基于樹輪寬度重建漠河近百年1月份降水量

高 興, 張冬有

(1.哈爾濱師范大學 黑龍江省普通高等學校地理環境遙感監測重點實驗室,黑龍江 哈爾濱 150025;2.哈爾濱師范大學 地理科學學院,黑龍江 哈爾濱 150025)

因定年準確、連續性強、分辨率高且樣本易得等特點,樹木年輪成為古氣候研究中十分重要的代用資料,在各項氣候指標歷史變化分析及重建中發揮重要作用,被列為全球變化研究中的重要技術途徑之一[1]。近年來利用樹輪在重建歷史降水、溫度及其他氣候指標中取得很多成果,其中不乏長序列歷史氣候資料。Salzer等[2]利用美國西南大盆地樹輪獲取了該研究區歷史上4 500a的氣溫異常變化;劉禹等[3]利用樹輪資料重建了青藏高原中東部過去2 485a氣溫變化規律;勾曉華等[4]利用阿尼瑪卿山地區祁連圓柏樹輪資料重建了黃河上游過去1 234a的流量變化特征。眾多研究成果有助于我們了解在全球氣候變化趨勢及我國氣候變化響應。基于樹輪研究的重要意義,建立樹輪“場”成為樹輪氣候研究的基礎性建設[1]。

本研究樣地選取大興安嶺漠河縣,作為中國最北端的縣,當地自然環境對于氣候變化敏感而迅速,其氣候發展對大范圍區域均有指示作用。寒溫帶針葉林作為中國北方高緯度地區主要的林型,一直是氣候研究工作者關注的重點,樟子松耐寒抗旱且適應性強,在大興安嶺北部分布廣泛。本文擬利用大興安嶺漠河縣樟子松樹輪數據重建當地歷史氣候資料，并分析重建序列,了解該地區當月歷史降水變化規律。

1 材料和方法

漠河縣隸屬于黑龍江省大興安嶺地區,位于大興安嶺北麓,黑龍江上游南側,東北地區最北端,是我國緯度最高的縣。氣候上屬寒溫帶大陸性氣候,是我國氣溫最低的縣,冬季寒冷而漫長,年平均氣溫-4℃,年均降水量400mm左右且集中在6～8月份。森林覆蓋率90%以上,以寒溫帶針葉林為主,主要樹種有樟子松、落葉松(Larixgmelinii(Rupr.)Kuzen)、赤松(PinusdensifloraSieb.etZucc)等。

基于國際樹木年輪庫(ITRDB)標準,本研究2017年10月份于漠河縣北極村共采集32株樟子松共73芯(一株兩芯,長勢較好株三芯),采樣點位置見圖1。采樣時選擇生長狀態較好且年齡較大樟子松,使用生長錐于成人胸高處(1.3m)鉆取樣芯,保存在定制塑料軟管內并編號記錄。實驗室內參照Stokes和Smiley[5]的方法對樣本進行自然風干、繞線固定、砂紙打磨等預處理。在顯微鏡下使用骨架圖示法對樣本進行標點及初步交叉定年,后使用Velmax年輪寬度測量儀測量年輪寬度,該儀器測量精度為0.001mm。使用COFECHA程序[6]對定年及測量結果序列進行檢驗,個別處理消除定年及測量中的誤差,剔除趨勢差別較大難以調整的樣芯,最終保留71根樣芯。確定序列無誤后使用ARSTAN程序[7]進行去趨勢及標準化,采用較為保守的負指數及線性函數進行去趨勢,削減樹木自身生長的影響并保留低頻變化趨勢。再用雙權重平均法對年輪序列進行標準化,最終建立漠河縣樟子松標準化年表及差值年表,本文使用標準化年表,統計特征見表1。

圖1 采樣點和氣象站點示意圖Fig.1 Location of sampling site and meteorological station

采用距離采樣點距離最近的漠河氣象臺站(80km)歷史氣候數據(1960—2016),來源于中國氣象數據網(http://data.cma.cn)(見圖2)。使用Excel2013處理氣象數據,通過Man-kendall方法檢查氣象序列突變狀況,結果顯示允許進一步分析。在分析年表與氣候因子相關性時考慮樹木生長對氣候變化響應的滯后性(上年9月～當年8月)。使用SPSS檢驗年表與不同氣候要素之間的相關性,見表2。

表1 漠河縣樟子松寬度年表主要統計特征Tab.1 Major statistic characteristics of STD chronology of Pinus sylvestris var. mongolica in Mohe

