辛 波

(遼寧省丹東水文局，遼寧 丹東 118000)

1 概述

當(dāng)前，樹木年輪具有連續(xù)性和定年準(zhǔn)確性的特點(diǎn)，已被國內(nèi)外許多學(xué)者用于對歷史氣候變化環(huán)境進(jìn)行反演計(jì)算，其中利用樹木年輪序列對過去降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行反演得到國內(nèi)許多學(xué)者的研究和關(guān)注，并取得一定的研究成果[1- 6]，但是這些成果研究區(qū)域大都位于南方和西部干旱區(qū)域，在東北區(qū)域應(yīng)用還較少。近些年來，隨著氣候變化，東北區(qū)域降水也呈現(xiàn)一定程度的變化，為定量分析區(qū)域氣候變化對降水的影響，需要對歷史降水進(jìn)行反演計(jì)算。一些學(xué)者采用自回歸分析方法對遼寧地區(qū)的降水進(jìn)行反演分析[7- 9]，但是經(jīng)分析其相關(guān)系數(shù)較低，精度不高。而樹木年輪由于其連續(xù)性好的特點(diǎn)，對降水重構(gòu)具有較好的精度，為此本文采用樹木年序列分析方法，以遼寧東部區(qū)域?yàn)槔?，對該區(qū)域降水進(jìn)行重構(gòu)，并結(jié)合實(shí)測降水?dāng)?shù)據(jù)對重構(gòu)降水的相關(guān)性進(jìn)行分析。

2 資料與方法

2.1 樹木年輪序列分析

本次選取四個(gè)采樣點(diǎn)，在每個(gè)采樣點(diǎn)，最少要采10株相同樹種的樣本，在每一株樹上，130cm處，在不同方向上鉆取1～2個(gè)輪芯(其中北方向一個(gè))。結(jié)合樹木年輪分析方法對采用的樹木年輪進(jìn)行圖譜分析，確定樹木年輪系列，采樣點(diǎn)樹木年輪圖像及標(biāo)尺如圖1所示，樹木年輪圖譜分析結(jié)果如圖2所示。在樹木年輪系列基礎(chǔ)上，首先采用COFECHA程序?qū)淠灸贻喰蛄羞M(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)，以確定樹木的年輪，并同時(shí)測定樹木的年輪寬度，應(yīng)用ARSEAN程序建立樹木年輪序列年表，并對該樹木年表進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，建立樹木年輪系列的標(biāo)準(zhǔn)化年表(STD)。此外結(jié)合樹木生長的特點(diǎn)，結(jié)合差值化程序建立樹木年輪的差值年表(RES)。

2.2 樹木年輪的降水重構(gòu)分析

在樹木年輪序列確定后，需要對樹木年輪序列進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并進(jìn)行相關(guān)檢驗(yàn)，首先需要對樹木年輪的敏感度進(jìn)行分析，樹木年輪敏感度值越大，表明其包含的降水信息越多。標(biāo)準(zhǔn)樹木年輪的平均敏感度都在0.15～0.8范圍內(nèi)。在對樹木年輪平均敏感度分析的基礎(chǔ)上，還需要對樹木年輪的寬度指數(shù)進(jìn)行分析，進(jìn)行寬度指數(shù)分析時(shí)建立樹木年輪序列與降水相關(guān)關(guān)系的基礎(chǔ)。在對樹木年輪統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，建立樹木年輪與區(qū)域降水之間的相關(guān)關(guān)系，并以此相關(guān)關(guān)系結(jié)合自回歸方程建立樹木年輪與區(qū)域降水的自回歸函數(shù)，結(jié)合該函數(shù)對區(qū)域降水進(jìn)行重構(gòu)。

圖1 采樣點(diǎn)年輪圖像及標(biāo)尺

圖2 采樣點(diǎn)樣木年輪圖譜

3 基于樹木年輪的降水重構(gòu)

3.1 樹木年輪年序列建立結(jié)果

結(jié)合各采樣點(diǎn)樹木年輪分析數(shù)據(jù)，建立各采樣點(diǎn)的樹木年輪交叉定年統(tǒng)計(jì)量，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 不同采樣點(diǎn)的樹木年輪交叉定年統(tǒng)計(jì)量

