萬金紅，楊志勇，張葆蔚，劉和平，方宏陽，5，李云鵬，張念強，劉建剛

（1．中國水利水電科學研究院a．水利史研究所；b．流域水循環(huán)模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038；2．水利部防汛抗旱減災工程技術研究中心，北京 100048；3．國家防汛抗旱總指揮部辦公室，北京 100053；4．遼寧省水文水資源勘測局，沈陽 110003；5．河北工程大學水電學院，河北邯鄲 056038）

小五臺山油松樹輪寬度重建近百年夏季亞洲－太平洋濤動指數

萬金紅1a，2，楊志勇1b，張葆蔚3，劉和平4，方宏陽1b，5，李云鵬1a，2，張念強1a，2，劉建剛1a，2

（1．中國水利水電科學研究院a．水利史研究所；b．流域水循環(huán)模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038；2．水利部防汛抗旱減災工程技術研究中心，北京 100048；3．國家防汛抗旱總指揮部辦公室，北京 100053；4．遼寧省水文水資源勘測局，沈陽 110003；5．河北工程大學水電學院，河北邯鄲 056038）

夏季亞洲－太平洋濤動指數（IAPO）能夠很好地指示中國東部季風區(qū)夏季降水變化。利用樹輪寬度指數作為代用資料，結合氣象資料分析表明油松徑向生長與春、夏兩季的氣溫和降水呈現明顯的相關關系。在此基礎上，利用樹輪指數序列重建了近百年（1914—2006年）夏季IAPO序列。重建結果表明，重建序列在低頻信息1914—2006年間存在3個正位相階段和4個負位相階段，其中，1914—1948年間IAPO整體趨勢一直處在負位相；1948—1965年間IAPO整體趨勢一直處在正位相；60年代中期以來IAPO基本處在負位相，僅在70年代中期、90年代左右出現短暫的正位相。對比分析表明，重建的夏季IAPO序列與另一夏季IAPO重建序列具有良好的同步性。

夏季亞洲－太平洋濤動指數（IAPO）；油松樹輪寬度；小五臺山

1 研究背景

夏季亞洲－太平洋濤動（Asian-Pacific Oscillation，簡稱APO）描述為亞洲和太平洋中緯度對流層擾動溫度之間存在的“蹺蹺板”現象，當亞洲大陸中緯度對流層偏冷時，中、東太平洋中緯度對流層偏暖，反之亦然。習慣上，把亞洲和太平洋500～200 hPa平均T之差定義為APO指數［1－2］。研究表明APO對東亞地區(qū)的氣候異常也有著重要影響，APO指數能夠很好地指示中國東部季風區(qū)夏季降水變化［3］。當APO指數偏高時，東亞和南亞夏季風偏強，長江以北和以南的降水增加，其中東部季風區(qū)北緯35°～40°間出現＋100mm降水異常，而長江流域降水會減少。也有研究指出，這種現象也發(fā)生在春季和秋季［4－5］。因此研究APO指數（IAPO）的變化規(guī)律，對于我國東部季風區(qū)水資源管理和防汛抗旱減災工作的開展具有重要意義。

由于歷史時期觀測資料的缺乏，人們對IAPO長期變化規(guī)律的認識還很有限，目前利用代用資料重建IAPO的研究還不多見。樹木年輪作為一種定年準確、分辨率高、連續(xù)性好的古氣候代用資料可以在一定程度上反映IAPO長期的變化規(guī)律。目前，我國研究者已建立大量樹輪年表，開展了許多富有意義的樹輪氣候學研究，如陳峰等人［6］采用我國低緯度武夷山山區(qū)的馬尾松樹輪重建了歷史時期的IAPO的變化情況。

本文利用取自中緯度海河流域小五臺山自然保護區(qū)的油松樹輪樣本，建立了一個長度為95 a的樹輪寬度標準化年表，在分析年表對氣候要素相應的基礎上，嘗試利用該年表重建了近百年夏季亞洲－太平洋濤動指數（IAPO）變化序列，分析近百年來夏季IAPO的變化特征，為歷史時期氣候變化研究提供基礎數據與參考依據。

