祁連山地區(qū)過去500 a 年代際旱澇事件演化及驅(qū)動因素分析

任子健， 王江林， 徐賀年， 秦 春

（1.中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院沙漠與沙漠化重點實驗室，甘肅 蘭州 730000；2.中國科學院大學，北京 100049）

干旱是人類面臨的最嚴重、代價最大的自然災害之一，對環(huán)境的影響非常顯著，甚至會造成經(jīng)濟破壞、生命損失和文明崩潰等嚴重后果［1-6］。一般來說，年代際特大干旱是持續(xù)10 a以上的干旱事件，其影響比短期干旱更嚴重［7］，這類干旱事件通常會對不同地區(qū)的水資源、自然生態(tài)環(huán)境以及經(jīng)濟發(fā)展造成重大影響［8］。年代際干旱是北美西部地區(qū)面臨的重大自然災害之一：尤其中世紀氣候異常（Medieval climate anomaly，MCA）期間，北美西部地區(qū)經(jīng)歷了持續(xù)數(shù)10 a的嚴重干旱，給當?shù)貛砹藝乐仄茐模?］；Seager 等［9］的研究表明，自1997（1998）年厄爾尼諾以來，北美西南部的大部分地區(qū)一直處于干旱之中。此外，也有一些學者對中國發(fā)生的年代際干旱事件進行了相關研究：Ma等［10］認為，自20世紀80年代以來，中國北方干旱的頻率明顯增加，對區(qū)域水資源問題產(chǎn)生了重大影響；Qin 等［11］發(fā)現(xiàn)中國北方自20 世紀50 年代以來經(jīng)歷了嚴重的年代際干旱，對社會經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生了重大影響。

隨著全球變暖，未來年代際干旱和其他極端氣候事件的頻率和風險也可能會增加［12-13］。因此，提高對年代際特大干旱發(fā)生機制的認識，對未來年代際干旱的預測以及社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。國內(nèi)外許多學者認為年代際干旱受外部強迫和內(nèi)部變率兩方面因素驅(qū)動：Seager等［14］認為，MCA 時期的外部強迫變化（例如，太陽活動增強或火山活動減弱）可能是導致北美干旱的驅(qū)動因素之一；Zhang 等［15］認為東亞東部的干旱主要受北太平洋西部海溫異常的影響；太平洋年代際振蕩（Pacific Decadal Oscillation，PDO）對年代際干旱也起著重要作用，例如1960—1990年華北地區(qū)約70%的特大干旱都與PDO相位變化有關［15-16］。

祁連山脈位于我國西北干旱半干旱地區(qū)，既是我國西部重要的生態(tài)安全屏障，也是我國政府提出的“一帶一路”建設生態(tài)保護的核心［17］。隨著全球變暖，極端氣候事件使得祁連山面臨一系列環(huán)境問題，如：永久凍土消融、植被生產(chǎn)力下降、水土流失等［18-20］。有研究表明，祁連山近幾十年氣候呈現(xiàn)明顯的增溫增濕趨勢［21-23］，但由于儀器數(shù)據(jù)記錄不夠長，很難了解祁連山的歷史氣候變化狀況，因此需要借助各種代用資料對其進行研究。目前已有眾多研究在祁連山地區(qū)建立了長時期尺度的樹輪年表［24-26］，其中Yang等［26］在青藏高原東北部建立了長達4500 a 樹輪年表，研究了當?shù)亟邓兓闆r及驅(qū)動因素，發(fā)現(xiàn)歷史干旱期主要發(fā)生在小冰期（Little Ice Age，LIA，1400—1900 年），并且在1940—2011年明顯更濕潤。Gou 等［25］重建了祁連山西部5—7月的干旱指數(shù)（scPDSI）序列，也記錄了該地區(qū)在小冰期發(fā)生的3 次特大干旱事件（1260—1340 年、1430—1540 年和1640—1740 年），并發(fā)現(xiàn)這3 次特大干旱事件分別對于3個太陽活動極小期。

前人基于重建序列已對祁連山歷史氣候變化做了許多分析，但鮮少對祁連山地區(qū)歷史年代際旱澇事件及其驅(qū)動因素進行研究［27-28］；施雅風等［29-30］研究表明西北地區(qū)在20世紀中期出現(xiàn)暖濕化趨勢，但對這一趨勢的歷史地位尚不明確。因此，本文基于Shi 等［31］的亞洲夏季降水數(shù)據(jù)集（RAP），結合Cook 等［32］的亞洲季風干旱數(shù)據(jù)集（MADA）以及Shi等［33］的中國531 a 多指標降水量重建數(shù)據(jù)集（IGGPRE），揭示祁連山區(qū)過去500 a 年代際干旱演化特征，從長時間背景下認識近期氣候變化異常性，以了解1951年之后氣候變化在歷史上的定位，并對歷史上年代際旱澇事件及其驅(qū)動因素進行分析。

