叶尔羌河流域雪岭云杉树轮宽度气候信息的探讨

尚华明，麦麦提图尔荪·克比尔，栗红，喻树龙，张瑞波，张同文，陈峰，陆恒，魏文寿，袁玉江

叶尔羌河流域雪岭云杉树轮宽度气候信息的探讨

尚华明1，麦麦提图尔荪·克比尔2，栗红2，喻树龙1，张瑞波1，张同文1，陈峰1，陆恒3，魏文寿1，袁玉江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.喀什地区昆仑山国有林管理局，新疆喀什 844900；3.中国科学院新疆生态与地理研究所，新疆乌鲁木齐 830010）

位于西昆仑山北坡的叶尔羌河是塔里木河的三大源流之一，该流域山区分布的雪岭云杉为过去气候变化研究提供了理想的载体。本文建立了叶尔羌河流域4个雪岭云杉树轮宽度年表和区域合成年表，探讨了树轮年表对叶城气象站气温、降水等气候要素的响应特征。结果表明雪岭云杉树轮年表具有较高平均敏感度、缺轮率和序列间相关系数，年表的质量较高。区域合成年表与叶城站上年6月至当年5月降水量相关系数为0.393，与当年3—9月平均最低气温相关系数为0.624。一阶差相关分析表明，树轮年表与最低气温的高频变化特征并不一致，二者较高的正相关主要是由于温度升高趋势的贡献。树轮年表与乌恰站上年7月至当年4月降水量相关系数为0.535。西昆仑山北坡雪岭云杉树轮年表与周边对水分敏感的树轮气候记录对比表明，其低频变化趋势以及缺年集中出现的年份均具有较好的一致性。由于气候干旱、下垫面条件恶劣，位于叶尔羌河流域的西昆仑山北坡雪岭云杉树木径向生长的限制因子仍然为水分条件，而非气温。

西昆仑山北坡；叶尔羌河；树木年轮；雪岭云杉

昆仑山东西全长约2500 km，是青藏高原和塔里木盆地的地理分界线。该区域远离水汽源地，且受大地形的阻挡作用，降水量少。山区降水和冰雪融水是塔里木盆地西南诸河流的重要水源[1]。河流下游的平原区是新疆南部经济欠发达的喀什地区，人口密度较大，水资源供需矛盾突出。制定区域水资源利用规划，实现区域可持续发展，需要科学认识气候变化的事实和规律，掌握其影响因子和驱动机制，进而预测其未来变化趋势及其影响。然而该区域的气象观测资料大多起始于20世纪50年代中期，气象站点多位于海拔较低的平原区，山区站点极为缺乏，限制了对该区域气候变化规律和机制的认识。

树木年轮作为过去气候与环境变化的代用资料，具有分辨率高、复本量大、气候信息丰富等特点，成为重建器测时期以前气候要素的重要代用资料[2]。特别是在干旱半干旱区，由于限制因子显著，树轮宽度在重建过去气候和水文等方面具有其他资料无可比拟的优势[3-6]。与本文研究区相邻的天山山区是中国最早开展树轮气候学研究的区域之一，国内外学者已在天山山区开展了大量的树轮年代学研究工作[7-10]。研究手段从过去单一的树轮宽度[11]，发展到目前利用树轮密度[12]、灰度[13]等多种手段综合分析研究；重建要素除了气温和降水要素[14-16]以外，还包括径流量[17-18]、干旱指数[19,20]、植被指数[21]、沙尘天气[22]等的重建研究。与之相邻的西昆仑山北坡山区分布有雪岭云杉原始森林，干旱的气候环境和严苛下垫面条件导致树木生长气候限制因子显著，为这一区域树轮气候与水文研究提供了得天独厚的自然条件。与天山山区相比，该区域森林分布稀疏，且多位于交通极为不便的山区，是树木年轮研究较为薄弱的地区：叶城山区昆仑圆柏树轮宽度差值年表与5—7月降水量相关系数为0.405[23]；西昆仑山奥依塔克林场长达850 a的昆仑圆柏树轮宽度年表，对降水极为敏感，具备开展气候重建潜力[24]；喀山河流域雪岭云杉标准年表与塔里木盆地西缘年降水量的相关系数达到0.692[25]。

