研究论文 正式出版 版本 2 Vol 11 (1) : 72-80 2020
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树轮记录的吕梁山北部过去175年来帕尔默干旱指数变化
PDSI variations recorded by tree rings in the northern Lüliang Mountains during the past 175 years
: 2019 - 06 - 21
: 2019 - 10 - 21
: 2019 - 10 - 25
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摘要&关键词
摘要:利用采自吕梁山北部地区的油松样本,建立了过去175年来的树轮宽度年表。相关分析表明:标准年表(STD)与当年5—6月的帕尔默干旱指数(Palmer drought severity index,PDSI)相关性最好,相关系数为0.687(n=50,p<0.001)。因此,采用树轮宽度标准年表(STD)序列重建了1829—2003年5—6月的PDSI序列,重建方程的方差解释量达到47.16%。重建序列发现9个偏湿时段,分别为1833—1836年、1845—1851年、1857—1863年、1869—1874年、1882—1887年、1896—1899年、1932—1939年、1949—1965年、1975—1985年;10个偏干时段,分别为1829—1832年、1837—1844年、1852—1856年、1864—1868年、1875—1881年、1888—1895年、1900—1931年、1940—1948年、1966—1974年、1986—2003年。同时发现20世纪20年代的严重干旱事件以及20世纪末气候干旱化加重的趋势。空间相关结果显示:重建的PDSI代表了周边大范围的干旱变化,同时,与基于历史文献的干湿指数(DWI)显著相关(p<0.002),说明无论是空间还是时间尺度上,重建结果都可以代表吕梁山周边大范围的干旱变化。此外,重建序列与不同定义的东亚夏季风指数都显著相关(p<0.02),说明东亚夏季风对研究区的干湿变化具有调制作用。多窗谱分析表明重建序列存在2—7年、12年、13.6年、19.2年、21.6年、26.1年的周期变化,这些周期变化可能与ENSO、太阳活动有关。
关键词:吕梁山北部;树轮宽度;PDSI重建;东亚季风
Abstract & Keywords
Abstract: Backgroundaimand scope Lüliang Mountains, range in the west of Shanxi Province, China. Northeast striking, about 400 kilometers from north to south, located between the Yellow River and the Fenhe River. Due to the decrease of available water in recent years and the aggravation of drought, it is necessary to study the drought history of this area. In this paper, tree rings of pines from Lüliang Mountains were used to study the dry-wet change in the past and its influencing factors. Materials and methods 42 pine cores were collected from Lüliang Mountains, then they were dried, fixed and polished in the laboratory, the width was measured by LINTAB with an accuracy of 0.01 mm. The COFECHA program was then used for cross-dating quality control to ensure that each tree-ring had an accurate calendar year. Finally, three chronologies were generated with ARSTAN. Results Correlation analysis showed that the palmer drought index (PDSI) had the best correlation with the standard chronology (STD) from May to June, with a correlation coefficient 0.687 (n=50, p<0.001). In addition, the STD chronology retained more low-frequency signals than the RES chronology. So the width standard chronology (STD) were selected to reconstruct the PDSI index changes from May to June during 1829—2003, the variance interpretation of the reconstructed equation was 47.16%. The reconstructed sequences including 9 wet sequences and 10 dry sequences. Discussion The reconstruction sequence reveals the drought in the 20th century and the intensification of drought in the end of the 20th century. Compared with the DWI index sequence in Yang et al (2013), the correlation coefficient is -0.235 (n=175, p < 0.002). After 10 years of low-pass filtering, the correlation coefficient is -0.4, indicating that the reconstruction sequence is reliable. Conclusions The east Asian summer monsoon has an important influence on the dry and wet changes in the study area. Multiwindow spectral analysis showed that the reconstructed sequences had periodic changes of 2—7 a, 12 a, 13.6 a, 19.2 a, 21.6 a and 26.1 a, which may be related to ENSO and solar activity. Recommendations and perspectives Further research into the factors affecting drought in the region is needed. At the same time, finding other sources of water available to alleviate water shortages is essential.