1 研究區(qū)概況

祁連山（36°30′～39°30′N，93°30′～103°E）位于青藏高原東北部，處于青海省東北部和甘肅省西部，平均海拔4000～4500 m，是西北沙漠地區(qū)和青藏高原地區(qū)之間的過渡地帶，也是亞洲夏季風和西風帶之間的過渡帶。該地區(qū)主要為干旱半干旱氣候，年平均降水量200～500 mm，且降水主要集中在5—8 月，年均溫0.2～3.6 ℃［24］，山區(qū)河流眾多，植被分布具有明顯的垂直地帶性，主要樹種為祁連圓柏（Sabina przewalskii）和青海云杉（Picea crassifolia）。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

2.1.1 氣候重建數(shù)據(jù)集目前，祁連山地區(qū)氣候分析可供選擇的數(shù)據(jù)集共有5套，其中Liu等［34］建立的亞洲近300 a多指標重建的標準化降水指數(shù)數(shù)據(jù)集，序列長度為300 a，并未覆蓋本文研究時段（過去500 a），因此，未作為分析重點；而Feng 等［35］重建的過去500 a 亞洲暖季降水網(wǎng)格化重建數(shù)據(jù)集尚未能在網(wǎng)上公開獲取，故本研究主要基于RAP、MADA、IGGPRE 3套數(shù)據(jù)集展開。

已有研究表明RAP、MADA、IGGPRE 3 套數(shù)據(jù)集在祁連山地區(qū)代表性良好［36］，Liu 等［34］的重建結果也證明，RAP 等3 套數(shù)據(jù)集在祁連山地區(qū)有較強的可靠性。圖1展示了3套數(shù)據(jù)集在祁連山地區(qū)附近的樹輪采樣點分布。

圖1 3套數(shù)據(jù)集在祁連山附近樹輪采樣點分布Fig.1 Distribution of tree-ring sampling sites near the Qilian Mountains for the three datasets

表1展示了本文所使用的氣候重建數(shù)據(jù)集的相關信息。RAP［31］為亞洲夏季（6—8 月）降水重建數(shù)據(jù)集，由453個樹輪年表及71份歷史文獻記錄重建得來，空間分辨率為2.0°×2.0°，時間尺度為1470—2013年；MADA［32］由327個樹輪年表重建得來，包含了1300—2005 年亞洲夏季（6—8 月）的帕默爾干旱指數(shù)（PDSI），空間分辨率為2.5°×2.5°，采用了點對點回歸（PPR）的重建方法；IGGPRE［33］同樣采用了PPR方法，利用372個樹輪年表和107份歷史文獻重建了1470—2000 年中國5—9 月的降水異常，空間分辨率較RAP和MADA高，為0.5°×0.5°。本文僅研究1470 年之后的氣候，因此3 套數(shù)據(jù)集分別選取1470 年之后祁連山范圍（36°30′～39°30′N，93°30′～103°00′E）的數(shù)據(jù)。

表1 3套氣候重建數(shù)據(jù)集相關信息Tab.1 Information of three hydroclimate reconstruction datasets

2.1.2 氣象數(shù)據(jù)本文使用的氣象數(shù)據(jù)為覆蓋全球陸地表面的高分辨率（0.5°×0.5°）月度數(shù)據(jù)CRU TS v4.06（Climatic research unit，CRU）來源于荷蘭皇家氣象研究所數(shù)據(jù)共享網(wǎng)站（http://climexp.knmi.nl）。利用CRU 降水與scPDSI 分別與3 套重建數(shù)據(jù)集在對應的季節(jié)尺度上進行空間相關分析，以驗證本文采用的3個數(shù)據(jù)集代表祁連山地區(qū)干濕狀況的可靠性（圖1）。

