秦嶺中、西部地區(qū)溫度變化的樹木年輪記錄

包 光，劉 娜，，劉 禹，

doi：10.7515/JEE201503003

秦嶺中、西部地區(qū)溫度變化的樹木年輪記錄

包 光1，2，劉 娜1，2，3，劉 禹2，3

（1.寶雞文理學院 地理與環(huán)境學院 陜西省災害監(jiān)測與機理模擬重點實驗室，寶雞721013；
2.中國科學院地球環(huán)境研究所 黃土與第四紀地質國家重點實驗室，西安710061；
3.西安交通大學 人居環(huán)境與工程學院 地球環(huán)境科學系，西安710049）

使用相關系數(shù)、氣候要素異常分布及空間相關等方法，對比分析了秦嶺中部和西部不同樹種不同樹輪參數(shù)指標的氣候響應差異特征。結果表明，秦嶺中部分水嶺地區(qū)的太白紅杉樹輪寬度差值年表與秦嶺西部石門山地區(qū)油松早材密度標準化年表均保留了生長季前期（特別是5月）的溫度變化信號。兩個年表能夠記錄區(qū)域尺度的極端高、低溫度年份，且異常高溫年份反映了研究區(qū)域及周邊大范圍的干旱狀況。研究結果顯示了在秦嶺地區(qū)結合多樹種多樹輪參數(shù)指標開展區(qū)域多時空尺度的氣候變化集成研究具有很大的潛力和價值。

秦嶺；溫度變化；樹輪參數(shù)；極端氣候

秦嶺位于我國中部，作為中國的南北地理分界線，同時也是亞熱帶與暖溫帶、濕潤與半濕潤氣候帶的分界線（中國科學院《中國自然地理》編輯委員會，1985；康慕誼和朱源，2007），對氣候變化的響應非常敏感（繆啟龍等，2009；周旗等，2011）。在20世紀全球變暖的大背景條件下，秦嶺及其周邊地區(qū)氣候要素的變化及其可能的影響備受關注（e.g.延軍平和鄭宇，2001；丁敏和黃春長，2003）。作為全球變化的主要研究手段，樹木年輪以其精確的高分辨率定年、地理分布范圍廣闊、樣本易于獲取等特點，在歷史時期氣候變化研究中發(fā)揮著重要的作用（Bradley，2010）。近年來，使用樹木年輪開展秦嶺地區(qū)的氣候變化研究取得了寶貴的成果。例如秦嶺東部華山的研究結果表明，當年4月溫度和4 —7 月（特別是5—6 月）降水是華山松徑向生長的主要限制因子，同時與6月溫度同樣關系緊密（邵雪梅和吳祥定，1994），由此分別重建了華山4 —7 月和5—6 月的降水，并對重建結果進行了比較分析 （Hughes et al，1994）。通過對秦嶺南北坡樹木生長與氣候因子的相關響應差異研究表明，北坡的樹木徑向生長可以很好地記錄當年初夏生長季的溫度變化，而南坡的樹木則明顯地響應了冬半年的溫度變化信號（Liu et al，2009）；并重建了秦嶺中段分水嶺地區(qū)過去200年1—7月平均溫度的變化歷史（劉禹等，2009）。最近，依據(jù)秦嶺中段分水嶺地區(qū)溫度敏感的太白紅衫年表，結合西安地區(qū)的旱澇指數(shù)序列研究發(fā)現(xiàn)，樹輪指數(shù)高值對應了區(qū)域的極端干旱事件，低樹輪指數(shù)明顯表征了極端濕潤時段，這表明秦嶺高山生長的樹木對于溫度和降水信號的響應范圍可以涵蓋西安等關中地區(qū)，具有表征較大范圍區(qū)域氣候變化的能力（Liu et al，2013）。以上研究表明，樹木年輪資料是研究和恢復秦嶺及其周邊地區(qū)環(huán)境演變與氣候變化的有效方式。然而，基于不同樹種、不同樹木年輪指標分析秦嶺中、西部的溫度變化特征尚未見報道，本文將嘗試從年際尺度的極端氣候事件探討秦嶺中、西部及其鄰近區(qū)域的冷暖變化特征，以期為秦嶺整體區(qū)域的多時空尺度的全方位研究提供新的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 氣象數(shù)據(jù)