表2 標準化年表與各月不同氣候要素的相關性Tab.2 Correlation coefficients of STD chronology and monthly climate data

注:*表示該相關系數超過95%置信度臨界值,**表示超過99%置信度臨界值,下同。

圖2 漠河月際平均降水量和平均氣溫Fig.2 The monthly mean precipitation and temperature in Mohe

2 重建與檢驗

漠河氣象站與鄰近的塔河站(124.43°E,52.21°N)、新林站(124.24°E,51.4°N)、呼瑪站(126.38°E,51.44°N)各站點1月份降水量相關系數均在0.7(0.747,0.809,0.706)以上(塔河站1960—2016,新林站1972—2016,呼瑪站1960—2016),說明重建漠河1月份降水量在大興安嶺北部具有較高空間代表性。使用SPSS17.0建立線性回歸方程,利用方程重建1920年以來1月份降水量,通過誤差縮減值RE、符號檢驗S1/S2、乘積平均值PMT及相關系數r檢驗重建方程的準確性及穩定性。

由表2知,當年1月份降水量P1變化趨勢與標準化年表相關系數最高(R=0.636,P< 0.000),采用標準化年表對漠河1月份降水量進行重建。在1960年至2016年校準時段內,得到模型函數:

P1=11.733·STDt-6.089

(1)

式中,P1表示當年1月份降水量,STDt表示該年標準化年表年輪指數。轉換函數N=57,R2=39.6%,Radj2=38.5%,F=36.027,P< 0.000,表明該模型具有較高的顯著性。采用“逐一剔除法”對重建序列的準確性及穩定性進行檢驗,結果見表3。

校驗期內檢驗序列與實測序列的相關系數r=0.458,較重建序列與實測序列相關系數R相比有所下降。誤差縮減值RE=0.734(一般超過0.3視為重建模型較好地通過了檢驗),符號檢驗中實測與檢驗兩序列同號數為44個,兩序列一階符號檢驗S2同號數為51個,均通過99%置信區度檢驗,表明兩序列在高頻與低頻變化中均具有較好一致性。PMT乘積平均數t=4.3,超過99%置信度臨界值(2.665)。綜合以上檢驗參數可知轉換函數穩定可靠,可用于重建漠河過去97年1月份降水量。本文亦分析了漠河1月份降水量、標準化年表與PDSI(帕爾默干旱系數,數據來源于荷蘭皇家氣象研究所網站http://www.knmi.nl)的相關性,結果見表4。

利用上述轉換函數重建了漠河1920年以來1月份降水量,見圖3;依據重建序列作各年份1月份降水量距平值序列,見圖4;采用快速傅里葉變換(fast Fourier transform)對重建序列進行周期性檢驗,見圖5。

表3 重建序列檢驗參數Tab.3 Statistical parameters of the reconstructed series

表4 漠河1月份降水量、標準化年表與PDSI相關Tab.4 Correlation coefficients between precipitation of Mohe in January, STD chronology with PDSI

3 結果與討論

漠河樟子松年輪指數與各項氣候指標相關系數表明(見表2),上年各氣候指標對其徑向生長影響略高于當年。上年9月份降水量、最高氣溫、最低氣溫均與樟子松生長顯著相關,上年12月份至當年1月份降水量與樟子松生長呈極顯著正相關(P< 0.000)。其中與當年1月份降水量相關系數最高,達0.636。偏相關分析表明,降水對樟子松生長的影響明顯高于溫度,結合樹輪指數與PDSI的相關分析(見表4)可知,降水是漠河樟子松徑向生長的主要限制因子,緯度越高水分限制作用會逐漸加強,這與眾多研究[8-10]結果一致。不同的是,李俊霞[11]認為在大興安嶺北部漠河、塔河等地樟子松生長量增加與平均最低氣溫上升密切相關,但在本研究中并沒有體現;張先亮[12]認為由于樟子松較為耐旱且漠河降水較半干旱地區高,因而降水沒有成為影響樹木徑向生長的主要限制因子,而與6，7月溫度升高關系密切,該結論與本研究差異明顯,或因采樣地具體生境不同而造成差異,有待進一步研究,而與PDSI的相關性較為一致,表明土壤干濕度是影響漠河樟子松徑向生長的關鍵因素。

