用于气候分析的树轮宽度资料获取技术方法与质量控制

结合气象行业标准《树木年轮气候研究树轮采样规范》（QX/T 90-2008）和树木年轮气候研究多年的实践经验,将树木年轮宽度气候分析中的树木年轮宽度资料采集步骤划分为野外采样、样本预处理、数据获取、数据交叉定年和年表研制。通过对树轮宽度资料采集过程中各个步骤及其质量控制的介绍,希望能为开展树木年轮宽度气候研究提供参考。     

用于气候分析的树木年轮密度资料获取方法与质量控制

通过结合气象行业标准《树木年轮气候研究树轮采样规范》(QX／T 90—2008)和DENDRO 2003树轮密度分析系统的多年使用经验,将树木年轮密度资料采集划分为树轮样本采集、样本处理、数据获取、数据交叉定年、树轮密度年表研制5个步骤。通过对密度资料采集过程中各个步骤的讨论,希望可以为将来制订规范的树轮密度资料采集技术方法提供参考。     

经验模态分解方法在树木年轮宽度序列标准化中的应用

高分辨率的树木年轮是记录历史时期气候变化的良好生物载体,在古气候研究中被广泛应用。但年轮宽度与气候因子之间有着复杂的联系,这种关系受气候因子之间的相互制衡和因物种而异的树木生长节律的共同影响。在利用树木年轮开展历史时期气候变化的研究中,剔除树木年轮与年龄相关的生长趋势是准确获取气候信号的先决条件。然而,传统的和相对改进的一些树轮标准化方法在拟合并剔除树龄相关的趋势及非气候干扰信息方面仍存在一些问题。本文利用经验模态分解(EMD)方法进行树轮资料的标准化方法研究, 对已获得的树轮生长序列所记录的信息进行分解,得到一系列不同物理意义的本征模态分量,结合多样本信息的对比及生物学特性,深入解读各分量表征的气候变化、环境干扰及缓慢生长趋势项等不同物理意义,进而剔除非气候信息,得到可以准确反映气候变化的代用序列,并将该方法与目前广泛采用的标准化方法进行对比,分析不同方法的利弊所在,为进一步改进树轮标准化方法提供新思路。     

天山北坡东部树轮宽度和稳定碳同位素的环境响应分析

在天山北坡东部森林上限采集雪岭云杉样本,建立了树轮宽度年表和稳定碳同位素序列,采用相关函数分析了树轮宽度与木垒气象站温度和降水的关系,发现这一区域的树轮宽度主要受到水分条件的限制,但由于采样点位于森林上限,温度也限制了树木的生长,导致了树轮宽度记录降水信息能力减弱。树木年轮稳定碳同位素序列反映了工业革命以来,由于化石燃料燃烧,大气CO2浓度增加,大气δ13C降低的事实。将树轮δ13C序列进行校正后与木垒月气象资料的相关分析表明,树轮碳同位素序列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。这一区域森林上限的树轮碳同位素并不是反映气候变化的最好指标。     

帕米尔东北部昆仑圆柏850年树轮宽度年表的建立及其气候意义

利用帕米尔高原东北缘的昆仑圆柏树轮资料建立了850 a的树轮宽度年表(1165—2014年),是目前新疆最长的树轮年表。树轮宽度指数与乌恰站的气象资料相关分析表明:树轮宽度主要受水分条件限制,与降水量、降水日数和水汽压呈一致的正相关,其中树轮宽度标准年表与乌恰上年10月—当年7月的降水量的相关系数达到0.671。宽度年表与最高气温和最低气温呈反相关:当年生长季及其前期的最高气温与轮宽指数负相关,而最低气温(当年5月以外)与树木的生长正相关,表明生长季的较高的最高气温和冬季的较低的最低气温不利于树木的生长。树轮宽度指数与CRU格点降水资料的空间相关分析表明其能较好地反映帕米尔高原东部的降水变化,其次与新疆天山山区中部和南疆平原区的降水也具有较好的相关性。     

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。     

用于气候分析的树木年轮灰度资料获取方法与质量控制

结合野外采样和使用WinDENDROTM树轮图像分析系统的经验,将树木年轮灰度资料的获取分为野外采样、样本预处理、获取树轮灰度资料、数据格式转换、存储树轮灰度资料、交叉定年、建立树轮灰度年表、气候分析等8个步骤,并对其中的各个环节及质量控制进行了阐述。为日后开展的树轮灰度资料获取工作提供参考。     

