天山北坡东部叉子圆柏(Sabina vulgaris)树轮宽度气候重建潜力评估

叉子圆柏(Sabina vulgaris)年轮边界清晰,广泛分布于天山北坡海拔1 200~3 100m范围,比雪岭云杉的海拔分布范围更广。该树种最大树龄在200a以上,目前还未见利用这一树种开展树轮年代学研究的报道。建立了天山北坡东部木垒山区叉子圆柏的树轮宽度年表,分析其年表特征及其与木垒气象站降水量、降水日数、气温、蒸发量和标准化降水蒸发指数(SPEI)的相关关系,评估叉子圆柏的气候信息含量及其用于气候重建的潜力。结果表明:叉子圆柏树轮宽度具有较高的敏感度和序列间的一致性,树木径向生长受到当年生长季(3—8月)及其前期降水和蒸发的综合影响,宽度年表与当年的降水量和降水日数显著正相关,与气温和蒸发量显著负相关,与当年4—7月SPEI的正相关最为显著(n=55,r=0.650,P0.0001)。基于一元线性方程(Y=2.783 X-2.975,R~2=42.2%,R_(adj)~2=41.1%),利用叉子圆柏树轮宽度重建了东天山北坡木垒4—7月SPEI变化。与基于雪岭云杉树轮宽度重建的东天山降水记录的比较表明:1860—2013年间二者相关系数为0.381,低频变化都记录了1910—1940年的持续干旱期。SPEI序列中的部分极端干旱年与降水记录并不一致,SPEI记录的20世纪90年代以来的持续偏干趋势在树轮降水记录中并不明显,可能是由于两个重建的要素和时段不一致,SPEI指数考虑了增温引起的蒸发作用加剧的影响。叉子圆柏主要分布在阳坡(雪岭云杉一般生长在阴坡),特别是可以在天山北坡雪岭云杉下树线以下的区域生长,叉子圆柏树轮宽度反映的气象要素和时段与雪岭云杉存在差异,因此在天山山区树轮年代学研究中能作为雪岭云杉的有益补充。     

天山北坡东部叉子圆柏(Sabina vulgaris)树轮宽度气候重建潜力评估北大核心CSCD

叉子圆柏(Sabina vulgaris)年轮边界清晰,广泛分布于天山北坡海拔1 200~3 100m范围,比雪岭云杉的海拔分布范围更广。该树种最大树龄在200a以上,目前还未见利用这一树种开展树轮年代学研究的报道。建立了天山北坡东部木垒山区叉子圆柏的树轮宽度年表,分析其年表特征及其与木垒气象站降水量、降水日数、气温、蒸发量和标准化降水蒸发指数(SPEI)的相关关系,评估叉子圆柏的气候信息含量及其用于气候重建的潜力。结果表明:叉子圆柏树轮宽度具有较高的敏感度和序列间的一致性,树木径向生长受到当年生长季(3—8月)及其前期降水和蒸发的综合影响,宽度年表与当年的降水量和降水日数显著正相关,与气温和蒸发量显著负相关,与当年4—7月SPEI的正相关最为显著(n=55,r=0.650,P<0.0001)。基于一元线性方程(Y=2.783 X-2.975,R^2=42.2%,R_(adj)~2=41.1%),利用叉子圆柏树轮宽度重建了东天山北坡木垒4—7月SPEI变化。与基于雪岭云杉树轮宽度重建的东天山降水记录的比较表明:1860—2013年间二者相关系数为0.381,低频变化都记录了1910—1940年的持续干旱期。SPEI序列中的部分极端干旱年与降水记录并不一致,SPEI记录的20世纪90年代以来的持续偏干趋势在树轮降水记录中并不明显,可能是由于两个重建的要素和时段不一致,SPEI指数考虑了增温引起的蒸发作用加剧的影响。叉子圆柏主要分布在阳坡(雪岭云杉一般生长在阴坡),特别是可以在天山北坡雪岭云杉下树线以下的区域生长,叉子圆柏树轮宽度反映的气象要素和时段与雪岭云杉存在差异,因此在天山山区树轮年代学研究中能作为雪岭云杉的有益补充。     