Keywords: northern Lüliang Mountains; tree ring width; PDSI reconstruction; the east Asian monsoon
近年来,全球气候变暖,极端气候事件发生的频率持续增加,20世纪90年代以来全球发生气候灾害的次数比20世纪50年代多5倍(李书严等,2012)。要预知未来气候变化,必须了解过去。现代气候记录长度有限,我国95%以上的气象观测记录始于20世纪50年代(张丕远,1996)。因此,需要寻找其他长时间、高分辨率的代用指标来研究过去气候变化。
作为气候记录代用指标之一的树木年轮,具有适用区域广、定年准确、连续性强、分辨率高和易于获取复本等特点(刘禹等,2012a;杨颖川等,2018),成为研究过去气候变化的重要手段。树轮的研究指标主要有宽度、密度、同位素等方面。我国学者已开展多年树木年轮研究工作,且取得一定的研究成果。我国西北地区、青藏高原等高海拔地区,树木生长对气候变化响应敏感,树轮研究成果较多,重建指标包括降水、温度、湿度、干旱指数、径流量等;而东南部地区,气候湿润,树木生长对气候变化的敏感性较低,相对西北地区,东南部地区树轮研究成果较少。吕梁山地区位于我国400 mm降水等值线附近,400 mm降水等值线是我国半湿润、半干旱区的分界线,该区域适宜农业生产且树木生长对气候变化更为敏感。该地区已有的气候研究集中于单个气象指标,如温度、降水等:易亮等(2006)利用采自山西芦芽山地区的树木年轮,根据宽度年表重建了1676—2003年5—7月温度变化;蔡秋芳等(2010)利用采自山西吕梁山中部的油松样本,重建了1836—2007年5—7月平均气温变化,发现20世纪50年代以来气温呈上升趋势;李强等(2006,2013)利用采自山西宁武地区的油松样本,重建了该地区1686—2003年上年8月至当年7月的降水、5—7月的温度变化。该区树轮研究成果有限,不足以深刻认识过去气候变化特征,已重建的温度、降水指标无法满足农业生产需求,需要根据树轮特征重建与农业生产相关的综合干湿变化指数。
PDSI是一个与降水、温度相关的综合性指标,且PDSI能够反应农业上的干湿变化,所以其具有监测和预测农作物产量的潜力。本文利用采自吕梁山北部地区的油松样本建立树轮宽度年表,设计转换方程,重建该地区1829—2003年5—6月的PDSI变化,并对重建序列进行分析,进一步调查该地区旱涝变化受到的大尺度气候动力学影响因子,该PDSI的重建也能够丰富吕梁山地区气候研究资料。
1   材料与方法
1.1   样品采集与年表建立
吕梁山北部地区属于温带大陆性气候,气温寒冷,冬季漫长。根据1954—2003年的气象记录,多年年平均气温2—6℃,极端最低温-27℃。年平均总降水量400—500 mm,雨量集中在7月、8月,降水年际变化十分明显,气温、降水有明显的垂直分布。城镇化及工业化的快速发展,以及水资源的不合理开发利用,导致水资源危机日益严重。帕尔默干旱指数是Palmer于20世纪60年代提出的,该指数充分考虑到降水、气温和土壤水分蒸发等多种因素,同时也考虑了前期干旱的积累效应,能够体现降水等气象条件对树木生长的滞后效应(Dai et al,2004),所以本文选择重建PDSI指数。
样品采集于2004年7月,采样点(LLB)位于山西省北部(38°48ˊN,112°06ˊE,海拔1500—2800 m),属吕梁山脉(图1)。优势树种为油松(Pinus tabulaeformis),夹杂有冷杉(Abies fabri),采样点在吕梁山脉管涔山森林上缘,林间间隙大,按照国际树木年轮数据库的标准,使用5 mm生长锥在每棵树胸高位置呈垂直角度方向取两根树芯(李强等,2017;张芬等,2012),共采集油松21棵,共取树芯42根。
样品带回实验室后,经过固定,放在通风处自然风干(秦莉等,2012),依次用240目、600目和1200目砂纸对样品进行打磨,直到树轮细胞清晰可见。在显微镜下辨认真伪轮,对树轮进行计数。然后用精度为0.01 mm的LINTAB宽度仪逐轮测量树轮宽度(蔡秋芳等,2012),之后,用COFECHA程序进行交叉定年的质量控制,确保每一轮能够有准确的日历年份。采用负指数函数的方法拟合树木的生长趋势,该方法能保留更多的低频信号(宋慧明等,2017)。用ARSTAN程序生成该采样点树轮宽度的标准年表(STD)、差值年表(RES)、自回归年表(ARS)(图2)。在样本量较少的前提下,可以取SSS>0.75作为选择年表长度的标准,如Liu et al(2007)根据五当召、喇嘛洞的油松样本重建两个地区2—7月的降水,孙军艳等(2006)利用采自内蒙古额济纳地区的胡杨,建立宽度年表,重建了该地区1771年—2002年地下水位变化中,把0.75作为选取年表长度的标准。本文也选取子样本信号强度大于0.75作为选择年表长度的标准,即1829—2003年合计175年。