由圖2 可看出，3 套重建數(shù)據(jù)集中，RAP 與CRU降水之間的空間相關性較強（研究區(qū)內(nèi)的相關系數(shù)幾乎均在0.5以上），與CRU的scPDSI之間相關性相對較弱；IGGPRE 與CRU 的scPDSI 空間相關性顯著高于與CRU降水的相關性；MADA則與CRU的scPDSI 空間相關性較強，而與CRU 降水的空間相關性則相對較弱?？偟膩碚f，3 套氣候重建數(shù)據(jù)集的平均序列與CRU的scPDSI、降水數(shù)據(jù)之間的空間相關性均較好，相關系數(shù)基本都達到了0.3以上，且通過了95%顯著性檢驗，因此本文用3 套重建數(shù)據(jù)集對祁連山歷史時期氣候變化進行分析具有一定的可靠性。

圖2 1951年以來祁連山地區(qū)3套數(shù)據(jù)集的平均序列與CRUscPDSI、CRU降水的空間相關性Fig.2 Spatial correlation between the mean series of three datasets and CRUscPDSI and CRU precipitation in the Qilian Mountains since 1951

2.1.3 氣候外強迫和海溫重建本文所考慮到的氣候驅(qū)動因素包括太陽總輻照度（Total solar irradiance，TSI）、氣溶膠光學厚度（Aerosol optical depth，AOD）、太平洋年代際振蕩、大西洋年代際變率（Atlantic Multidecadal Variability，AMV）（表2）。TSI 數(shù)據(jù)采用Lean［37］重建的850 a 以來的太陽總輻照度數(shù)據(jù)集，其中1610年之前的數(shù)據(jù)來源于冰芯和樹輪中提取太陽活動的宇宙成因同位素指標（10Be 和14C），1610—1882年的數(shù)據(jù)由模型估計得來，1882—2016年的數(shù)據(jù)則通過太陽黑子數(shù)的直接觀測得來。AOD 數(shù)據(jù)使用Crowley 等［38］重建的過去1000 a 全球AOD數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集是用克里特島和格陵蘭島的格陵蘭冰蓋項目2（Greenland Ice Sheet Project 2-GISP2）的2 個長冰芯記錄建立的。PDO 數(shù)據(jù)使用Macdonald 等［39］重建的太平洋年代際振蕩數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)集是通過加利福尼亞和阿爾伯塔的2個柔枝松（Pinus flexilis）樹輪年表建立的一個年度PDO 數(shù)據(jù)集。AMV數(shù)據(jù)使用Wang等［40］的大西洋年代際變率數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)集是通過北大西洋—北極地區(qū)、北美東部和歐洲的46個年分辨率的氣候代理記錄（35個樹輪記錄、10 個冰芯記錄、1 個歷史文獻記錄）建立的一個5—9 月AMV 指數(shù)數(shù)據(jù)集，重建方法為嵌套主成分回歸法，并使用滑動窗口法進行校準和驗證。

表2 氣候驅(qū)動因子數(shù)據(jù)集信息Tab.2 Information about datasets of climate driving factors

2.2 研究方法

2.2.1 數(shù)據(jù)處理方法3 套氣候重建數(shù)據(jù)集選取1470 年之后祁連山范圍（36°30′～39°30′N，93°30′～103°E）的數(shù)據(jù)，每年計算一個平均值，并對其進行標準化、10 a滑動平均處理；4個影響因素數(shù)據(jù)集同樣選取1470 年之后的數(shù)據(jù)，并進行標準化、10 a 滑動平均處理。

2.2.2 年代際旱澇事件定義本文對RAP、IGGPRE、MADA 標準化后的數(shù)據(jù)進行10 a 滑動平均處理，將其值＜-0.5 標準差（＞0.5 標準差），持續(xù)時間10 a 以上，且其中至少有1 a＜-1.5標準差（＞1.5標準差）的事件定義為年代際干旱（濕潤）事件。這一定義與Ault 等［41］和Stevenson 等［42］研究中所使用的定義類似。

2.2.3 Pearson 相關與滑動相關采用Pearson 相關分析法分析RAP 數(shù)據(jù)集在不同時間尺度上與MADA 及IGGPRE 數(shù)據(jù)集的相關性，并進行顯著性檢驗。公式如下［43］：

式中：R為數(shù)據(jù)集之間的相關性；n為總年數(shù)；xˉ和yˉ分別為第n年的RAP和IGGPRE（MADA）數(shù)據(jù)均值；xi、yi分別為第i年的降水或PDSI指數(shù)。

利用滑動相關系數(shù)檢測RAP 數(shù)據(jù)集的降水序列與MADA 的PDSI 序列及IGGPRE 的降水序列之間的相關特性，滑動步長取51 a，并檢查其置信水平。公式如下：

