巴丹吉林沙漠南緣191 a來年降水量重建及初步分析

張永香，於琍，尹紅

（國家氣候中心，北京 100081）

巴丹吉林沙漠南緣191 a來年降水量重建及初步分析

張永香，於琍，尹紅

（國家氣候中心，北京 100081）

沙漠及其邊緣地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，對氣候變化敏感。但沙漠地區(qū)有限的森林資源限制了區(qū)域百年到千年尺度上的歷史氣候變化研究。利用采自巴丹吉林南緣的青海云杉年輪寬度資料，重建了區(qū)域近191 a（1815—2005年）來的年降水（前一年7月至當(dāng)年8月的總降水量）變化序列。重建的相關(guān)系數(shù)是0.636，方差解釋量為40.4%，調(diào)整自由度后的解釋方差R2adj為0.392。重建結(jié)果穩(wěn)定可靠。分析區(qū)域過去年降水變化結(jié)果可見，19世紀(jì)該區(qū)域干濕變化頻繁，20世紀(jì)前半段主要以干旱為主，干濕轉(zhuǎn)變較少。20世紀(jì)20年代的干旱事件在巴丹吉林南緣的干旱持續(xù)時(shí)間更長。周期分析的結(jié)果表明，區(qū)域年降水量變化有2 a、4 a、64 a等周期。

巴丹吉林沙漠南緣；樹木年輪；年降水量重建

全球變暖已成為不爭的事實(shí)。近期發(fā)布的IPCC第五次評估報(bào)告明確指出[1]，近一個世紀(jì)以來的全球變暖一半以上由人類活動造成。這種由于人類活動引起的氣候系統(tǒng)變化是史無前例的，同時(shí)這一變化對生態(tài)系統(tǒng)的影響也極為深刻。最新的模式預(yù)估結(jié)果表明未來全球變暖仍將持續(xù)，而隨著變暖的加劇，對不同區(qū)域的影響也不盡相同。未來的中緯度地區(qū)，干濕兩極分化將更為嚴(yán)重，濕潤的區(qū)域?qū)⒏鼮闈駶櫠珊档膮^(qū)域?qū)⒏痈珊礫2]。

巴丹吉林沙漠是我國四大沙漠之一，地處對氣候變化響應(yīng)敏感的季風(fēng)邊緣區(qū)，對氣候變化極為敏感[3]。已有的研究表明近半個世紀(jì)以來，隨著變暖的加劇巴丹吉林沙漠周邊地區(qū)諸如民勤綠洲、額濟(jì)納綠洲等土地荒漠化不斷加劇，沙塵天氣頻發(fā)，生態(tài)環(huán)境不斷惡化，沙漠腹地的湖泊也出現(xiàn)不同程度的縮小[4，5]。在此區(qū)域展開氣候變化歷史研究有助于更好地理解周邊地區(qū)土地沙漠化和腹地湖泊退縮的氣候背景，為沙漠氣候資源利用和周邊地區(qū)沙漠化治理提供理論依據(jù)，對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境保護(hù)和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前關(guān)于該區(qū)域的研究主要集中于地質(zhì)歷史時(shí)期的氣候變遷[6，7]。樹木年輪資料是研究過去千年和百年尺度氣候變化的可靠代用資料，但沙漠內(nèi)有限的森林分布限制了基于此手段對區(qū)域百年尺度的氣候變化研究。也有學(xué)者借助沙漠綠洲中的胡楊做相關(guān)研究，但結(jié)果表明，該樹種的徑向生長更多反映的是地下水的變化[8]。沙漠以南的祁連山區(qū)，森林資源豐富。已有的研究表明，利用該地的針葉樹種可以重建當(dāng)?shù)丶班徑鼌^(qū)域歷史時(shí)期的氣候變化[9-11]。因此，本研究嘗試?yán)貌勺陨衬暇壍那嗪Ｔ粕贾亟▍^(qū)域的氣候變化，以期能為研究該地區(qū)氣候變化，環(huán)境保護(hù)以及社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃提供百年尺度的氣候背景。

1 樹輪樣本的采集和年表建立

本研究所用資料是2006年采自巴丹吉林南緣東大山樣點(diǎn)（DDS）的青海云杉的寬度資料（圖1）。樣品的采集選擇了受人類活動干擾較少的青海云杉生長的最上限處，平均海拔約2 826 m，林地相對較開闊。所有樣芯均是借助生長錐在健康的、沒有明顯機(jī)械傷害的成年青海云杉采得?？紤]到樹木與氣候的關(guān)系，在采樣中盡量選擇樹齡較大的樹木，坡面、海拔差異較小的范圍內(nèi)采集樣芯。共采集28棵樹34個樣芯。