青藏高原东北部与南部地区树木径向生长对气候要素的响应——以祁丰和林周树轮为例

了解树木径向生长对气候响应的区域特征是模拟或预测未来全球变化如何对森林生态系统产生影响的基础。对青藏高原东北部(祁丰)干旱气候条件下与南部(林周)高寒半干旱气候条件下的两条标准化年表分析发现,两年表敏感度均较高,样芯间一致性均较强,为分析树木径向生长对气候要素的响应关系提供了保障。对祁丰和林周树轮宽度序列与其附近酒泉(1951-2009年)和当雄(1963-2009年)气象站上年5月到当年9月的气候因子(月平均气温、月最高气温、月平均最低温和月降水量)进行相关和响应分析发现,祁丰和林周树木的径向生长与当年5-6月平均气温存在负相关关系,相关系数分别为-0.360和-0.466;而与当年5-6月降水量显著正相关,相关系数分别为0.499和0.623。祁丰和林周树轮宽度序列与帕尔默干旱指数(PDSI,1951-2005年)的格网数据在每个月份均呈正相关关系,与5-6月的相关值分别为0.581和0.719。上年7月到当年6月的降水量与祁丰(r=0.529)和林周(r=0.667)树轮宽度序列的相关值也较高,推断干旱状况是限制高原东北部与南部树木径向生长的主要因素。     

赛里木湖流域雪岭云杉(Picea schrenkiana)树木径向生长对气候变化的响应

选用赛里木湖流域海西沟雪岭云杉(Picea schrenkiana)树轮宽度标准化年表与温泉气象站历年逐月降水(月降水量,降水量≥0.1mm、≥1mm、≥2mm、≥5mm日数)、温度(月平均气温、月平均最高气温、月平均最低气温、平均地温)、积雪(积雪日数,积雪深度≥1cm、≥5cm、≥10cm日数)、月平均相对湿度、日照百分率及日照时数等主要气候因子,以相关函数法分析赛里木湖流域树轮宽度对气候变化的响应。结果表明:海西沟树轮宽度标准化年表与气候要素相关较好的月份集中在上年7月、上年8月、当年1月及当年7月,与降水、积雪、相对湿度正相关,而与温度、日照百分率、日照时数负相关。对器测资料上年1月到当年12月所有不同时段的顺序组合与海西沟树轮宽度标准化年表的年轮指数序列进行相关普查分析表明,在所有组合中上年8月至当年7月的降水量及降水≥5mm日数与树轮年表的相关性最好,相关系数分别为0.630和0.708,上年8月至当年7月的降水可能是该地区树轮径向生长的主要限制因子,海西沟树轮标准化宽度年表与周围的降水和PDSI均具有较好的相关性,该年表对天山北坡和中亚部分地区的降水及PDSI有较好的代表性。     

树轮记录的甘肃山丹近224年降水变化

根据山丹大黄沟的树轮样本,建立树轮宽度年表.相关分析发现,大黄沟树轮宽度差值年表与山丹上年8月至当年6月的降水存在显著的正相关,相关系数为0.654(P<0.00001).利用大黄沟的树轮宽度差值年表,可重建山丹近224年来上年8月至当年6月的降水变化.交叉检验表明降水重建结果稳定可靠.通过对降水重建序列与周边地区树轮降水重建序列和树轮年表资料的对比分析,发现该重建序列与周边地区的树轮重建降水的干湿阶段变化具有一定的同步性,并对西北地区极端干旱历史事件有良好的响应.多窗谱分析发现,重建降水序列具有4.2 a、3.4 a、3.2 a、2.6 a的准周期变化;滑动T检验法发现,重建降水序列在1887年、1908年发生过降水突变.     