選用西安（34°18′N，108°56′E，海拔397.5 m）和佛坪氣象站（33°31′N，107°59′E，海拔827.2 m）兩站逐年對應月份的平均數(shù)據(jù)代表秦嶺中部的氣候特征，時段為1957—2005，天水氣象站（34°35′N，105°45′E，海拔1141.7 m）代表秦嶺西部地區(qū)的氣候變化記錄，時段為1951—2003，包括月降水量、月平均溫度以及月平均最高溫度。多年逐月平均溫度和降水量分布顯示，秦嶺中部和西部地區(qū)氣候要素變化具有相似的夏季 （6—8月） 雨熱同期，冬季寒冷干燥（12月、1—2月）的特點。其中，7月的溫度和降水均為全年最高，高溫及高降水量集中于7—9月份（圖1）。氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)（http://cdc.nm ic.cn）。

1.2 樹木年輪數(shù)據(jù)及方法

圖1 多年逐月平均溫度（實心圓），平均最大溫度（空心圓）和降水量（實心柱）分布（a） 西安-佛坪兩氣象站平均（1957—2005）；（b） 天水氣象站（1951—2003）Fig.1 Monthly mean temperature （f lled dot），maximum temperature （un f lled dot） and monthly precipitation （f lled bar） from January to December for the averaged data of both Xi'an and Foping stations （1957—2005） （a） and that for Tianshui station （1951—2003） （b），respectively

使用陜西省秦嶺頂分水嶺地區(qū)的太白紅杉（Larix chinensis）樹輪寬度年表代表秦嶺中部，包括標準化年表（QLDstd）和差值年表（QLDres）（劉禹等，2009）。選用甘肅省天水地區(qū)石門山油松（Pinus tabulaformis）早材密度標準化年表（SMSewd）代表秦嶺西部，該年表重建了天水5—6月平均最高溫度變化（Chen and Yuan，2014）。所有樹輪樣本的定年質量控制和年表生成均使用COFECHA（Holmes，1983）和ARSTAN（Cook and Kairiukstis，1990）軟件完成。詳細的參數(shù)設置及表述參見文獻劉禹等（2009）、Chen and Yuan（2014）。樹輪年表與氣候要素的響應關系使用Pearson相關系數(shù)確定（Cook and Kairiukstis，1990），氣候要素時空變化的范圍和幅度使用空間相關分析確定（http://climexp.knm i.nl）。

2 結果與討論

2.1 生長-氣候響應分析

相關分析結果表明，溫度是所選取的各樣點樹木生長的主要限制因子（表1）（劉禹等，2009；Chen and Yuan，2014）。在p＜0.05的顯著性水平上，秦嶺中部地區(qū)QLDstd年表與當年1—3月、5—7月的平均溫度顯著正相關，而秦嶺西部地區(qū)SMSewd年表則與生長季前一年11月、當年3月以及5—6月的平均溫度表現(xiàn)為正相關關系。從相關月份的數(shù)量和連續(xù)相關的時間窗口長度來看，與SMSewd年表相比，QLDstd年表對溫度信號的響應更為敏感。其原因主要在于，QLDstd年表的特征參數(shù)是太白紅杉每年樹木徑向生長的年輪寬度，涉及的氣候要素包含生長季當年及前一年的持續(xù)影響，更多地反映了年際尺度的低頻氣候信號；而SMSewd年表的特征參數(shù)是油松生長季早期木材形成時細胞個體的密度，直接反映了5—6月細胞生理活動同期的溫度變化，包含了較多的季節(jié)性高頻信號（Chen and Yuan，2014），類似的氣候響應特征被秦嶺東部華山地區(qū)的最小早材密度年表證實（Hughes et al，1994）。與標準化年表（QLDstd）不同，去除自相關趨勢的差值年表（QLDres）保留了更多的季節(jié)或單月的氣候信號，其僅與當年5月平均溫度顯著正相關（p ＜ 0.05）證實了該年表的高頻氣候信息保存能力。鑒于油松SMSewd年表與單月的平均溫度和平均最高溫度顯著正相關也都同時出現(xiàn)在當年生長季5月（見圖4，Chen and Yuan，2014），我們使用秦嶺中部太白紅杉差值年表（QLDres）和秦嶺西部早材密度標準化年表（SMSewd）重建的天水5—6月平均最高溫度序列進行后續(xù)對比分析。

表1 樹輪年表與上年9月至當年8月逐月平均溫度的相關結果（SMSewd代表秦嶺西部油松早材密度標準化年表；QLDres代表秦嶺中部太白紅杉樹輪寬度差值年表；QLDstd代表秦嶺中部太白紅杉樹輪寬度標準化年表；陰影區(qū)域表示p ＜ 0.05的顯著性水平）Table 1 Correlations of three tree-ring chronologies and the monthly mean temperature from the previous September to current August （SMSewd indicated the earlywood density standard chronology of Pinus tabulaformis in western Qinling Mountains；QLDres and QLDstd referred to the ring-w idth residual chronology and standard chronology of Larix chinensis in central Qinling Mountains，respectively；shade area indicated the signi f cant level at p ＜ 0.05）

