崔宇，胡列群，袁玉江，李帅，侯小刚

（1.新疆气候中心，新疆乌鲁木齐 830002；2.乌鲁木齐气象卫星地面站，新疆乌鲁木齐， 830011；

3.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，中国气象局树木年轮理化研究重点开放实验室，新疆树木年轮生态实验室，新疆乌鲁木齐 830002）

树轮记录的过去359a阿勒泰地区初夏气温变化

崔宇1，胡列群2，袁玉江3，李帅1，侯小刚1

（1.新疆气候中心，新疆乌鲁木齐 830002；2.乌鲁木齐气象卫星地面站，新疆乌鲁木齐， 830011；

3.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，中国气象局树木年轮理化研究重点开放实验室，新疆树木年轮生态实验室，新疆乌鲁木齐 830002）

利用采集自阿尔泰山南坡森林上限3个采样点的西伯利亚落叶松（Larix sibirica Ledeb.）树芯样本，研制其树轮宽度年表。与区域内6个气象站点观测数据的相关分析结果表明，标准化宽度年表与6月平均气温相关较好，最高相关系数达0.675（p<0.0001）。使用逐步回归分析方法，建立温度的重建方程，调整自由度后的方差解释量为45.6%（1962—2012年）。过去359a来，阿勒泰地区平均气温变化存在7个偏暖阶段和6个偏冷阶段。并存在5个温暖年、54个偏暖年、252个正常年、37个偏冷年、以及11个寒冷年。6月平均温度的最高值出现在1830年（22.35℃），最低温度出现在1985年（17.87℃）。功率谱分析显示该重建序列存在30.0a、7.4a的显著准周期（p<0.05）和6.4a的较显著准周期（p<0.10）。

阿勒泰地区；西伯利亚落叶松；树木年轮；气候响应；气温重建

近年来，国内外研究人员利用古植被、冰芯、黄土、湖泊及深海沉积岩芯、孢粉、珊瑚、历史记录等代用资料在气候变化研究领域开展了广泛的工作并取得了众多研究成果。其中，树木年轮资料以其定年准确、分辨率高、连续性强、样本易得、时间序列长、树轮指标量测精确和地域分布广等特点，成为获取历史时期气候变化信息的重要手段之一，在过去气候变化研究中占有重要地位[1]。

阿勒泰地区广泛分布着西伯利亚落叶松（Larix sibirica Ledeb.）原始森林。自20世纪80年代起，李江风、袁玉江等[2]在阿勒泰地区开展了树轮气候学和树轮水文学研究。张同文等[3-9]通过年轮宽度和灰度重建了阿勒泰西部过去近600a气候并预测了未来10a阿勒泰地区气候发展趋势。李漠岩等[10]对阿勒泰西部地区年表特征气候的响应进行了研究。胡义成[11-12]利用树轮宽度数据重建了阿勒泰中东部1—2月降雪量和6—7月平均气温。张瑞波等[13-14]利用阿勒泰地区的西伯利亚落叶松树轮分析了稳定碳同位素数据与气候响应关系。

以上的研究多是在较小的区域内，利用单个或较少的几个气象站开展树木年轮气候重建研究。而利用分布在阿勒泰地区的多个采样点树轮样本开展气温重建的研究还较少。本文利用2012年采自阿勒泰地区由西北至东南森林上树线3个采样点的树轮样本，建立树轮宽度年表，重建了阿勒泰地区过去359a来初夏气温变化，并分析了其周期等特征，为认识阿勒泰地区现代气候变化的特征以及进一步与全球气温变化的对比提供基础资料。

1 资料和方法

1.1 研究区概况

本文的研究区域位于新疆最北部的阿勒泰地区，介于85°31′57″～91°01′15″E，45°59′35″～49°10′45″N之间。这一地区北接俄罗斯，西临哈萨克斯坦，东依蒙古，总面积约为1.18×105km2，约占新疆总面积的7.14%。阿勒泰地区位于阿尔泰山中段南坡，南方为准噶尔盆地。地势东南高西北低呈山地、平原、沙漠三大地貌特征，研究区山体耸立，面积广袤，地貌类型复杂多样，气候差异非常明显。研究区呈大陆性气候，冬季漫长严寒，春季干燥多风，气温回升不稳定，夏季短暂且多降水，秋季凉爽。该区域的降水主要来源于大西洋的西风气流以及北冰洋穿越山隘的气流带来的水汽，由于山地的抬升作用，山区降水较为丰富，降水量由西北向东南递减[15]。

