全 文 ：拼 考 屯 叙 第 4 a 卷 第 1 9期 2 0 0 3年 1 0月 简 手及
青海南部高原圆柏年轮指示的近 50 0 年来气候变化
秦宁生① 邵 雪梅② 靳立亚③ 汪青春① 朱西德① 王振宇① 李金豹③
(①青海省气候资料中心 , 西宁 81 0 0 3 ; ②中国科学院地理科学与资源研究所 , 北京 10 10 ;1 ③兰州大学资源环境学院 兰州
7 30 0 0()
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摘要 根据采 自青海南部高原曲麻莱 、 治多地 区树木年轮样本 , 建立 了该地区高原树木年轮年表序列 .
通过响应函数计算得出, 该年表对高原春季 (4 一 6 月 )的气温和降水量反映敏感 , 定义了湿润指数 , 重建
了高原春季湿润指数序列 , 并应用交叉检验方法对校准方程进行了检验 , 证明重建方程稳定 . 通过分析
发现 , 在重建的 4 5 3年 中, 显著的干旱时段有 6 个 , 即 15 9 2 一 16 10 , 164 9 一 16 6 5 , 26 87 一 16 9 7 , 一7 4 0 一 17 50 ,
18 18 一 1 82 9 和 19 1 8一 19 3 3 年 : 显著的湿润时期有 5 个 , 即 16 6 9 一 16 8 2 , 17 0 0 一 17 0 9 , 180 0 一 18 14 , 18 9 8 一
190 9 和 19 3 5 一 19 5 0 年 . 周期分析结果表明 , 重建序列具有 6.0 4 和 5住 3 的长周期 , 1 年左右太阳周期和
8
,
6 和 4 年左右的短周期 .
关键词 青海南部高原 树轮年表 重建 湿润指数
青海南部高原地处青藏高原 东北部地区 , 平均
海拔 35 0 0 m 以上 , 地域辽阔 、 地形复杂 , 是青藏高原
的一部分 . 高原气候变化在全球变化 中具有重要作
用 , 一方面高原气候及其生态环境和地表特征对全
球变化的响应非常敏感 ; 另一方面高原本身的变化
反过来又作用于高原邻近地 区 , 甚 至远离高原 的地
区 . 研究证明在几十年时间尺度上 , 青藏高原往往表
现为东亚地区气候变化的启动区 L’ ] . 因此对青藏高原
历史时期气候变化的研究具有十分重要的意义 , 并
受到高度重视 . 但是由于高原气象台站稀少 、 观测资
料较短 , 用器测资料研究高原气候变化及成 因受到
限制 , 不足以使人们 了解高原气候变化的全貌 . 随着
树木年轮气候学的迅速发展 , 利用树木年轮宽度变
异对气候变化的响应 , 获取某些气候要素的代用资
料 , 已经在全球范围内成为研究历史时期气候变化
的重要途径之一 2[, 3 1. 我国 自 20 世纪 30 年代起开展树
木年轮分析 以来 , 利用树木年轮宽度变异探讨过去
气候状况的研究工作 , 取得很大进展 . 吴祥定等人 l4]
利用西藏中部 4 个树木年轮年表对过去的气温和降
水变化进行 了重建 ; 中国科学院地理研究所用川西
高原的 4 个树轮资料重建了 165 0 年以来冬季平均最
低气温的距平序列 5l[ ; 青海省树木年轮序列的建立和
研究始于 20 世纪 7 0 年代末和 80 年代初在祁连山地
区的工作 l6,7 } . 之后 ,研究人员利用树轮资料建立了青
海都兰地区 18 3 5 年的树轮序列 l8] 、 青海祁连山地区
1 3 10 年以来的树轮序列 9[] 、 青海柴达木盆地东缘山区
的千年长度的树轮宽度序列 「’ “」. 青海南部高原 由于
地处高寒山区 , 森林分布较少 , 目前还没有见到树轮
序列 . 本文利用位于青海南部高原曲麻莱 、 治多等地
采集的树轮资料建立了该地区近 5 0 年来的树木年
轮序列 , 并重建了高原 的气候变化序列 , 为青藏高原
历史气候变化研究提供基础资料 .