式中：Rn為滑動相關系數(shù)；n為滑動步長，一般取奇數(shù)；t為時間序列總長度；xi為RAP 數(shù)據(jù)集第i年的降水指數(shù)；yi為MADA（IGGPRE）數(shù)據(jù)集第i年的PDSI（降水指數(shù)）；為RAP 數(shù)據(jù)集第i年的降水指數(shù)均值；為MADA（IGGPRE）數(shù)據(jù)集第i年的PDSI（降水指數(shù)）均值。通過滑動平均，序列中短于滑動長度的周期會大大削弱，顯現(xiàn)出變化趨勢。

對3套數(shù)據(jù)集進行Pearson及滑動相關分析，以此來檢查3 套重建數(shù)據(jù)集對祁連山過去500 a 氣候變化的代表性，并且為3.3 節(jié)之后利用RAP 數(shù)據(jù)集對祁連山年代際旱澇事件、近幾十年氣候變化趨勢以及年代際旱澇事件的驅(qū)動因素分析提供了基礎。

2.2.4 共線性檢驗與多元線性回歸首先利用SPSS

對祁連山降水4 個驅(qū)動因子之間進行共線性檢驗，計算其方差膨脹系數(shù)（VIF），一般認為VIF＜10時，變量之間不存在共線性［44］，回歸方程可靠。

通過共線性診斷后，為定量描述氣候驅(qū)動因子對祁連山降水變化的影響，利用多元線性回歸建立了TSI、AOD、PDO、AMV 影響祁連山降水的統(tǒng)計模型［45］，公式如下：

式中：Pre 為祁連山降水10 a 滑動平均指數(shù)；β0、β1、β2、β3、β4分別為回歸方程的待定系數(shù)；X1、X2、X3、X4分別為TSI、AOD、PDO、AMV 的10 a 滑動平均指數(shù)。

3 結果與分析

3.1 祁連山地區(qū)不同數(shù)據(jù)集的氣候變化特征

由圖3 可知，祁連山地區(qū)3 套數(shù)據(jù)集重建的年代際干旱事件均集中在15、17、18世紀，處于小冰期內(nèi)（14世紀初—19世紀初）；年代際濕潤事件在3套數(shù)據(jù)集中則表現(xiàn)不一致：RAP和IGGPRE中，年代際濕潤事件主要集中在16 世紀下半葉、19 世紀末及20世紀；MADA 反映的年代際濕潤事件則沒有明顯集中分布的特點。

圖3 祁連山地區(qū)不同數(shù)據(jù)集降水和PDSI指數(shù)序列及10 a滑動平均序列Fig.3 Precipitation and PDSI index time series and 10-year moving average values over the Qilian Mountains from the three hydroclimate datasets

年際尺度上，RAP 數(shù)據(jù)集中近500 a 最干旱的年份分別為1495、1769 年和1601 年，最濕潤的年份分別為1954、1958 年和2012 年，3 個極端濕潤年均發(fā)生在1951 年之后；由IGGPRE 數(shù)據(jù)集反映出的結果可知，祁連山地區(qū)近500 a以來最干旱的年份分別為1484、1495 年和1824 年，最濕潤的年份為1943、1989 年和1993 年，20 世紀末極端濕潤年發(fā)生的頻率較高；MADA 數(shù)據(jù)集中祁連山地區(qū)最干旱的年份為1649、1824 年和2001 年，最濕潤的年份為1610、1958年和1993年，極端干濕年出現(xiàn)在1951年之后的頻率較高。3 套數(shù)據(jù)集中，祁連山地區(qū)在1951 年之后極端濕潤事件頻發(fā)，表明與之前的氣候相比，儀器記錄時期以來，祁連山地區(qū)的氣候濕潤程度較高。

3.2 3套數(shù)據(jù)集相關性分析及干濕事件比較

由表3 可知，RAP 與IGGPRE、MADA 之間的相關性分別為0.48、0.31，且均在99%水平上顯著；1951—2000 年RAP 與IGGPRE 的相關性為0.38，略低于長時間尺度相關性，且通過了99%顯著性檢驗，RAP與MADA之間的相關性為0.32，在95%水平上顯著；進行10 a滑動平均后，RAP與IGGPRE的相關性為0.85，且通過了99%顯著性檢驗，與MADA的相關性為0.64，也通過了99%顯著性水平。通過相關性分析發(fā)現(xiàn)，RAP與另外兩套數(shù)據(jù)集的相關性均較強，其中RAP 與IGGPRE 的相關性顯著高于與MADA 的相關性；并且10 a 滑動平均處理后RAP 與另外兩套數(shù)據(jù)集的相關性均明顯增強。