1.2 气象数据

本研究所采用的气象资料来自阿勒泰地区的6个气象站，即哈巴河气象站（48°03′N，86°21′E；海拔532.6m；1958—2012年）、布尔津气象站（47°42′N，86°52′E；海拔473.9m；1961—2012年）、阿勒泰气象站（47°44′N，88°05′E；海拔735.1m；1954—2012年）、福海气象站（47°07′N，87°30′E；海拔499.9m；1958—2012年）、富蕴气象站（46°59′N，89°30′E；海拔802.7m；1962—2012年）、青河气象站（46°40′N，90°23′E；海拔1 218.2m；1958—2012年）。选取6个气象站1962—2012年，共51a的逐月平均气温以及降水量等实测气象数据进行树木生长气候响应及历史气候重建工作。

本研究对6个气象站的逐月平均气温及降水量进行平均计算，代表阿勒泰地区的平均气候状况。从图1中可看出阿勒泰地区月平均气温呈单峰型，一年中7月的平均气温最高，1月最低；月降水量呈双峰型，其中7月降水量最大，11月次之，2月降水量最少。

1.3 树轮年表的建立

图1 气象站气象资料简图（1962—2012）

3 个采样点分布于阿尔泰山森林上线附近（表1）。由图2可知，沿阿尔泰山自西北至东南分布为：阿库里（AKL）、阿肯坝（AKB）、萨依肯布拉克（SYK）。采集树种为落叶乔木西伯利亚落叶松，是一种生长能力强的速生树种，在北天山东段及阿尔泰山广泛分布生成混交林或者纯林。该树种耐干旱、严寒，一般5月发芽，6至7月为速生期，9月开始落叶进入休眠期[16]。采样点平均坡度在19°～27°之间。每个采样点至少采集25棵树，每棵树一般钻取2根样芯，个别钻取1根样芯，复本量达到进行树轮气候研究的要求[15]。

表1 采样点信息

图2 阿勒泰地区采样点及附近气象站位置

按照树木年轮气候学的基本流程[17-19]，将树轮样芯进行干燥、固定、打磨处理，然后使用显微镜目测定年、年代标记。使用精度为0.001mm的树轮宽度测量系统（Velmexmeasuring System）对树轮样本进行宽度测量。用国际树木年轮数据库的COFECHA交叉定年质量控制程序[17]辅佐验证交叉定年判断。依据COFECHA交叉定年质量控制程序运行结果，剔除2个与主序列相关性较差的树芯样本后进入年表总序列的子序列共有164个。

1.4 研究方法

利用WIN-ARSTAN年表研制程序中的负指数曲线对树轮宽度资料进行年表研制，使用67%序列长度的样条函数来稳定年表方差，获得每个采样点的3种类型树轮宽度年表，分别为标准化年表（STD）、差值年表（RES）和自回归年表（ARS）。为了尽可能多的保留树轮年轮序列中的低频变化信息，本文对3个采样点的标准化树轮宽度年表进行分析。再将3个标准化年表进行组合，研制出阿勒泰地区区域年表，简称AAS。树轮序列的长度为523a（1489—2012年），可靠年表序列长度（子样本信号强度＞0.85）为359a（1653—2012年）。