1 采样和建立年表
曲麻莱 、 治多地区由于海拔高 、 气温低 , 属于高
原寒润型气候 . 在海拔 3 9 0 一 45 0 m 以上有一些散
生的原始圆柏疏林 , 树种以大果圆柏 (S a 方in a r i方e ti c a )
为主 , 是青海省分布最高的森林群落 , 主要分布在通
天河下段和澜沧 江上游 的扎 曲河及其支流两岸 t ” 〕.
采样点选在青海南部高原的玉树州曲麻莱县东风乡
和治多县立新乡 , 两个采样点之间相距约 130 k .m
表 1给出了两个采样点的具体位置 、 样本量和样本长
度 . 采样点地处高寒区 , 土壤类型是疏林草甸土 , 处
在年轻的发育阶段 . 树木立地条件较差 , 生长缓慢 ,
郁闭度较小 , 树木受人类活动影响较少 , 取样的树木
为树龄较长的健康活树 , 两个采样点共采 10 多个样
表 l 青海南部高原树轮采样点概况
采样点名称 采样点代号 位置 海拔高度 /m
曲麻莱
治多
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采集样本量
29 株 /5 7芯
2 7 株 /54 芯
样本长度
14 8 0 ~ 2 0 0 2
13 7 4 ~ Zf )0 2
2 0 6 8 W WW
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简 宁及 第 4a 卷 第 19期 0 20 3年 10月 科 考 屯 叙
本 .树轮样本在 中国科学院地理科学和资源研究所树
轮实验室 , 按照树木年轮分析的基本程序「’ 2 ]进行了干
燥 、 固定 、 磨光 、 定年和树轮宽度量测 . 曲麻莱采样
点树龄最长为 52 3年 , 治多采样点树龄最长达 6 29 年 .
为了确保年轮资料的可靠性和适用性 , 根据国
际上通用的树木年轮分析的基本程序 . 首先对经初
步定年 和进行宽 度量测 的树轮样本用计算机程序
C O F E C H A 〔’ 3 1进行交叉定年的检验 , 主要作用是检查
交叉定年和宽度量测方面的主观错误 , 判断各样本
序列 同主序列之间的相关 , 剔 除奇异点过多或与主
序列相关性较差的样本 , 正确选用每个序列 , 为进人
最终年表提供依据 . 经过对两个样点样本进行反复
检查 , 在 曲麻莱采样点和治多采样点分别筛选 出 52
个和 45 个样本序列 . 然后 , 应用 A R s AT N[ ’ 4〕程序建
立树轮宽度指数年表 , 用 10 0年步长的样条函数对两
个样点每个样本的轮宽序列进行 了树木生长趋势的
拟合 , 去除 了树木的生长趋势和树木 间竞争导致的
低频变化 , 得到 了 3 种树轮年表 , 即标准化年表
( S T D )
、 差值年表 ( R E S )及自回归年表 (A R S ) , 以增加
在气候重建时的年表可选择性 , 获得更多的气候变
化信息 . 表 2 给出了两个样点 S T D 年表共同区间
( 18 01 一 19 6 0 年 )的分析结果 , 从表中可看出 , 两个采
样点树木年轮宽度在同期变化上表现出很好的一致
性 . 图 l 给出了两个采样点 巧 o 一 2 0 0 2 年的标准化
年表的逐年变化曲线 、 31 年滑动平均曲线及样本的
复本量 , 从中可以看出 , 两个年表窄轮和宽轮出现的
年份基本一致 , 这 和两个采样点同处于通天河流域 ,
受相同的气候系统影响有关 , 说明控制树木生长的
主要限制因子是相同的 .
