[80]。目前，出现在很多重建降水/PDSI等重建序列中最为普遍的极端干旱年为1917年左右和1945年左右，在天山山区树轮样本中，这两年的缺轮率也是最高的。乌鲁木齐河流域过去196 a中，两个最暖年出现在1917年及1944年，两个最冷年出现在1803年及1961年[42]。基于树轮和历史文献资料研究历史干旱指出，中国北方干旱半干旱区域在1920年代存在大范围干旱[81]。巴基斯坦12个采点的圆柏和3个圆柏、云杉、落叶松混合采点以及西天山吉尔吉斯斯坦的7个圆柏采点的429棵树的树轮样本重建的该地区1427年以来的极端年结果显示，树轮宽度具有8个区域性的正的极端年（1916，1804，1766，1703，1577，1555，1514，1431）和17个负的极端年（1917，1877，1871，1833，1806，1802，1790，1742，1669，1653，1611，1605，1591，1572，1495，1492，1483）[82]。在天山中部6个采点的树轮样本中发现1945年是天山中部树木径向生长的低值年，并认为这可能是干旱和高温等气候条件共同作用的结果，天山中部的极端气候事件可能与热带地区海气耦合相关联[83-84]。

3　天山山区树轮气候学研究的薄弱环节和未来展望

（1）有大量研究表明，生长之前和生长季前期的降水是天山山区靠近森林下线的树木径向生长的主要限制性因子，但是其限制的精确时段仍然不能确定，生理意义的解释也大多引用其他区域的研究结果。至今，天山山区雪岭云杉树轮对气候的响应机理研究较少，下一步需要通过结合森林生态气象站、树木径向生长监测、树木形成层活动监测、模型模拟和木材解剖等方面深入开展树木生理学解释研究。

（2）虽然天山山区已有大量的重建序列，但是大都是基于单点或小范围气候重建，对于整个天山山区或较大范围气候场重建研究很少。应开展树轮多参数研究，提取天山山区树轮中包含的共同气候信号，重建大范围干湿变化场和一致的历史温度变化序列，对于理解全球气候变化和整个天山山区历史气候变化机制具有重要意义。

（3）关于中亚干旱区全新世和器测以来的气候变化机制研究较多，但是近千年气候变化及影响机制解释较少，仅有少量学者试图理解天山山区历史气候变化与NAO/AO、PDO和亚洲季风等的联系。在建立天山山区大范围可靠的气候序列的基础上，深入理解历史气候变化的影响机制可为未来气候精确预估提供依据。

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Research Advances of Dendroclimatology in Tianshan Mountains

ZHANG Ruibo1，2，YUAN Yujiang1，WEI Wenshou1，GOU Xiaohua2，YU Shulong1，SHANG Huaming1，ZHANG Tongwen1，CHEN Feng1，QIN Li1

（1.Institute of Desert Meteorology，China Meteorological Administration；Key Laboratory of Tree Ring Ecology of Xinjiang Uigur Autonomous Region；Key Laboratory of Tree-ring Physical and Chemical Research of China Meteorological Administration；Urumqi 830002，China；2.Key Laboratory of Western China’s Environmental Systems（Ministry of Education），College of Earth and Environmental Sciences，Lanzhou University，Lanzhou 730000，China）

Tianshan Mountains located in the arid Central Asia,are very important source of water. The area is dominated by westerly and is important in global change research.Due to their wide spatial distribution,high annual resolution,calendar-exact dating,and high climate sensitivity, tree-rings play an important role in reconstructing past environment and climate change over the past millennium at regional,hemispheric or even global scales.Thus,tree-rings can help us to better understand climate behaviour and its mechanisms in the past and then predict variation trends for the future.In this paper,we review latest advances in tree-ring-based climate reconstructions in Tianshan Mountains,capturing historical climatic extreme events,as well as analyzing their link to large-scale climate patterns.Tree-ring studies in Tianshan Mountains have achieved great advances in the recent 10 years,particularly for the dendroclimatological studies which have made some influences around the world.We propose some suggestions for future dendroclimatological studies.Tree-ring-based large-scale climate reconstructions are highly needed by employing mathematical methods and a high quality data network of ring-width,ring-density, stable isotope,wood anatomy,etc.Tree-ring-based climate reconstructions provide potentials on explorations of climate forcing during the reconstructed periods via climatic diagnosis and process simulation.

Tianshan Mountains；dendroclimatology；tree-ring；climate change

P532

A

1002-0799（2016）04-0001-09

2015-11-02；

2015-12-18

国家自然科学基金（41205070，41405139）；新疆维吾尔自治区重点实验室开放课题（2015KL017，2014KL017）和中国沙漠气象科学研究基金）（sqj2014014）共同资助。

张瑞波（1983-），男，副研究员，主要从事气候变化与环境、树木年轮气候学研究。E-mail：river0511@163.com

袁玉江（1955-），男，研究员，主要从事树木年轮气候与水文研究。E-mail：yuanyuj5502@sina.com