图1   采样点(★)和气象站(▲)位置图
Fig.1 Location of sampling sites(★) and meteorological stations(▲)


图2   LLB组树轮宽度标准年表(STD)、差值年表(RES)、自回归年表(ARS)
Fig.2 Standard chronology of tree-ring width (STD), residual chronology (RES) and autoregressive chronology (ARS) of LLB
1.2   气象资料
采样点附近共有两个气象站,五寨气象站、原平气象站,分别距离采样点42 km和46 km,气候记录的长度为1957—2004年、1954—2003年,两气象站记录的降水资料不存在非一致性变动(Li et al,2013),两站记录的月平均温度存在差异,是由于两站所处的纬度不同造成的。气象站的选取应与采样点属于同一气候区,以保证重建的准确性(王梦麦等,2009)。两个气象站中,由于五寨气象站与采样点之间有吕梁山(李强等,2006),所以,最终选取原平气象站来分析树木年轮对干旱的响应(气象数据见图3)。原平气象站资料显示降水集中在7月、8月,年内温度最高的月份是7月。


图3   1954—2003年原平气象站多年月平均降水、月平均气温及月平均PDSI图
Fig.3 Monthly average precipitation, monthly average temperature and monthly average PDSI chart of Yuanping meteorological station from 1954 to 2003
2   结果与讨论
2.1   转换方程的建立
树轮宽度的三种年表中,标准年表(STD)比差值年表(RES)保留较多的低频信号(刘禹等,2012b),更能反映气候的自然变化,所以将STD年表与PDSI上年4月至当年11月的各种月份组合做相关分析,结果表明:两者显著正相关,所以选取标准年表(STD)重建PDSI指数变化。在单月相关性分析中,6月的相关性最好,相关系数为0.690(n=50,p<0.001),在月份组合中,轮宽标准年表与当年5—6月PDSI相关性最好,相关系数为0.687(n=50,p<0.001)。为了能够重建一年中更多月份的气候、水文变化,选择标准年表(STD)重建1829—2003年5—6月的PDSI指数变化,重建方程如下:
PDSI5—6 = -10.919 + 8.796 × TRW (1)
式中:PDSI5—6为当年5月到6月的PDSI值,TRW为树轮宽度标准年表。重建方程的相关系数为0.687,方差解释量R2 为47.16%(调整后的方差解释量为46.06%),F检验值为42.84。重建值和观测值的相关系数为0.687(图4a),经过一阶差去趋势后,相关系数为0.756,两者变化趋势基本一致(图4b)。
2.2   1829—2003年5—6月PDSI值的重建
根据转换方程,重建了吕梁山北部地区1829—2003年5—6月PDSI值(图4c)。重建PDSI5—6序列的最大值是5.23,最小值是-7.73,均值是-2.31,标准差是2.15。运用重建的PDSI值确定过去的干旱年与湿润年,需结合当地的降水、气温等气象因子。如PDSI值高于-3.5时,在内蒙古东部地区属于湿润状态(梁尔源等,2007),在新疆伊犁地区属于干旱状态(陈峰等,2011),所以需要根据山西北部气候确定湿润年与干旱年的分界线。本文以PDSI5—6≥Mean+2σ(PDSI5—6≥1.99)或PDSI5—6≤Mean-2σ(PDSI5—6≤-6.61)作为判断极端湿润年、极端干旱年的临界值,得到的极端湿润年有1836年、1956年、1848年、1862年、1998年、1977年,占总序列的3%;极端干旱年有1999年、2000年、1947年、1842年,占总序列的2%。偏湿时段与偏干时段以PDSI5—6≥Mean(PDSI5—6≥-2.31)或PDSI5—6≤Mean(PDSI5—6≤-2.31)为临界值,得到的偏湿时段有9个:1833—1836年、1845—1851年、1857—1863年、1869—1874年、1882—1887年、1896—1899年、1932—1939年、1949—1965年、1975—1985年;偏干时段有10个:1829—1832年、1837—1844年、1852—1856年、1864—1868年、1875—1881年、1888—1895年、1900—1931年、1940—1948年、1966—1974年、1986—2003年。