注：N—樣本系列；r—平均相關(guān)系數(shù)；M—樹木年輪寬度；a.c.—一階自相關(guān)系數(shù)；M.S.—平均敏感度；S.D.—標(biāo)準(zhǔn)差。

表1為不同采樣點(diǎn)樹木年輪交叉定年的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，從表中可以看出，各采樣點(diǎn)相比于原始序列均發(fā)生了較為明顯的變化，各采樣點(diǎn)樹木的年輪寬度指數(shù)均小于1.0，表明各采樣的樹木年輪序列符合年輪指數(shù)序列均值為1.0的標(biāo)準(zhǔn)化。因此各采樣點(diǎn)的樹木年輪序列可用來進(jìn)行樹木年輪的統(tǒng)計(jì)分析。

3.2 樹木年輪年序統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析

在各采樣點(diǎn)樹木年輪交叉定年統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，對各采樣點(diǎn)樹木年輪寬度指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化和差值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見表2、3。

表2 不同采樣點(diǎn)的年輪寬度指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化年表統(tǒng)計(jì)量

表3 不同采樣點(diǎn)的年輪寬度指數(shù)差值化年表統(tǒng)計(jì)量

在表2中，各采樣點(diǎn)的樹木年輪寬度指數(shù)的平均值分別為0.848，0.952，0.753，0.805，均小于1.0，表明各采樣點(diǎn)的樹木年輪序列可以符合寬度指數(shù)為1.0的均值標(biāo)準(zhǔn)，在各采樣點(diǎn)中，2#采樣點(diǎn)的樹木年輪寬度指數(shù)最大，從表2中可以看出各采樣點(diǎn)的平均敏感度分別為0.251，0.321，0.203，0.315，同樣2#采樣點(diǎn)的樹木平均敏感度最高，各采樣點(diǎn)的平均敏感度均在0.15以上。4#采樣點(diǎn)樹木年輪相關(guān)性最高。

表3為不同采樣點(diǎn)樹木年輪寬度指數(shù)的差值化年表統(tǒng)計(jì)量，從表4中可以看出，各采樣帶的樹木平均寬度值分別為0.956，0.952，0.857，0.692，也均小于1.0，表明各采樣點(diǎn)樹木年輪寬度指數(shù)的差值化年表統(tǒng)計(jì)值也符合寬度指數(shù)為1.0的均值標(biāo)準(zhǔn)，其中4#采樣點(diǎn)的樹木年輪寬度指數(shù)的差值化年表平均敏感度最大，達(dá)到0.365。在各采樣點(diǎn)中，1#采樣點(diǎn)的自相關(guān)性最低。

3.3 樹木年輪與氣象要素相關(guān)分析

在樹木年輪統(tǒng)計(jì)分析基礎(chǔ)上，結(jié)合建立的樹木年輪系列，定量分析了樹木年輪與氣溫和降水之間的相關(guān)性，相關(guān)性分析結(jié)果見表4。

表4 遼寧東部地區(qū)年、季降水及氣溫與樹輪年表的相關(guān)性

注：STD—樹木年輪標(biāo)準(zhǔn)化年系列；RES—樹木年輪差值年系列；ARS—自相關(guān)系列

從表4中可以看出，降水與樹木年輪在夏季(6～9月)各樹木年輪系列的相關(guān)性均最高，存在負(fù)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)在-0.412～-0.454之間，而在冬季的相關(guān)性最低，這和樹木年輪的變化特性相關(guān)，在夏季，由于雨量充沛，使得樹木年輪變化差異性較大，因此相關(guān)性較高，因此在夏季(6～9月)適用于結(jié)合樹木年輪序列進(jìn)行降水的重構(gòu)計(jì)算。從表4中可看出氣溫與各個(gè)季節(jié)樹木年輪的相關(guān)性均較弱，表明氣溫變化使得樹木年輪變化的差異性較小。因此可以用結(jié)合樹木年輪系列和降水的相關(guān)性，應(yīng)用自回歸方程對區(qū)域降水進(jìn)行重構(gòu)計(jì)算。