宁夏罗山油松(Pinus tabulaeformis)树轮宽度对气候因子的响应分析

 树轮样本采自宁夏罗山油松纯林的下限和上限。建立了下限和上限的树轮宽度标准化年表,分析了树轮宽度与降水、气温、湿润指数(P/T)的相关关系,结果显示,下限和上限树轮宽度指数都与当年3月、5月、春季以及年降水量显著正相关,与7月气温显著负相关;下限树轮宽度标准化年表与气候要素的相关系数一般大于上限的相关系数,而且下限树轮宽度与前一年9月、秋季降水以及夏季气温的相关也达到显著水平,表明下限树轮宽度标准化序列对降水和气温单一气候要素的变化较敏感;下限和上限的树轮宽度指数和湿润指数(P/T)呈正相关关系,而且上限树轮宽度和3—8月湿润指数的正相关达到99%的置信水平,说明罗山油松纯林上限树轮宽度标准化序列对水热组合的响应较敏感。     

基于多点树轮序列的1768—2006年甘肃降水量变化

选择12个树木年轮宽度年表和28个气象站的降水量资料分别建立甘肃树轮宽度场和降水量场。树轮气候响应分析发现树轮宽度场第一主成分与甘肃28个气象站上年7月至当年6月降水量第一主成分有较好相关性,相关系数为0.580 (p<0.001)。利用线性回归模型重建甘肃上年7月至当年6月降水量第一主成分,方差解释量为33.6% (1961—2006年)。在1768—2006年期间甘肃有11个降水量较多的时期(高于多年平均值)和11个降水量较少的时期(低于多年平均值),分别反映了东亚夏季风较强和较弱的时期。同时,降水量重建序列的低值与西北地区极端干旱历史事件有着良好的一致性。空间相关分析表明该重建序列能够表征甘肃大范围的降水量变化,与实测降水量资料的第一主成分空间变化较为一致。多窗谱分析发现,甘肃降水量具有36.6年(95%)、11.2年 (95%)、4.8年(95%)、3.4年 (95%)、3.1年(95%)、2.6年(95%)和2.4年(99%)的周期变化。甘肃降水量与亚洲中纬度西风区、季风区树轮降水量序列之间存在一定的关联性,甘肃降水量变化与季风降水量的关联要大于与西风区降水量。     

基于树木年轮宽度重建塔里木盆地西北缘水汽压变化

利用新疆阿合奇县以南黑尔塔格山区的天山云杉树木年轮宽度资料,基于树轮宽度指数与阿合奇气象要素的相关分析发现该树木径向生长主要受水分条件限制。选择相关系数较高且生理意义明确的时段和要素,建立了树轮宽度标准年表与阿合奇上年8月至当年6月的平均水汽压的线性转换方程(R²=66.4%,R_adj²=65.1%,p<0.001)。器测资料线性趋势分析表明,近56年来阿合奇的降水和水汽压呈一致的上升趋势。阿合奇1656-2012年的水汽压序列经历了4个偏干阶段(1666-1689年、1722-1749年、1820-1880年、1909-1988年)和4个偏湿阶段(1688-1721年、1750-1819年、1881-1908年、1989-002年)。在95%的置信水平上,重建序列存在显著的56.8 a、13.4 a、10.7 a、6.9 a、5.4 a、4.3 a、3.8 a和2.6 a的周期,其56.8 a的低频周期和6.9 a的周期对应天山山区的树轮重建序列中记录的周期特征。滑动T检验发现了显著性水平达到 0.001的6个突变年份(1720年、1827年、1910年、1751年、1874年、1988年)。重建序列中1988年水汽压增加的突变和1989年以来的偏湿阶段与中国西北(特别是天山山区和南疆西部)20世纪80年代以来增湿过程对应。阿合奇的水汽压重建序列与天山山区和阿克苏的降水记录的干湿阶段一致,但与同位新疆南部天山山区中部巴仑台的干湿阶段并不对应。     

