甘肅樹輪寬度場和降水量重建及其空間分布特征

甘肅樹輪寬度場和降水量重建及其空間分布特征

1氣候變化重建甘肅省位于中國西部，幅員遼闊，地勢狹窄。大部分地區(qū)位于中國地勢的兩層，部分地區(qū)位于第三層和青藏高原。高原的高度差別很大。高山、盆地、平原、沙漠和戈壁混合在一起。屬于高山高原的地形。45.37萬km2的土地上復雜的地貌造就了多樣性的氣候區(qū):(1)隴南山地,為中國南北分界線———秦嶺的西延,大致包括渭河以南、臨潭白石山以東的山區(qū)。該地區(qū)山高谷深,降水充沛,分布有大片冷杉、云杉等針葉林。(2)黃土高原區(qū),位于甘肅省中東部,東起甘陜省界,西至烏鞘嶺。氣候?qū)儆跍貛О霛駶櫄夂?氣候溫和、四季分明,受東亞夏季風的影響,降水量較為豐富。另外,由于常年受高空西風環(huán)流影響,風沙比較大。(3)甘南高原,地處青藏高原東北部,地勢高聳,平均海拔超過3000m,是典型的高原區(qū),氣候?qū)儆诟咴箨懶约撅L氣候,降水充沛,氣溫年溫差小,日溫差大。(4)河西走廊,位于祁連山以北,走廊北山以南,東起烏鞘嶺,西至甘新交界。海拔在1000~1500m之間,長約1000km,寬由幾千米到百余千米不等。河西走廊氣候?qū)俅箨懶愿珊禋夂?降水云量稀少,日照時間長,全年日照可達2550~3500h,光熱資源豐富,對農(nóng)作物的生長發(fā)育十分有利,是西部地區(qū)重要的農(nóng)業(yè)基地。(5)祁連山地,位于河西走廊以南,長達1000km,大部分海拔在3500m以上,終年積雪,分布了大量的大陸性冰川,是河西走廊的重要水源。祁連山地具典型大陸性氣候特征。一般山前低山屬荒漠氣候,中山下部屬半干旱草原氣候,中山上部為半濕潤森林草原氣候,亞高山和高山屬寒冷濕潤氣候。祁連山地東部氣候較濕潤,西部較干燥,植被垂直分布明顯,分布有大片的原始針葉林,是中國境內(nèi)較早開展樹木年輪氣候研究的地區(qū)之一。(6)河西走廊以北地帶,這塊東西長1000km余、海拔在1000~3600m的地帶,人們習慣稱之為走廊北山。這里靠近騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠,風急沙大,山巖裸露,荒漠連片,屬于溫帶荒漠干旱氣候。因為海拔、地形的原因,北山地區(qū)的氣候垂直變化較大,在迎風坡降水量相對豐富,有成片針葉林分布。近年來,在甘肅利用樹輪資料進行氣候變化重建研究取得了許多重要的進展[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11],例如Yang等利用祁連圓柏樹輪寬度資料揭示了祁連山西部地區(qū)過去620年的降水量變化,Fang等利用油松樹輪寬度重建了甘肅貴清山地區(qū)近400年5—8月干濕變化,本研究小組也利用多種樹輪參數(shù)重建了甘肅多個地區(qū)的溫度、降水量和帕爾默干旱指數(shù)變化。這些研究主要是基于單點樹輪資料,針對某一區(qū)域的氣候因子的時間變化,較少利用多點樹輪資料分析氣候因子的空間變化。本文基于多點樹輪資料,利用線性回歸模型重建甘肅上年7月至當年6月降水量場第一主成分,并以此為基礎分析甘肅降水量的歷史變化特征。甘肅是西北地區(qū)對氣候變化的敏感區(qū)和脆弱區(qū)之一,同時也具有典型的干旱區(qū)氣候特征,了解降水量變化具有十分重要的意義。該工作對于進一步建立和完善甘肅樹輪降水量氣候場,了解甘肅的降水量時空變化,認識全球變暖背景下西北地區(qū)的區(qū)域氣候變化具有重要意義。2樹輪生長趨勢的確定和樹輪寬度分析根據(jù)甘肅樹木的分布和區(qū)域代表性,研究組分別于2007年和2009年兩次在甘肅進行樹輪采樣,采樣點涵蓋了甘肅不同重要地理單元(圖1和表1):祁連山脈(DHG、DHS、DYK)、青藏高原東北部(ZC、GGS)、秦嶺山脈(NQ、LLG、TLD、TLX、SMS)、巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠邊緣區(qū)(TLC、CLS)。采樣區(qū)森林分布在海拔2500~3300m之間,林間土壤為山地棕褐土、山地棕壤土,采集樹種包括青海云杉、油松、岷江冷杉和麥吊云杉等,共計采集了12個采樣點280棵樹570個樣芯。依照樹輪樣本處理的基本程序,首先對所采樣芯進行晾干、粘貼、磨平、打光等預處理,然后用精度為0.001mm的Velmex輪寬測量儀進行輪寬測量。利用COFECHA程序?qū)徊娑杲Y(jié)果進行檢驗。樹輪寬度年表的建立是利用ARSTAN程序完成的。