表5 各采樣點(diǎn)不同樹木年輪系列下重構(gòu)6～9月降水量與實(shí)測降水相關(guān)性分析結(jié)果

注：SLH、JKY、HNB、HNN、KEM分別表示樹木年輪的差值系列。

3.4 基于樹木年輪序列的遼寧東部區(qū)域降水重構(gòu)

考慮到6～9月樹木年輪與降水具有較高結(jié)合樹木年輪的差值系列，結(jié)合自回歸方程對各采樣點(diǎn)的6～9月的降水量進(jìn)行重構(gòu)，并結(jié)合采樣點(diǎn)附近雨量實(shí)測值對結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)和分析，計(jì)算結(jié)果見表5和圖3。

從表5中可以看出，各采樣點(diǎn)重構(gòu)的降水?dāng)?shù)據(jù)和附近雨量實(shí)測降水?dāng)?shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)在-0.2153～-0.7215之間，相關(guān)系數(shù)的均值為-0.5108，從顯著性水平也可以看出，基于樹木年輪分析方法重構(gòu)的降水量和實(shí)測降水量通過a=0.005的顯著性變化水平。表明重構(gòu)的降水?dāng)?shù)據(jù)系列較為穩(wěn)定和可靠。從圖3中可以看出，各采樣點(diǎn)重構(gòu)降水量和實(shí)測降水量在過程上具有一定的吻合性，重構(gòu)的降水量和實(shí)測降水量吻合度適宜。

圖3 各采樣點(diǎn)降水重構(gòu)值與實(shí)測降水值過程對比圖

4 結(jié)論

本文結(jié)合樹木年輪序列方法對遼寧東部區(qū)域6～9月的降水進(jìn)行重構(gòu)計(jì)算，并結(jié)合實(shí)測降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，主要結(jié)論如下：

(1)當(dāng)區(qū)域樹木年輪寬度指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化年值和差值年值的平均敏感度達(dá)到0.15～0.8范圍內(nèi)，且年輪寬度指數(shù)均小于1.0，樹木年輪符合樹木生理學(xué)意義，可用來進(jìn)行降水重構(gòu)分析。

(2)樹木年輪由于樹木生長特點(diǎn)，適宜重構(gòu)區(qū)域夏季(6～9月)的降水量，其他季節(jié)重構(gòu)相關(guān)性較低。

(3)遼寧東部區(qū)域樹木年輪和區(qū)域6～9月降水量負(fù)相關(guān)性較好，降水構(gòu)結(jié)果較為穩(wěn)定和可靠。

[1] 李金建, 李媛媛, 秦寧生, 等. 利用樹木年輪重建川西松潘高原5月降水變化特征[J]. 高原氣象, 2013(04): 1195- 1202.

[2] 高衛(wèi)東, 袁玉江, 張瑞波, 等. 樹木年輪記錄的天山北坡中部過去338a降水變化[J]. 中國沙漠, 2011(06): 1535- 1540.

[3] 玉寶, 王百田, 烏吉斯古楞. 溫度和降水對樹木年輪寬度影響研究進(jìn)展[J]. 遼寧林業(yè)科技, 2010(05): 40- 42+62.

[4] 王亞軍. 祁連山東、 中段樹木年輪反映的春季降水變化信息[J]. 科技信息(學(xué)術(shù)研究), 2006(05): 393- 394.

[5] 王亞軍, 陳發(fā)虎, 勾曉華. 利用樹木年輪資料重建祁連山中段春季降水的變化[J]. 地理科學(xué), 2001(04): 373- 377.

[6] 張志華, 吳祥定. 采用青海兩個(gè)樹木年輪年表重建局地過去降水的初步分析[J]. 應(yīng)用氣象學(xué)報(bào), 1992(01): 61- 69.

[7] 盧丹. 改進(jìn)的GM(1, 1)模型在區(qū)域降水量預(yù)測中的應(yīng)用研究[J]. 水利技術(shù)監(jiān)督, 2016(06): 29- 32.

[8] 朱蘇云. 基于GA優(yōu)化的蒙特卡洛模型在降水量預(yù)測中的應(yīng)用[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計(jì), 2016(04): 52- 55.

[9] 孫瑩, 萬麗巖, 江靜. 遼寧降水分區(qū)變化特征及夏季降水影響因子分析[J]. 氣象與環(huán)境學(xué)報(bào), 2008(03): 18- 23.