利用树木年轮重建阿勒泰地区1794-2012年降水量

利用阿勒泰地区3个采样点的西伯利亚云杉（Picea obovata）树轮样本,建立了区域树轮宽度标准化年表。单相关普查发现,阿勒泰地区区域树轮宽度标准化年表与该区域5个气象站上年7月至当年6月降水量相关显著（R=0.714,P<0.00001）。用区域树轮宽度标准化年表可较好地重建该区域上年7月至当年6月的降水量,解释方差达51.0%,验证表明降水重建序列是可信的。重建序列经历了4个偏湿期和4个偏干期。存在2.2～2.5 a的显著周期（P<0.05）及146、2.8、2.1、2.0 a的较显著周期。在1889年发生从少到多的突变。空间相关分析表明重建结果对阿勒泰地区降水具有较好的代表性。重建结果与阿尔泰山、天山中部地区、吉尔吉斯斯坦东部天山北坡的降水变化趋势和干湿阶段具有较好的一致性,与PDSI变化趋势也有较好的一致性。     

青藏高原南部南木林地区树木径向生长对气候因子的响应

树木年轮定年准确、连续性强、分辨率高,并且易于获取复本,已经成为过去气候变化重建的主要手段之一。通过分析青藏高原南部南木林地区大果圆柏的树木年轮宽度变化及其对气候因子的响应,发现树木生长季前期的温度与树木径向生长变化呈正相关关系,而夏季温度与树木径向生长呈负相关关系;年总降水量（上年7月到当年6月）是当地树木径向生长的主要限制因子,相关系数为0.66（P<0.01）,表明南木林地区树轮宽度变化可以指示该地区年总降水量变化。南木林树轮年表（1560—2008年）的突变检验结果显示,该年表在年代际尺度上存在1627年和1829年左右的突变点,表明南木林地区降水量在过去499 a间经历了两次突变。对树木年轮标准化年表的功率谱分析表明,南木林树轮记录具有150 a、100 a、75 a、60 a、50 a以及3.7 a 和3.06 a的显著周期,其中3.7 a和3.06 a周期可能与ENSO有关。     

特克斯河流域近236a降水变化及其趋势预测

根据2006年采自特克斯河流域6个采样点的树轮样本研制的树轮宽度年表与气象资料,通过相关普查发现,特克斯河流域树轮标准化年表与上年7月至当年6月的降水存在显著的正相关,最高单相关系数为0.727.用库尔克尔也灭,小白代的树轮宽度标准化年表序列,可较好地重建该地区最近236 a的降水序列,方差解释量达54%,并通过交叉检验表明重建结果是稳定可靠的.近236 a,特克斯河流域上年7月至当年6月降水经历了8个偏湿阶段和8个偏干阶段,同时重建降水序列具有10.3 a、7.5 a、6.0 a、3.0 a、2.1 a的变化准周期,并在1790年,1911年,1929年,1974年发生过降水突变.采用毛毛虫-奇异谱分析法(Caterpillar-ssa)对该地区未来20 a的降水的自然变化进行预测.结果表明,21世纪的最初几年降水量将延续20世纪90年代以来增加的趋势,之后出现下降,并在2013～2016年前后最低值出现.     

闽北地区柳杉树轮宽度变化对气候因子的响应

以福建北部宁德市虎贝镇柳杉树芯为对象,建立研究区68年(1950—2017)柳杉树轮宽度标准年表。通过年表与气候要素的响应分析发现:研究区柳杉树轮宽度与上一年7月和当年6月温度在原始序列和一阶差序列上均显著负相关(P0.01),夏季高温造成的干旱胁迫限制了柳杉径向生长;标准年表与前一年7月至当年6月降水和标准化降水蒸散指数(Standardized Precipitation and Evapotranspiration Index, SPEI)在原始序列和一阶差序列上均显著正相关(P0.01),柳杉生长亦受水文年降水限制,土壤水分在其中起到关键作用。柳杉宽度年表与当年1—3月全球海表温度(Sea Surface Temperature,SST)相关空间分布特征显示:树木径向生长与厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)之间存在显著相关,说明ENSO可以通过遥相关(teleconnections)调控研究区的水文气候,从而影响区域的树木生长。     

