秦 莉,袁玉江,喻樹龍,范子昂,尚華明,陳 峰,張同文,張瑞波

中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所;中國氣象局樹木年輪理化研究重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室;新疆樹木年輪生態(tài)實(shí)驗(yàn)室, 烏魯木齊 830002

新疆賽里木湖流域過去373年降水變化的樹輪記錄

秦 莉*,袁玉江,喻樹龍,范子昂,尚華明,陳 峰,張同文,張瑞波

中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所;中國氣象局樹木年輪理化研究重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室;新疆樹木年輪生態(tài)實(shí)驗(yàn)室, 烏魯木齊 830002

利用采自天山西部賽里木湖流域的樹木年輪標(biāo)準(zhǔn)化寬度年表,重建了賽里木湖流域過去373年上年8月到當(dāng)年7月的降水變化,重建序列的解釋方差達(dá)到39.8%,多方驗(yàn)證表明,重建結(jié)果是穩(wěn)定可靠的。分析歷史降水變化特征表明,賽里木湖流域過去373年的降水經(jīng)歷了6干7濕的階段變化,其中,持續(xù)最長的干旱階段為1762—1791年,而最為干旱的階段為1841—1865年;持續(xù)最長的濕潤階段為1794—1840年,而最為濕潤的階段為1734—1761年間;賽里木流域歷史降水存在3個(gè)極端濕潤年(1749,1876和1924年)和4個(gè)極端干旱年(1714,1775,1847和1917年),1910年代為最干旱的十年;降水變化存在11—12a、3.0a、2.5a、2.1a和2.0a的變化準(zhǔn)周期;賽里木湖流域過去373年的降水的階段變化、周期變化和極端降水年份均與天山北坡中西部和中亞天山山區(qū)降水變化具有很好的一致性,本研究的降水重建序列能較好的代表天山北坡中西部和中亞大部分區(qū)域歷史降水變化。

賽里木湖; 樹木年輪; 降水;氣候變化;天山

IPCC第五次評估報(bào)告顯示全球變暖成為不爭的事實(shí),但區(qū)域氣候變化仍然存在很大的不確定性,有待進(jìn)一步研究[1]。全球變暖導(dǎo)致不同區(qū)域的降水和水文循環(huán)產(chǎn)生不同的變化[2],而Huang 等[3]認(rèn)為氣候變暖加速干旱區(qū)的擴(kuò)展?！稓夂蜃兓瘒以u估報(bào)告》指出,目前氣候變化對于干旱和洪澇等極端氣候事件的研究尚處于起步階段,無論是研究方法和研究內(nèi)容都比較薄弱。深入研究分析氣候變化背景下干旱演變的態(tài)勢,進(jìn)行合理的干旱預(yù)警與流域干旱致災(zāi)效應(yīng)分析,對科學(xué)用水、水資源合理調(diào)配以及流域的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。世界氣象組織(WMO)和IPCC聯(lián)合發(fā)布的報(bào)告指出,未來某些內(nèi)陸干旱區(qū)的持續(xù)干旱和高溫等極端時(shí)間很可能更加頻繁地發(fā)生[4]。因此,理解區(qū)域歷史干濕變化并提取歷史主要干旱事件對區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,水資源管理和防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。