表3 RAP與IGGPRE、MADA的祁連山平均序列在年際和10 a尺度上的相關性Tab.3 Correlation between the mean time series of the RAP and IGGPRE,and MADA in the Qilian Mountains at interannual and decadal time scales

此外，本文還考慮了RAP與另外兩套數(shù)據(jù)集之間的滑動相關性（圖4），發(fā)現(xiàn)整個周期內(nèi)RAP與IGGPRE 之間的相關性基本都超過了0.3，并且基本都通過了99%顯著性檢驗，在17 世紀下半葉、18 世紀末以及19世紀上半葉通過了95%顯著性檢驗；RAP與MADA 的相關性基本都高于0.2，但是僅在16 世紀上半葉和20世紀上半葉通過了99%顯著性檢驗，而在17世紀下半葉及19世紀大部分時間甚至沒有達到95%顯著性水平。由此可知，RAP 與IGGPRE之間的相關性顯著高于RAP與MADA的相關性，這可能是因為RAP 和IGGPRE 重建指標均為降水，而MADA的PDSI指數(shù)則綜合考慮溫度與降水所致。

圖4 祁連山地區(qū)RAP與另外兩套數(shù)據(jù)集平均序列的51 a滑動相關性Fig.4 51-year moving correlation between the mean time series in the RAP dataset and those from the other two datasets in the Qilian Mountains

由圖3 和表4 可知，RAP 與IGGPRE 有5 次年代際干旱事件和4 次年代際濕潤事件幾乎同步，RAP與MADA 有4次年代際干旱事件和1次大濕潤事件同步，3 套數(shù)據(jù)集同步的年代際旱澇事件有4 次，其中年代際干旱事件3次、年代際濕潤事件1次。RAP與另外兩套數(shù)據(jù)集年代際旱澇事件同步性較好，表明本文對年代際旱澇事件的定義是合理可行的。此外，RAP 與MADA、IGGPRE 的旱澇事件同步性較強，同時RAP 與二者相關性也較強，表明用RAP 數(shù)據(jù)集分析祁連山地區(qū)氣候變化具有較強的可靠性。因此，接下來的分析主要基于RAP數(shù)據(jù)集展開。

表4 3套數(shù)據(jù)集過去重大旱澇事件Tab.4 Comparison of megadrought and pluvial events in the three datasets over the past several centuries

3.3 祁連山1951年以來氣候變化趨勢及近500 a來年代際旱澇事件分析

由圖5可看出，祁連山地區(qū)近500 a的降水整體呈增加的趨勢，并且15 世紀末、17 世紀中葉、18 世紀上半葉、19世紀末以及1951—2013年的降水變化趨勢均超出了自然變化的范圍。其中，1951年以來的氣候呈明顯的濕潤化趨勢，超出自然變化趨勢范圍的程度最為嚴重。此外，與1470—1950 年相比，祁連山地區(qū)1951 年以來的降水指數(shù)均值明顯較高（圖6），表明器測時期（1951年以來），祁連山地區(qū)的氣候呈現(xiàn)明顯的偏濕潤狀態(tài)。

圖6 1951年以來祁連山地區(qū)降水指數(shù)平均值與過去降水指數(shù)對比Fig.6 Comparison of mean precipitation index since 1951 and precipitation index of the past centuries in the Qilian Mountains

由表4 及圖7 可知，祁連山地區(qū)在過去500 a 共發(fā)生了7 次年代際干旱事件、4 次年代際濕潤事件，并且7 次年代際干旱事件均發(fā)生在小冰期內(nèi)（LIA：1300—1800 年）。此外，1475—1500 年的干旱事件是所有干旱事件中持續(xù)時間最長的，達到了26 a；而1968—2009 年的濕潤事件則是幾次濕潤事件中持續(xù)時間最長的（42 a）。與1951年以來的降水相比，7次干旱事件期間降水指數(shù)的中位數(shù)以及均值都呈現(xiàn)明顯的負異常；而4次濕潤事件與1951年以來的氣候差異不明顯，也可得出1951年以來的氣候呈現(xiàn)明顯的濕潤狀態(tài)。

圖7 祁連山地區(qū)年代際旱澇事件及1951—2013年降水指數(shù)分布Fig.7 Distribution of precipitation index during megadrought/pluvial events and that for the period of 1951—2013 in the Qilian Mountains

