全 文 ：第 1 3卷 第 4期
2 00 8年 7 月
干 旱 区 地 理
A I R D AL N D (二 E ) (G RA P HY
Vo l
.
31
J
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N (一 4
2 00 8
新疆天山西部三个云杉上树线树轮最大密度年表
的研制 、 相关性及其气候信号分析
袁玉江 ’ , 2 , E s p e r J a n Z , 魏文寿 ’ , 2 ,
V e r 、 t e g e A n n e Z , 喻树龙 1, 2
N i e v e r g e l t D a n i e l
,
2 ,
张瑞波 ’
(I , 1
,叫气象局 鸟各木齐沙漠 几象研究所 , 中国气象局树木年轮理化研究重恢开放实验室 , 新疆 乌鲁木齐 8 3 0 0
瑞士联邦森林 、 雪 、 景观研究院 , 瑞 卜 苏黎世 比尔门斯多夫 8 9 03
摘 要 : 针对新疆天 山西邵伊犁 、 博尔塔拉蒙古 自治 区州三 大山体北坡云 杉上树线树木年轮最
大密度资料 , 采用 区域曲线 、 负指数曲线 、 样条函数三种不同生长去趋势方法 , 研制树轮最大密度
年表 , 分析不 同采点和树轮去趋势方法对树轮最 大密度年表在不同频域的相关性及气候信号的
影响发现 : ①三 个采点间的最大树轮密度变化 ,在高频变化方面最为相似 , 低频变化存在着较大
差异 ; ②天 山西部 山脉北坡上树线的树轮最大密度年表对年表研制的三种不同去趋势方法不敏
感 , 而采点间的距离和是否位于同一 气候 区是影响上树线树轮最大密度年表间相关性的重要 因
子 ; ③天 山西部山脉北坡上树线的树轮最大密度年表对当年的温度具有显著的相关性 ,年降水量
越多的山区 , 其上树线最大密度年表对温度的相关性越好 , 且显著相关平均温度涉及的月数也不
断增 多。
关 键 词 : 新疆天山西部 ; 云杉树轮最大密度 ; 不同采点 ; 不同去趋势方法 ; 气候信号
中国分类号 : P4 67 文献标识码 : 八 文章编号 : 100 0 一 60 60 ( 20 08 )04 一 05 60 一 0 7 《560 一 566 )
用 X 射线进行树轮密度研究的方法由法国科
学家 oP lge 在 19 63 年创立 川 , 被瑞士树木年轮学
家 F r it z H a n , s e h w e i n g r u b e r 首先应用于树轮气候
学研究 「2 研究表明在森林上限和高纬度地区 , 树
轮最大密度能很好地反映树木生长季内的温度变
化 〔 ’ 一 ’ 〕。在欧美的一些国家树木年轮密度在树轮气
候研究中的应用已取得了丰硕的成果 L “ 〕 , 在中国
也开展了一定的实验研究 。 吴祥定等发现采自秦岭
4 个采点的树木年轮样本的密度变化对气候有显
著的响应 ` 7味 刘禹等人的树轮密度 与气候分析指
出 , 陕西黄陵地区树木年轮早材最小密度于 6 月份
气温及 4 一 6 月降水显著相关 , 相关系数分另lJ达到
0
.
6 16 和 一 0 . 6 6 2 ,并据此重建了该地区 4 一 6 月降
水长期变化 〔` 〕。 张志华等利用新疆吉木萨尔县山
区的天山云杉树轮宽度 、最大密度和最小密度资料
重建了该区 6 一 9 月的降水量和 4 一 9 月的平均最
高温度 { 9 )二 杨银科等人发现内蒙古准格尔旗海拔
较低 (海拔 1 30 m )的油松树轮密度年表 与该地区
全年降水量之间有很好的相关性 ,早材密度和最小
密度 与与降水量之间呈负相关 ,晚材密度和最大密
度与降水量呈显著的正相关 〔 ’“ 〕。 然而 , 到 目前为
止 , 国内外对于不 同采点 、不同生长去趋势方法对
上树线树轮最大密度年表间不同频域的相关性及
其所包含的气候信息的影响的研究无人涉及 。 此
外 , 人们对于新疆天山西部 L树线的云杉树轮最大
密度对气候的响应特点还缺乏足够的认识 。本文作
收稿日期 : 2 0 8 一 (一5 一 2 0
基金项目 : 不; l一技部基础性 1 _作 专项 ( 2 ( )o 7 r 、 2 2 ()2 0`) ) , 科技部气象行业专项 ( ( ; Y H Y (Qx ) 2 0 0 7 一6 一 8 )和中囚气象局项 IJ (新疆天 xl一北坡树
木年轮 2 〔候研究 基于树轮分析与遥感技术的干旱山地森林长势监测研究 )共同资助 .