将1962—2012年阿勒泰地区6个气象站所记录的平均气温和降水资料与阿勒泰地区3个树轮宽度指数年表（AKL、AKB、SYK）及1个合成树轮宽度指数年表（AAS）进行相关普查计算，分别将上年1月至当年12月逐月平均气温和降水数据顺序组合，并与阿勒泰地区树木年轮宽度年表的当年（t）、下1a（t+1）以及下2a（t+2）的树轮序列进行单相关普查。分析限制树木径向生长的限制因子，找到最佳相关时段并讨论其生理意义。采用一元线性回归模型建立树轮宽度指数与对应气候要素的转换方程，并采用“逐一剔除法”进行交叉检验，检验年轮气候重建值的稳定性、准确性和可靠性[18-19]。采用滑动t检验法[20]进行突变分析，功率谱方法分析重建气温序列的周期特征。

2 结果与讨论

2.1 年表特征分析

采样点所采集的树轮样本是对样本总体的一个抽样，样本对总体的代表性百分比数值越大所采样本对采点样本总体的代表性越好。阿勒泰地区4个年表的代表性均高达96.5%以上，表明此次阿勒泰采样较为理想，对于树轮气候研究具有很大的研究潜力。树间相关系数反映了一个采样点中气候因子影响树木年轮宽度生长导致轮宽变化同步性的大小。树间相关系数越大，树轮宽度年表所包含的气候信息就越多。4个标准化树轮宽度年表的平均树间相关系数介于0.15～0.44之间，符合树轮宽度序列或年表的树间相关系数的一般取值范围。年轮平均敏感度的逐年变化是衡量气候对树轮宽度生长限制强弱的一项重要指标[15]。4个标准化树轮宽度年表的平均敏感度介于0.14～0.20之间，符合树轮宽度序列或年表的敏感度的一般取值范围。年表的信噪比可以反映总年表平均指数的方差贡献大小，一般来说，信噪比较大的年表含有较多的气候信息[2]。这4个年表信噪比均大于25，区域合成年表AAS高达45.76，说明AAS年表中含有较为丰富的气候信息。树轮宽度年表的自相关系数揭示了气候限制因子对树轮生长的持续性作用。一阶自相关系数的大小反映当年的气候因子对下一年年轮宽度生长的影响。如果一阶自相关大，上年气候对当年轮宽生长影响就强，反之亦然[2]。这4个年表一阶自相关系数较大，表明采样点气候对树木生长影响具有“滞后效应”。详细参数见表2。

表2 标准化树轮宽度年表的特征参数

图3 阿勒泰地区区域树轮宽度指数和样本量

2.2 阿勒泰地区树轮宽度对气候的响应

相关分析表明，阿勒泰地区6月平均气温与3条标准化树轮宽度序列均相关较好（表3）。而与合成的总年表（AAS）相关最高，相关系数高达0.675（p<0.000 1），6月的平均气温可能是阿尔泰山南坡西伯利亚落叶松树木径向生长的限制性因子。

表3 阿勒泰地区6月平均气温与标准化树轮宽度年表序列的相关系数

根据树木生理学，适宜的降水和温度为树木生长必须具备的生长条件。阿勒泰山区气候湿冷，降水方面相对能满足处于较高海拔树木生长季的生长需求，因而高海拔地区偏低的温度成为制约树木年轮宽度生长的气候限制因子。6月为西伯利亚落叶松早材生长的重要时期，树木进入快速生长时期。水分充沛、较高的温度有利于增强树木的光合作用，从而形成偏宽的年轮。反之，温度偏低限制光合作用，则导致生成偏窄树轮。本文研究与尚华明等[21]在阿勒泰中部开展的树木生长气候响应分析结果一致。

2.3 初夏气温序列重建和检验

依据1962—2012年6月的月平均气温，通过逐步回归分析方法，构建的重建方程为：

TA.L.T.=4.262×AAS+16.228。（1）

上式TA.L.T.为阿勒泰地区6月的均温重建值；AAS为阿勒泰地区3个组合标准化年表。重建方程特征参数见表4。

表4 阿勒泰气象站6月平均气温转换方程和交叉检验的统计量

通过方程得出：相关系数是0.675，方差解释量为45.6%，F检验统计值为41.052，超过0.01的极显著性检验。校准期内重建值和实测值的相关达0.663，超过0.01极显著性水平。由图4可以看出，6月平均气温重建值与实测值同步性比较好。

