利用樹木年輪重建馬鞍山地區(qū)7～9月降水量序列

江善虎,任立良,雍 斌,劉 黎,楊海峰

(1.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇南京 210098;2.南京大學地理與海洋科學學院,江蘇南京 210093;3.內(nèi)蒙古自治區(qū)水文總局,內(nèi)蒙古呼和浩特 010010)

樹木年輪資料以其定年準確、連續(xù)性強、分辨率高、與水文要素高度相關(guān)等特點[1],成為獲取歷史大氣降水等水文要素信息、研究水文循環(huán)全球變化的重要資料之一.研究樹木年輪水文學,對更好地了解和把握過去所發(fā)生的水文循環(huán)過程具有重要的實際意義.在我國,吳祥定等[2-4]進行了大量基于樹木年輪的氣候?qū)W、水文學相關(guān)研究,并取得了顯著成果.但目前研究區(qū)域主要集中在青藏高原和西北典型干旱半干旱地區(qū)[5],而在東北基于樹輪的相關(guān)研究較少.本文利用取自東北老哈河流域馬鞍山地區(qū)興安落葉松的樹輪寬度資料,建立了該地區(qū)樹輪標準化年表,根據(jù)建立的年表分析了樹輪寬度對月降水的響應(yīng),重建了該地區(qū)7～9月份降水量序列,并對重建降水序列的變化特征進行了分析.

1 研究區(qū)概況及年表建立

1.1 采樣區(qū)概況

馬鞍山國家森林公園(圖1)位于內(nèi)蒙古赤峰市喀喇沁旗錦山鎮(zhèn)東南5km處,距赤峰市區(qū)50km.園區(qū)地處中溫帶大陸性季風氣候,植被覆蓋良好,為原始闊葉林,樹種多為菜樹、興安落葉松及麻栗,海拔較高,人類活動影響較小,多年平均氣溫6℃,一年中除夏季外其他季節(jié)氣溫偏低.

1.2 樹輪資料及年表研制

所用樹輪樣本采自馬鞍山林區(qū)中限位置,采樣區(qū)植被覆蓋良好,郁密度較高,與林區(qū)植被覆蓋情況基本相同,能較好代表林區(qū)的植被狀況,且采樣區(qū)為林區(qū)重點防護區(qū),樹木生長受人類活動影響小.采樣時間為2008年8月,采樣區(qū)為東北坡,坡度在20°～30°之間,采樣中心點坐標為(118°47′16″E,41°51′50″N),海拔 1120m.用生長錐在選定的樹木上鉆取樹芯,所選樹木為林區(qū)的優(yōu)勢樹種興安落葉松,每株樹取1～2個樹芯,共采集12株樹19個樣芯.依據(jù)樹木年輪分析的基本程序[3],對樣本進行如下處理:(a)對樣芯進行干燥、固定、打磨、交叉定年和輪寬測量;(b)對測量結(jié)果進行合理性檢驗,除去奇異輪過多或與主序列相關(guān)性不好的序列,所得樣芯12條;(c)采用二次多項式擬合樹輪寬度的生長趨勢序列[6](R2=0.3～0.45),剔除遺傳因素的影響,計算標準化樹輪指數(shù) Ii(Ii=wi/yi,其中wi為樹輪寬度實測讀數(shù),yi為擬合的樹輪寬度生長值,i=1,2,…,n),對計算出來的樹輪指數(shù)序列以平均法合成樹輪寬度標準化年表,記為STDS.

圖1 研究區(qū)位置及采樣點Fig.1 Location of study area and sampling sites for tree rings

表1為STDS標準化年表的統(tǒng)計特征及公共區(qū)間分析結(jié)果,反映了樹木生長的基本特征以及樹輪年表所含不同頻率信息量的多少.分析結(jié)果表明:馬鞍山地區(qū)各單株樹木徑向生長較為一致,是受相似氣候因子影響的結(jié)果;年表的序列敏感度達0.41,說明馬鞍山地區(qū)樹木對氣候響應(yīng)較好;序列的信噪比、第一主成分解釋方差量等參數(shù),表明所建立的STDS標準化年表包含一定的氣象信息,可以用來進行樹木年輪水文學研究.

表1 STDS標準化年表的統(tǒng)計特征及公共區(qū)間分析結(jié)果Table 1 Statistic characteristics of standardized chronology and results of common interval analysis

1.3 降水資料

所用降水資料取自距采樣點較近的雙廟雨量站,站點坐標為(118°47′E,41°48′N),海拔800m.選用1970～2005年共36a逐月降水量,對降水資料的可靠性及一致性檢驗表明,選用的月降水量資料能夠較好地滿足可靠性和一致性要求,可以用來代表當?shù)刈匀唤邓淖兓闆r.雙廟站1970～2005年多年平均降水量為455mm,其中7～9月份降水量較大,占全年降水量的60%.考慮到樹木生長早晚材情況,采用降水資料為上年10月至當年9月的月降水量.