作者简介 : 衰玉江 ( 19 5 5一 男 , 研究员 . 山 东菏泽 人 , }屯要从事树轮气候 、 树轮水文 、 ’ 毛候 与环境研究 . D加 iI : yau ll y uj 5 5 02 @抓an . (o n :
DOI : 10. 13826 /j . cnki . cn65 -1103 /x . 2008. 04. 001
4 期 袁玉江等 :新疆天山西部三个云杉土树线树轮最大密度年表的研制 、相关性及其气候信号分析 5 61
者利用 2 0 0 7年在瑞士联邦森林 、 雪 、景观研究院做
访问学者期间完成的新疆伊犁和博尔塔拉蒙古自
治州的天山北坡的三个森林上树线采点的树轮密
度资料 ,分析采点和不同树轮生长去趋势方法对树
轮最大密度年表间相关性的影响 ,探讨气候状况不
同的天山北坡三个上树线采点最大树轮密度年表
对气候要素的相关强弱 , 以期增进人们对于云杉树
轮密度对气候的响应的认知深度 。
温 , 但嫩枝抗霜性较差 ,它性喜湿 ,在中海拔气候较
温和而 又湿润 的条件下 (降水量多为 60 一 80
m m
, 大气湿度较大或土壤比较湿润的地方 )生长甚
好 , 虽能忍受一定的干旱 , 但在干旱条件下生长不
良 , 雪岭云杉 与天山云杉生物学特性相同 , 但比天
山云杉更为喜湿 〔 ” 〕。 JP K 采点采于 2 0 0 4 年 , 共从
37 棵上采集了 69 个钻芯 , A W L 和 X BD 采点采于
2 0 0 6 年 , 均从 20 棵树上采集了 40 个钻芯 。 采点的
分布和其它特征见图 l 和表 1。资料与方法
本文所用的吉普克 ( PJ K ) 、 阿乌里亚乔克山
( A w )L 和小白代沟 ( X BD )三个树木年轮采点 自北
向南分布于新疆天山西部的伊犁北天山 (博罗科努
山 ) 、乌孙山 、 伊犁南天山北坡 。 根据新疆水文部门
的估算它们对应的年降水量分别大致为 442 m m ,
5 0 0 m m 和 7 0 9 m m ￡” · ” 〕。 三个采点均位于 上树线
附近 。 树种皆为云杉 ,细微的差别在于 PJ K 采点为
天 山云 杉 (价 e a 、 e h r e n k i n a iF s e h · e t Me 丁· ,夕 ,rI ·
tils(n
e h an i
e a ( R即 r . ) Ch e鳍 e r 5 . H . uF ) , AW L 和
X BD 采点为雪岭云杉 (疏。 a 、 。 h er nk ina i.sF o h o l .C
A
.
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.
( .P ob 。 : 心。 s’ h er nk in a C ar r . ) ) 。 天 山云
杉在国内仅产于新疆 , 主要分布于天 山 , 为耐荫树
种 , 能耐上方遮荫 , 抗寒性强 , 能忍受一 40 ℃的低
表 1 天山西部上树线三个树木年轮采点的位置与特征
T a b
.
1 F e a t u r e s a n d L o c a t io ns o f 3 t r e e一 r in g s a m Pl in g s i t e s n e a r th e u P Pe r t r e e I in e i n T i a n s h a n M o u n at i ns
采点代号 东经
8 2
0
5 4
户
5 0
8 1
0
0 4
`
3 5
8 1
0
15
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1 1
北纬 海拔 l/ , 树数 /株 钻芯个数 坡向 坡度 郁闭度 最大树龄
óU今、00ǎOC714 4 40 0 6
『
2 0 2 5 5 5
2 6 90
2 6 82
NW一 N N E09目`4O八0勺一,乙,4
4 3
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3 6
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2 6
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1 16
4 () S W 一 N E 8 0 0
.