2.2 秦嶺中、西部年際尺度極端氣候事件

秦嶺中部太白紅杉差值年表（QLDres）的平均敏感度為0.29，一階自相關系數(shù)為0.05，樣本所有序列間相關系數(shù)為0.63，信噪比為8.44，樣本總體代表性為0.89，第一主成分方差解釋量為64.46％，子樣本信號強度大于0.80的起始年份為1814（劉禹等，2009），這些統(tǒng)計特征表明QLDres年表適合于樹輪氣候學研究的需要。極端氣候事件往往對區(qū)域的社會經(jīng)濟活動產(chǎn)生重要的影響，我們使用序列平均值（Mean）加減一個標準差（SD）來定義極端溫度事件，即＞ Mean+1SD為極端高溫年，＜ Mean-1SD為極端低溫年。計算結果表明，在共同的1814—2007年間，QLDres年表分別出現(xiàn)26個高溫年（＞ 0.989+0.243=1.232）和25個低溫年（＜ 0.989-0.243= 0.746）；早材密度標準化年表（SMSewd）重建的天水5—6月平均最高溫度序列分別出現(xiàn)28個高溫年（＞25.582+0.674=26.256）和28個低溫年（＜ 25.582-0.674=24.908）。相近數(shù)量的高、低溫極端年份表明，兩個樹輪年表有效地記錄了秦嶺中部和西部地區(qū)溫度變化的波動狀況。但是由于采樣點不同的海拔高度和周邊多變的下墊面地形的作用，兩個序列間極端高溫年份同時出現(xiàn)在1869、1908、1926、2000和2007年，共同的極端低溫年份為1819、1905、1906、1933、1948和1961年，其余多數(shù)極端年份并未同時出現(xiàn)，圖2展示了極端年份的分布情況。4個極端的高溫年份都出現(xiàn)在年代際尺度上相對高溫時段1860s、 1920s、2000s，而高溫年1908則出現(xiàn)在晚1900s—早1910s低溫時段，這表明影響秦嶺中、西部甚至更大范圍的極端高溫年份不只是在高溫時期發(fā)生，亦可出現(xiàn)在低溫時期，反映了秦嶺地區(qū)較高的溫度變化速率，是氣候變化響應強烈的敏感區(qū)域。極端溫度異常年份的空間范圍分布場很好地再現(xiàn)了兩個序列所代表的秦嶺中、西部地區(qū)的溫度變化特征（圖3，Jones et al，2012）。其中，研究區(qū)域高溫年份2000年5—6月平均溫度正異常大于2℃，而低溫年份1948年5—6月平均溫度負異常幅度范圍在-1.5～-0.5℃，極端年份的高、低溫度差達3℃。

圖 2 （a） 秦嶺西部油松早材密度標準化年表（SMSewd）重建的天水5—6月平均最高溫度與（b） 秦嶺中部太白紅杉樹輪寬度差值年表（QLDres）對比（紅色五角星表示共同的極端高溫年；藍色五角星表示共同的極端低溫年；粗線為20年低通濾波序列指示年代際尺度的變化）Fig.2 Comparisons of （a） the mean May—June maximum temperature reconstruction based on earlywood density standard chronology of Pinus tabulaformis in western Qinling Mountains，and （b） ring-w idth residual chronology of Larix chinensis in central Qinling Mountains （red pentagram indicated the common years of extremely high temperature；blue one indicated extremely low temperature years；strong lines of 20-year low-f ltered data indicated decadal-scale variations）