天山山系呈東西走向,橫貫在中國、吉爾吉斯斯坦和哈薩克斯坦境內(nèi),全長2400多km,是亞洲最大山系之一,總面積約100萬km2,天山被譽(yù)為中亞干旱區(qū)的“濕島”,氣候獨(dú)特,生態(tài)環(huán)境脆弱,這決定了該區(qū)域在全球變化研究中的特殊地位,理解該地區(qū)氣候變化機(jī)制對區(qū)域水資源可持續(xù)利用至關(guān)重要[5]。Shi等[6]研究表明,中國西北部從19世紀(jì)小冰期結(jié)束以來100a左右處于波動(dòng)性變暖變干過程中,1987年起新疆以天山西部為主地區(qū)氣候出現(xiàn)了由“暖干”向“暖濕”轉(zhuǎn)型現(xiàn)象。賽里木湖位于西天山中段、準(zhǔn)噶爾盆地西南隅,處于我國西風(fēng)帶天氣系統(tǒng)的上游地區(qū),對其過去氣候變化事實(shí)的揭示有利于我國西部地區(qū)尤其是新疆的氣候診斷、氣候預(yù)估、防災(zāi)減災(zāi)和水資源利用和管理等決策和服務(wù)工作的順利實(shí)施,更有利于絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶和天山北坡經(jīng)濟(jì)帶的建設(shè)。而賽里木湖流域氣象站稀少,且建于20世紀(jì)60年代以后,因此,認(rèn)識(shí)長期賽里木湖流域長期干濕變化及其在年代際-百年尺度上的規(guī)律需借助于代用資料。在眾多的代用資料中,樹木年輪以其分辨率高、連續(xù)性好、樣本分布廣泛和定年準(zhǔn)確等特點(diǎn)在古氣候重建以及古環(huán)境演變等方面得到較好應(yīng)用[7- 12]。 近幾十年來,研究人員在天山山區(qū)做了大量的樹輪氣候研究工作,研究表明,在天山山區(qū),樹木年輪徑向生長對降水響應(yīng)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于氣溫,利用樹輪寬度已重建了中國天山山區(qū)多條降水序列[13- 25]。但到目前為止,賽里木湖流域歷史氣候序列還未曾建立。本研究利用采自中國天山西部賽里木湖流域的雪嶺云杉樹輪樣本,結(jié)合氣象觀測資料重建了賽里木湖流域過去373年的干濕變化,并探討歷史干濕變化特征及可能的影響因素。本研究完善了中亞天山樹輪氣候資料網(wǎng),為進(jìn)一步大范圍氣候重建及解釋中亞干旱區(qū)歷史氣候變化的影響機(jī)制奠定基礎(chǔ)。

1 資料和方法

1.1 研究區(qū)概況與樹輪資料獲取

賽里木湖位于我國西北干旱區(qū),西與哈薩克斯坦隔山相望,地處西天山北坡中段、準(zhǔn)噶爾盆地西南隅,湖泊集水面積為1408 km2,湖面海拔2072m。賽里木湖流域受西風(fēng)帶影響,湖區(qū)常年盛行西風(fēng)或偏西風(fēng),經(jīng)西風(fēng)環(huán)流帶來的水汽是該區(qū)降水的主要來源[26]。雪嶺云杉(PiceaschrenkianaFisch. et Mey)大量分布于賽里木湖四周亞高山帶(2150—2600m)的陰坡和河谷底部,構(gòu)成了環(huán)賽里木湖的原始暗針葉純林[27]。樹輪樣本于2010年采自賽里木湖流域北部海西溝(HXG,81°11′E,44°43′N)(圖1),采樣點(diǎn)位于森林中下線的陰坡,海拔高度為2240—2280 m,坡向?yàn)楸逼?坡度為20°左右,共采集了30棵樹60個(gè)樣芯。

1.2 氣象資料

氣象數(shù)據(jù)選擇距采樣點(diǎn)最近的溫泉縣氣象站(81°01′ E,44°58′ N,海拔1353.9 m,1959—2010年)的逐月降水、溫度(月平均氣溫、月平均最高氣溫、月平均最低氣溫)資料,資料來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn/),該地區(qū)屬于溫帶大陸性氣候,主要?dú)夂蛱攸c(diǎn)雨熱同期、冬冷夏熱、晝夜溫差大、日照時(shí)間長、降雨量小、蒸發(fā)量大,年平均氣溫為3.9 ℃,年平均降水量228 mm[28](圖2)。將重建序列與英國East Anglia 大學(xué)的Climatic Research Unit( 簡稱CRU) 1901 年1 月到2014 年12 月的高分辨率全球逐月格點(diǎn)數(shù)據(jù)集(CRU TS 3.23)進(jìn)行空間代表性對比,本研究選用較為可靠的并與重建序列交叉的1960—2009年CRU降水?dāng)?shù)據(jù)分析重建序列的代表性。

圖2 溫泉?dú)庀笳窘ㄕ疽詠淼钠骄鶜鉁睾徒邓康脑伦兓?1959—2010)Fig.2 Mean monthly temperature and precipitation of Wenquan meteorological station (1959—2010)