基于树轮资料重建祁连山东段冷龙岭1848年以来的干湿变化

利用在祁连山东段冷龙岭青海云杉森林上限采集的树轮样芯,建立3个树轮宽度年表,与气象资料的响应分析发现,上年9月到当年4月的降水量是冷龙岭上限云杉生长的限制因子.基于多元回归模型重建本区1848年以来的降水量,重建模型的方差解释量达到45%,并用交叉检验验证了模型的稳定性.低通滤波序列显示冷龙岭过去近160 a经历了4次干期:1853-1857年,1877-1880年,1919-1931年,1974-1975年和4次湿润期:1869-1872年,1888-1892年,1950-1956年,1970-1972年.通过与祁连山中、西段的干旱序列对比得出,在较长的时间尺度上祁连山山区东、西降水的低频变化具有一致性.MTM(Multi-taper method of spectrum analysis)周期分析显示冷龙岭降水量存在40 a左右和2～3 a的显著周期,研究结果表明,ENSO循环和东亚季风对冷龙岭降水量有着重要影响.     

阿尼玛卿山地祁连圆柏径向生长对气候的响应

通过对阿尼玛卿山地5 个坡面20 个祁连圆柏树轮宽度标准年表的分析, 发现公共区间内各树木年轮宽度标准年表中的信噪比SNR 和样本总解释量EPS 值都较高, 说明年表中都含有较强的环境信息; 树轮宽度年表之间的平均相关为0.35 (大多达到95%的置信程度), 具有较好的区域一致性。聚类分析使树木年轮宽度年表分成东、西两大部分, 而年表的第一主分量显示出: 西部树轮的指数序列明显长于东部即树木生长有自西向东扩展的趋势, 并且东、西区域树木生长变化的特征年变化具有同步性。东、西树轮宽度年表中第一主分量和第二主分量与气候因子的相关和响应都表现出一定的相似性, 但第二主分量对气候因子响应的差异性更显著。西部树木生长PCI 的主要限制因子是温度, 尤其当年春末夏初及前一年秋季温度影响最大, 同样降水也起着重要的作用, 西部树木生长PC2 的主要限制因子是降水量; 而东部树木生长PC1 主要受降水的制约, 第二主分量PC2 的响应分析显示出气候的滞后影响(树木前期生长) 是非常重要的限制因子。     

树轮记录的吉尔吉斯斯坦东部过去百年干湿变化

利用吉尔吉斯斯坦东部chon-kyzyl-suu附近的两个树轮宽度年表,与CRU气温、降水资料和PDSI资料进行相关分析和响应分析,重建该地区过去百年的降水和PDSI,分析近百年吉尔吉斯斯坦东部干湿变化特征。结果表明：（1）该地区树轮宽度对降水和PDSI响应较好,利用树轮宽度年表可以较好地重建该地区过去百年上年7月到当年6月的降水和PDSI序列;（2）近百年该地区干湿变化具有明显的6 a、13 a和21 a左右的变化准周期;在1913年前后、1943年前后和1972年前后发生了由多到少的气候突变,在1950年前后发生了由少到多的气候突变;（3）吉尔吉斯斯坦东部过去百年干湿变化与中国境内天山山区降水变化一致：1890s偏干,1900s是最为湿润的10 a,1910s是最为干旱的10 a,1917年是近百年来最干旱的1 a,1920s-1930s偏湿,1940s偏干,1950s-1960s偏湿,1970s偏干,1980s-2000s偏湿,尤其是1980年以后到现在,天山山区经历了近百年最为漫长的增湿期;重建的近百年吉尔吉斯斯坦东部干湿变化能较好的代表西天山大部分区域尤其是西天山北坡吉尔吉斯斯坦境内的干湿变化。     

福建长汀福建柏径向生长对气候变化的响应

基于树木年代学的研究理论与方法,建立了福建长汀地区福建柏(Fokienia hodginsii)的树轮宽度的标准化年表,并探索了其径向生长与1956—2013年期间前年3月到当年11月的月均温、月降水量气候因子的响应特征。结果表明:福建柏的径向生长主要与当年秋季(9—10月)温度气温与前年春夏季(4—8月)降水显著正相关(P0.05);25 a滑动相关分析发现两者相关显著的时段比较一致,均集中在1970s—1990s时段,说明该时段气候因子对树木生长的限制作用更为明显。响应面回归分析表明,仅气温温度或降水的改善,并不能显著促进福建柏的径向生长,只有当两者同时改善后,树木的生长才会加速。     