從圖7 和圖8a 中可以看出，在7 次年代際干旱事件中，1786—1796年的干旱事件期間的降水指數(shù)均值以及中值達到了最低水平，此次干旱事件是祁連山地區(qū)過去500 多年來最嚴重的一次干旱事件；而根據(jù)圖7、圖8b可知，4次濕潤事件的濕潤程度并沒有顯著的差異，其中1898—1910 年的濕潤事件期間降水指數(shù)中值最高，而1968—2009 年的濕潤事件期間降水指數(shù)均值最高，受這次事件的影響，1951年之后的氣候與4次年代際濕潤事件差異并不顯著。

圖8 祁連山地區(qū)過去年代際旱澇事件降水指數(shù)概率密度分布Fig.8 Probability density distribution of precipitation index of megadrought/pluvial events in the Qilian Mountains during the past decadal period

此外，1951年以來祁連山地區(qū)經(jīng)歷了幾次極端干濕年份，分別為1956、1965 年的極端干旱年，1958、2012年的極端濕潤年，其中這2次極端濕潤年份為祁連山地區(qū)過去500 a中最濕潤的年份，圖8將這些極端干濕年與過去的年代際干濕事件進行比較，可以了解到雖然這些極端干（濕）年份的降水指數(shù)與過去年代際干旱（年代際濕潤）事件降水指數(shù)的分布相比偏干（濕），但它們?nèi)蕴幱谶@些年代際旱澇事件降水指數(shù)的變化范圍之內(nèi)，這就表明祁連山地區(qū)1951 年以來的極端降水事件仍處于氣候自然變化的范圍之內(nèi)，在過去500 多年間并不是前所未有的。

3.4 過去年代際干濕事件影響因素分析

在進行年代際旱澇事件影響因素分析之前，為驗證各個影響因素之間是否存在相互影響，以甄別影響因素間的耦合作用是否會對后續(xù)祁連山降水驅(qū)動因素分析產(chǎn)生影響。首先對4個驅(qū)動因素10 a平滑序列之間進行了共線性檢驗，發(fā)現(xiàn)其VIF＜10，表明4 個影響因素均作為獨立變量影響祁連山降水。其次采用回歸分析定量研究了4個影響因素對祁連山地區(qū)降水的影響，結果表明TSI與AMV 對祁連山降水影響最大，標準回歸系數(shù)分別為0.459、0.185，且均通過了99%顯著性檢驗；而AOD 和PDO對祁連山降水影響較小，其中AOD的影響未通過顯著性檢驗，PDO 對祁連山降水存在微弱的正影響（表5）。

表5 驅(qū)動因子回歸分析及共線性分析結果Tab.5 Multiple regression and multicollinearity analysis of influence factors

由圖9a～b可知，TSI在15世紀末、16世紀末、17世紀中葉到18 世紀初、19 世紀上半葉處于極小值期，期間祁連山地區(qū)表現(xiàn)出明顯的負降水異常（1～6次干旱事件），表明太陽輻射可能是這些干旱事件的驅(qū)動因素之一；而在4 次濕潤事件期間，TSI 都出現(xiàn)了極大值，因此這幾次濕潤事件可能由太陽輻射主導。根據(jù)圖9c，在2～5 次干旱事件期間，AOD 出現(xiàn)極大值，表明在這4次干旱事件時期，火山活動可能對祁連山地區(qū)氣候造成了重要的影響；而在4 次濕潤事件中，僅第3 次濕潤事件期間AOD 均為低值，這就表明AOD 可能并不是另外3次年代際濕潤事件的主要影響因素。

圖9 過去重大干濕事件影響因素分析Fig.9 Analysis of driving factors of megadrought and pluvial events in the past centuries

根據(jù)圖9a、9d可知，在第1、4、5、7次大干旱事件中，PDO出現(xiàn)了明顯的正異常；而在第2次干旱事件期間，PDO的相位不明顯，只有微弱的正異常；而在第3、6 次干旱事件中，PDO 呈正相位。這可能表明在第1、4、5、7次干旱事件中PDO起到了關鍵性的作用，而第2 次干旱事件中PDO 也可能起到了一定的作用。在4 次年代際濕潤事件中，第2、3 次事件期間PDO呈負相位，表明PDO可能在這2次濕潤事件中起到了重要作用；而第1、4 次濕潤事件PDO 的作用則不明顯。