1.3 研究方法

樹輪樣本在中國氣象局樹木年輪理化研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行晾干、固定、打磨、定年,用輪寬測量儀Velmex (Velmex Inc., Bloomfield, NY, USA,精度為0.001mm)和MeasureJ2X程序完成樹輪寬度測量,剔除在采樣過程中一個(gè)斷裂缺輪樣芯,利用國際年輪庫的COFECHA交叉定年質(zhì)量控制程序進(jìn)行交叉定年檢驗(yàn),確保每輪的生長年代[29]。利用ARSTAN[10]程序進(jìn)行去趨勢,樣條函數(shù)法無需假定年輪樣本生長趨勢的變化形式,直接采用連續(xù)光滑插值方法對具有持續(xù)性生長以及種間競爭產(chǎn)生的非同步擾動(dòng)的樹木進(jìn)行生長趨勢擬合,因此適用于濕潤地區(qū)[30]。本研究區(qū)雖然地處干旱半干旱地區(qū),但是該地區(qū)雪嶺云杉生境較好,生長較為茂密,存在樹間競爭。因此選用基于比率和算數(shù)平均法得到寬度指數(shù),進(jìn)一步采用樣條函數(shù)步長為110a以保留更多的低頻變化趨勢, 降低因年齡生長速率不同而帶來的影響,同時(shí)使用2/3序列長度的樣條函數(shù)進(jìn)一步穩(wěn)定年表的方差,最終研制出樹輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表。為使重建的氣候序列可靠準(zhǔn)確,本研究所選取的可靠年表長度起始點(diǎn)采用EPS大于0.85的樣本量[30],可靠年表長達(dá)374a(1637—2010)(圖3)。

圖3 樹輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表和樣本量Fig.3 Tree-ring width standardized chronology and the amount of samples

采用DendroClim2002相關(guān)分析和響應(yīng)分析解釋樹木徑向生長對氣候的響應(yīng)[31];采用逐步回歸建立擬合方程重建降水序列。由于溫泉?dú)庀笳举Y料較短,因此本研究采用國際年輪研究中常用的“逐一剔除法”進(jìn)行交叉檢驗(yàn),從誤差縮減值RE、相關(guān)系數(shù)r、一階差相關(guān)系數(shù)rd、符號(hào)檢驗(yàn)值z、一階差符號(hào)檢驗(yàn)值zd和乘積平均數(shù)t等幾個(gè)方面對重建方程進(jìn)行交叉檢驗(yàn)。如果這些檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量中的誤差縮減值或其它某幾個(gè)能通過檢驗(yàn),則說明,該重建方程是穩(wěn)定的,由其重建出的降水和溫度是可靠的。采用多窗譜分析提取時(shí)間序列的變化準(zhǔn)周期[30]。另外,本研究將所有重建序列進(jìn)行30年低通濾波以提取其低頻變化,對比分析天山山區(qū)階段變化的一致性規(guī)律。

2 結(jié)果與討論

2.1 賽里木湖流域歷史降水重建與檢驗(yàn)

本研究使用的海西溝(HXG)樹輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表平均敏感度為0.152,標(biāo)準(zhǔn)差0.216,所有樣本的相關(guān)系數(shù)為0.397,年表序列信噪比是32.28, 樣本量的總體代表性(97.0%)比較高,缺輪百分率為0.316%,說明樹輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表序列可能包含較多的氣候信息。

前期關(guān)于賽里木湖流域樹輪-氣候響應(yīng)研究表明[27],海西溝樹輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表的年輪指數(shù)序列與上年8月至當(dāng)年7月的降水量相關(guān)最好,上年8月至當(dāng)年7月的降水可能是該地區(qū)樹木徑向生長的主要限制性因子并具有明顯的樹木生理學(xué)意義。很多研究均表明,在天山山區(qū),雪嶺云杉樹木徑向生長的主要限制性因子為生長季前期和生長季的水分[13- 16]。因此,將距離采樣點(diǎn)最近的溫泉?dú)庀笳?959—2010年的月降水資料與海西溝(HXG)標(biāo)準(zhǔn)化年表序列進(jìn)行逐步回歸分析,最終得到轉(zhuǎn)換函數(shù)：

PL8-7=8.9+226.0×HXG

(1)