本文利用西昆仑山北坡山区雪岭云杉树轮宽度资料建立宽度年表，分析其年表特征，并进一步探讨树轮宽度记录的气候信息，评估其用于气候重建的潜力，为下一步在该区域建立树轮资料网络、深入开展树轮年代学研究奠定基础。

1 资料

1.1 树木年轮资料

树木年轮采样点位于塔里木盆地西南缘叶城县境内的西昆仑山北坡山区，属于叶尔羌河的支流棋盘河和提孜那甫河流域（图1a）。采样的树种为雪岭云杉，该树种广泛分布于天山山区以及西昆仑山北坡山区，在西昆仑山北坡一般分布在海拔3000～3500 m的阴坡。该树种的树轮边界清晰，根系较浅，是树轮气候学研究的主要的树种之一。共选择4个采样点的122棵健康活树，在每棵树的不同方向采集两个树芯，共获取了231个树芯标本。4个点均位于阴坡（NE或N），海拔高度3100～3400 m（表1）。除了QPD以外，坡度都在40°以上。从图1b可以看出，采样点土层薄，坡度大，下垫面条件恶劣。

表1 采样点和气象站信息

样芯自然晾干后，进行固定、打磨等前处理。完成交叉定年后利用测量精度为0.01 mm的Lintab树轮宽度测量仪读取年轮宽度，用COFECHA程序进行交叉定年质量检验[26-27]，并利用TSAP软件[28]进行树轮序列的对比，查找缺失年轮，确保定年准确。剔除序列太短或因缺年多难以准确定年以及与主序列相关较差的样芯，采用WinARSTAN程序[29]，以负指数或线性函数拟合去除生长趋势，分别建立4个采样点（QPD、QPY、XHD、XHX）的树轮宽度年表。由于4个点之间的直线距离最大不超过50 km，海拔高度也很接近，4个年表的互相关系数（1800—2013年）均超过0.6（P＜0.001），因此将所有样本的宽度数据合并，并采用上述方法建立区域合成年表（图2e，XKL）。以30 a为窗口，25 a为滑动重叠期，计算样本对总体的解释信号（EPS）和样芯间相关系数（Rbar）（图2f）。以EPS稳定大于0.85为标准，确定区域合成年表的可信时段为1665—2014年。

图1 研究区位置图（a）和采样点照片（b）

从表2树轮宽度年表的特征分析结果来看，所有年表的敏感度都在0.3以上，平均缺轮率多在2.0%以上。表明该区域气候极端干旱、坡度大、下垫面条件恶劣，环境对树木生长的限制作用明显，树轮宽度可能包含了丰富的气候信息。较高的一阶自相关系数说明环境对树木生长影响存在滞后效应。公共区间分析发现所有年表EPS值的范围为0.937～ 0.981，Rbar值的范围0.413～0.675，表明该区域样本的一致性较好，树木生长受共同的环境要素的影响。

图2 叶尔羌河流域树轮宽度年表、样本量以及Rbar和EPS值

表2 树轮宽度标准年表特征与公共区间分析结果

1.2 气象资料

西昆仑山北坡山区气象站缺乏，气象资料采用距采样点最近的叶城气象站以及海拔较高的乌恰气象站。气象站点的位置和海拔高度以及资料时段见表1。要素包括降水量、≥0.1 mm降水日数（以下称降水日数）、水汽压、最高气温、平均气温、最低气温。气象资料来源于中国气象科学数据共享服务网（http://cdc.nmic.cn/）。从叶城站多年（1958—2013年）平均气候特征分析看出（图3），该区域具有明显的大陆性气候特征。累年平均年降水量仅为63.2 mm，4—9月降水量占全年的78.8%，峰值出现在5月。年平均气温11.8℃，7月平均气温最高（24.9℃），1月最低（-5.4℃）。同时还采用了的乌恰气象站资料（1956—2013年），该站与采样点直线距离约280 km，由于海拔较高，年降水量182.3 mm，更能反映山区的降水变化特征。