2 資料與方法

2．1 研究區(qū)概況

小五臺山位于河北省西北部的蔚縣和涿鹿縣境內，地處燕山、恒山、太行山3大山脈交匯地帶，屬于恒山余脈。小五臺山自然保護區(qū)范圍為東經114°47′～115°30′，北緯39°50′～40°07′，東西長60 km，南北寬28 km，總面積為21 833 km2。

小五臺山自然保護區(qū)是理想的氣候變化研究區(qū)，它地處溫帶半濕潤與半干旱氣候的天然分界線上，自然環(huán)境特殊，屬暖溫帶大陸季風型山地氣候。一年中溫差大，冬季受蒙古高壓控制，氣候寒冷干燥，風大，凍結時間長，無霜期短；夏季受海洋氣團影響，氣候溫暖濕潤，雨熱同期，降水一般集中于6—8月份。由于人類活動的強烈影響，大部分的原生森林都已被砍伐破壞，只是在保護區(qū)內保存有較完好的大片原生林和次生林［7］。

2．2 采樣與樹輪年表制作

樹輪樣本采樣布局遵循樹木年輪氣候學采樣點的選擇基本原理，同時考慮到小五臺山地區(qū)環(huán)境特點和研究需要，在蔚縣小五臺山麓的常寧鄉(xiāng)西金河口村（114°57．268′E，39°56．251′N）布設采樣點（圖1），采樣點均處于當地油松林分布的下限。為保證樹芯樣本所含氣候信息的一致性，所采集樹木樣本間的垂直高度差被控制在100 m左右。所采樹種為油松，采樣時間為2011年8月。

圖1 樹輪采樣點和氣象站位置Fig．1 Location of tree-ring sampling and meteorological station

此次研究共選取25棵油松，每棵樹采集2個復本，共采集50個樣芯，樣本直徑5 mm。這些油松生長海拔約1 330 m，坡度為25°左右的山麓陰坡，多與白樺、堅樺組成的針闊混交林，森林郁閉度較高，林下灌木有毛榛、虎榛子、胡枝子等。

樹木年輪樣本在北京師范大學地理學與遙感科學學院樹木年輪實驗室進行處理。依照樹輪樣本處理的基本程序，首先對所采樣芯進行晾干、粘貼、磨平和打光及交叉定年初步處理，然后使用精度為0．01 mm的LINTAB5樹木年輪分析儀對樣芯樹輪寬度進行測量。去除有火燒痕跡的樣芯及個別與主序列相關性不好的樣芯，最終選用44條樣芯進行分析。

利用COFECHA程序對測量結果進行檢驗。經分析，樣芯平均敏感度為0．304，序列之間相關系數為0．689（P＜0．01）。總體上看，采樣點樣本的定年效果較好，樣點樹木對環(huán)境的響應也較敏感，適合建立樹輪年表。利用ARSTAN程序建立小五臺山油松樹輪年表。由于小五臺山處于半濕潤半干旱地區(qū)，樣本所處森林的郁閉度較高，故樹木之間存在較明顯的生長競爭。為了更好地減少非氣候因素對樹木生長的影響，且考慮到序列平均長度不足100 a，因此選用負指數函數擬合生長趨勢，去除低頻噪音，運用雙權重平均法將上述去除生長趨勢后的序列合并為均值為1和最小值為0的無量綱樹輪寬度指數序列，最終建立了樹輪寬度標準化年表（STD）；考慮到樹木之間的競爭可能會導致寬度上的低頻變化，為最大限度地排除這些非氣候變化的持續(xù)影響，又以赤池信息量準則最小為依據，對自回歸模型確定階次，擬合去趨勢序列的最優(yōu)回歸模型，對去趨勢序列進行再次標準化，對得到的差值序列同樣以雙權重平均法合成差值年表（RES）。相關統(tǒng)計量見表1。

表1 小五臺山油松年輪寬度標準化年表、差值年表主要統(tǒng)計指標Table 1 Statistics of tree-ring STD and RES chronologies

2．3 夏季APO指數重建方法

利用NCEP的夏季IAPO資料［1］（年代長度為1948—2008年）與樹輪寬度指數序列進行相關分析。相關分析表明，油松樹輪寬度標準化年表序列與NCEP的夏季IAPO存在明顯的正相關，相關系數為0．249（P＜0．05，N＝61）。經典的樹輪氣候學認為樹木年輪形成不僅受到當年氣候的影響，而且還有可能受到上年，甚至前年的氣候條件的影響。因此，我們利用小五臺山油松寬度標準化年表，應用SPSS 19．0進行線性回歸分析方法建模。