重建序列中,1875—1881年对应我国历史上著名的1876—1879大旱,此次旱灾被认为是我国北方最严重的旱灾之一(张德二和梁有叶,2010)。1900—1931年为干旱时段,与我国北方20世纪20年代到30年代初的干旱比较吻合(梁尔源等,2004)。19世纪干湿时段的波动高于20世纪,说明19世纪是气候波动比较明显的世纪。1998年夏秋季我国发生了特大洪水,影响范围广(王文臣,2012),持续时间长,重建序列中,1998年为极端湿润年。1956年8月上旬,山西发生全省性的大暴雨,受灾面积300多万亩,受灾面积达92个县(钱林清等,1991),1956年PDSI值为4.19,也是极端湿润年。1999年及2000年夏季华北地区出现持续性旱灾,1999年夏季,黄河以北受大陆暖性高压脊控制,温度偏高1—2℃,2000年,华北地区气温比常年偏高2—4℃(卫捷等,2004)。重建序列中,1999年、2000年为极端干旱年。


图4   1954—2003年PDSI观测值(虚线)与重建值(实线)曲线(a)及它们的一阶差去趋势曲线(b),1829—2003年PDSI5—6逐年变化曲线(黑实线)、10年低通滤波曲线(红实线)及平均值(黑虚线)(c)
Fig.4 PDSI observed (solid line)and reconstructed value(dotted line) curves (a) from 1954 to 2003 and their first-order detrend curves (b), 1829—2003 PDSI5—6 year-by-year change curve (black solid line), 10-year low-pass filter curve (red solid line) and average value (black dotted line) (c)
2.3   重建序列与历史记录对比及空间代表性
为保证重建序列的准确性,将重建序列与采样点周围地区历史资料进行对比。与Yang et al(2013)文中的DWI(dry wet index)指数序列进行对比,相关系数为-0.235(n=175,p<0.002),为了保留低频信号,将两组序列分别做10年低通滤波处理(图5),滤波后的相关系数为-0.404,两条序列的变化趋势基本一致,在1873—1889年、1924—1940年两条序列基本重合,同时,两条序列共同反映出1875—1881年以及20世纪20年代的干旱。
为了解重建序列的空间代表性,将重建PDSI序列与CRU格点数据做空间相关(图6)。研究区吕梁山北部属于华北地区,空间代表性区域包括两部分,第一部分为华北地区,包括内蒙古中东部、河北北部、山西北部等地区,该地区属于半湿润、半干旱区。第二部分为华中平原区,该地区属于湿润区。以上区域均受夏季风影响。


图5   重建PDSI5—6序列与DWI序列10年低通滤波曲线
Fig.5 Reconstruction of 10-year low-pass filtering curve of PDSI5—6 sequence and DWI sequence


图6   重建PDSI5—6序列与scPDSI序列1954—2003年空间相关图(p<10%,▲代表采样点LLB)
Fig.6 Reconstruction of PDSI5—6 sequence with scPDSI sequence spatial correlation diagram from 1954 to 2003(p<10%,▲ represents sampling sites LLB)
2.4   东亚夏季风对重建PDSI的影响
为进一步探究研究区干旱变化受到哪些大尺度环流的影响,首先将重建序列与几条不同定义的东亚季风指数进行对比,最终结果显示三条东亚季风序列与本文重建的PDSI关系显著(图7)。