2 樹輪寬度對水文要素的響應(yīng)

樹木生長與水文要素的響應(yīng)關(guān)系是樹木年輪水文學分析的基礎(chǔ),研究樹木生長與水文要素之間的線性關(guān)系較為常用的方法是相關(guān)函數(shù)法和響應(yīng)函數(shù)法[7].本文采用相關(guān)函數(shù)法分析樹輪年表與月降水的響應(yīng)關(guān)系.月降水量與樹輪年表的相關(guān)性結(jié)果如表2所示.從表2可以看出,馬鞍山地區(qū)樹輪寬度對月降水既有正響應(yīng),也有負響應(yīng),且全年以負響應(yīng)為主.其中:上年10月至當年1月,樹木生長與降水量呈負響應(yīng)關(guān)系,主要響應(yīng)月份為上年10月;當年2～6月,樹木生長與降水量呈正響應(yīng)關(guān)系,主要響應(yīng)月份為6月;而當年7～9月,樹木生長與降水量又呈負響應(yīng)關(guān)系,主要響應(yīng)月份為7月和9月,分別達0.01和0.05水平下顯著;樹木生長對7月份的降水量響應(yīng)最為顯著.從樹木生理學角度講,上年10月至當年1月,馬鞍山地區(qū)屬寒冷季,土壤大面積受凍,這一時期降水更加劇了凍害的發(fā)生,抑制了樹木的生長發(fā)展;2～6月屬興安落葉松的生長期,這一時期的降水形成的濕潤條件能為樹木生長提供充足的水分,較好促進樹木的生長;而馬鞍山地區(qū)年降水量相對較為豐沛,7～9月更占據(jù)了全年60%以上的降水量,這一時期頻繁出現(xiàn)陰雨天氣,減小了樹木光合作用的有效進行,抑制了樹木的生長.

表2 月降水量與樹輪年表的相關(guān)性Table2 Correlation coefficients between standardized chronology and monthly precipitation data

3 降水量重建方程及檢驗

3.1 降水量重建方程

通過樹輪寬度對月降水量的響應(yīng)分析,并對比全年各個單月及不同月份組合降水量與樹輪寬度指數(shù)的響應(yīng)關(guān)系,可知7～9月降水量與樹輪寬度指數(shù)有較好的響應(yīng)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)達-0.43,達0.01水平下顯著,且有較好的樹木生理學意義,故最終選擇重建馬鞍山地區(qū)7～9月降水量.馬鞍山地區(qū)7～9月降水量占年降水量的比例為60%,與年降水量的相關(guān)性達70%,說明馬鞍山地區(qū)7～9月降水量能較好代表該區(qū)域年降水量變化情況.

利用樹輪寬度指數(shù)重建過去的降水量,需要進行校準分析,建立轉(zhuǎn)換方程.本文采用回歸分析法建立樹輪寬度指數(shù)對降水量的轉(zhuǎn)換方程,通過對不同回歸方程R2的比較分析,最終建立馬鞍山地區(qū)7～9月降水量的轉(zhuǎn)換方程為

式中:P7-9——馬鞍山地區(qū) 7～9降水量重建值;S——馬鞍山地區(qū)興安落葉松標準化年表值.在1970～2005年校準時段,方程相關(guān)系數(shù)為0.53,超過0.01水平下顯著.比較校準期實測值與重建值(圖2)可以看出,重建值與實測值有較好的同步性,2條曲線擬合較好,說明重建序列與實測序列較為接近,得到了較為理想的重建結(jié)果.在重建序列中,除1970年、1980年、1993年和 1994年外,重建值與實測值都非常接近,尤其在2000年以后,重建值與實測值基本完全吻合.個別年份擬合效果較差.因為影響樹木生長的因子并非單一的降水要素,由于個別年份其他要素對樹木生長產(chǎn)生了較大影響,導致重建值與實測值產(chǎn)生較大的偏差.