利用當年夏季IAPO與當年、次年和再次年樹輪寬度指數進行回歸，得到回歸方程為

式中：IAPO為重建的夏季亞洲－太平洋濤動指數；XWTt為小五臺油松樹輪寬度指數當年序列；XWTt＋1為油松樹輪年表次年序列；XWTt＋2為油松樹輪年表再次年序列。

該重建方程的復相關系數為0．450，方差解釋量為20．2%，調整方差解釋量為15．9%，F＝4．646，P＜0．01。當選擇更多的年份進行回歸計算時，F值的改變量不再顯著。因此本文采用方程（1）重建近百年夏季的亞洲－太平洋濤動指數。

利用交叉驗證法對回歸方程的穩(wěn)定性進行檢驗，統(tǒng)計重建序列與NCEP序列符號檢驗、乘積平均值和殘差縮減值（reduction of error，RE）等相關參數。符號檢驗達到了0．05的顯著性水平；乘積平均值檢驗t＝3．514（P＜0．01），表明重建序列和NCEP的夏季IAPO資料序列間同號年與異號年之間在量值上的差別比較顯著，估計序列與實測序列較接近；殘差縮減值是精確檢驗氣候重建值可靠性的統(tǒng)計量，研究［8］指出RE是一個非?？量痰臋z驗統(tǒng)計量，其取值范圍是（－∞，＋1．0］，RE＞0表示重建是有技巧的，RE＞0．2表示重建是可信的，RE＝1表示重建序列是完美的。本研究的誤差縮減值RE＝0．249，表明重建所得到的夏季IAPO值是可靠的。交叉檢驗結果表明，回歸方程的各項檢驗參數均達到或超過95%的置信度，顯示選定的回歸方程是穩(wěn)定、有效的。

3 結果與討論

3．1 樹輪指數對氣候要素的響應

樹木生長對氣候要素的響應研究是樹輪氣候學的基礎，準確地響應關系是可靠重建的保證。處在半濕潤半干旱過渡帶上的樹木，降水和氣溫是制約樹木生長的主要限制因子。在生長季的降水主要通過光合作用來影響樹木的生長，尤其當年春、夏兩季是樹木年輪形成層活躍期，光合作用逐漸增強，此時降水量的增加將有利于凈光合產物的產生，從而促進植物細胞的分裂，提高生長速度，形成較寬的輪。

本研究選取采樣點附近的蔚縣氣象站（114°34′E，39°50′N）的氣象資料（1954—2008年）（來自中國氣象科學數據共享服務網：http：∥cdc．cma．gov．cn），該站氣象資料的一致性檢驗表明，蔚縣的月降水量和月平均溫度資料能夠較好地滿足一致性要求，可被認為代表了自然界的氣候要素變化。氣象序列自相關分析表明，上述序列沒有表現出明顯的自相關關系。將油松樹輪寬度指樹序列與蔚縣氣象資料進行相關分析，表明小五臺山油松年輪寬度標準化年表與春、夏兩季的降水和氣溫2項主要氣候要素存在顯著相關性，其中與夏季降水顯著相關（r＝0．515，P＜0．01），與春季降水也存在顯著相關（r＝0．351，P＜0．01）；與夏季氣溫顯著相關（r＝－0．348，P＜0．01），與春季氣溫也存在相關（r＝－0．232，P＜0．05）。