图4 重建气温值与实测值比较

从图4可以看出，重建值在变化趋势上小于实测值，即在极值上存在差异。一般而言，重建值的极值小于实测值，说明重建值在高频变化上有一定的损失。利用“逐一剔除法”对所得重建序列进行交叉检验发现：误差缩减值（RE）为0.417，表明该重建方程是稳定可靠的，重建值是可信的；乘积平均数检验值（t）为4.70，超过0.01极显著性水平；交叉检验所得的相关系数（r）为0.647，超过0.01极显著性水平；一阶差相关系数（r）为0.461，超过0.01极显著性水平；原始值符号检验（S1）为37/51（p＜0.01），一阶差序列符号检验（S2）为32/50（p＜0.10），这说明重建序列在低频变化上比其高频变化更与实测序列相吻合。从上述检验结果得知，气温重建方程是稳定的，由该方程所进行的气温的重建数据是可靠的。2.4初夏气温序列特征分析

图5为阿勒泰西部重建月平均气温31a滑动平均后的曲线，以揭示其低频变化。重建的初夏平均气温最大值的极值在1830年，为22.35℃，比重建的359a6月气温平均值（20.42℃）高1.93℃；比40a实测6月平均气温（20.36℃）高1.99℃。最小值的极值在1985年，为17.87℃，比重建的359a平均值低2.55℃；比40a实测平均气温低2.49℃。359a长度的重建6月平均气温序列的均值Mean为20.42，标准差σ为0.75。将>mean+2σ的气温重建值定义为温暖年，介于mean+2σ和mean+1σ之间的为偏暖年；

图5 阿勒泰地区359a 6月平均气温重建序列

使用滑动t检验法发现阿勒泰地区近359a在0.01显著性水平上有4次突变，其中1691年、1970年前后由高到低突变，而1857年、1939年前后由低到高突变，且1939年前后突变最显著。其中1691、1939年突变与胡义成[11]重建阿勒泰东部6—7月平均温度序列结论一致。

使用功率谱分析方法对阿勒泰地区的气温重建序列进行周期分析，以了解过去359a的气温变化的周期性，最大滞后数取气温序列长度的1/ 3，M取值120。当功率谱大于一定置信水平所对应的临界值，则认为相应周期显著。功率谱分析显示该重建序列存在30.0a、7.4a的显著准周期（p<0.05）和6.4a的较显著准周期（p<0.10）（图6）。以往对阿勒泰地区的气温重建研究中尚未发现30a显著准周期，故30a显著准周期还需后续讨论研究；7.4和6.4a准周期可能受厄尔尼诺—南方涛动周期的影响[23]。

通过对阿勒泰地区重建6月平均气温31a滑动平均后，得到阿勒泰地区初夏气温重建序列大致有7个偏暖时期和6个偏冷时期（表5）。其中偏暖阶段为：1667—1681年、1714—1728年、1747—1779年、1787—1800年、1862—1887年、1935—1968年、2000—2012年；偏冷阶段为：1682—1713年、1729—1746年、1780—1786年、1801—1861年、1888—1934年、1969—1999年。6月平均气温偏暖阶段的最大平均值为20.66℃，出现在1935—1968年，较6月平均气温的重建值（20.42℃）高出0.23℃；6月平均气温偏冷阶段的最小平均值为20.19℃，出现在1969—1999年，较6月平均气温的重建值（20.42℃）偏低0.23℃。持续时间最长的偏暖时段为1935—1968年，共33a；持续时间最长的偏冷时段为1888—1934年，持续46a。

表5 阿勒泰地区6月平均气温冷暖阶段

阿勒地区基于树轮资料的气温重建工作有一定基础，将本研究重建的气温重建序列与阿勒泰西部5—9月平均气温重建序列[24]（TW.A.L.T.）和阿勒泰中部6月平均气温重建序列[21]（TM.A.L.T.）进行对比。由图7可知，1909—1996年与1667—1769年气温高低变化阶段一致。中间阶段（1770—1908年）变化有所不同，但变化趋势相似。本文重建序列与TM.A.L.T.相关系数为0.522，与TW.A.L.T.相关系数为0.319；31a滑动平均值与TW.A.L.T.相关系数为0.425，与TM.A.L.T..相关系数为0.675，均超过0.01显著性水平。由此说明，本研究阿勒泰地区6月平均气温重建序列不但代表本研究区域的气温变化，而且代表更大范围的气温变化情况，反映了此重建序列的可靠性和重建的区域性。