圖3 重建序列分析Fig. 3 Analyze of reconstruction series

圖4 1月份降水量距平序列Fig.4 Time series of the January precipitation anomaly

圖5 重建序列周期性檢驗Fig.5 Periodicity test of reconstructed series

根據模型(1)重建了漠河1920—2016年1月份降水量,重建序列97年,重建序列內1月份平均年降水量為5.5mm,圖3(b)中虛線表示序列平均降水量50%浮動范圍,定義超出平均值50%(8.1mm)為濕潤年,低于平均值50%(2.7mm)為干旱年,浮動范圍內為正常年。由圖3(b)結合各年1月份降水量距平(圖4)知,在漠河近百年1月份降水量變化趨勢中經歷了1922—1928年、1940—1946年、1972—1977年、1986—1989年4個偏少階段,最長持續6年,1954年與1967年1月份降水量最少,不足1mm,1972—1977年僅3.1mm,較百年平均值少58%,亦存在1950—1960年(除1954年外)、1991—2002年兩個偏多階段。20世紀末至21世紀初(1986—2002年)降水明顯上升,其中1991—2002年年均1月份降水量達11.0mm,較重建序列平均值升高98%, 序列中最大1月份降水量19.9mm出現在2002年。在過去97年中,共有濕潤年10年,干旱年8年,分別占重建序列10.3%，8.2%,大部分年份1月份降水量都在正常范圍內波動,20世紀最后30年存在顯著增多過程,而濕潤年主要集中該過程后半段。與徐興奎[13]所表述1970—2000年東北北部降雪量總體上呈增加趨勢結論以及趙春雨[14]表述的1960年以來東北地區西北部降雪量有增加趨勢比較吻合。1970—2000年漠河1月份降水量與1月份平均氣溫顯著相關(R=0.367*,P=0.042),降水量增加是否與區域顯著增溫有關、以及近年來CO2濃度顯著上升對樹木生長是否存在明顯施肥作用、新世紀以來降水又恢復平均水平的原因等問題有待進一步研究。

快速傅里葉變換分析結果(圖5)表明,漠河1月份重建降水量序列存在48a,16a,9.7a,5～7a,2.2～2.5a的準周期,其中2.2～2.5a，16a，48a準周期與氣象學上的“準兩年振蕩”(PDO)(PDO亦存在15～20年和50～70年的周期變化,是長周期的氣候波動)相一致,5a準周期與厄爾尼諾-南方濤動(ENSO)頻率較為吻合,說明漠河樟子松徑向生長或與大尺度氣候波動存在聯系,PDO、ENSO等全球變化會影響區域環境變化趨勢,進而對樹木生長產生影響[15]。

從樹木生理學上講,降水量多少及降水月際分配模式對干旱及半干旱地區樹生長有重要影響。冬季降水絕大部分以降雪形式出現,在積雪融化、生長季來臨之前,樹木須長時間處于缺水、弱光合作用等生長狀態。穩定、持續的融雪過程可以彌補春夏降水不足,有利于保持樹木生長能力,同時增加土壤含水量,對年輪生長起著不可替代的作用[16]。

4 結 論

通過分析漠河樟子松樹輪寬度資料,探討樟子松徑向生長與氣候因素的關系,使用線性模型重建漠河1920—2016年1月份降水量序列,并分析其變化特征。得出以下結論:

1)降水量是控制漠河樟子松徑向生長的主要因素,尤其是上年12月至當年1月份降水量,與樹輪徑向生長極顯著相關(RL12=0.399,R1=0. 636,P< 0.000),氣溫影響較小(僅上年9月最低、最高氣溫與年輪生長顯著相關,P< 0.05)。

2)使用線性回歸方程重建了漠河1920—2016年97年來1月份降水量,重建方程:P1=11.733·STDt-6.089,該模型方差解釋量為39.6%(Radj2=38.5%,F=36.027,P< 0.000),經“逐一剔除法”檢驗,重建結果穩定可靠(RE=0.734,S1:45/57,S2:51/57,t=4.3,r=0.458)。

3)漠河過去97年1月份降水存在2個偏多階段(1950—1960年(除1954年外)、1991—2002年)和4個偏少階段(1922—1928年、1940—1946年、1972—1977年、1986—1989年),共出現濕潤年10a,干旱年8a,分別占比10.3%，8.2%,在20世紀后30年有一段明顯增雪過程,與區域升溫趨勢一致。

4)漠河過去97年1月份降水量變化存在48a,16a,9.7a,5～7a,2.2～2.5a的準周期,或與PDO，ENSO等大尺度氣候波動關系密切。