3．2 夏季APO指數重建系列分析

利用回歸方程（2）重建了1914—2006年的夏季IAPO序列（圖2（a））。為了檢測低頻信息，采用10年快速傅立葉變換（FFT）低通濾波對重建序列進行處理，發(fā)現在低頻信息上1914—2006年間存在3個正位相階段和4個負位相階段。其中，1914—1948年IAPO整體趨勢一直處在負位相，表示這一時段反映了夏季亞洲－太平洋東西向熱力差異偏弱。根據文獻［1－2］，這種熱力差異的負位相表明東亞夏季風偏弱，即長江流域降水較多，黃淮海地區(qū)降水相對較少，這與Zheng等人［9］的東部地區(qū)降水變率研究結論相符合。此外，也與1920年、1940年北方地區(qū)的大面積干旱事件的史實相吻合。1948—1967年IAPO整體趨勢一直處在正位相，并在20世紀50年代中期這種正位相達到最高值，這與20世紀50年代北方地區(qū)頻繁出現暴雨洪澇事件相吻合。20世紀70年代以來IAPO基本為負位相，這與文獻［10］的結論基本一致。如1967—1973年、1977—1987年和1997—2006年間存在短暫5～10 a的負位相階段；僅在1973—1977年和1987—1996年間存在短暫4～10 a的正位相階段，這與我國北方地區(qū)近30年來持續(xù)的干旱化事實相符合。通過與蔚縣夏季實測降水數據（圖2（b））進行對比，在低頻信息上夏季APO指數重建值與夏季降水系列變化具有較好的同步性。

圖2 夏季APO重建值與降水變化Fig．2 Reconstructed summer IAPOand precipitation variation

古氣候代用資料校準是當前我國古氣候研究的關鍵問題之一。張德二［11］指出任何從自然環(huán)境（樹輪、石筍、湖泊、冰芯等）和人文記錄取得的古氣候待用資料都需要盡可能地與不同途徑的地氣候記錄（儀器測量、人文記錄等）進行對比，以進一步確認這些代用記錄的氣候含義解釋的正確性和測量、推演數據的可靠性，以及時間刻度的準確性等。為了檢驗油松樹輪重建的夏季IAPO歷史變化的可靠性，本文將重建的IAPO序列與周秀驥等［12］重建的夏季IAPO序列（簡稱周序列）進行對比（圖3）。周序列是利用北京房山石花洞石筍數據重建歷史時期夏季IAPO序列。對比分析表明，油松重建序列與周序列的相關顯著（r＝0．514，P＜0．01），在氣候變化的低頻信息上呈現出良好的同步性。這證明利用樹輪年表構建的IAPO序列與利用石筍重建的IAPO序列具有良好的一致性，也就是說利用我國東部中緯度樹木年輪重建歷史時期夏季亞洲－太平洋濤動變化是可行的。

圖3 夏季IAPO重建序列對比Fig．3 Comparison of reconstructed summer IAPO（gray line）and Zhou’s IAPO（short dash）

3．3 重建精度的討論

氣候變化基本上控制著樹木合成養(yǎng)分的過程，樹木年輪寬度的不同主要是因為樹木在生長季所得到的養(yǎng)分和激素的量不同。在良好的氣候條件下，樹木能產生充分的養(yǎng)分供給生長所需，因而能形成寬年輪。但在干燥的地方或高溫、干旱的年份，樹木內部吸收營養(yǎng)的競爭比較激烈，養(yǎng)分和激素在從樹冠向根部運輸的過程中因被消耗而減少，樹干基部的形成層只能吸收到有限的養(yǎng)分，這種情況下就極易形成窄年輪或者缺輪。事實表明，小五臺山自然保護區(qū)處在東亞季風區(qū)的邊緣，已有的研究表明［13］降水是制約小五臺山自然保護區(qū)內油松生長的主要限制因子。而且20世紀初期長期干旱環(huán)境造成了油松徑向生長受阻，缺輪現象較為常見。盡管樹木年輪的寬度可能與樹的種類及樹木所處地點和地理環(huán)境不同而異，但現有的大量研究表明，利用樹木年輪重建歷史時期的氣候變化是可行。

由于樹木年輪是一個緩慢的生長過程，無法適應超過限制能力的快速變化過程，或者超過生理適應極限時出現抑制生長的結果。如局地氣溫的急劇變化、長期的低溫或高溫、降水量的高頻級差變化、土壤理化屬性等，這些因素都影響著樹木年輪生長的時滯效應，從而出現氣候要素與樹木年輪的對應關系在特定適度較為穩(wěn)定，而另一些時段則不一定很穩(wěn)定得現象。因此，樹木年輪重建歷史時期的氣候變化可以較好的反應氣候要素變化的低頻信息，對高頻信息的獲取，仍需要大量的研究。因此利用小五臺山自然保護區(qū)內的樹木年輪資料來刻畫APO指數年代際或更長時間尺度上的變化趨勢是可行的。