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。     

树轮记录的贺兰山北部5—7月PDSI变化

利用采自贺兰山北部3个采样点的油松树轮样本,建立了区域树轮宽度年表。相关分析发现,5—7月的帕尔默干旱指数(PDSI)与区域树轮宽度差值年表(RES)具有良好的相关性。因此,利用RES重建贺兰山北部1759—2005年来5—7月的PDSI变化,重建方程的方差解释量达47.90%,且方程稳定。贺兰山北部5—7月的PDSI重建序列平均值为-0.41。重建结果揭示了20世纪20年代干旱事件和19世纪后期、20世纪中期两个显著湿润期的存在。     

新疆西北部萨吾尔山西伯利亚落叶松树轮宽度的气候响应特征

树木生长对气候变化的响应研究不仅能为全球变化背景下森林生态系统的响应提供关键参数，也是树轮气候学研究的基础。本文利用位于新疆西北部萨吾尔山南坡的西伯利亚落叶松树木年轮宽度资料，建立了不同海拔高度的4个树轮宽度年表，采用相关分析和冗余分析法分析了树轮年表特征及其对气候的响应特征。结果表明：（1）不同海拔西伯利亚落叶松树轮宽度年表均具有较高的敏感度和一致性，可能包含较为丰富的气候信息。树轮年表参数有较一致的规律性：平均敏感度、标准差和信噪比随海拔高度降低逐渐增大；反映树轮对环境要素响应滞后效应的一阶自相关系数随海拔高度降低而减小。（2）随着海拔高度的降低，树轮宽度年表与生长季温度（5—9月）的正相关逐渐减弱，直至变为负相关；与反映水分状况的气象要素（降水量、相对湿度和水汽压）由不显著相关变为显著正相关（P<0.01）。萨吾尔山南坡海拔2000~2100m是西伯利亚落叶松树轮宽度对气候响应关系发生转折的关键高度。（3）位于下树线区域西伯利亚落叶松树轮宽度受年降水量（上年7月至当年6月）和当年生长季（5—7月）最高气温共同影响，具备开展区域干旱指数重建的潜力。     

阿勒泰中部地区树轮宽度年表特征及其对气候的响应

利用采自阿勒泰中部地区6个低海拔(1354-1970m)样点的西伯利亚落叶松(Larix sibirica Ledeb.) 或西伯利亚云杉(Picea obovata Ledeb)样本,建立各采点的树轮宽度指数年表。分析标准化树轮宽度年表的特征参数及对气候的响应表明：1.拜克托别标准化树轮宽度年表包含的气候信息最多,其次是大东沟前标准化树轮宽度年表。2.6个标准化树轮宽度年表与阿勒泰中部地区自建站以来的气象数据进行相关普查发现拜克托别及大东沟前标准化树轮宽度年表与6-8月降水量、4-8月降水日数呈显著正相关,石人东年表与7-8月平均最高气温呈显著负相关。这些相关具有明确的树木生理学意义。     

博州中东部树轮宽度年表特征及对其气候响应

利用采自博尔塔拉蒙古自治州中东部山区9个采点的树轮样本,研制树轮宽度年表,分析9个树轮宽度标准化年表的统计特征及年表对气候的响应。结果表明:(1)位于森林中下部林缘的吉普克北、包尔克特沟西侧、小海子、胡苏木萨拉年表和森林上树线的吉普克年表包含的气候信息较多。(2)博州中东部山区气候对树木年轮生长的影响存在持续性,显著的持续年数大多表现在当年及其后的3 a。(3)9个年表间的互相关系数均超过了0.01的显著水平,森林中下部林缘年表间的相关性大于森林上树线。(4)森林上树线树轮宽度年表与上年12月至当年9月平均最低气温相关系数最大(R=0.583,显著性水平达0.000 1),其中与6月温度的相关最好,温度是影响森林上树线树轮宽度生长的主要气候限制因子。森林中下部林缘区域树轮宽度年表与上年6月至当年5月的降水量呈显著正相关(R=0.644,显著性水平达0.000 1),其中与6月降水量的相关最好,降水是影响森林中下部林缘树木年轮宽度生长的主要气候限制因子。     