2 64
KP叽BD
在瑞士联邦森林雪景观研究院 ,根据树轮密度
测定和分析的基本程序 , 在对树轮钻芯进行分段 ,
锯 片 , 和 X 射线树轮密度胶片生 成后 , 使用
w al e S C h 一d en d or 一 20 3 X 射线树轮密度测定仪 , 测
量 了三个采点的树芯样本高分辨率的 ( 10 卜m )密
度变化 ,并从高分别率的树轮密度曲线获取树轮宽
度 与树轮最大密度两项树轮宽度参数树轮轮宽 与
树轮最大密度 。使用树轮宽度和最大密度的曲线对
比 ,结合 C O FE C H A 程序交叉定年质量检验 〔 ’ “ } , 完
成对树轮最大密度资料的交叉定年 、
为了在树轮最大密度年表中尽可能多的保留
低频方差 ,树轮最大密度资料使用 二种不 同的去趋
势方法 (负指数曲线 ( NE P 无正 向坡度 ) 、 区域曲
线 ( R C S ) 和 3 0 0 年定 长样条 函数 ( S P )L ) , 由
A R S T A N 年表研制程序进行标准化和年表研制 ,此
外还使用 r 67 年定长样条函数进一步稳定年表的
5 62于 旱 区 地 理3 1卷
方差 最终得到 了树轮最大密度的标准化年表
( SD T)
,差值年表 ( R E S )和自回归标准化年表 ’ } 5一 `9 ’
为了分析不同采点和不同去趋势方法对 三个
采点 ( x B D , A w L , J P K )树轮最大密度年表的影响 ,
我们对比 厂树轮密度年表和其低频变化 ( 8 点滑动
平均 )曲线 , 并使用低通 滤波方法分离了树轮密度
年表的高 、低频变化后 , 计算了树轮最大密度年表
在全频 (原始年轮指数 ) 、 低频 (低通滤波值 , 滤去 <
8 年的高频变化 ) 、 和高频域 (高通滤波值 , 滤去 ) 8
年的低频变化 )的相关系数
为了估算 二个采点树轮最大密度年表中的气
候信号强弱 , 我们计一算了由 二种不同去趋势方法得
到的每一种树轮最大密度年表 ( S T D 、 RE S , A RS 尸 J
相应气象站月温度和降水资料的相关系数 , 以便发
现对气温降水资料相关最佳的最大树轮密度年 二对
X B D 采点 , 我们使用 了昭苏气象站 19 59 一 2 0 0 5 年
的气候资料 , 对 A w L 采点使用 J’ 察布查尔气象站
196 1
一 20 5 年的气候资料 但对 JP K 采点 , 使用
了温泉气象站 1962 一 2 0 0 4 的气候资料 ,这是考虑
到温泉气象站在博州地区海拔最高 , 其气象条件
比该区其他气象站 ’抓 ! l区森林的气象条件更为接
近 . 且进 一 步参考 j’ 以往我们进行博州地区树轮
宽度年表与气候的相关分析获得的经验后做出的
选择 (见图 l) 】 ,
研究结果
.1
勺`.2
2
.
1
.
1
采样点对树轮最大密度年表的影响
区域曲线去趋势方法得到三个采点树轮
最大密度标准化年表的差异 从图 2 中箭头所指
的部分及图 3 中的 8 点滑动平均曲线 : 对于 PJ K ,
A W L a洲 X BD 下屯个 L树线采点 , 其由区域曲线去
趋势方法研制的树轮最大密度年表的年际变化 与
小于八年的低频变化存在着一定的差异性 ,这 叮能
和 二个采点位于不同的山体北坡地区 , 影响树轮最
纂血柏架粉铸定
7万0 18 0 0 18 5 0 19 0 0 1日5 0 2 0 0 0
图 2 x l弓D八W IJ , IP K 采点山区域曲线去趋势方法研制的树轮址大密度年表的比较
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燕亚拓撰草
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图 3 X B D , 八W I , .JP K 采点山区域曲线去趋势方法研制的树轮报大密度年表 8 点滑动平均曲线的比较
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4期 袁玉江等 :新疆天山西部二个云杉 _L树线树轮最大密度年表的研制 、相关性及其气候信号分析 5 6 3
大密度形成的气候条件有所不同有关 。
2
.
1
.
2 区域曲线去趋势方法得到 三个采点树轮
最大密度标准化年表的频域相关性 从表 2 可 见 :
( 1 ) 二个采点树轮最大密度标准化年表两 两
间及平均的互相关系数 , 以在高频域最大 , 低频域
最小 , 全频域居中 , 说明三个采点间的最大树轮密
度变化 , 在高频变化方面最为相似 , 低频变化存在
着较大差异 。 三个采点的树轮最大密度年表 , 在揭
示 和重建大范围的高频气候变化方面具有较大的
应用潜力 。
( 2) X BD 和 AW L 采点间树轮最大密度年表间
在全频 、 低频和高频域的相关系数最伏 , PJ K 和
X BD 采点间最小 , A W L 和 PJ K 采点间居中 。 这说
明 , X BD 和 A W L 采点间树轮最大密度年表相似性
最好 , PJ K 和 x B D 树轮最大密度年表相似性最差 ,
A W L 和 J PK 采点间居中 。 其原因可能在于 : X BD
和 A W L 采点间的直线距离最近 , 两者又位于同一
气候区 , 影响树轮最大密度形成的气候因子相似 ,
故两者树轮最大密度年表间的相关性最好 ; 而 PJ K
和 X BD 采点间的直线距离最远 , 且两者位于不同
的气候区 , PJ K 采点的降水量要小于 X BD 采点 , 影
响树轮最大密度形成的气候因子相差异能较大 ,故
两者树轮最大密度年表间的相关性最差 。 A W L 和
JP K 采点间情形居于 与前两者 , 距离较近 , 但不在
同一气候区 ,所以其树轮最大密度年表间的相关性
居中
表 2 三个采点区域曲线去趋势最大密度标准化年表在
全频 、 低频和高频域的互相关系数
T a b
.