4 結 論

夏季亞洲－太平洋濤動強弱變化直接影響到小五臺山地區(qū)（蔚縣）主要氣象要素的變化，小五臺山油松年輪寬度與夏季的降水間存在顯著相關關系，使利用樹輪寬度指數重建夏季IAPO成為可能。因此，本文利用海河流域小五臺山地區(qū)的樹輪寬度指數序列，重建了1914—2006年的夏季亞洲－太平洋濤動指數（IAPO）序列。

重建結果表明，在IAPO系列的低頻信息1914—2006年間存在3個正位相階段和4個負位相階段。其中1914—1948年間出現了一次長達30 a的負位相階段，這與民國政府時期我國北方地區(qū)頻繁發(fā)生的大范圍干旱災害事件彼此驗證。1948—1967年間IAPO整體趨勢一直處在正位相，持續(xù)長達20 a。此外，1967—1973年、1977—1987年和1997—2006年間存在短暫5～10 a的負位相階段；1973—1977年和1987—1996年間存在短暫4～10 a的正位相階段，這與北方地區(qū)近30 a來持續(xù)的干旱化事實相符合。并且自1950年代以來，IAPO重建系列與氣象實際觀測資料在低頻信息上存在較好的同步性。此外，本文重建的夏季IAPO序列與已有夏季IAPO重建序列間具有良好的同步性。

以上表明，利用中緯度樹木年輪重建夏季亞洲－太平洋濤動年際變化可行，蔚縣樹輪寬度指數變化不僅反映出區(qū)域的氣象要素的變化，也對大尺度氣候變化模式存在明顯響應關系。通過樹輪等高分辨率古氣候代用資料重建歷史時期夏季IAPO指數的變化情況，對于研究我國東部季風區(qū)歷史時期干濕氣候變化趨勢具有重要的參考意義。

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（編輯：趙衛(wèi)兵）

Summer Asian-Pacific Oscillation Index Variations during the Past Century Recorded in Pinus tabulaeformis Tree-ring at Xiaowutai Mountain

WAN Jin-hong1，3，YANG Zhi-yong2，ZHANG Bao-wei4，LIU He-ping5，FANG Hong-yang2，6，LIYun-peng1，3，ZHANG Nian-qiang1，3，LIU Jian-gang1，3
（1．Water History Department of IWHR，Beijing 100038，China；2．State Key Laboratory of Simulation and Regulation ofWater Cycle in River Basin of IWHR，Beijing 100038，China；3．Research Center on Flood and Drought Disaster Reduction of MWR，Beijing 100048，China；4．Office of State Flood Control and Drought Relief Headquarters，Beijing 100053，China；5．Hydrology and Water Resources Survey Bureau of Liaoning Province，Shenyang 110003，China；6．School ofWater Conservancy and Electric Power，Hebei University of Engineering，Handan 056038，China）

Summer Asian-Pacific Oscillation Index（IAPO）is a good indicator of summermonsoon precipitation variations in east China．With the tree-ring width index as proxy data，significant correlation is found between the radial growth of Pinus tabulaeformis and themeteorological data（temperature and precipitation）in spring and summer．On this basis，the summer IAPOsequence in the past hundred years（1914-2006）is reconstructed by using

tree-ring index sequence．The results show that there are three positive phase stages and four negative phase stages in the low-frequency information of reconstruction sequence．Except for transitory positive phase in mid-1970s and around 1990s，the overall trend of IAPOis negative phase from 1914 to 1948，positive phase from 1948 to 1965，and generally negative phase since the mid-1960s．Comparative analysis shows that the reconstructed summer IAPOsequence is well synchronic with another summer IAPOreconstruction sequence．

summer Asian-Pacific Oscillation index（IAPO）；tree-ring width of Pinus tabulaeformis；Xiaowutai Mountain

P467；Q94

A

1001－5485（2013）11－0011－05

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．11．003

2012－12－06；

2013－01－06

國家重點基礎研究發(fā)展計劃（973）資助項目（2010CB951102）；科技部科技基礎性工作專項資助項目（2009FY220200）

萬金紅（1980－），男，北京人，工程師，從事水旱災害史、災害社會學研究，（電話）010－68786146（電子信箱）wanjh＠iwhr．com。