图3 叶城气象站（a）和乌恰气象站（b）累年平均月降水量和气温的年内分布

2 结果和讨论

2.1 树轮宽度与叶城气象站气候要素的相关分析

鉴于各年表的较高的互相关系数，以及标准年表能较多地保留低频信息，下文的分析均采用区域合成宽度标准年表（XKL）。利用Pearson相关函数，计算公共期内XKL标准年表与月气象要素的相关系数。考虑到滞后效应的影响，单月相关分析气象要素的时段为上年5月至当年9月。

图4a～图4c分别为XKL年表与叶城气象站降水量、降水日数和水汽压的相关系数，这3个要素均代表水分状况，相关系数以正相关为主，个别月份的正相关都达到了0.05的显著性水平。图4d～图4f为XKL年表与最高气温、平均气温和最低气温的相关系数，最低气温与年表的相关系数最高，除了上年12月至当年2月外，与其他月的正相关都达到了0.05的显著性水平。最高气温与年表的正相关最弱，最低气温与年表的正相关系数最高。图4g为蒸发量与年表的相关系数，上年12月至当年2月蒸发量与树轮年表的负相关达到了0.05的显著性水平。

图4 树轮宽度标准年表与气象要素的相关系数

在单月相关分析基础上，将各种气象要素从上年5月到当年9月进行组合，并分析其与树轮年表的相关关系，找出各要素与年表相关系数最高的时段（表3）。结果发现，叶城气象站当年3—9月最低气温与XKL年表的正相关系数为0.624，而相同时段最高气温和平均气温与XKL年表的正相关系数分别为0.299和0.525。叶城气象站表征水分状况的三个要素（降水量、降水日数和水汽压）与树轮年表的最佳相关时段分别为上年6月至当年5月、上年6月到当年5月、上年9月到当年5月，相关系数分别为0.393、0.369、0.388。

表3 树轮年表与气象要素的最佳相关结果

2.2 树轮宽度气候响应分析与验证

如果仅从相关分析的结果来看，XKL年表与叶城站的气温和降水均为正相关，且与当年3—9月最低气温的正相关系数最为显著。一般来说，位于干旱区树木的径向生长主要受水分条件的限制，与降水、相对湿度、水汽压等正相关，同时由于气温升高会加剧蒸发，进而加剧水分的亏缺，树轮宽度与生长季的气温和蒸发量负相关[30]。而在高纬度和高海拔地区，树木生长受到气温条件限制，树轮宽度一般与生长季气温正相关[31]。上文相关分析的结果与干旱区树轮气候响应分析的结果并不一致。因此仅从树轮宽度与叶城站气象要素的相关分析结果难以得出该区域树木径向生长的限制因子，需要结合其他资料和分析方法进一步探讨该区域树轮宽度所包含的气候信息。

2.2.1 其他气象资料的印证

乌恰气象站与采样点的直线距离约为280 km，远大于叶城气象站与采样点的距离。但由于乌恰站海拔高度为2 177.5 m，累年平均年降水量182.3 mm，更能反映山区的降水特征。从图4h来看，XKL年表与乌恰气象站降水量的单月相关分析结果与叶城相似，以正相关为主，但相关系数略高于叶城站。组合相关分析得到乌恰站上年7月至当年4月降水量与XKL年表的相关系数为0.535，高于其与叶城站降水量的相关系数。

