新疆树木年轮水文研究对比分析

分析新疆地区现已取得的树轮水文学研究成果,选取基于树轮宽度重建的阿尔泰山、天山、昆仑山和塔里木河流域等区域共14条河流径流量序列,对各序列的水文历史变化特征进行对比和讨论,并对进一步开展新疆地区树轮水文学研究提出了建议和展望。研究结果表明:(1)水分是各流域树木径向生长的主要限制因子,且树木径向生长与河流径流量之间普遍存在正相关关系。(2)对新疆5个区域的河流径流量重建序列进行相关分析,发现阿尔泰山区域重建序列间的相关性较高,天山北坡次之,天山南坡最低。阿尔泰山与天山北坡径流量重建序列间亦存在较好的相关性。(3)14条河流径流量重建序列经31 a滑动平均处理后,结果显示同一区域内河流径流量序列丰枯变化的一致性相对较好。(4)5个区域内部径流量重建序列存在相同的极值年份,且重建序列的部分极值年份与历史记录的气候水文灾害相吻合。(5)新疆地区径流量重建序列的周期变化在高频上较为一致,均存在2～7 a的短周期,其径流量变化可能受到海陆大尺度气候振荡的影响。     

托什干河流域额河杨和雪岭云杉径向生长对环境的响应对比

利用采自天山南坡托什干河流域的额河杨(Populus xjrtyschensis Ch.Y.Yang)和山区森林上线的雪岭云杉(Picea schrenkiana Fisch.et Mey)树轮样本,分别建立树轮宽度年表,选用相关函数法结合阿合奇气象站和沙里桂兰克水文站的逐月降水、温度和径流等主要环境因子,分析托什干河不同树种树木径向生长对环境因子的响应。研究表明,额河杨和森林上线的雪岭云杉树木径向生长对气候的响应均较差,位于森林上线的雪岭云杉对春季PDSI响应较好。托什干河流域树木径向生长可能受多种气象因子综合影响。同时,额河杨和雪岭云杉与径流量的相关性较高,额河杨树木径向生长响应夏季径流量,而雪岭云杉可以更好地响应水文年的径流量。本研究为利用阔叶树种重建天山山区历史气候水文变化提供参考。     

天山山区树轮气候研究若干进展

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。     

利用树轮宽度重建准噶尔盆地西南缘降水日数

利用新疆北部准噶尔盆地西南缘阿拉套山南坡4个采样点的雪岭云杉树木年轮宽度资料,建立了树轮宽度年表。树轮宽度指数与气候要素的相关分析结果表明:该区域的树轮径向生长主要受水分条件限制,与当年生长季及其前期的降水量和降水日数呈显著正相关,与温度呈负相关。其中小青稞与哈拉吐鲁克苏河两个点组成的树轮宽度年表(HXC)与阿拉山口气象站2-8月降水日数的相关系数达到了0.724。采用线性回归方法建立了树轮宽度指数与降水日数之间的回归方程,方差解释量为52.4%,交叉检验表明转换方程稳定可信。由于采样点坡度大、土层薄、土壤蓄水能力弱,树轮宽度与降水日数的相关系数高于降水。1685-2008年重建降水日数序列与区域干旱灾害文献记录的14次旱灾对比发现,树轮资料重建降水日数序列较好地捕捉了区域极端干旱事件。本文的序列与天山北坡山区和天山南坡阿克苏河流域降水序列的干湿阶段是对应的,特别是与天山山区降水序列的干湿阶段(特别是干旱阶段)更为一致。     