2 树轮指数对气候因子的响应
树木生 长在很大程度 上受到气候因子的制约 ,
在树轮气候学 中可以通过计算响应 函数 [ ’ 5 ]来分析年
表与气候要素的关系 . 为了探讨高原树木生长状况
对气候要素变化的响应 , 我们选取了采样点附近曲
麻莱 、 治多 、 扎多 、 玉树 、 玛多 5 个气象站 1 9 5 7 一 2 0 0 1
年的月平均温度 、 月平均最高 、 最低温度 、 月总降水
量 、 月蒸发量 、 月水汽压和月相对湿度等气候要素 ,
表 2 青海南部高原树轮采样点树轮指数序列统计特征及共同区间分析结果
平均 序列
敏感度
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相关系数
树间平均
相关系数 信噪 比
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图 1 两个采样点 1 50 ~ 20 02 年的逐年变化曲线及样本数
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S C IC h i n a
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C O m 20 6 9
科 考五 叙 第 48 卷 第 1 9 期 2 。。 3年 1。 月 简 寸及
表 3两个采样点树轮宽度指数 ( ST D)和 19 7 5一 2 0 01 年高原气候要素序列间的相关
月份 2 348 7 6 5
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月平均气温 /℃
月平均最高 /℃
月平均最低 /℃
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月蒸发量 /m m
月水汽压 h/ P a
月相对湿度 /%
月平均气温 /℃
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月蒸发量 /m m
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治多采样点
a) 和 b) 分别表示通过 住05 和 住 01 的显著性水平检验
603-36
降昌彩靶似潺
从前一年 7 月到当年 10 月分别与两个采样点的树轮
宽度指数求相关 , 通过分析发现 曲麻莱 、 治多 、 扎多
三站的气候要素与两个采样点的树轮宽度相关较好 ,
特别是春季 (4 一 6 月 )相关更好 . 为了去除单点气象站
由迁站 、 更换仪器等原因造成的非均一性 , 用三站的
各要素月平均值代表区域气候要素 . 表 3 给出了区域
内各要素与两个采样点的标准化年表与前一年 n 月
到当年 10 月气候要素的相关分析结果 , 区域内各气
候要素与差值年表轮宽指数的相关分析有类似结果 .
可以看 出 , 该地区树木生长与 4 一 6 月气温 (月平均气
温 、 月平均最高气温 )及与之相关的月蒸发量为显著
负相关 ; 而与 4 一 6 月降水及与之相关的月相对湿度
为显著正相关 . 为了进一步分析年表与高原热量 (气
温 )和湿度 (降水量 、 相对湿度 )的关系 , 我们选择月平
均气温和月降水量与曲麻莱差值年表进行响应 函数
分析 . 所选气候要素值是从前一年的 7 月至当年的 9
月 , 计 巧 个月 , 30 个因子 ; 再加上向前推移 3 年的 3
个序列 , 共 3 个因子 . 月平均气温及降水量的年代
从 1 9 5 7 一 2 0 1 年 , 计算结果为 : 曲麻莱差值年表与
月平均气温及降水量的复相关系数为 0 . 8 2 84 , 其中气
候要素所解释的方差为 65 . 62 % ; 治多差值年表与月
平均气温及降水量的复相关系数为 0 . 6 5 6 8 , 其中气候
要素所解释的方差为 35 . 8 0% . 分析表明 , 树木在生
长季节 ( 3 一 7月 )对气温的响应为负值 , 其中 5 一 6月达
到显著 (9 5% 置信水平 )的负相关 . 此时 , 树木对降水
量的响应多为正值 , 且 5 一 6月都是显著 (95 %置信水平 )
正相关 , 说明该地树木生长同时受气温和湿度 (降水 )
因子 的影响 , 为了进一步说明树木生长与气温和湿
度 因子的关系 , 我们还给出了树轮指数的响应面 函
数分布 (图 2) , 其中 x 轴为标准化的 5 一 6 月的平均气
温 , y 轴为标准化的 5 一 6 月降水量总和 , : 轴为曲麻莱
差值年表指数 . 从图 2 中可以看出 , 当降水量在正距
平时 , 降水量增大有利于树木生长 , 而当降水量少时 ,
气温升高不利于树木生长 . 这主要是 由于在曲麻莱 、
治多 、 扎多 、 玉树 、 玛多等高原地区 , 一年的降水量
主要集中在 7 一 9 月份 . 而 5 一 6 月份处在相对的干旱
季节 , 所以此时的水分 (降水 )因素是树木生长的主要
限制 因子 . 这时温度升高会导致蒸散加剧 , 在水分不
足时往往 限制 了树木生长 , 故多表现为与年轮宽度
的负相关 l ’ 4 1. 我们根据 1 9 5 7 一 2 0 1年的观测资料计
算了 5 一 6 月降水量 占全年降水量的比重 , 青海南部
图 2 曲麻莱差值年表指数对气温 、 降水量的响应面
2 0 7 0 Ww W
.
S C IC h in a
.
C O m
简 手及 第4 a卷 第1 9期2 0 0 3年1 0 月 科 带 五 叙
高原年降水量为4 4 . 9 9 m m. 而 5一 6月降水量 为
1 63
.