2.2.2 高频信息的分析

为了进一步探讨研究区树轮宽度到底包含的是气温信息还是降水信息，将宽度年表、叶城上年6月—当年5月降水量和叶城当年3—9月平均最低气温分别进行一阶差处理，并计算其相关系数。图5a～5c分别为叶城站上年6月—当年5月降水量与树轮宽度指数的对比图、散点图和一阶差散点图。图5d～5f分别为叶城站当年3—9月平均最低气温与树轮宽度指数的对比图、散点图和一阶差散点图。从图5a、5d可以直观地看出，降水量的高频变化比较明显，而平均最低气温以低频变化为主，年际变化小。从原始值散点图来看（图5b、5e），树轮宽度指数与气温的相关系数明显高于降水量。一阶差处理后（图5c、f），树轮宽度指数与叶城上年6月—当年5月降水量的相关系数从0.393降至0.246（P＜0.05），与叶城当年3—9月平均最低气温相关系数从0.624降至0.142。表明树轮宽度与降水在高频和低频变化上均比较一致，而树轮宽度与最低气温的正相关主要是其低频升温的趋势的贡献，在高频变化上一致性较差。

2.2.3 与其他树轮记录的对比

最后，将西昆仑山北坡雪岭云杉树轮年表（XKL）与相邻的树轮宽度年表进行对比。所选的进行对比的资料为本研究区域周边对水分敏感的树轮宽度序列。其中位于帕米尔高原东侧的奥依塔克昆仑圆柏树轮宽度年表（AYB）[24]与乌恰上年10月—当年7月的降水量的相关系数达到0.671，位于塔里木盆地西北缘阿合奇雪岭云杉树轮宽度年表（SMT）[32]与阿合奇站上年8月—当年6月的水汽压相关系数为0.768。相关计算结果表明，1700—2013年XKL年表与AYB和SMT年表的相关系数分别为0.334和0.540，达到了0.001的极显著水平。从图6的3个序列11a滑动平均曲线可以看出低频变化趋势的一致性，计算11 a滑动平均处理后的相关系数，XKL年表与AYB和SMT年表的正相关达到0.364，0.563。

一般来说，干旱区树木年轮中出现的缺年一般与极端干旱发生的年份对应[33]。本文所选择的3个序列（SMT、AYB和XKL）的缺轮率都超过了2.0%，统计了三个序列1700年以来各年份缺轮百分率（该年份发生缺失年轮样本量所占总样本量的百分比），并进行了比较（图6）。对比发现，三个序列中大部分缺失年轮集中出现的年份（1946年、1947年、1917—1919年、1885年、1831年、1829年、1710年、1802年、1746年等）都是一致的，表明昆仑山的雪岭云山树轮宽度记录了区域大范围发生的极端干旱事件。

从以上的分析可以看出，仅从相关分析结果来看，XKL树轮年表与叶城气象站当年3—9月平均最低气温的正相关系数高于上年6月到当年5月的降水量，但从一阶差相关分析结果、XKL树轮年表与乌恰站的降水量相关分析结果以及其与邻近区域树轮记录的对比来看，西昆仑山雪岭云杉树轮宽度记录的仍然是降水信息，而非温度信息。表明在西昆仑山区，由于极端干旱的气候背景以及恶劣的下垫面条件，树木的径向生长受水分条件的制约。

图5 树轮宽度年表与叶城降水量和气温的比较

叶城气象站位于海拔1 360.4 m的山前平原区，与采样点的直线距离超过50 km，海拔高差近2000 m，由于地形的影响和降水局地性强等原因，二者的降水量的绝对值和年际变化特征本身存在一定差异。叶城气象站年降水量仅为63.2 mm，变率平均高达45.6%，高于东部季风区和西北干旱区的大部分区域[34]。而位于海拔3000～3500 m的采样点附近山区，降水量一般为300～400 mm。因此，虽然可以证明XKL树轮宽度年表记录的是降水信息，但其与叶城气象站降水量的相关系数没有达到0.001的极显著水平。