最后，從圖9a、9e 中可以看出，在1、2、4～6 次年代際干旱事件期間，AMV 明顯處于負相位，這說明AMV 在這5次干旱事件中可能起到了主導作用，而第3、7次干旱事件期間AMV的作用則不明顯。4次濕潤事件中，第1、3 次濕潤事件期間，AMV 呈明顯正相位，表明在這2次濕潤事件中AMV可能起到了關鍵作用；而第4次濕潤事件雖然AMV有部分時期處于負相位，但是從20 世紀80 年代開始AMV 指數(shù)迅速增加，并逐漸轉(zhuǎn)為正相位，這表明第4次濕潤事件也可能由AMV 主導；第2 次濕潤事件期間AMV呈顯著負相位，原因不明。

4 討論

本文結合重建數(shù)據(jù)集對祁連山近幾十年氣候與過去500 a的氣候變化進行對比，結果表明祁連山地區(qū)器測時期以來的氣候出現(xiàn)了明顯的變濕趨勢，這與Wang［17］、王有恒等［46］的結果一致。此外，從極端干濕年的角度來看，器測時期以來的氣候處于自然變化的范圍之內(nèi)，但是通過二者趨勢對比發(fā)現(xiàn)，祁連山近幾十年的降水趨勢顯著超出了歷史氣候變化的范圍，Yang等［26］的研究表明祁連山近幾十年的氣候為小冰期以來最濕潤的時段，與本文的研究結果一致。

本文還對祁連山地區(qū)過去500 a 的降水變化進行分析，確定了7 次年代際干旱事件和4 次年代際濕潤事件，其中7 次年代際干旱事件均發(fā)生在小冰期。Gou等［25］的研究表明，LIA期間祁連山地區(qū)處于一個長期干旱階段，期間曾發(fā)生2 次持續(xù)時間超過100 a 的干旱期（1426—1555 年、1639—1764 年），而19世紀以來該地區(qū)則正在經(jīng)歷一個長期濕潤期，這與本文的研究結果對應良好。此外，本文所確定的年代際旱澇事件中有多次也可在Tian等［47］、Sun等［48］的重建結果中看到。

本文還研究了祁連山地區(qū)過去重大干濕事件的影響因素，結果表明4 個驅(qū)動因素（TSI、AOD、PDO和AMV）對祁連山地區(qū)的氣候有不同程度的影響。Wang等［17］、劉蕓蕓等［49］曾分析祁連山地區(qū)有3個主要的水汽來源：西風帶帶來的大西洋的水汽以及歐亞大陸上空蒸發(fā)的水汽、來自北冰洋的水汽、亞洲季風帶來的西太平洋以及孟加拉灣的水汽。4個驅(qū)動因素均可通過改變西風和東亞季風的強度影響祁連山地區(qū)的氣候。

太陽輻射是改變區(qū)域氣候的最主要外部強迫因素。它主要從兩方面對氣候產(chǎn)生影響，一方面改變大尺度大氣環(huán)流，Liu 等［50］、Zhou 等［51］認為，東亞夏季風對太陽輻射響應明顯，太陽輻射改變大尺度海陸熱力差異，從而影響東亞夏季風的強度，導致熱帶海洋輸送到祁連山地區(qū)的水汽減少；Chen 等［52］、Jin 等［53］認為太陽輻射通過高緯度和中緯度經(jīng)向輻射梯度的變化控制西風帶的強度。因此，太陽輻射的增加會導致東亞夏季風和西風增強，為祁連山地區(qū)帶來更多的水汽；反之，太陽輻射弱的時期，到達祁連山地區(qū)的水汽減少，發(fā)生干旱。另一方面影響水汽蒸發(fā)，太陽活動的變化也會調(diào)節(jié)赤道地區(qū)水汽的蒸發(fā)，增加（減少）向亞洲夏季風系統(tǒng)的水分輸入，從而影響到祁連山地區(qū)的降水［54］。

火山爆發(fā)增加平流層氣溶膠濃度，使得到達地球表面的太陽輻射減弱，導致地表冷卻［55］，造成海陸熱力對比減弱，東亞夏季風減弱［56-57］，從而使得祁連山降水減少。Shen等［55］發(fā)現(xiàn)中國東部近5個世紀以來的3次異常干旱均發(fā)生在大型火山爆發(fā)事件之后，其中1585、1638 年的火山事件與本研究第2、4次年代際干旱事件時期重合，因此合理推斷祁連山地區(qū)這2次干旱事件可能主要受火山爆發(fā)影響。此外大型火山爆發(fā)還會減少熱帶海洋上空的水汽，使得季風攜帶的水分減少，進而導致祁連山地區(qū)水分不足［58］。

