基于樹木年輪序列分析方法的遼寧東部區(qū)域降水重構分析研究

辛 波

(遼寧省丹東水文局，遼寧 丹東 118000)

1 概述

當前，樹木年輪具有連續(xù)性和定年準確性的特點，已被國內(nèi)外許多學者用于對歷史氣候變化環(huán)境進行反演計算，其中利用樹木年輪序列對過去降水數(shù)據(jù)進行反演得到國內(nèi)許多學者的研究和關注，并取得一定的研究成果[1- 6]，但是這些成果研究區(qū)域大都位于南方和西部干旱區(qū)域，在東北區(qū)域應用還較少。近些年來，隨著氣候變化，東北區(qū)域降水也呈現(xiàn)一定程度的變化，為定量分析區(qū)域氣候變化對降水的影響，需要對歷史降水進行反演計算。一些學者采用自回歸分析方法對遼寧地區(qū)的降水進行反演分析[7- 9]，但是經(jīng)分析其相關系數(shù)較低，精度不高。而樹木年輪由于其連續(xù)性好的特點，對降水重構具有較好的精度，為此本文采用樹木年序列分析方法，以遼寧東部區(qū)域為例，對該區(qū)域降水進行重構，并結合實測降水數(shù)據(jù)對重構降水的相關性進行分析。

2 資料與方法

2.1 樹木年輪序列分析

本次選取四個采樣點，在每個采樣點，最少要采10株相同樹種的樣本，在每一株樹上，130cm處，在不同方向上鉆取1～2個輪芯(其中北方向一個)。結合樹木年輪分析方法對采用的樹木年輪進行圖譜分析，確定樹木年輪系列，采樣點樹木年輪圖像及標尺如圖1所示，樹木年輪圖譜分析結果如圖2所示。在樹木年輪系列基礎上，首先采用COFECHA程序對樹木年輪序列進行質量檢驗，以確定樹木的年輪，并同時測定樹木的年輪寬度，應用ARSEAN程序建立樹木年輪序列年表，并對該樹木年表進行標準化，建立樹木年輪系列的標準化年表(STD)。此外結合樹木生長的特點，結合差值化程序建立樹木年輪的差值年表(RES)。

2.2 樹木年輪的降水重構分析

在樹木年輪序列確定后，需要對樹木年輪序列進行統(tǒng)計分析，并進行相關檢驗，首先需要對樹木年輪的敏感度進行分析，樹木年輪敏感度值越大，表明其包含的降水信息越多。標準樹木年輪的平均敏感度都在0.15～0.8范圍內(nèi)。在對樹木年輪平均敏感度分析的基礎上，還需要對樹木年輪的寬度指數(shù)進行分析，進行寬度指數(shù)分析時建立樹木年輪序列與降水相關關系的基礎。在對樹木年輪統(tǒng)計分析的基礎上，建立樹木年輪與區(qū)域降水之間的相關關系，并以此相關關系結合自回歸方程建立樹木年輪與區(qū)域降水的自回歸函數(shù)，結合該函數(shù)對區(qū)域降水進行重構。

圖1 采樣點年輪圖像及標尺

圖2 采樣點樣木年輪圖譜

3 基于樹木年輪的降水重構

3.1 樹木年輪年序列建立結果

結合各采樣點樹木年輪分析數(shù)據(jù)，建立各采樣點的樹木年輪交叉定年統(tǒng)計量，統(tǒng)計結果見表1。

表1 不同采樣點的樹木年輪交叉定年統(tǒng)計量

注：N—樣本系列；r—平均相關系數(shù)；M—樹木年輪寬度；a.c.—一階自相關系數(shù)；M.S.—平均敏感度；S.D.—標準差。

表1為不同采樣點樹木年輪交叉定年的統(tǒng)計結果，從表中可以看出，各采樣點相比于原始序列均發(fā)生了較為明顯的變化，各采樣點樹木的年輪寬度指數(shù)均小于1.0，表明各采樣的樹木年輪序列符合年輪指數(shù)序列均值為1.0的標準化。因此各采樣點的樹木年輪序列可用來進行樹木年輪的統(tǒng)計分析。

3.2 樹木年輪年序統(tǒng)計結果分析

在各采樣點樹木年輪交叉定年統(tǒng)計分析的基礎上，對各采樣點樹木年輪寬度指數(shù)的標準化和差值進行統(tǒng)計分析，統(tǒng)計分析結果見表2、3。