基于树轮的天山北坡三屯河流域过去146a降水变化

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。     

全球变化背景下天山西部雪岭云杉径向生长和水分利用效率对气候要素的响应

全球气候变暖和大气CO2浓度(Ca)急剧上升已成为不争的事实,并对森林生态系统有着深远的影响,全面理解森林生态系统对全球变化的响应至关重要。中亚干旱区特有树种雪岭云杉(Picea schrenkiana Fisch. et Mey)树轮稳定碳同位素(δ13C)和水分利用效率(iWUE)对气候变暖和大气CO2浓度急剧上升的响应缺乏研究。本研究利用天山西部伊犁河流域的雪岭云杉树轮样本,使用树木年代学方法和树轮稳定碳同位素技术,建立树轮宽度年表、稳定碳同位素(δ13C)以及内禀水分利用效率(iWUE)序列,分析了树轮δ13C和iWUE的长期变化特征,探讨了树轮δ13C和iWUE对气候的响应规律以及iWUE与树轮宽度的关系。结果表明,主要的气候因子并没有强烈地限制树木径向生长;夏季平均气温对树轮δ13C分馏有重要影响,iWUE的长期变化受到全球Ca增加和升温趋势影响,但直接影响iWUE年际变化的主要因素是饱和水汽压亏缺(VPD)。全球升温和Ca增加导致了iWUE的持续升高,但并没有导致雪岭云杉树木径向生长的明显增加。     

吉尔吉斯斯坦西天山上下林线树轮对气候的响应差异

利用2012年10月采自吉尔吉斯斯坦西天山chon-kyzyl-suu附近的森林上线和下线两个采样点的雪岭云杉树轮样本,建立了上下线树轮宽度年表,结合近百年CRU（0.5?.5）气温和降水资料,分析该地区森林上下线树轮对气候响应的异同。研究表明,森林上下线树轮年表一致性较好,尤其是窄轮出现年份基本相同;对气温响应方面,森林上线树轮年表与春季尤其是4-5月份平均温度显著负相关;而森林下线树轮年表与夏季尤其是6-7月平均气温显著相关。降水方面,树轮年表与上年7月到当年6月降水相关最好,森林下线年表与上年7月到当年6月的降水量相关系数超过0.61;上线也达到了0.49。与中国境内雪岭云杉对气候响应基本相同,位于吉尔吉斯斯坦的西天山北坡树轮宽度同样对降水的响应更为敏感,尤其在森林下线;降水可能是该地区树木生长的主要限制性因子,降水对森林下线树轮径向生长起决定性作用。空间相关分析表明,树轮年表能较好的代表西天山大部分区域上年7月到当年6月的降水量,尤其是西天山北坡吉尔吉斯斯坦境内。     

新疆东部雪岭云杉和胡杨树轮记录的干湿变化对比分析

利用采自新疆东部的雪岭云杉和胡杨树轮样芯研制出区域树轮宽度年表。相关分析发现雪岭云杉区域树轮宽度年表与上年8月至当年7月标准化蒸发指数(SPEI)变化有较好相关性,相关系数为0.67(P0.01,n=54),同时胡杨区域树轮宽度年表也表现出较强的干湿变化信号(r=0.48,P0.01,n=54)。利用线性回归模型重建了新疆东部1725—2013年上年8月至当年7月SPEI变化,方差解释量为45.3%。利用雪岭云杉区域树轮宽度年表能够较好地重建新疆东部自1725年以来的上年8月至当年7月的SPEI变化,方差解释量达45.3%。重建结果揭示新疆东部1725—1728年,1737—1758年,1765—1804年,1829—1834年,1845—1852年,1888—1904年,1915—1923年,1932—1961年,1969—1973年,1986—2001年偏湿;1729—1736年,1759—1764年,1805—1828年,1835—1844年,1853—1887年,1905—1914年,1924—1931年,1962—1968年,1974—1985年,2002—2013年偏干。胡杨区域树轮宽度年表与雪岭云杉区域树轮宽度年表所指示的干湿变化在年代际上存在一致性,但是胡杨对干湿变化响应往往滞后于雪岭云杉。新疆东部干湿变化与天山中西部干湿变化在年际变化上存在很强一致性,但在年代际变化上存在显著差异,并与甘肃河西走廊干湿变化存在紧密联系。     