图6 西昆仑山北坡树轮年表与其他树轮记录的对比

3 结论

（1）位于西昆仑山北坡叶尔羌河流域的雪岭云杉树轮宽度年表平均敏感度、缺轮率和序列间相关系数均较高，表明其年表可能包含较丰富的气候信息。

（2）仅从相关计算结果来看，雪岭云杉树轮年表与叶城气象站的当年3—9月平均最低气温的相关系数高于上年6月到当年5月的降水量。但进一步采用乌恰气象站的降水量与XKL年表进行相关分析，对XKL年表、叶城气象站的当年3—9月平均最低气温、上年6月到当年5月的降水量分别进行一阶差相关处理后进行相关计算，同时将XKL年表与周边的对降水敏感的树轮数据进行对比，均表明该区域树木生长受水分条件限制，树轮宽度主要记录的仍然是水分信息，而非温度信息。

（3）在塔里木盆地周边山区，由于气象站点与山区树木年轮采样点的空间距离和海拔高度差异较大，特别是位于平原区的叶城气象站的降水量少，变率大，造成了降水与树轮宽度的统计相关系数并不显著。提醒我们在塔里木盆地周边山区开展树轮气候研究时，需要尽量采用山区气象站点资料，如果仅采用来自于降水稀少的平原区站点的气象资料进行相关分析和校准，也需要进行多角度对比，评估树轮宽度的所包含的气候信息，否则容易得到错误的结论。

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Evaluation on the Climatic Information of Tree-ring Width of Picea schrenkiana from Yarkand River Basin

SHANG Huaming1，Mamattuersun Kebir2，LI Hong2，YU Shulong1，ZHANG Ruibo1，ZHANG Tongwen1，CHEN Feng1,LU Heng3,WEI Wenshou1,YUAN Yujiang1
(1 Institute of Desert Meteorology,China Meteorological Administration；Xinjiang Laboratory of Tree Ring Ecology; Key Laboratory of Tree-ring Physical and Chemical Research of China Meteorological Administration，Urumqi 830002,China;2 Kunlun Mountains Forest Farm Management Bureau,Kashi 844900,China;3 Xinjiang Institute of Ecology and Geography，Chinese Academy of Sciences，Urumqi 830010,China）

The Yarkand River,which is located on the northern slope of western Kunlun Mountains,is one of the three main sources of Tarim River.The primitive spruce forest could provide ideal material for past climate change in this region.Four tree-ring width chronologies and a regional composite chronology were developed in the paper.The response of tree-ring width to climatic factors was assessed by Pearson correlation method.The relative high values of the mean sensitivity,percentage of missing rings and correlation coefficients among all radii of four spruce tree-ring width chronologies suggested that these chronologies contain abundant climatic information.Correlation coefficients between tree-ring width and precipitation from the previous June to current May and mean minimum temperature from March to September of Yecheng station are respectively 0.393 and 0.624.First order difference correlation analysis indicated that the mean minimum temperature is not consistent with tree-ring width in the high-frequency domain.The significant positive correlation is mainly contributed by the low-frequency trend.The correlation coefficient between tree-ring width chronology and precipitation from the previous July to current April of Wuqia station is 0.535.The comparison between tree-ring width chronologies of spruce from the western Kunlun Mountains and some tree-ring records from the surrounding area that is sensitive to moisture revealed the consistency in high-to-low frequency domain and extreme drought years.In general, because of the extreme arid climate background and harsh substrate conditions,the limited factors of radial growth of spruce from the northern slopes of western Kunlun Mountains is still moisture status.

Kunlun Mountains；Yarkand River；tree-ring width；Picea schrenkiana

P467

B

1002-0799（2017）03-0017-08

尚华明，麦麦提图尔荪·克比尔，栗红，等.叶尔羌河流域雪岭云杉树轮宽度气候信息的探讨，2017，11（3）：17-24.

10.12057/j.issn.1002-0799.2017.03.003

2017-02-13；

2017-03-14

气象行业专项（GYHY201206014）、自治区重点实验室专项资金项目（2014KL017）、国家科技支撑计划课题（2012BAC23B01）和国家自然科学基金（41205124、41271098）共同资助。

尚华明（1979-），男，副研究员，主要从事树轮年代学与环境演变研究。E-mail：shang8632@163.com