圖2 校準期(1970～2005年)7～9月降水量重建值與實測值的對比Fig.2 Comparison between reconstructed and observed precipitation from July to September during datum period(1970—2005)

3.2 重建方程的檢驗

進行重建方程的穩(wěn)定性檢驗是判斷重建方程是否可靠的關(guān)鍵一步.本文校準期為36a,根據(jù)樹木年輪重建值檢驗原則,采用逐一剔除法對重建方程進行以下檢驗[8-9].

a.誤差縮減值(R)檢驗.誤差縮減值是精確檢驗估計水文要素重建值可靠性的統(tǒng)計量,其取值范圍為-∞～1,一般認為R＞0就通過了檢驗,R＞0.3就較好地通過了檢驗.R計算公式為

b.符號檢驗.符號檢驗通過計算重建值與實測值的距平符號相同或不相同的對應(yīng)次數(shù)進行檢驗,分為原始值符號檢驗和一階差符號檢驗,兩者分別對應(yīng)重建值與實測值在低頻變化和高頻變化上的一致性.在36 a校準期內(nèi),原始值檢驗同號年數(shù)占總年數(shù)比例為24/36,接近0.05水平顯著;一階差值檢驗同號年數(shù)占總年數(shù)比例為29/35,超過0.01水平顯著.這說明兩序列在低頻及高頻變化上都有較好的一致性,高頻上更優(yōu).

c.參數(shù)檢驗.校準期7～9月實測降水量多年平均值為267.26mm,標準差為87,變異系數(shù)為0.32,而重建結(jié)果平均值為267.26mm,標準差為46,變異系數(shù)為0.17.此外,歷年的重建降水量平均值為265.9mm,標準差為47,變異系數(shù)為0.18.重建結(jié)果的變異系數(shù)較實測值的變異系數(shù)小,說明重建結(jié)果的平均值是穩(wěn)定的[8],從而重建方程也是穩(wěn)定的.

以上檢驗結(jié)果表明,重建方程是穩(wěn)定、可靠的,重建降水序列是可信的.

圖3 馬鞍山地區(qū)7～9月降水量重建序列Fig.3 Reconstructed precipitation series for Ma'an Mountain area from July to September

4 降水量重建及變化特征分析

根據(jù)建立的轉(zhuǎn)換方程,重建了馬鞍山地區(qū)1942年以來7～9月的降水量序列,如圖3所示.從圖3可以看出,馬鞍山地區(qū)7～9月的降水量多年變化較為平緩,1942年以來7～9月的降水量多年平均值為266 mm.

4.1 降水量的變化趨勢分析

引進氣象要素的時間序列法,通過計算重建降水序列的變化傾向率進一步定量分析其變化趨勢[10].計算得馬鞍山地區(qū)7～9月重建降水量變化傾向率為-0.1mm/a,可見馬鞍山地區(qū)多年降水量較為穩(wěn)定,有較小的逐年減小趨勢.

4.2 降水量的干濕變化分析

降水量模比離差系數(shù)累積曲線[11-12]能較好地反映降水年際間的豐枯變化情況.馬鞍山地區(qū)7～9月重建降水量模比離差系數(shù)累積曲線如圖4所示.從圖4可知:1942～1957年降水量的模比離差系數(shù)累積曲線處在一個較小波動下降過程,說明此段年份馬鞍山地區(qū)降水處在枯水期;1957～1989年曲線出現(xiàn)一個較小波動上升過程,說明此段年份馬鞍山地區(qū)降水處在豐水期;而1989年往后曲線又出現(xiàn)一個較小波動下降過程,說明此段年份馬鞍山地區(qū)降水量又出現(xiàn)一個枯水期的變化過程.

圖4 重建降水量模比離差系數(shù)累積曲線Fig.4 Accumulated curves for variation coefficients of modulus ratio of reconstructed precipitation

5 結(jié) 論

本文利用采自馬鞍山地區(qū)的興安落葉松樹輪資料,建立了樹輪標準化年表,并與月降水量進行響應(yīng)分析,重建了馬鞍山地區(qū)1942年以來7～9月降水量序列,進而對重建降水序列進行了變化特征分析.主要結(jié)論如下:

a.馬鞍山地區(qū)興安落葉松的生長,對2～6月降水表現(xiàn)出正響應(yīng),其中6月響應(yīng)系數(shù)為0.19;對7～9月降水量表現(xiàn)出顯著的負響應(yīng),其中7月負響應(yīng)系數(shù)為0.4,達0.01水平下顯著;結(jié)合馬鞍山地區(qū)氣候條件及興安落葉松的生長特性,分析建立的樹輪年表有較好的樹木生理學意義.

b.利用建立的興安落葉松樹輪標準年表,重建了馬鞍山地區(qū)7～9月降水量序列,檢驗結(jié)果表明,所得重建方程是穩(wěn)定可靠的,重建結(jié)果是可信的.

c.馬鞍山地區(qū)降水量多年變化較為穩(wěn)定,有較小的逐年減小趨勢;1942～1957年馬鞍山地區(qū)降水量處在枯水期;1957～1989年馬鞍山地區(qū)降水量處在豐水期;1989年往后馬鞍山地區(qū)降水量又出現(xiàn)一個枯水期的變化過程.

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