基于树轮宽度的巴丹吉林沙漠南缘山地NDVI重建与分析

利用巴丹吉林沙漠南缘山地三个采样点的青海云杉树轮样本研制出区域树轮宽度年表。相关分析发现区域树轮宽度年表与5-7月NDVI变化有较好相关性,相关系数为0.667 (P<0.001)。利用线性回归模型重建了巴丹吉林沙漠南缘山地1765–2010年5-7月NDVI变化,方差解释量为44.5%。NDVI重建序列揭示在1765–2010年期间巴丹吉林沙漠南缘山地有10个植被生长良好时段和10个植被生长较差时段。同时,NDVI重建序列的低值与河西走廊极端干旱历史事件有着良好的一致性。多窗谱周期分析发现,巴丹吉林沙漠南缘山地5-7月NDVI重建序列具有10.1年,8.1年,4.9年,3.0年,2.6年和2.2年的准周期变化。交叉小波分析发现太阳黑子活动是区域NDVI变化的重要驱动力之一。基于NDVI与区域干湿变化良好相关,分析了极端低值年份和极端高值年份的矢量风场距平变化发现区域NDVI变化与大范围气候场变化有显著关联,发现当西风增强时,研究区气候偏湿,有利于树木生长,NDVI值偏高,形成较宽的树轮。当研究区被来自北面沙漠地区气流控制时候,研究区气流偏干,不利于树木生长。     

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。     

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。     

基于树轮宽度的伊塞克湖入湖径流量重建与分析

中亚区域气候与水文变化特征及其对全球气候变化的响应重要而复杂,伊塞克湖流域周边山区分布的天山云杉原始森林为揭示区域过去几百年气候水文变化事实和规律提供了良好的载体。本文利用伊塞克湖周边山区4个点的树木年轮宽度、入湖年径流量以及CRU格点气象资料,基于对树轮宽度指数对区域水文和气候要素响应关系分析,利用区域树轮宽度差值年表重建了伊塞克湖355a来的入湖径流量变化历史,二者线性转换方程的方差解释量为30．2％。重建径流量的丰枯阶段变化与天山北坡的玛纳斯河、乌鲁木齐河相对应。但与天山南坡的阿克苏河流域的径流量的低频变化特征不一致,在1850年前的变化趋势相反。空间相关分析发现伊塞克湖流域重建径流量变化能较好地代表中亚天山北坡以及哈萨克斯坦东南部和新疆北部平原区降水变化。此外,还发现了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。     

塔里木盆地西缘近300年降水量变化重建

：昆仑山北坡西部山区是树木年轮气候研究的薄弱区域。本文在位于公格尔山北坡的喀山河流域山区采集了雪岭云杉的树芯标本,分析了树轮宽度标准年表对塔里木盆地西缘气候要素的响应关系,发现了该区域的树木径向生长主要受水分条件限制,标准年表与塔里木盆地西缘6站上年7月至当年6月平均降水量的相关系数达到0.692。利用树轮宽度年表和年降水量之间的线性回归方程重建了塔里木盆地西缘1715—2014年降水量序列,转换方程的方差解释量为48.0%,且稳定可信。重建的降水序列记录了21个极端干旱年和21个极端湿润年。重建降水量的31年快速傅里叶变换（FFT）滑动序列分析发现塔里木盆地过去300年降水序列存在5个偏干阶段1725—1750、1777—1806、1821—1843、1854—1887和1911—1990年）和6个偏湿阶段（1715—1724、1751—1776、1807—1820、1844—1853、1888—1910和1991—2014年）,20世纪80年代中期以来增湿趋势明显,且还在持续。塔里木盆地西缘干湿变化的韵律与相邻区域的树木年轮水分记录是一致的,几个显著的干湿阶段均能较好地对应,只是其变化幅度和持续的时间存在差异。 关键词：塔里木盆地;公格尔山;雪岭云杉;树木年轮;降水量     

新疆伊犁乌孙山北坡树轮灰度年表的建立及气候意义

利用2006年采自新疆伊犁乌孙山北坡3个采点的树轮样本,建立了树轮宽度年表,采用树轮图像分析法进一步建立了3种宽度年表和5种灰度年表。宽度年表对比发现,树木年轮对气候响应南疆强于北疆,北疆其它地方强于伊犁地区,而乌孙山北坡与伊犁其它地区比较,树轮宽度对气候的响应较敏感。树轮图像分析法建立的8种年表特征进行对比发现,恰依恰孜宽度年表对气候的响应最为强烈;而阿乌里亚乔克标准化灰度年表对气候的响应较好。相关分析表明,全轮灰度、早材灰度和最大灰度与4、5月气温相关较好。4月降水和实测宽度、全轮宽度以及早材宽度相关较好,而6月降水与全轮灰度和早材灰度相关较好。早材宽度对气候的响应强于晚材宽度;全轮灰度和早材灰度对气候的响应较好。利用树轮图像分析所得到的8个树轮参数年表可增加气候重建代用指标,提高气候重建的精度。     

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。     

历史文献记录用于古气候代用序列的校准试验

<正>任何从自然环境(湖泊、石笋、树轮等)和人文记录取得的古气候代用资料都需要尽可能地与由不同途径得到的气候记录(包括器测、人文记录)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