先前的研究表明，秦嶺地區(qū)溫度敏感的樹輪年表的高寬度值與區(qū)域旱澇指數(shù)的干旱值有很好的對應關系，表明高溫條件影響區(qū)域的干旱變化強度（Liu et al，2013）。在2000和2007年兩個序列共同的極端高溫年份里，包括秦嶺在內的陜西及周邊地區(qū)均發(fā)生了嚴重的干旱。其中，2000年我國北方干旱范圍廣，持續(xù)時間長，春、夏連旱嚴重，西北東部和華北地區(qū)干旱主要發(fā)生在2—7月，甘肅春旱受災面積達210.7萬公頃，因土壤水分不足有11萬公頃冬小麥死苗，陜西北部地區(qū)旱情達特大干旱標準；包括陜西、甘肅在內的12個省市區(qū)縣級以上城市日缺水量超過635萬m3，影響人口超過1500萬人（http://www.weather.com.cn/science/ zhfy/gh/jdal/02/65192.shtm l）。2007年的極端春季干旱范圍涉及陜西、甘肅東部、寧夏、內蒙古南部及華北大部分地區(qū)（http://www.weather.com.cn/ science/zhfy/gh/jdal/02/65195.shtm l）。1926年的極端高溫年份也反映了同期的極端干旱事件，有研究表明，1920s 年代發(fā)生在我國北方大部分地區(qū)的特大干旱，亦伴隨著溫度偏高的情況（e.g.Liang et al，2006；Bao et al，2012a，2012b，2015；Yi et al，2012）。例如1926—1930逐年的干旱均與當年夏季溫度正異常有直接關系（Yi et al，2012）。與NCDC格點數(shù)據(jù)（http://www.ncdc.noaa.gov/ temp-and-precip/ghcngridded-products.php）空間相關結果顯示秦嶺中、西部地區(qū)5—6月平均溫度與同期華北、西北及周邊區(qū)域的溫度顯著正相關，表明溫度敏感的不同樹種、不同樹輪參數(shù)指標揭示的溫度變化信號在一定程度上能夠代表該區(qū)域大尺度的氣候要素變化特征（圖4）。

圖 3 共同的極端高溫年（a）2000年及（b）2007年和低溫年（c）1948年及（d）1961年當年5—6月平均溫度異常分布Fig.3 The mean May-June temperature anomaly of the common years of extremely high temperature（a） 2000 AD and （b） 2007 AD，and low temperature（c） 1948 AD and （d） 1961 AD

圖 4 西安、佛坪兩氣象站5—6月平均溫度與NCDC v3 SST/T2m 格點溫度數(shù)據(jù)的空間相關（1957—2005），矩形框表示研究區(qū)域秦嶺中、西部地區(qū)Fig.4 Spatial correlations between the mean May-June temperature of both Xi'an and Foping stations and NCDC v3 SST/T2m grid dataset during the period 1957—2005，rectangle indicated the study area of central and western Qinling Mountains

3 結論

秦嶺中部太白紅杉樹輪寬度差值年表和秦嶺西部油松早材密度標準化年表共同響應了生長季早期（特別是5月）平均溫度變化信號。年表保留了區(qū)域尺度范圍內共同的極端高、低溫氣候事件，且高溫年份與大尺度的干旱災害存在緊密聯(lián)系。極端年份溫度異常和空間相關結果表明不同樹種、不同樹木年輪指標的對比分析能夠探討秦嶺中、西部及其周邊地區(qū)的溫度變化特征。本研究為基于多樹種多樹輪參數(shù)指標集成研究整個秦嶺區(qū)域多時空尺度的氣候變化提供了新的視角和論據(jù)。

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Tem perature variability referred from tree rings in central and western Qinling M ountains，China

BAO Guang1，2，LIU Na1，2，3，LIU Yu2，3（1.Shaanxi Key Laboratory of Disaster Monitoring and Mechanism Simulation，School of Geography and
Environment，Baoji University of Arts and Sciences，Baoji 721013，China;
2.State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology，Institute of Earth Environment，
Chinese Academy of Sciences，Xi'an 710061，China;
3.Department of Environmental Science and Technology，School of Human Settlements and Civil Engineering，Xi'an Jiaotong University，Xi'an 710049，China）

Climate-grow th relationships between tree-ring w idth and density chronologies and climatic factors in central and western Qinling M ountains were investigated by the methods of Pearson's correlation and spatial correlation.The results showed that the common early grow ing season （especially in May） temperature signal was captured by ring-w idth residual chronology of Larix chinensis in central Qinling Mountains and earlywood density standard chronology of Pinus tabulaformis in western Qinling Mountains.Extremely high- and low-temperature years occurred on the regional scale were referred from both chronologies.And extremely high-temperature year associated w ith regional severe drought event to same degree.The results shed a light on studies of climate changes in the Qinling Mountains through integrating multi-parametric indicators of tree rings from multi-species.

Qinling Mountains；temperature variability；tree-ring proxy；extreme event

P467

A

1674-9901（2015）03-0154-07

2015-02-26

陜西省自然科學基礎研究計劃項目（2014JQ5192）；國家自然科學基金項目（41301101）；黃土與第四紀地質國家重點實驗室開放基金項目（SKLLQG1302）；寶雞文理學院重點項目博士啟動基金（ZK11063）

包 光，E-mail：baoguang@ieecas.cn