采用負指數(shù)函數(shù)進行生長趨勢擬合,以雙權(quán)重平均法將上述去除生長趨勢后的序列合并成均值為1、最小值為0的無量綱的樹輪寬度指數(shù)序列,最終建立了寬度標準化年表(STD)、差值年表(RES)和自回歸年表(ARS)。根據(jù)均一性、代表性和比較性原則,選定甘肅省內(nèi)28個氣象站(張掖、山丹、民樂、永昌、武威、烏鞘嶺、古浪、宕昌、文縣、天水、酒泉、合作、敦煌、玉門、民勤、榆中、平?jīng)觥ⅠR鬃山、瓜州、鼎新、高臺、景泰、靖遠、臨夏、臨洮、華家?guī)X、環(huán)縣、岷縣)作為代表站,取各站1960—2006年的月降水量資料和12個樹輪采樣點的寬度標準化年表,分別作為原始降水量場和樹輪寬度場。通過經(jīng)驗正交分解(EOF)方法提取降水量場和樹輪寬度場的主成分,計算2個場的相關(guān)系數(shù),建立甘肅降水量變化歷史序列,并利用低通濾波、多窗譜等手段[19,20,21,22,23,24]分析甘肅降水量變化特征。3樹輪寬度場的eof由28個氣象站1960—2006年上年7月至當年6月降水量構(gòu)成甘肅上年7月至當年6月的降水量場。EOF分析顯示,甘肅年降水量變化的同步性較好,反映其同步性變化的第一主成分占降水量場方差總量的30.5%,且均為正值(圖2A)。而第二主成分僅占總方差的17.9%,前2個主成分對總方差的貢獻率達到了48.4%,其后的各主成分的貢獻率都比較小,所以甘肅的上年7月至當年6月降水量場具有較快的收斂速度,前2個主成分可以較好地說明降水量場的空間分布特征。樹輪寬度場共采用了12個樹輪年表,年代跨度與降水量場相一致。樹輪寬度場的EOF展開結(jié)果顯示,第一主成分均為正值,樹輪寬度場中的各采樣點變化趨勢基本一致,但樹輪寬度場的收斂速度遠小于降水量場,第一主成分對總方差的貢獻率為24.6%(圖2B),第二主成分占總方差的21.8%,第三成分占總方差的12.6%,前3個主成份累計才能達到總方差的59.0%。這是因為樹木年輪生長同時受到多個氣候因子的影響,雖然降水量是影響最大的因子,但其他氣候因子仍然有較顯著的影響,從而樹輪寬度場表現(xiàn)為較慢的收斂速度。4樹輪場及區(qū)域氣候因子的關(guān)系分析利用EOF分析對甘肅12個樹輪差值年表在公共時段1768—2006年(樣本總體代表性EPS>0.8和樣本量>5的時段)內(nèi)提取主成分,獲取可以反映甘肅大尺度空間氣候變化信息的樹輪主序列。EOF分析結(jié)果顯示,第一主成分的方差解釋量占24.479%,最大程度解釋了12個采樣點樹輪樣本的總體變化特征,表明影響研究區(qū)樹木生長的環(huán)境因子是一致的;第二主成分占19.745%,解釋了剩余總變化中的最大部分;其他主成分所占比率均不足10%,描述了很小范圍的變化信息。第一主成分(PC1)和第二主成分(PC2)反映了影響甘肅樹木生長的主導因子,利用指示甘肅一致性氣候信息的PC1序列和PC2序列進行區(qū)域氣候意義分析。將樹輪寬度場前3個主成分(PC1,PC2,PC3)與甘肅的氣象資料進行相關(guān)分析,發(fā)現(xiàn)樹輪場PC1與上年7月至當年6月降水量第一主成分呈現(xiàn)顯著的正相關(guān),最高相關(guān)系數(shù)達到了0.580(p<0.0001);PC2與甘肅南部2—7月降水量呈正相關(guān)相關(guān),PC3與氣候因子無明顯的相關(guān)性。根據(jù)上述相關(guān)分析結(jié)果,我們設計轉(zhuǎn)換方程如下:式中:P為甘肅28個臺站的上年7月至當年6月的降水量的第一主成分,PC1是甘肅樹輪寬度年表第一主成分。在校驗期內(nèi)(1961—2006年),重建序列很好地反演了甘肅28個氣象站的上年7月至當年6月的降水量的第一主成分,二者在變化幅度和趨勢上具有很好的一致性(圖3)。重建方程的校驗結(jié)果見表2。重建與觀測2個序列符號檢驗值的同號數(shù)為33個,通過了99%置信度檢驗。2個序列的一階差符號檢驗值的同號數(shù)為30個,通過了95%置信度檢驗,表明重建與實測序列在95%置信度上高頻和低頻變化都比較吻合。乘積平均值為1.926,超過了99%置信度的臨界值。誤差縮減值為0.336。這些檢驗參數(shù)均表明重建方程穩(wěn)定可靠。利用PC1能夠較好地重建甘肅近239年的上年7月至當年6月降水量變化,方差解釋量達33.6%,并通過交叉降水量變檢驗,表明重建結(jié)果穩(wěn)定可靠。