在樣品的前處理過程中，依據(jù)國際樹輪年代學(xué)的基本處理方法對所有樣芯依次進(jìn)行固定和晾干。然后將固定好的樣芯依次用由粗到細(xì)不同大小粒度的干砂紙打磨。所用最細(xì)的砂紙粒度為600目，打磨到在顯微鏡下能夠清晰分辨細(xì)胞大小為止。再用骨架示意圖法對所有采集的樹芯進(jìn)行了初步輔助交叉定年[12]，接著采用精度為0.01 mm的量測儀對所有樣芯進(jìn)行輪寬測量，之后用COFECHA程序[13]對定年和量測結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。最后，在確定定年無誤后，所有的序列用負(fù)指數(shù)函數(shù)去除其生長趨勢，對負(fù)指數(shù)函數(shù)不能去趨勢的個別樣芯采用2/3步長的樣條函數(shù)去除生長趨勢。所有去趨勢序列通過雙權(quán)重平均方法借助ARSTAN程序建立3個樹輪年表（標(biāo)準(zhǔn)年表，差值年表和自回歸年表）。其中差值年表在1815年達(dá)到穩(wěn)定通過分析，最終采用差值年表重建區(qū)域近200 a來的氣候變化歷史（圖2）。

2 氣象資料和區(qū)域氣候分析

本文所用的氣象資料均來自中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)集。在選擇氣象站點(diǎn)時(shí)，主要考慮巴丹吉林南緣各氣象站點(diǎn)的資料情況，并遵從與采樣點(diǎn)的距離近、環(huán)境差異較小，站點(diǎn)受城市化影響較小[14]資料可靠性好的選點(diǎn)原則，最終選取了6個氣象站點(diǎn)（鼎新（DX）、阿拉善右旗（ALSYQ）、張掖（ZY）、山丹（SD）、永昌（YC）、民勤（MQ））的資料作為主要的氣象資料來源。借助Person相關(guān)分析，計(jì)算了樣點(diǎn)附近各站點(diǎn)記錄的溫度降水的空間一致性。相關(guān)分析的結(jié)果顯示，除距離相對較遠(yuǎn)的DX站外，各站的記錄具有較強(qiáng)的空間一致性。就前一年7月至當(dāng)年8月的降水而言，位于巴丹吉林沙漠內(nèi)部的ALSYQ站的年降水與SD站相關(guān)可達(dá)0.742，意味著利用SD站資料重建的年降水可以反映沙漠南緣的水分條件波動（表1）。本文最終選取了與采樣點(diǎn)氣候相對一致的SD站資料與樹輪寬度資料進(jìn)行氣候重建。從SD站記錄的多年平均氣候狀況（圖3）來看，該區(qū)域氣候具有明顯的大陸性氣候特征，冬季嚴(yán)寒干燥，雨熱同期，年平均氣溫為6.4℃，7月平均最高氣溫可達(dá)20.6℃，1月平均最低氣溫為-10.1℃。年平均降水量為200.2 mm，5—9月的降水占全年的83.5%。

首先，利用Person相關(guān)分析計(jì)算了差值年表與SD站的單月氣溫與降水的關(guān)系。相關(guān)計(jì)算結(jié)果顯示，該樣點(diǎn)樹輪徑向生長與當(dāng)年6月氣溫顯著負(fù)相關(guān)（-0.303），與當(dāng)年1月和前一年7月8月的降水顯著正相關(guān)（0.273，0.274，0.289），其他月份均不顯著。這說明水分條件是限制當(dāng)?shù)貥淠緩较蛏L的主要限制因子。利用前一年7月至當(dāng)年8月（P7C8）的降水總和與樣點(diǎn)差值年表計(jì)算結(jié)果表明，該樣點(diǎn)的樹輪寬度資料能夠很好地記錄區(qū)域年降水的變化。其中與SD站的年降水相關(guān)可達(dá)0.636，與ALSYQ相關(guān)可達(dá)0.576。這表明DDS樣點(diǎn)的樹輪寬度資料可以用于重建并能反映巴丹吉林南緣歷史時(shí)期區(qū)域年降水的變化。

3 巴丹吉林南緣年降水量重建

利用1953年以來SD站年降水量資料（P7C8）和DDS樣點(diǎn)的寬度年表進(jìn)行了回歸分析，并建立了重建方程，最終得到轉(zhuǎn)換函數(shù)：

式中：Pp7c8為該地區(qū)上年7月到當(dāng)年8月的總年降水量重建值，DDSres為樹輪差值年表。該轉(zhuǎn)換函數(shù)的單相關(guān)系數(shù)是0.636，方差解釋量為40.4%，調(diào)整自由度后的解釋方差R2adj=0.392，F(xiàn)2，97=33.89，超過0.000 1的顯著水平，由該方程可以重建出1815—2005年巴丹吉林沙漠南緣上年7月到當(dāng)年8月的年降水量（圖4）。對比重建值和實(shí)測值可見（圖5），重建值在高低頻上均能很好地反映實(shí)測降水的變化。