圖4 賽里木湖流域降水重建序列Fig.4 Reconstructed precipitation series in the Sayram Lake Basin

rrdzzdtRE降水量Precipitation0．632??0．656??14/50??12/49??5．139??0．399

** 代表通過了99%的顯著性檢驗(yàn)

方程檢驗(yàn)值如表1,交叉檢驗(yàn)值和氣象資料實(shí)測值的相關(guān)(r)為0.632,與重建值和氣象資料實(shí)測值相關(guān)及其接近,一階差相關(guān)(rd)也很高,達(dá)到了0.656,符號(hào)檢驗(yàn)(z)和一階差符號(hào)檢驗(yàn)(zd)均超過了0.01的顯著性水平,乘積平均數(shù)(t)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了0.01的顯著性水平,誤差縮減值(RE)也達(dá)到0.399。重建值和實(shí)測值有較好的一致性(圖5),同時(shí),重建序列與實(shí)測序列的一階差相關(guān)系數(shù)也達(dá)到了0.648(圖5),表明重建序列與實(shí)測序列在高頻變化上一致性更好,這些均表明,重建方程是穩(wěn)定可靠的。因此,利用該方程可較好的重建賽里木湖過去373年的降水量。

圖5 重建序列與實(shí)測序列的對比Fig.5 Comparison of the reconstructed precipitation and the observed meteorological data

2.2 賽里木湖流域過去373年的降水變化分析

將重建的降水序列進(jìn)行30a低通濾波,以了解賽里木湖流域過去373年的降水的低頻變化趨勢。分析表明,1644 —2008年間,該地區(qū)經(jīng)歷了6干7濕的變化階段(表2)。其中,持續(xù)最長的干旱階段為1762—1791年(30a),而最為干旱的階段為1841—1865年,該時(shí)段平均偏干11.6%;持續(xù)最長的濕潤階段為1794—1840年,持續(xù)時(shí)間長達(dá)49年,而最為濕潤的階段為1734—1761年間,平均偏濕9.7%。1644—2008年間,賽里木湖流域降水偏多年份明顯對于干旱年份。為了提取過去373年賽里木流域極端干旱和濕潤事件,本研究年降水量介于均值和1倍標(biāo)準(zhǔn)差之間的年份定義為偏澇(旱)年,將介于1倍標(biāo)準(zhǔn)差和2倍標(biāo)準(zhǔn)差之間的年份定義為濕潤(干旱)年,將年降水量大于2倍標(biāo)準(zhǔn)差的年份定義為極端濕潤(干旱)年。分析表明,過去373年賽里木流域存在3個(gè)極端濕潤年(1749,1876，1924年)和4個(gè)極端干旱年(1714,1775,1847和1917年)。年代際降水變化分析表明：1910年代為最干旱的10a,1850年代和1770年代也較為干旱。百年尺度降水變化分析表明,19世紀(jì)降水量要多于18世紀(jì)和20世紀(jì)。Zhang等[15- 16]分析中亞西天山過去降水變化研究表明,1917年是過去百年中最為干旱的1a,而1910年代是最為干旱的十年。尤其是1917—1918年的嚴(yán)重干旱,在天山山區(qū)歷史氣候變化研究中普遍存在,甚至在同處干旱區(qū)的蒙古國也存在1917年的干旱[32]。同時(shí),新疆的歷史文獻(xiàn)也清楚的記錄1917年的大旱[33]。魏文壽等[20]基于天山山區(qū)主要地區(qū)的樹輪年表重建的天山山區(qū)過去235年的降水變化研究結(jié)果表明：1770—1777年天山山區(qū)整體偏干,而1843—1865年天山山區(qū)經(jīng)歷了長達(dá)23a的干旱時(shí)期。而高衛(wèi)東等[25]基于大量樹輪年表揭示的天山北坡中部過去338年降水變化事實(shí)也表明：1768—1777年和1853—1869年為較為干旱的時(shí)期。這些結(jié)果與本文的1770年代和1850年代較為干旱的結(jié)果一致。

表2 賽里木湖流域1644—2008年降水變化階段對比

圖6 重建序列的多窗譜分析 Fig.6 Multi-taper power spectra for the reconstructed precipitation