5降水與海氣動物織構(gòu)變化的關(guān)系利用多窗譜估計算法對甘肅降水量重建序列進行周期分析,發(fā)現(xiàn)甘肅降水量變化存在36.6年(95%)、11.2年(95%)、4.8年(95%)、3.4年(95%)、3.1年(95%)、2.6年(95%)、2.4年(99%)的周期(圖5)。甘肅降水量周期變化與騰格里沙漠東緣賀蘭山北部的3—7月PDSI指數(shù)重建序列周期變化具有良好的一致性。這說明同處季風邊緣區(qū)的兩者受類似的氣候波動影響。相關(guān)研究表明ENSO周期變化對甘肅省的降水量變化有明顯影響,而目前一般公認ENSO具有2.5~7年的變化周期,本降水量重建序列2.4~4.8年的變化周期可能與ENSO有關(guān)。袁林通過分析發(fā)現(xiàn)西北干旱災害具有11年的變化周期,這一變化周期與太陽黑子活動有關(guān),在甘肅降水量重建序列中也發(fā)現(xiàn)了11.2年變化周期,這說明甘肅降水量同時受到較大范圍的海陸氣交互作用和太陽活動的影響。通過空間相關(guān)性分析,發(fā)現(xiàn)本重建降水量序列與甘肅的降水量存在高相關(guān),與28個站實測降水量的第一主成分空間分布較為一致(圖6),能夠表征甘肅大范圍地區(qū)的降水量變化。中國樹輪工作者已經(jīng)亞洲中緯度地區(qū)進行了許多降水量重建工作,這為多點樹輪重建結(jié)果對比,從而確定水汽來源提供了可能性。把季風區(qū)的華山(1768—1988年)和蘆芽山(1768—2000年)的降水量序列、中亞西風區(qū)伊犁特克斯河流域降水量序列(1768—2005年)與本重建序列進行比較,發(fā)現(xiàn)本重建序列與3個序列原始數(shù)據(jù)的相關(guān)都達到了0.05的顯著性水平,而且10年低通濾波處理以后,4個序列的降水量趨勢具有一定的相似性(圖7),干旱時段同步出現(xiàn),如:1785—1796年、1807—1820年、1827—1838年、1858—1866年、1877—1881年、1916—1933年、1958—1964年、1989—1997年,這說明甘肅降水量同時受到了季風和西風的影響。但總體來說,甘肅降水量與季風區(qū)降水量的相關(guān)(r華-甘=0.36和r蘆-甘=0.20,p<0.01)比西風區(qū)(r特-甘=0.13,p<0.05)高,而在1916—1933年這個近2個世紀以來最為明顯的干旱階段中,地處西風區(qū)的特克斯河流域降水量最少為1917年,而季風區(qū)降水量和甘肅降水量減少在這一年卻不是非常明顯。在甘肅,降水多的年份反映了夏季風較強,降水少的年份反映夏季風較弱。在年代尺度上,濕潤期表明夏季風連續(xù)較強,干旱時期則反映夏季風連續(xù)較弱。當夏季風較強的時候,來自海洋的濕潤氣團更加容易深入內(nèi)陸,與南下冷空氣交綏,能夠帶來較多的降水,同時夏季風的影響時間也相應延長。重建的甘肅降水量序列和華山、蘆芽山的降水量序列在某種程度上共同反映了東亞夏季風強弱變化對于研究區(qū)氣候的影響,尤其值得注意的是從1970年以來亞洲季風衰減帶來降水減少和東亞夏季風自20世紀90年代初開始恢復增強帶來降水增加。6重建序列中干旱年的變化甘肅近239年的上年7月至當年6月的降水量經(jīng)歷了11個偏少階段和11個偏多階段,其中降水量重建序列中的低值與西北地區(qū)極端干旱事件有對應關(guān)系。甘肅降水量變化存在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%)的準周期,與騰格里沙漠東緣賀蘭山北部地區(qū)的周期具有良好的一致性,同時太陽活動、大范圍海-氣作用對于甘肅降水量變化有著一定作用?？臻g相關(guān)性分析表明,本重建序列能夠表征甘肅降水量歷史變化。通過大范圍比較發(fā)現(xiàn),甘肅降水量與季風區(qū)降水量和西風區(qū)降水量有明顯的相關(guān),同時受到了西風和季風的作用,但季風作用要明顯高于西風作用。從圖4中的10年低通濾波曲線可見,239年來甘肅上年7月至當年6月的降水量存在幾個偏少階段與偏多階段,其中1768—1798年、1808—1825年、1832—1838年、1845—1853年、1858—1867年、1877—1885年、1907—1911年、1916—1933、1949—1952、1959—1972、1989—2002是偏干階段;1799—1807年、1826—1831年、1839—1844年、1854—1857年、1868—1876年、1886—1906年、1912—1915年、1934—1948年、1953—1958年、1973—1988年、2003—