4 分析與討論

祁連山區(qū)的樹輪寬度資料已被廣泛用于歷史時(shí)期氣候變化研究。陳峰等[11]利用研究區(qū)附近樣點(diǎn)重建的過去兩百多年的前一年8月到當(dāng)年6月的降水。對比二者可見，兩條重建序列在典型干旱事件如20世紀(jì)20年代的干旱事件上趨勢相近（圖5）。分析結(jié)果表明，本研究重建序列均值為238.1，方差為605.97，而陳峰等重建序列的均值為153.2，方差為389.15。本研究的重建結(jié)果在降水多寡年的變幅和時(shí)間上均更為清晰。除了樹輪記錄本身的敏感性差異之外，本文重建的降水總量包含了兩年的降水最大月的降水量，因此其變化更明顯。

為了更好理解過去區(qū)域降水的趨勢變化，利用t檢驗(yàn)[15]，采取10 a的步長檢測了區(qū)域過去191 a以來的年降水量的變化趨勢（圖4b）。通過無信息先驗(yàn)分布的貝葉斯方法計(jì)算了各突變點(diǎn)的顯著性[16]。突變點(diǎn)的正負(fù)表征降水的增加或減少。趨勢分析的結(jié)果表明，19世紀(jì)區(qū)域整體為偏濕，干濕轉(zhuǎn)換相對頻繁，而20世紀(jì)則整體呈干旱趨勢，干旱時(shí)期較長，干濕轉(zhuǎn)換緩慢。19世紀(jì)存在四次顯著的干濕轉(zhuǎn)換（1839年變濕，1849年變干，1867年變濕，1876年變干，1887年變濕）（圖4）。主要干旱時(shí)段與《西北災(zāi)荒史》[17]中記錄的典型期基本一致，如1821—1847年，1857—1871年，1877—1884年。20世紀(jì)區(qū)域的干旱時(shí)期較長，且屬于長期漸變的干旱趨勢，其中1954年有變濕趨勢，1971年變干，2002年變濕，但這幾個干濕轉(zhuǎn)換并不顯著。整個20世紀(jì)中偏干的時(shí)期從世紀(jì)初一直持續(xù)到世紀(jì)中葉。其中西北地區(qū)最大持續(xù)時(shí)間最長的干旱事件，20世紀(jì)20年代在本重建序列中反映的最為清晰。相比于柴達(dá)木[18]和祁連山中東段[19]重建的降水結(jié)果，20世紀(jì)20年代的干旱在巴丹吉林沙漠南緣持續(xù)時(shí)間更長。

利用小波分析對區(qū)域年降水進(jìn)行了周期分析（圖6）。周期分析的結(jié)果表明，區(qū)域年降水量存在2 a、4 a、64 a和百年尺度上的震蕩。其中，4 a期的周期與袁林等[17]研究的甘青寧地區(qū)存在4～6 a的干旱周期相一致。長周期信號較強(qiáng)主要在20世紀(jì)，短周期在近期也有所體現(xiàn)。

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Annual Precipitation Reconstruction over Last 191 Years at the South Edge of Badain Jaran Desert Based on Tree Ring Width Data

ZHANG Yongxiang，YU Li，YIN Hong
（National Climate Center，Beijing 100081，China）

Desert and its surrounding area are vulnerable and sensitive to climate change.Due to the limited resource of forest,few paleo-climate researches has been conducted at Badain Jaran Desert at century and millenary scale.Based on tree ring width data sampled at south edge of Badain Jaran,a 191 annual precipitation has been reconstructed.The annual precipitation is the total precipitation from previous July to current year August.The correlation between tree ring chronology and observed annual precipitation is 0.636.The reconstruction is reliable and stable and could explain variance 40.4%,adjusted 0.392.During last 200 years,there were frequent dry and wet switches during the 19th century,but less abrupt change in the 20th century.Drought is the domain condition in the first half part of the 20th century.The 1920s drought event is a long lasting and extreme drought period at the south edge of Badain Jaran Desert.

Badain Jaran Desert；tree ring width；annual precipitation reconstruction

P467

B

1002-0799（2015）01-0012-05

張永香，於琍，尹紅.巴丹吉林沙漠南緣191 a來年降水量重建及初步分析[J].沙漠與綠洲氣象，2015，9（1）：12-16.

10.3969/j.issn.1002-0799.2015.01.003

2014-10-28；

2014-11-22

氣象行業(yè)專項(xiàng)（GYHY201206014）和沙漠氣象科學(xué)研究基金共同資助。

張永香（1979-），女，副研究員，主要從事歷史氣候與氣候變化研究。E-mail：zhangyx@cma.gov.cn