多窗譜分析[29- 31]揭示了賽里木湖流域過去373a降水變化存在99%顯著性水平上存在11—12a、3.0a、2.5a、2.1a和2.0a的變化準(zhǔn)周期 (圖6)。2a左右的變化準(zhǔn)周期特征與“準(zhǔn)兩年脈動(dòng)(QBO)”十分接近,已有研究表明,QBO的影響存在于較大的范圍,其可能與海氣間相互耦合振蕩有關(guān)[34]。有研究表明,北極濤動(dòng)指數(shù)(AOI)具有2—4a周期,西北地區(qū)降水變化與AO之間的顯著相關(guān)主要表現(xiàn)在準(zhǔn)3a 尺度共振周期上[35]。羅哲賢等系統(tǒng)地研究了西北干旱氣候,發(fā)現(xiàn)西北地區(qū)的降水量演變規(guī)律存在為準(zhǔn)3a 周期[36]。事實(shí)上在受西風(fēng)影響的我國西北地區(qū)很多區(qū)域,降水都存在2—3a和11a左右的變化準(zhǔn)周期,如天山山區(qū)[13- 25]和祁連山北坡河西走廊地區(qū)[37- 39]。其中11a的周期與太陽黑子活動(dòng)的Schwabe(11a)[40]吻合。另外,將重建序列與北大西洋濤動(dòng)指數(shù)(NAOI)[41]相關(guān)分析表明,賽里木湖流域降水變化受夏季NAO影響,降水重建序列和7月的NAO指數(shù)在1899—2009年間相關(guān)系數(shù)達(dá)0.210(P<0.05)。中亞西天山過去百年干濕變化研究也表明,西天山降水變化可能受NAO/AO控制[15]。這些結(jié)果表明,賽里木湖過去373a降水變化可能受到太陽活動(dòng)和北大西洋濤動(dòng)、北極濤動(dòng)等較大尺度的氣候系統(tǒng)影響。

圖7 天山北坡中西部過去300年降水變化Fig.7 Change of wet and dry over the past hundred years on different areas in the Tianshan Mountains A: 中天山鞏乃斯河源區(qū)上年7月到當(dāng)年6月降水量重建序列[23];B: 西天山北坡哈薩克斯坦南部上年6月到當(dāng)年5月的降水量重建序列[16];C: 天山中部北坡瑪納斯河流域上年7月到當(dāng)年6月的降水量重建序列;D: 天山北坡博州中東部上年7月到當(dāng)年6月的降水量重建序列[42];E: 本研究重建的賽里木湖流域降水重建序列

圖8 賽里木湖降水重建序列與CRU上年8月到當(dāng)年7月降水量的空間相關(guān)(1960—2009, P<10%)Fig.8 Spatial correlation of precipitation between reconstructed series and CRU (1960—2009, P<10%)

將降水變化階段與其它天山北坡中西部基于雪嶺云杉重建的歷史降水變化階段進(jìn)行對比分析表明,天山北坡中西部歷史干濕變化具有很好的一致性(圖7)。將重建的降水序列與較大范圍CRU上年8月到當(dāng)年7月降水資料空間相關(guān)分析表明(圖8),重建的降水序列能較好的代表天山北坡中西部和中亞大部分區(qū)域上年8月到當(dāng)年7月的降水量,尤其是西天山北坡。

3 結(jié)論

(1)利用天山西部賽里木湖流域的樹木年輪標(biāo)準(zhǔn)化寬度年表可較好的重建該區(qū)域過去373年的降水變化。

(2)賽里木湖流域過去373年的降水經(jīng)歷了6干7濕的階段變化,其中,持續(xù)最長的干旱階段為1762—1791年,而最為干旱的階段為1841—1865年;持續(xù)最長的濕潤階段為1794—1840年,而最為濕潤的階段為1734—1761年間;賽里木流域歷史降水存在3個(gè)極端濕潤年(1749,1876和1924年)和4個(gè)極端干旱年(1714,1775,1847和1917年),1910年代為最干旱的10a;降水變化存在11—12a、3.0a、2.5a、2.1a和2.0a的變化準(zhǔn)周期。

(3)賽里木湖流域過去373年的降水的階段變化、周期變化和極端降水年份均與天山北坡中西部和中亞天山山區(qū)降水變化具有很好的一致性,本研究的降水重建序列能較好的代表天山北坡中西部和中亞大部分區(qū)域歷史降水變化。

[1] IPCC: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge, UK and New York, NY: Cambridge University Press, 1- 1535.