除外部強迫外，海溫內(nèi)部變率也是影響氣候干濕變化的關鍵因素，有研究表明北極濤動（AO）、北大西洋濤動（NAO）、厄爾尼諾-南方濤動（ENSO）等均為影響氣候變化的重要海溫內(nèi)部變率因子，但其多作用于年際尺度上［59-60］。而AMV 與PDO 作為影響氣候年代際變化重要的海溫內(nèi)部變率因素［61］，主要用來考慮其對祁連山地區(qū)年代際旱澇事件的影響。

AMV 對祁連山地區(qū)降水變化影響占主要地位。AMV作為大西洋氣候變率的一種內(nèi)部模式［40］，主要受大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流的影響［62］。東亞夏季風的年代際變化與AMV暖冷相位的轉(zhuǎn)換密切相關［63］。AMV暖相位期間暖空氣由大西洋輸送到歐亞大陸，增加了歐亞大陸與太平洋的海陸熱力差異，使得東亞夏季風增強［64］；AMV 還可激發(fā)大西洋與東亞、印度洋之間的遙相關波列，從而導致沿途對流層擾動增強［61］，增加祁連山地區(qū)的降水。

PDO 是北太平洋溫度年代際振蕩的主導模態(tài)，許多研究發(fā)現(xiàn)PDO 與東亞夏季風的年代際變化及季風過渡區(qū)（祁連山地區(qū)）的降水關系密切［65］：PDO暖期，北大平洋中部海溫偏冷，北美及赤道中東太平洋海溫偏暖，向北的溫度經(jīng)向梯度減小，副熱帶高壓加強，導致東亞夏季風偏弱；而在PDO 冷期情況則相反，季風增強，降雨帶北移，為祁連山地區(qū)帶來豐富的水汽［66］。

在全序列降水與驅(qū)動因素的多元回歸分析中，發(fā)現(xiàn)PDO與祁連山降水呈同相位變化，但對年代際旱澇事件驅(qū)動因素分析則發(fā)現(xiàn)，PDO則與降水呈反向變化。而賈艷青等［67］對中國北方的降水與PDO的影響研究中，也發(fā)現(xiàn)PDO 暖期，祁連山等西北干旱區(qū)氣候偏濕，冷相位時氣候偏干，與本文全時段驅(qū)動因子回歸分析結果吻合。因此，本文推斷PDO對祁連山地區(qū)降水作用不穩(wěn)定，不確定性大，這可能與PDO 對祁連山降水的影響僅在負相位時比較穩(wěn)定有關［68］。

此外，大氣蒸發(fā)量和體積含水率也可能影響降水。有研究表明，中國西北部的降水有一半以上是由蒸發(fā)量控制的［69］，因此溫度升高（降低）會導致高亞洲地區(qū)水循環(huán)加?。p弱）［70］，使得祁連山地區(qū)大氣水汽含量增加（減少），這也可能是導致祁連山地區(qū)發(fā)生大規(guī)模干濕事件的誘因。

5 結論

（1）儀器時期以來，祁連山地區(qū)極端濕潤事件頻發(fā)，并且變濕趨勢超出了歷史自然氣候變化的范圍。

（2）祁連山地區(qū)在過去500 a 共發(fā)生了11 次年代際旱澇事件，7 次干旱事件均發(fā)生在小冰期；此外，持續(xù)時間最長的干旱是1475—1500 年的干旱，而1786—1796 年干旱是嚴重程度最高的年代際干旱事件，4 次年代際濕潤事件之間降水指數(shù)的差異不明顯。

（3）祁連山地區(qū)的氣候受氣候外強迫和海溫內(nèi)部變率驅(qū)動下的東亞夏季風和西風的影響。太陽輻射（TSI）增強會增加祁連山地區(qū)的降水，反之，祁連山地區(qū)降水減少；火山活動主要對祁連山地區(qū)的干旱事件影響顯著（火山活動劇烈，祁連山地區(qū)降水減少），而對濕潤事件的影響不明顯；PDO與祁連山氣候呈反相位變化，即PDO 處于負相位，祁連山降水增加，PDO處于正相位，祁連山降水減少；AMV與祁連山降水大體呈正相關關系，AMV 正相位期間，祁連山地區(qū)濕潤事件多發(fā)，反之，干旱事件多發(fā)。