图7 区域重建序列对比

3 结论

（1）初夏平均气温是阿勒泰地区上树线树木年轮宽度生长主要气候限制因子。

（2）采用3个森林上限树轮宽度标准化年表重建了阿勒泰地区359a的6月平均气温。重建序列分析表明阿勒泰地区初夏平均气温重建序列共有7个偏暖阶段和6个偏冷阶段。最长偏暖期为33a（1935—1968年），最长偏冷期为46a（1888—1934年）；最暖的偏暖期（1935—1968年）6月平均气温为20.65℃，比平均值高0.23℃。最冷的偏冷期（1969—1999年）6月均温为20.19℃，比平均值低0.23℃。

（3）过去359a初夏平均气温序列存在5个温暖年、54个偏暖年、252个正常年、37个偏冷年、以及11个寒冷年。6月平均气温的气温最高年出现在1830年（22.35℃），高于重建平均值1.93℃。气温最低年出现在1985年（17.87℃），低于重建平均值2.55℃。

（4）过去359a阿勒泰地区初夏平均气温经历了4次气温突变，1691年、1970年前后，由暖向冷突变，1857年、1939年，由冷向暖突变。

（5）过去359a阿勒泰地区初夏平均气温具有30.0a、7.4a（p<0.05）和6.4a（p<0.10）的周期。

致谢：参与野外采样的有张同文副研究员、硕士生胡建等，在此表示感谢！

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Early Summer Temperature Change in Altay over the Past 359 Years Recorded by Tree Rings

CUI Yu1，HU Liequn2，YUAN Yujiang3，LI Shuai1，HOU Xiaogang1
（1.Xinjiang Climate Centre，Urumqi 830002，China；2.Urumqi meteorological Satellite Ground Station，China Meteorological Administration,Urumqi 830011，China；3.Institute of Desert Meteorology，China Meteorological Administration，Key Laboratory of Tree-ring Physical and Chemical Research of China Meteorological Administration，Key Laboratory of Tree-ring Ecology of Uigur autonomous Region，Urumqi 830002，China）

In this paper，three tree-ring width chronologies were developed.Tree ring samples from the upper tree line of altay mountains were collected in 2012.It was found that the standardized tree-ring width chronologies have the best relevance to the mean temperature of June in six weather stations,and the correlation coefficient is0.675.With stepwise regression analysis,we established reconstruction temperature equation.The reconstruction explains 45.6%of the variation in the observed mean temperature from 1962 to 2012.Warm periods occurred during 1667-1681,1714-1728,1747-1779,1787-1800,1862-1887,1935～1968,and 2000-2012,while relatively cold periods were in 1682-1713,1729-1746,1780-1786,1801-1861,1888-1934,and 1969-1999, Including 5 warm year,54 partial warm years,252 normal years,11 cold year,37 partial cool years. The extreme warm year occurred in 1830（22.35℃）,the extreme cold one occurred in 1985（17.87℃）；Power spectral analysis demonstrated the existence of significant 30.0，7.4,and 6.4 year cycles of variability.

Altay region；Larix sibirica Ledeb.；tree ring；climate response；temperature reconstruction

P468

A

1002-0799（2015）05-0022-07

崔宇，胡列群，袁玉江，等.树轮记录的过去359a阿勒泰地区初夏气温变化[J].沙漠与绿洲气象，2015，9（5）：22-28.

10.3969/j.issn.1002-0799.2015.05.004

2015-05-11；

2015-05-28

国家自然科学基金（41275120），自治区科技援疆项目（2013911104）共同资助。

崔宇（1988-），女，助理工程师，现从事气候分析与预报工作。E-mail：eayu121@sina.com