[2] Dai A G, Trenberth K E, Karl T R. Global variations in droughts and wet spells: 1900—1995. Geophysical Research Letters, 1998, 25(17): 3367- 3370.

[3] Huang J P, Yu H P, Guan X D, Wang G Y, Guo R X. Accelerated dryland expansion under climate change. Nature Climate Change, 2015, 6(2):166- 171.

[4] IPCC: Climate change 2007: The physical science basis: contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA: Cambridge University Press, 2007.

[5] Cheng H, Zhang P Z, Sp?tl C, Edwards R L, Cai Y J, Zhang D Z, Sang W C, Tan M, An Z S. The climatic cyclicity in semiarid-arid central Asia over the past 500 000 years. Geophysical Research Letters 2012, 39(1), L01705.

[6] Shi Y F, Shen Y P, Kang E S, Li D L, Ding Y J, Zhang G W, Hu R J. Recent and future climate change in Northwest China. Climatic Change, 2007, 80(3- 4): 379-393.

[7] Briffa K R, Osborn T J, Schweingruber F H, Harris L C, Jones P D, Shiyatov S G, Vaganov E A. Low-frequency temperature variations from a northern tree ring density network. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 2001, 106(D3), 2929-2941.

[8] Büntgen U, Tegel W, Nicolussi K, McCormick M, Frank D, Trouet V, Kaplan J O, Herzig F, Heussner K U, Wanner H, Luterbacher J, Esper J. 2500 years of European climate variability and human susceptibility. Science 2011, 331(6017): 578-582.

[9] Cook E R, Anchukaitis K J, Buckley B M, D′Arrigo R D, Jacoby G C, Wright W E. Asian monsoon failure and megadrought during the last millennium. Science, 2010, 328(5977): 486-489.

[10] Shao X M, Xu Y, Yin Z Y, Liang E Y, Zhu H F, Wang S. Climatic implications of a 3585-year tree-ring width chronology from the northeastern Qinghai-Tibetan Plateau. Quaternary Science Reviews, 2010, 29(17- 18): 2111-2122.

[11] Pederson N, Hessl A E, Baatarbileg N, Anchukaitis K J, Cosmo N D. Pluvials, droughts, the Mongol Empire, and modern Mongolia. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2014, 111(12): 4375- 4379.

[12] Yang B, Qin C, Huang K, Fan Z X, Liu J J. Spatial and temporal patterns of variations in tree growth over the northeastern Tibetan Plateau during the period AD 1450- 2001. The Holocene, 2010, 20(8):1235- 1245.

[13] Yuan Y J, Li J F, Zhang J B. 348 year precipitation reconstruction from tree-rings for the North Slope of the middle Tianshan Mountains. Acta Meteorologica Sinica, 2001, 15(1):95- 104.

[14] Yuan Y J, Jin L Y, Shao X M, He Q, Li Z Z, Li J F. Variations of the spring precipitation day numbers reconstructed from tree rings in the Urumqi River drainage, Tianshan Mts. over the last 370 years. Chinese Science Bulletin, 2003, 48(14): 1507- 1510.

[15] Zhang R B, Yuan Y J, Gou X H, He Q, Shang H M, Zhang T W, Chen F, Ermenbaev B, Yu S L, Qin L, Fan Z A. Tree-ring-based moisture variability in western Tianshan Mountains since A.D. 1882 and its possible driving mechanism[J]. Agricultural and Forest Meteorology 2016, 218- 219: 267- 276.

[16] Zhang R B, Shang H M, YU S L, He Q, Yuan Y J, Bolatov K, Mambetov B T. Tree-ring-based precipitation reconstruction in southern Kazakhstan, reveals drought variability since A.D. 1770. International Journal of Climatology 2016, doi: 10.1002/joc.4736.

[17] Zhang T W Zhang R B, Yuan Y J, Gao Y Q, Wei W S, Diushen M, He Q, Shang H M, Wang J. Reconstructed precipitation on a centennial timescale from tree rings in the western Tien Shan Mountains, Central Asia. Quaternary International, 2015, 358: 58- 67.