与张庆云等(2003)的季风序列对比发现4—5月的相关性最好,相关系数为0.415(n=56,p<0.002),与Wang and Fan(1999)的季风序列对比时,5—8月相关性最好,相关系数为0.339(n=56,p<0.01),与Lau et al(2000)中的季风序列对比时,4—8月相关性最好,相关系数为0.204(n=153,p<0.02)。将四条序列做10年低通滤波后发现,重建吕梁山北部地区5—6月PDSI指数与Zhang et al(2003)和Wang and Fan(1999)的季风序列变化趋势基本一致,与Lau et al(2000)的季风序列自1950年以来变化趋势基本一致。东亚夏季风是影响我国气候的重要因素之一,对于华北地区,东亚夏季风增强时,有利于海洋水汽向北输送,该地区多雨,反之则少雨(孙卫国等,2009),由季风带来的降雨对PDSI有很强的影响。此外,20世纪70年代中期左右,东亚夏季风经历了由强变弱的年代际变化(吕俊梅等,2004),重建PDSI序列10年低通滤波后(图4)可以看出,20世纪70年代以来,PDSI指数下降,即干旱程度加重,这与东亚季风的变化一致。因此,山西吕梁山北部地区PDSI指数变化可能受东亚夏季风影响。


图7   重建序列与季风指数对比图
Fig. 7 Comparison between the reconstructed sequence and the monsoon index
2.5   重建序列周期分析
采用多窗谱(MTM)对重建的1829—2003年PDSI5—6序列进行周期分析(图8),结果表明:在95%置信水平上存在12年、6.7年、3.2年、2.6年、2—2.4年周期变化,在90%置信水平上存在26.1年、21.6年、19.2年、13.2年、3.8年、3.6年、3.4年、3.3年、3.1年、3年、2.1年周期变化。2—7年周期变化与厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)振荡周期比较一致,反映出该区域PDSI变化可能与ENSO活动存在联系。太阳活动周期大约是11年(丁一汇,2019),上述12年、13.6年周期变化可能与太阳黑子活动周期有关,26.1年、21.6年、19.2年周期变化可能与太阳活动的双周期有关。太阳内部的聚变反应产生的能量,以辐射的方式,为地球上的生命活动提供源源不断的能量来源。


图8   山西北部地区PDSI重建序列多窗谱(MTM)分析
Fig.8 Multi-window spectrum (MTM) analysis of PDSI reconstruction sequences in northern Shanxi Province
3   结论
基于树木年轮气候学基本方法,根据采自山西吕梁山北部地区的油松,重建了该地区过去175年(1829—2003)5—6月PDSI指数变化。重建序列包括9个偏湿时段、10个偏干时段,极端湿润年、极端干旱年分别占重建序列的3%、2%。极端湿润年1956年、1998年,极端干旱年1999年、2000年与历史文献记录一致,反映了重建序列的准确性,且从重建曲线上可以看出20世纪90年代以来干旱的加重。
空间相关分析表明,重建序列能够代表采样点附近大范围地区PDSI变化。相关分析表明,重建序列与3条不同定义的季风序列存在相关性,研究区气候变化可能受东亚夏季风影响。周期分析表明,重建序列周期变化与太阳黑子活动、ENSO较一致,说明吕梁山北部地区气候变化可能与太阳黑子、ENSO有关。
致谢:
本研究得到了中国科学院地球环境研究所“一带一路国际地球环境研究”中心的支持,特此感谢。
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稿件与作者信息
王振威
WANG Zhenwei
李强
LI Qiang
李 强,E-mail: liqiang@ieecas.cn
刘禹
LIU Yu
杨银科
YANG Yinke
任萌
REN Meng
崔琳琳
CUI Linlin
:国家自然科学基金项目(41873021);中国科学院青年创新促进会(2017451);中国科学院“西部之光”项目;陕西省青年科技新星项目
国家自然科学基金项目(41873021);中国科学院青年创新促进会(2017451);中国科学院“西部之光”项目;陕西省青年科技新星项目
出版历史
出版时间: 2019年10月25日 (版本2
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地球环境学报
Journal of Earth Environment