2 C o r r e la t io ns fo r r e g io n a l c u r v e c h r o n o l o g i e s o f
m a x im u m d e n s it y a m o n g th e 3 s i t e s in th e a l l fr e q u e n c y
,
I o w e r fr e q u e n e y a n d h ig h e r fr e q u e n e y d o m a in
年表代号 X BD一 A钱一 l 入W L一 JPK JPK一 X BD 平均值
个频域 0 . 58 4 0 . 44 0 0 . 3 85 0 . 4 70
低频域 0 . 46 9 0 . 29 1 0 . 19 1 0 . 3 17
高频域 0 . 66 7 住 5 5一 0 . 5 07 0 . 5 96
表「1, : 个频域相关年份为 】6 69 一 2 004 , , ; = 33 6 ; 高 、 低频域相关年
份是 16 7 6一 19 9 8 , ; , = 3 24
2
.
2 三种去趋势方法对树轮最大密度年表的影响
2
.
2
.
1 三种去趋势方法对树轮最大密度年表的
影响 如图 4 所示 , 由区域曲线 、负指数 、样条函数
去趋势方法研制的 X B D 和 A W L 两个采点的树轮
最大密度标准化年表的平均值曲线 , 显示出了很强
的同步性 :
— 区域曲线去趋势法一 负指数曲线去趋势法
- -一 样条函数去趋势法
血帕绷象草
1 70 0 1 7 5 0 18 0 0 1 8 5 0 19 0 0 19 5 0 2 0 0 0
图 4 由区域曲线 、 负指数 、 样条函数去趋势方一法研制的 x B D , A W L 两个采点
的树轮最 友密度年乎均值的比较
F 19
.
4 C
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o r l《 { 入W L 。 一t〔· 、
2
.
2
.
2 三种不 同去趋势方法对树轮最大密度 年
表频域相关性的影响 从表 3 可见 : 三种不同去趋
势方法研制的 X BD 和 A W L 采点树轮最大密度 丰
表平均值序列在全频 、 低频和高频域的相关系数 .均
极高 , 与图 4 所展示结果相一致 。 这说明 ,新疆天山
西部山脉北坡 上树线的树轮最大密度年表对年表研
制的 三种不同去趋势方一法并不敏感 ,其最大密度的
变化差异性主要由不同采点的气候变化差别造成 。
5 6 4干 旱 区 地 理 3 1卷
表 3三种不同去趋势方法研制的 B X D和 A WL
采点树轮最大密度年表平均值在全频 、
低频和高频域的相关系数
Ta b
.
3 C o re rlai t o nsf o rth e mea neh ro nol ogi e s of
t re e一 ri ng ma xi mu md e nsi t yove rXB Da nd A WL si te s
P rod c e ud f ro mth e e ri d e f
e r ntd e te r ndi ng me th od si n
th a e llf re qc e u n y
,
Io w e r fr e q u e n e y a n d h ig h e r
fr e q u e n c y d o m a in
表 4 三个采点用不同去趋势方法研制的
树木年轮最大密度年表与气候资料的相关系数
T a b
.
4 C o r r e l a t i o sn b e t w e e n t h e t r e e 一 r i n g m a x im u m
d e n s it y e h r o n o lo g ie s Pr o d u c e d fr o m 3 d ife
r e n t d e t r e n d i n g
m e t h o d s a n d c lim a t e d a at o v e r X B D
,
A W L a dn J P K
s it e s
采点代码
去趋势方法
平均温度 2 一 8 ) {
()
.
5 15 A R S
2 一 8 月
( )
.
5 15 A R S
2 一 8 月
0
.
5 14 A R S
采点代码
全频域
低频域
高频域
I飞CS 一 N E X N EX 一 s l JL 5 1 ) L一 R C S
( )
.