[18] 袁玉江, 邵雪梅, 李江風(fēng), 李新建,唐鳳蘭. 夏干薩特樹輪年表中降水信息的探討與326年降水重建. 生態(tài)學(xué)報(bào). 2002,22(12):2048- 2053.

[19] Zhang T W, Yuan Y J, Liu Y, Wei W S, Yu S L, Chen F, Fan Z A, Shang H M, Zhang R B, Qin L. A tree ring based precipitation reconstruction for the Baluntai region on the southern slope of the central Tien Shan Mountains, China, since A.D.1464. Quaternary International, 2013, 283: 55- 62.

[20] 魏文壽, 袁玉江, 喻樹龍,張瑞波.中國天山山區(qū)235a氣候變化及降水趨勢預(yù)測[J].中國沙漠, 2008, 28(5): 803- 808.

[21] 喻樹龍, 袁玉江, 金海龍, 崔宇,劉斌, 林春亮. 用樹木年輪重建天山北坡中西部7- 8月379a的降水量. 冰川凍土, 2005, 27(3): 404- 410.

[22] 張瑞波, 魏文壽, 袁玉江, 喻樹龍, 楊青. 1396- 2005年天山南坡阿克蘇河流域降水序列重建與分析. 冰川凍土, 2009, 31(1): 27- 33.

[23] 尚華明, 魏文壽, 袁玉江, 喻樹龍, 陳霞, 張同文, 劉新華. 樹輪記錄的中天山150年降水變化特征. 干旱區(qū)研究, 2010, 27(3): 443- 449.

[24] 陳峰, 袁玉江, 魏文壽, 喻樹龍, 范子昂, 張瑞波, 張同文, 尚華明. 特克斯河流域近236a降水變化及其趨勢預(yù)測. 山地學(xué)報(bào), 2010, 28(5): 545- 551.

[25] 高衛(wèi)東, 袁玉江, 張瑞波, 劉志輝. 樹木年輪記錄的天山北坡中部過去338a降水變化. 中國沙漠, 2011, 31(6): 1535- 1539.

[26] Aizen E M, Aizen V B, Melack J M, Nakamura T, Ohta T. Precipitation and atmospheric circulation patterns at mid-latitudes of Asia. International Journal of Climatology, 2001,21(5):535- 556.

[27] 秦莉, 袁玉江, 喻樹龍, 范子昂, 尚華明, 陳峰, 張同文. 賽里木湖流域雪嶺云杉(Piceaschrenkiana)樹木徑向生長對氣候變化的響應(yīng). 中國沙漠, 2015,35(1): 113- 119.

[28] 張小龍. 新疆溫泉縣氣溫、降水及徑流變化特征. 水利科技與經(jīng)濟(jì), 2011,17(5):66- 67.

[29] Cook E R, Kairiukstis L A. Methods of dendrochronology. The Netherlands, Springer, 1990, 1- 200.

[30] 吳祥定. 樹木年輪與氣候變化. 北京:氣象出版社, 1990:1- 171.

[31] Biondi F, Waikul K. Dendroclim2002: A C++ program for statistical calibration of climate signals in tree-ring chronologies. Computer & Geosciences,2004, 30(3): 303- 311.

[32] Pederson N, Jacoby G C, D′Arrigo R D, Cook E R, Buckley B M, Dugarjav C, Mijiddorj R. Hydrometeorological reconstructions for northeasternMongolia derived from tree rings: 1651-1995. Journal of Climate, 2001, 14(5): 872-881.

[33] 史玉光. 中國氣象災(zāi)害大典: 新疆卷. 北京: 氣象出版社, 2006:1- 9.

[34] Mann M E, Lee J M. Robust estimation of background noise and signal detection in climatic time series. Climatic Change 1996,33(3):409- 445.

[35] 郭渠, 孫衛(wèi)國, 程炳巖, 鄧愛娟. 我國西北地區(qū)氣候變化與北極濤動(dòng)的交叉小波分析.南京氣象學(xué)院院報(bào), 2008,31(6):811- 818

[36] 羅哲賢. 中國西北干旱氣候動(dòng)力學(xué)引論. 北京: 氣象出版社, 2005:130- 170.

[37] Chen F, Yuan Y J, Wei W S, Zhang R B, Yu S L, Shang H M, Zhang T W, Qin L, Wang H Q, Chen F H. Tree-ring-based annual precipitation reconstruction for the Hexi Corridor, NW China: consequences for climate history on and beyond the mid-latitude Asian continent. Boreas, 2013, 42(4): 1008- 1021.