天山中部北坡头屯河流域树轮宽度年表特征分析及其与气候要素的相关性初探

利用天山中部北坡头屯河流域8个天山云杉树轮采点的树轮样本,建立树轮宽度指数年表,并分析树轮标准化年表与气候的相关性。结果发现:(1)树轮年表统计特征指示庙尔沟煤矿与三屯河树轮宽度标准化年表可能包含有较多的气候信息;(2)森林上限年表互相关平均系数为最大,森林下部林缘年表互相关平均系数居中,森林上树线附近的小渠子年表与处于下树线附近的庙尔沟煤矿年表间的相关系数最小;(3)位于森林下部林缘年表的连续显著的正自相关系数的阶数少于森林上限的年表,反映该区域森林下部林缘树轮中的气候信息较为清晰,上限年表中的气候信息较为模糊;(4)温度是影响森林上限树轮宽度年表树轮生长的的主要气候限制因子,而降水则是影响森林下部林缘树轮宽度年表树轮生长的主要气候限制因子,区域森林下部林缘年表当年轮宽指数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,区域森林上限年表与大西沟气象站当年2—3月的月平均气温呈正相关,这些相关具有明确的树木生理学意义;(5)区域森林上限年表经历了9个轮宽指数偏高时段和9个偏低时段,偏高时段反映当年2—3月的气温偏高,反之指示当年2—3月的气温偏低;区域森林下部林缘年表大致有5个轮宽指数偏高时段和5个偏低时段,偏高时段指示上年7月至当年6月降水偏多,反之表征上年7月至当年的降水偏少。     

天山北坡中部不同海拔高度雪岭云杉树轮宽度气候响应对比分析

利用天山北坡中部沙湾地区两个坡面随海拔高度采集的雪岭云杉树芯样本,建立了13个树轮宽度年表。分析结果表明,2个坡面年表特征值随海拔高度的变化而不同,不同海拔树轮宽度对气候因子的响应呈现规律性。高低海拔采样点在生长季前对气候因子的响应相同,而在生长季则呈相反的响应。在生长季,高海拔采样点随海拔的升高,树轮宽度对气温的响应降低。不同坡面间受小生境的干扰较大,坡度较小的大鹿角湾高海拔采样点主要受气温的影响,而在坡度较大的石头沟高海拔采点则对降水有更明显的响应。沙湾树轮宽度年表对PDSI指数的响应与大尺度范围的树轮响应一致,即与PDSI呈正相关,低海拔区域响应最显著。主成分分析表明,在同一坡面树轮宽度年表的前3个主分量可以反映因海拔高度变化气候因子对树木年轮生长的影响。2个坡面树轮宽度年表的第一主分量表征持续干旱对整个坡面的影响。     

叶尔羌河流域雪岭云杉树轮宽度气候信息的探讨

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。     

树轮记录的天山南坡阿克苏河流域2-3月平均气温

利用阿克苏气象站2-3月的平均气温与阿克苏河流域树轮标准化序列,可较好地重建该区域近378年2-3月的平均气温。重建时段具有明显的树木生理学意义,经过多方面验证,重建结果是可信的。对历史时期阿克苏河流域的平均气温进行了分析,发现阿克苏河流域过去378年的2-3月平均气温具有3.6,42和50.4年的准周期变化,平均气温重建序列在1719年和1827年前后发生突变;过去378年的2-3月平均气温大体经历了9低9高的变化阶段,其中1911-1922年是最冷的阶段,比平均值偏低1℃以上,而1640-1651年是最暖的阶段,比平均值偏高1℃以上。20世纪初-10年代中期气温持续下降,1915-1921年间平均气温维持在近百年来最低水平,其中平均最小值出现在1916年。20世纪20年代初-30年代末气温缓慢上升,40年代初—70年代初气温缓慢回落,70年代中后期到现在温度持续上升。     