表2 不同采樣點的年輪寬度指數(shù)標準化年表統(tǒng)計量

表3 不同采樣點的年輪寬度指數(shù)差值化年表統(tǒng)計量

在表2中，各采樣點的樹木年輪寬度指數(shù)的平均值分別為0.848，0.952，0.753，0.805，均小于1.0，表明各采樣點的樹木年輪序列可以符合寬度指數(shù)為1.0的均值標準，在各采樣點中，2#采樣點的樹木年輪寬度指數(shù)最大，從表2中可以看出各采樣點的平均敏感度分別為0.251，0.321，0.203，0.315，同樣2#采樣點的樹木平均敏感度最高，各采樣點的平均敏感度均在0.15以上。4#采樣點樹木年輪相關性最高。

表3為不同采樣點樹木年輪寬度指數(shù)的差值化年表統(tǒng)計量，從表4中可以看出，各采樣帶的樹木平均寬度值分別為0.956，0.952，0.857，0.692，也均小于1.0，表明各采樣點樹木年輪寬度指數(shù)的差值化年表統(tǒng)計值也符合寬度指數(shù)為1.0的均值標準，其中4#采樣點的樹木年輪寬度指數(shù)的差值化年表平均敏感度最大，達到0.365。在各采樣點中，1#采樣點的自相關性最低。

3.3 樹木年輪與氣象要素相關分析

在樹木年輪統(tǒng)計分析基礎上，結合建立的樹木年輪系列，定量分析了樹木年輪與氣溫和降水之間的相關性，相關性分析結果見表4。

表4 遼寧東部地區(qū)年、季降水及氣溫與樹輪年表的相關性

注：STD—樹木年輪標準化年系列；RES—樹木年輪差值年系列；ARS—自相關系列

從表4中可以看出，降水與樹木年輪在夏季(6～9月)各樹木年輪系列的相關性均最高，存在負相關性，相關系數(shù)在-0.412～-0.454之間，而在冬季的相關性最低，這和樹木年輪的變化特性相關，在夏季，由于雨量充沛，使得樹木年輪變化差異性較大，因此相關性較高，因此在夏季(6～9月)適用于結合樹木年輪序列進行降水的重構計算。從表4中可看出氣溫與各個季節(jié)樹木年輪的相關性均較弱，表明氣溫變化使得樹木年輪變化的差異性較小。因此可以用結合樹木年輪系列和降水的相關性，應用自回歸方程對區(qū)域降水進行重構計算。

表5 各采樣點不同樹木年輪系列下重構6～9月降水量與實測降水相關性分析結果

注：SLH、JKY、HNB、HNN、KEM分別表示樹木年輪的差值系列。

3.4 基于樹木年輪序列的遼寧東部區(qū)域降水重構

考慮到6～9月樹木年輪與降水具有較高結合樹木年輪的差值系列，結合自回歸方程對各采樣點的6～9月的降水量進行重構，并結合采樣點附近雨量實測值對結果進行檢驗和分析，計算結果見表5和圖3。

從表5中可以看出，各采樣點重構的降水數(shù)據(jù)和附近雨量實測降水數(shù)據(jù)的相關系數(shù)在-0.2153～-0.7215之間，相關系數(shù)的均值為-0.5108，從顯著性水平也可以看出，基于樹木年輪分析方法重構的降水量和實測降水量通過a=0.005的顯著性變化水平。表明重構的降水數(shù)據(jù)系列較為穩(wěn)定和可靠。從圖3中可以看出，各采樣點重構降水量和實測降水量在過程上具有一定的吻合性，重構的降水量和實測降水量吻合度適宜。

圖3 各采樣點降水重構值與實測降水值過程對比圖

4 結論

本文結合樹木年輪序列方法對遼寧東部區(qū)域6～9月的降水進行重構計算，并結合實測降水數(shù)據(jù)進行檢驗，主要結論如下：

(1)當區(qū)域樹木年輪寬度指數(shù)標準化年值和差值年值的平均敏感度達到0.15～0.8范圍內(nèi)，且年輪寬度指數(shù)均小于1.0，樹木年輪符合樹木生理學意義，可用來進行降水重構分析。

(2)樹木年輪由于樹木生長特點，適宜重構區(qū)域夏季(6～9月)的降水量，其他季節(jié)重構相關性較低。

(3)遼寧東部區(qū)域樹木年輪和區(qū)域6～9月降水量負相關性較好，降水構結果較為穩(wěn)定和可靠。

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