[38] 陳峰, 袁玉江, 魏文壽, 喻樹龍, 張瑞波, 范子昂, 張同文, 尚華明, 李楊. 騰格里沙漠南緣近315年5- 6月PDSI指數(shù)變化. 地理科學(xué), 2011,31(4):434- 439.

[39] Chen F, Yuan Y J, Wei W S, Yu S L, Fan Z A, Zhang R B, Zhang T W, Shang H M. Tree-Ring-Based Reconstruction of Precipitation in the Changling Mountains, China, since A.D.1691. International Journal of Biometeorology, 2012, 56(4): 765-774.

[40] Wilson R C, Hudson H S. Solar luminosity variations in solar cycle 21. Nature, l988, 332(6167): 8l0- 812.

[41] Li J P, Wang J X L. A new North Atlantic Oscillation index and its variability. Advances in Atmospheric Sciences, 2003, 20(5): 661-676.

[42] 藺甲, 袁玉江, 魏文壽, 張同文, 喻樹龍. 利用樹輪年表重建新疆博州中東部1622- 2010年降水量. 中國沙漠,2013,33(5):1527- 1535.

Tree-ring-based precipitation variability over the past 373 years in the Sayram Lake Basin, Tianshan Mountians

QIN Li*, YUAN Yujiang, YU Shulong, FAN Zi′ang, SHANG Huaming, CHEN Feng, ZHANG Tongwen, ZHANG Ruibo

InstituteofDesertMeteorology,ChinaMeteorologicalAdministration;KeyLaboratoryofTree-ringPhysicalandChemicalResearchofChinaMeteorologicalAdministration;KeyLaboratoryofTree-ringEcologyofXinjiangUigurAutonomousRegion,Urumqi830002,China

Tianshan Mountains are an important area for water source; they are dominated by westerly winds and play an important role in global climate change research. It is vital to understand past precipitation changes and explore their mechanism for the current sustainable utilization of regional water resources. Since the Tianshan Mountains are located in an arid inland area, tree rings are sensitive to climatic moisture status and are a good proxy of past precipitation. In this study, we developed a tree-ring-width chronology of Schrenk spruce (PiceaschrenkianaFisch. et Mey) in the Sayram Lake Basin of the Tianshan Mountians. Climate-growth response results showed that the precipitation from the previous August to current July was the principal limiting factor of radial growth. We also obtained a 373 a reconstruction of August-July precipitation in the Sayram Lake Basin. The reconstruction explained 39.8% of the variance in precipitation records during the 1960—2009 calibration periods. Additionally, the precipitation over the past 373 a in the Sayram Lake Basin has experienced six drier and seven wetter periods, and the extreme drought years were 1714, 1775, 1847 and 1917; 1917 was the driest year in the past 373 year, and the driest decade was the 1910s. Meanwhile, there was large power in the 11—12 a, 3.0 a, 2.5 a, 2.1 a and 2.0 a periods. We suggest that the precipitation variability could be associated with large-scale oscillations in the climate system. The reconstruction illuminates precipitation variability and changes in a region where the climate history over the past several centuries is poorly understood.

Sayram Lake Basin; Tree-rings; Precipitation; Climate change; Tianshan Mountians

中國沙漠氣象科學(xué)研究基金資助項(xiàng)目(Sqj2015010); 國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41675152,41405139); 新疆維吾爾自治區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(2014KL017,2015KL017);中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(IDM2016006)

2016- 04- 27;

2016- 09- 01

10.5846/stxb201604270801

*通訊作者Corresponding author.E-mail: Qinhappy@sina.com

秦莉,袁玉江,喻樹龍,范子昂,尚華明,陳峰,張同文,張瑞波.新疆賽里木湖流域過去373年降水變化的樹輪記錄.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(4):1084- 1092.

Qin L, Yuan Y J, Yu S L, Fan Z A, Shang H M, Chen F, Zhang T W, Zhang R B.Tree-ring-based precipitation variability over the past 373 years in the Sayram Lake Basin, Tianshan Mountians.Acta Ecologica Sinica,2017,37(4):1084- 1092.