新疆北部暖季短时强降水的时空分布特征

基于2013—2019年暖季新疆北部518个自动站逐时降水资料,运用常规统计、归一化及其偏离程度、降水集中度(PCD)和集中期(PCP)等方法,研究该区短时强降水(Flash Heavy Rain,FHR)时空分布和统计特征。结果表明:(1)近7 a新疆北部FHR发生频次年变化大,2016年最多,2014年最少,前者是后者的3.9倍。(2)FHR集中发生在6—7月,6月下旬为峰值,且日变化呈明显的单峰型,峰值主要在17:00—19:00。(3)FHR发生频次集中在山脉的迎风坡和喇叭口地形附近。(4)FHR PCD呈现由南向北、由西向东逐渐集中,阿勒泰地区最集中;PCP自伊犁河谷至天山北坡,从克拉玛依向西、向北逐渐推迟,阿勒泰地区最晚。(5)PCD伊犁河谷、天山北坡年变化呈增大的趋势,其它区域呈减小的趋势。PCP阿勒泰地区、博州、天山北坡年变化呈增大趋势,其它区域呈减小的趋势。     

348-YEAR PRECIPITATION RECONSTRUCTION FROM TREE-RINGS FOR THE NORTH SLOPE OF THE MIDDLE TIANSHAN MOUNTAINS*

Correlation census shows that the correlation between the tree-ring chronologies in the Urumqi River Basin and precipitation during July in the last year to February in the concurrent year is significant,and the best single correlation coefficient is 0.74,with significance level of 0.0001.Using two residual chronologies collected from west Baiyanggou and Boerqingou,precipitation for 348 years can be reconstructed in the North Slope of middle Tianshan Mountains,its explained variance is 62%.According to much verification from independent precipitation data,historical climate records,glacier and other data.it shows that the reconstructed precipitation series of 348 years is reliable.Analysis of precipitation features indicates that there were three wet periods occurring during 1671-1692,1716-1794 and 1825-1866 and three dry periods during 1693-1715,1795-1824 and 1867-1969.Two wet periods,during 1716-1794 and 1825-1866,correspond to the times of the second and the third glacial terminal moraine formation,which is infront of No.1 glacier in Urumqi River source.According to computation,corresponding annual precipitation amounts are 59mm and 30mm more than now.The reconstructed precipitation series has a significant drying trend from 1716 to 1969.and has better representativeness to the precipitation of Urumqi and Changji Prefecture on the North Slope of Tianshan Mountains.     

天山北坡雪岭云杉树轮宽度年表梯度特征分析

在天山北坡不同区域间隔海拔高度100 m左右采集5个树轮梯度年表,分析树木径向生长沿海拔高度变化的规律。结果发现:在树轮年表特征中,平均轮宽、树龄和敏感度等存在海拔梯度变化,平均轮宽和敏感度随海拔升高而降低,而平均树龄则与海拔高度呈正相关。高海拔采样点在同一区域和不同区域间一致性最好,低海拔采样点次之,而森林中部最差,东部和中部低海拔区域采样点的一致性要好于西部,坡向、坡度等小生境的差异也是影响树轮生长垂直变化规律的重要因素。存在同时影响不同海拔高度树轮生长的环境要素,西部和中部高海拔树木对该要素的响应更显著,在更为干旱的天山北坡中部和东部,对树木径向生长的影响较大的环境因子要多于西部伊犁地区。     

利用树木年轮资料重建石河子地区168a来的5-8月降水量

据相关普查,天山北坡玛纳斯河山区的板房沟天山云杉树轮宽度标准化年表与石河子地区5~8月降水相关显著,相关系数为0.656(P<0.0001)。基于该年表重建玛纳斯河流域168a来的5~8月降水量,解释方差达43.0%。经统计参数检验和独立历史气候记载验证,表明168a的降水重建值具有较好的可信性。168a来的石河子地区5~8月降水量大体经历了6个偏湿和6个偏干阶段,最湿润年为1988年,降水比长期平均值偏多71.7%,最干旱年为1945年,比多年平均值偏少42.7%,最长偏湿期出现在1843~1857年,而最长偏干期位于1908~1924年。功率谱分析指出重建降水存在4.0和8.0年的变化准周期。石河子地区5~8月降水变化可能与ENSO具有一定的联系。