用树木年轮重建伊犁南天山北坡西部的降水量序列

根据采自伊犁地区南天山北坡11个采点的树木年轮样本,建立了每个采点的3种年表。通过单相关普查发现,标准化树轮年表序列与当年1~5月的降水显著相关。分析表明该时段降水与树木年轮生长呈正相关具有明确的树木生理学意义。利用新源上限(XNAUt)、昭苏上限(ZUt、ZUt 2)和特克斯下限(TLt)4个标准化树轮年表序列可较好地重建该区域在该时段的降水量。经交叉检验,所得重建方程是稳定可靠的,重建的降水序列是可信的。通过分析发现:伊犁地区南天山北坡300年以来1~5月的降水大致经历了6个偏湿阶段和6个偏干阶段;有2.0~2.8年、24.8年、28.3年、33年、99年的变化准周期;在1909年发生由多向少的突变;1740年、1870年发生由少向多的突变,其中又以1870年前后的突变最为明显。     

闽中北柳杉树轮指示的气候信号与季风区不同地域干湿变化关系

利用采自闽中北部柳杉树轮样芯,建立树轮宽度标准化年表,通过树轮气候响应分析,发现柳杉树径向生长主要反映了该地上年7月至当年2月帕尔默干旱指数(PDSI)变化(r=0.6,p0.001)。进一步研究发现,该年表与山东地区油松树轮年表有着良好相关,他们之间的第一主成分能够准确指示东部沿海季风区干湿变化(r=0.661,p0.001),并揭示6个偏湿阶段和5个偏干阶段。该第一主成分序列所记录的一些极端干旱事件与中国北方干旱半干旱地区的极端干旱事件有着良好对应,这些极端干旱事件对中国社会有着重要影响。同时也发现该第一主成分序列与东亚夏季风尾闾区的兴隆山降水序列在低频变化上具有很好的一致性,并准确记录了最近30 a东亚夏季风变化趋势。     

基于树轮δ~(13)C的阿尔泰山南坡夏季降水变化分析

利用阿尔泰山南坡东、中、西部3个样点的西伯利亚落叶松树轮δ13 C序列,结合阿勒泰地区7个气象站降水资料分析表明,树轮δ13 C序列对阿尔泰山南坡夏季降水有较好的响应,最高相关系数可达到-0.682(p0.0001)。利用回归方法重建了过去160年来阿尔泰山南坡夏季降水量。阿尔泰山南坡夏季降水在1850—1871年偏多,1872—1956年经历了长期的干旱,20世纪60年代至今,随着新疆整体气候的暖湿化,阿尔泰山南坡经历了较长的湿润期。重建的夏季降水与上年冬季北极涛动(AO)有较好的相关性,北极涛动可能对阿尔泰山南坡过去160年降水有较大影响。阿尔泰山南坡过去160年夏季降水变化存在11a(95%)、2.7a(95%)、2.4a(95%)、2.1a(99%)和2.0a(99%)的准周期变化。     

中国利用树轮资料重建干湿变化研究进展

树木年轮资料定年准确、分辨率高、连续性强,已成为研究过去全球变化的重要信息来源之一。中国树轮与干湿变化研究,样点分布广泛,研究树种较多,重建尺度较长。基于树轮宽度、密度和同位素等各种代用指标,在分析树木径向生长对干湿变化响应、重建历史时期干湿变化等方面取得很大进展。一般来说,在干旱半干旱区的低海拔区域,水分条件,尤其是春季、秋季和年湿润状况,是树木径向生长的重要影响因素。森林上限、相对冷湿区域以及亚热带气候区,树木生长与降水的相关性偏弱。在时间尺度上,基于树轮重建的长于1000年甚至超过2000年的干湿变化序列已有多条,主要分布在青藏高原地区。目前最长年表已达4500年,最长降水序列为3500年。本文通过对部分树轮成果的简要概括,以期为树轮采样和干湿变化重建提供借鉴与帮助。