4 m m
, 只占全年降水量的 36 . 3% . 在青海南部高
原地区 , 5 一 6 月份温度的升高使蒸发和蒸腾增大 , 有
可能加剧本 已存在的水分胁迫 , 从而限制树木的生
长 . 而当温度较低 , 降水增加时 , 有利于树木生长 .
3 气候重建
考虑到气温 和降水对树木生 长的共同影 响 , 我
们选择湿润指数 材z 作为重建对象 . 材2 的定义如下 :
MI
=
R/ T
, 其中 R 和 T 为高原同一时期的降水量和气
温的平均值 . 由 MI 的定义可知 , 它可以表示某一时
段气温和降水量变化的综合情况 . 当降水量增大 , 气
温下降 , 则 材 z 增大 ; 当降水量减小 , 气温升高 , 则
MI 减小 ; 而当降水量和气温同时增大 (或减小 )时 , MI
变化不大 , 因此 , 材Z能够较好地代表“冷湿” 和 “ 暖干 ”
的气候变化特征 . 在进行湿润指数重建时 , 利用 了曲
麻莱 、 治多两个树轮宽度序列 (分别用 QM L 和 z H D
表示 ) . 考虑到复本原理 , 重建时段选为 1550 一 2 0 0 2
年 , 这样既保证了两个轮宽序列有足够的样本量 , 又
保证了定年的准确和量 测宽度 的总体代表性 . 气候
重建的回归方程为 :
材Z = 2 . 5 5 3 2 + 0 . 0 5 2 QM L + 0 . 0 5 l Z H D ,该方程的
方差解释量为 30 . 犯% , F 检验值为 9 . 1 3 4 5 , 超过 0 . 0 01
显著性检验水平 .
为 了确定重建方程 的稳定性 , 我们用交叉验证
方法 [` “ l对重建序列与气候观测资料序列在 1 9 5 7 -
2 0 01 年时间段 (45 年 )做了符号检验 、 一阶差符号检
验 以及误差缩减值的计算 . 分析结果显示符号一致
的年份有 34( 年 ) , 达到 9 % 置信水平 ; 一阶差符号一
致的年份有 34( 年 ) , 达到 9 %置信水平 . 而误差缩减
值为 0 . 1 9 69 , 相关系数为 .0 4 5 5 1 3 , 达到 .0 01 显著性
水平 . 以上检验结果说明重建序列是合理可靠的 . 图
3 为 19 57 一 2 0 01 年青海南部高原 5 一 6 月湿润指数的
重建值与根据实测降水量和气温计算得到的湿润指
数值的对 比曲线 , 两者 的相关系数为 0 . 5 5 06 . 通过重
建方程 , 得到了过去 4 53 年 ( 1550 一 2 0 0 2) 高原湿润指
数的标准化距平序列 , 其均值为 0 , 方差为 l( 图 4) .
八”09艺n4,ù00乙O月斗山勺`-1l
捅靶懊殡
19 5 5 1 9 6 0 19 6 5 19 7 0 1 9 7 5 19 8 0 19 8 5 19 9 0 19 9 5 2 0 0 0 (年 )
图 3 19 5 7 、 2 0 0 1 年青海南部高原 5 一 6 月湿润指数的
重建值与实测值对比曲线
实线为实测值 , 虚线为重建值
为 了定量分析湿润指数阶段性变化特点 , 我们
参考 了文献 [9] 的方法对该序列的 1 年滑动平均值进
行了干湿等级分类 . 定义正负距平绝对值大于 0 . 2 表
示相对的湿润或干旱时期 . 表 4 为重建的青海南部高
原相对干湿气候时段 .
由以上分析可知 , 自 15 50 年以来 , 高原气候经
历了 6 次持续时间超过 10 年的干旱期和 5 次持续时
间超过 10 年的相对湿润期 . 此外我们还统计了湿润
指数距平百分率绝对值大于等于 20 %和 30 % 的年份 ,
结果显示 , 湿润指数距平百分率大于 20 % (湿润 )的年
捅积懊嗅
15 5 0 16 0 0 16 5 0 17 0 0 17 50 1 8 00 18 50 1 9 0 0 1 9 5 0 2 0 0 0 (年 )
图 4 青海南部高原地区 (5 一 6 月 )湿润指数年际变化
重实线为 H 年滑动平均
Ww W
.