9 9 5 0
.
9 7 8
O
.
O
.
9 6 7
9 2】 0 . 9 8 8
( )
.
99 7
0
.
9 5 2
( )
.
9 9 3
降水总 {霆
采 l从代码
去趋势力一法
平均温度
入W l
R C S
5 一 8 )」
( )
.
4 8 9 S T I)
5 一 8 月
0
.
4 8 1 S T D
5 一 8 月
0
.
5 0 6 5
『
r D
8 月
0
.
4 12 R E S
KPJ昭f8
表中 : 全频域相关年份为 16 69 一 20() 4 ,, = 3 36 ; 高 、低频域相
关年份是 16 7 6一 19 9 8 , , , = 3 24
2
.
3 三个采点树轮最大密度年表中气候信号的比较
从表 4 叮见 : ( l) 位于森林 _ L树线的三个树轮
最大密度年表主要与当年的月平均温度具有显著
相关 , 与降水几乎没有关系 ,这与前人的研究所揭
示 的树轮最大密度年表主要和生长季温度具有较
显著的相关性大体相一致 ’ 一 5 , 不同的是在 X B D
采点 2 一 3 月的温度与树轮最大密度的形成也有
一定关系 , 其生理意义细节尚待探讨。 也许与冬末
春初的温度偏高 , 有利于生长季的及早开始和积雪
的融化使土壤水分条件较好 ,进而通过某种树木的
生理过程促进晚材最大密度的增加有关 ; ( 2) 从
JP K 经 AW L 到 X BD , 随着山 区 年降水 总量从
4 4 2 m m
,
5 0 0 n l m 增力f l到 7 0 9 : n n l , 树轮最大密度年
表 与当年几个月平均温度的相关性增强 , 且显著相
关平均温度涉及的月数也不断增多 ( 1 (8 月 )到 4
( 5 一 8 月 ) 再到 7 ( 2 一 8 月 ) ) : ( 3 ) 又引司一采点而
言 , 不同的去趋势方法对树轮最大密度年表与温度
的相关性影响甚小 ,但与一平均温度相关最佳的树轮
最大密度年表的类型 ( S T D , R E S , A R S )却能保持一
致 这提示我们 ,对每一个采点研制叹种类型的树
轮最大密度年表的必要性要大于使用不同的去趋
势方法研制年表 ; ( 4 ) 对不同采点而言 , 与平均温
度相关最佳的树轮最大密度年表的类型 ( S T D . R E S ,
A R S )不同
降水总 }量
采点代码
去趋势力法
平均温度 8 月
( )
.
4 15 R E S 0
.
4 】4 R E S
降水总 }己
注 :表中单相关系数的显著水平均超过 了 0 . 01 ; 对 X BI ) 采点 : 乙礼
候资料年代为 ! 95 9 一 20 05 年 , 邝 = 47 ; 对 Aw l 采点 : 气候资料年代
为 ! 9 61 一2 0( 巧 年 , 入= 4 5 ;对 JPK 采点 :气候资料年代为 l% 2 一 2 0 04
年 , 刀= 43 八R s 代表自回归年表 ; S TI ) 为标准化年表 ; R ES 是差位
年表
3 结论
综 卜所述 ,通过对新疆天山西部三大山体北坡
土树线树轮最大密度年表的研制与比较 , 可得到以
下几点结论 :
( l ) 采点间的距离和是否位于 同一气候区是
影响云杉 上树线树轮最大密度年表间相关性的重
要因子 二个采点间的最大树轮密度变化 , 在高频
变化方而最为相似 , 低频变化存在着较大差异 ,表
明它们在揭示 和重建大范围的高频气候变化方面
可能具有较大的应用潜力。
( 2 ) 天山西部山脉北坡 L树线的云 杉树轮最
大密度年表对年表研制的三种不同去趋势方法不
敏感 , 天山西部 LIJ脉北坡 卜树线的树轮最大密度年
表对当年的温度具有显著的相关性 , 年降水量越多
的山区 ,其 L树线最大密度年表对温度的相关性越
好 , 日_ 显著相关平均温度涉及的月数也不断增多 厂
( 3 ) 同一采点而言 , 不同的去趋势方法对云杉

566于 旱 区 地 理 3 1卷
De e v lo P me nt
, c o r r e l a t i o n a n d c lim a t e s i g n a l a n a l y s i s o f t h r e s P r u c e
c h r o n o l o g i e s o f t r e e一 r i n g lI a X l l U m d e n s i t y fr o m u P P e r t r e e Ii n e i n t h e w e s t e r n
T i a n s h a n M
o u n t a i n s o f X i nj i a n g
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