S C IC h 云n a . C O m 2 0 7 1
科 考 五 叙 第 4 5卷 第 1。 期 2 0 0 3年 1 0月 简 报
表 4 重建的青海南部高原相对的干湿气候时段 资助
气候 时段 持续时 间
特征 (括号内为正负距平绝对值大于 30 %的时段 )(年 ) (年 ) 参 考 文 献
下旱期
湿润期
15 7 4一 ]5 7 7 ( 15 7 6 )
15 9 2一 16 10 (! 5 96一 15 9 8 )
! 6 4 9~ 16 6 5 ( 16 5 0
一 16 6 1)
16 8 7一 ]6 9 7 ( 16 8 8一 16 9 7 )
17 4 0一 17 5 0 ( ] 7 4 0一 174 9 )
18 18一 18 2 9 ( 18 18一 18 2 9 )
18 8 ]一 18 8 4 ( 18 8 2一 18 8 3 )
19 ]3一 19 15 (! 9 14 )
19 18一 19 3 3 ( 19 1 8一 19 3 2 )
] 9 5 5一 19 5 8 ( 19 5 5一 19 5 8 )
15 5 5~ 巧 5 7 ( 15 5 5一 ]5 5 7 )
16 2 4一 16 3 0 ( 16 24一 16 3 0 )
16 6 9~ 16 8 2 ( 16 70一 16 8 2 )
17 0 0一 17 0 9 ( 1 7 00~ 17 0 8 )
18 0 0一 18 14 ( 1 80 0一 18 1 2 )
18 7 0一 18 7 3 ( 1 87 2)
18 9 8一 19 0 9 ( 1 9 00~ 190 4; 19 0 7一 19 0 9 )
19 3 5一 19 5 0` 19 3 6一 194 7 )
19 6 6一 19 6 8 ( 19 67 )
19 8 5一 19 8 8 ( ]9 8 5一 19 8 7 )
科 ( ] )
~ 19 ( 3 )
~ 17 ( 12 )
一 1 1 ( 10 )
~ ] l ( 10 )
一 12 ( 12 )
礴 ( 2 )
一 3 ( l )
~ 16 ( 15 )
碑 ( 4 )
一 3 ( 3 )
一 7 ( 7 )
一 14 ( 13 )
一 10 ( 9 )
一 15 ( 1 3 )
碱 ( 1 )
一 12 ( 5: 3 )
一 16 ( 12 )
一 3 ( l )
、 4 ( 3 )
1l2l
份为 4 年 , 大于 30 % 的年份为 10 年 ; 而湿润指数距
平百分率小于等于一 2 0% (干旱 )的年份为 5 年 , 小于
等于一 3 0 %的年份为 20 年 , 这说明近 5 0 年来 , 青海
南部高原 “ 暖干 ’ ,出现的年份要 多于 “ 冷湿 ” 出现 的年
份 . 特别在小冰期 ( 15 50 一 1 8 50 年 )期间经历了 5 次较
大的 “暖干 ’ ,和 3次较大 “冷湿 ’ ,的交替变化 , 因此说明 ,
即便在小 冰期 也并非一直寒 冷 . 另外近代 19 18 -
1 93 2 年的升温少雨期和 19 3 5 一 19 50 年的降温多雨期
在其他气候资料 [’ 7 , ’ “ ]中也有反映 , 特别是 与新疆天
山地区春季最大降水 日数在 1940 年代为一高值时段
相一致 , 说 明这一时期 的多雨可 能是更大空间尺度
上的气候特征 . 对重建序列进行 了功率谱分析 , 发现
通过 0 . 01 显著性水平检验的周期为 n 年左右的太 阳
周期和 8 年 、 4 年左右的显著周期 , 而 50 3 , 60 .4 , 6
和 巧 年左右的周期通过了 .0 05 显著性水平检验 .
l 5
1 6
致谢 耐美扎西 等人参加了野外树轮采样 . 树轮定年及年
表建立在中国科学院地理科学和资源研究所树轮实验室完
成 . 本工作受科学技术部社会公益项 目 (2 0 0l D BI 10 0 8 5) 和
中国科学院知识创新项 目 (K z e X 3 一 s w 一 3 2 1 , z e x 一 s界0 4 )
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0 6一 8 收稿 , 2 ( )0 3一 0 8一 8 收修改稿 )
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