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作为恢复历史时期气候变化的重要代用指标,树木年轮已广泛应用于气候变化的研究之中。气候变化不仅影响人类生产生活更关乎人类生存。近年来气候异常事件,极端灾害性天气频繁发生,生态环境问题日益加重,这对我国经济和社会发展产生了极大危害。尤其是西北干旱半干旱地区,由于深居内陆,远离海洋,自身环境的干旱以及人类活动影响所带来的生态问题,更是给原本就脆弱的生态环境造成了难以估量的损害。因此,了解西北地区的气候变化历史及预测气候变化趋势就显得十分重要。
论文的研究区位于我国西北地区的甘肃省中东部,属于祁连山,是东亚夏季风控制的边缘地区。研究区广泛分布青海云杉及油松等适用于树轮气候学研究的理想树种,这为在该区域开展树轮气候学研究提供了良好的基础。该区气候干燥,降水稀少,水资源极其缺乏。因此,利用树轮资料恢复该区降水变化历史,不仅可以了解东亚季风边缘在我国西北地区进退历史,确定其影响范围,更可为当地的生态环境治理、防旱减灾提供依据。这对当地生产生活有着极为现实的意义。然而这一地区已开展的树轮学研究工作多偏重气温的研究,以降水变化为重心的树轮气候学研究仍显不足。本文基于采自兴隆山及昌灵-寿鹿地区的树轮样本,应用树轮气候学理论及方法,分析了研究区树轮对气候的响应模式。在此基础上恢复了研究区降水变化历史,并初步探讨了该区降水在东亚季风影响下的时空变化,主要得出以下结论:
1.在甘肃省中东部地区的兴隆山、昌灵山及寿鹿山3个采样点共采集了4组样本,包括油松样本1组,云杉样本3组,并按照国际树轮库(ITRDB)标准,分别建立了上述采样点的树轮宽度年表。考虑到采样点直线距离十分接近,且相关十分显著,论文将昌灵山与寿鹿山合并为一个年表(昌灵-寿鹿年表)。各年表的统计特征分析表明,年表质量可靠,能够满足气候学研究要求。
2.通过分析兴隆山年表对当地气候要素的响应关系发现,兴隆山年表与当地气温呈负相关,而分别与上年7月、8月、9月、11月和当年7月降水量显著正相关,表明降水是该区域影响树木生长的限制性因子。昌灵-寿鹿年表对各月平均气温响应较弱,而对月平均降水量响应则较为显著,其中年表与上年7月至当年6月的降水量组合的相关最高。
3.根据相关分析结果设计转换方程,重建了兴隆山1679年以来上年7月至当年6月降水总量变化序列,重建序列的方差解释量为53.1%(1955-2008年)。在过去330年中,降水量高于多年均值的时段为1686-1715年,1727-1741年,1774-1810和1871-1923年,降水量低于多年均值的时段为1716-1726年,1740-1773年,1811-1870年,1924-1937年和1980-2003年。降水重建结果显示在过去330年中,兴隆山降水序列无论是年际间还是年代际间有多次反复波动,且干旱年份出现的频率明显多于湿润年份。在1980年之后,研究区降水量开始急剧减少,但是降水仍未低于过去330余年降水变化的最低区间。重建的降水序列在很大程度上指示了东亚夏季风在该区活动强弱变化的历史。
3.基于昌灵-寿鹿组年表重建了昌灵,寿鹿地区1853年以来上年7月至当年6月的降水变化,重建序列的方差解释量为53.1%。重建结果显示,昌灵-寿鹿地区降水明显较多的时段为1864-1876年和1936-1959年,而1877-1885年和1923-1932年两个时段为全序列中干旱最严重的时段,重建降水序列在1940-1970年降水变率较大。其中,20世纪20年代降水量明显低于多年平均降水量,这一时期兴隆山地区及我国北方许多地区也同时出现明显干旱情况。
4.兴隆山地区及昌灵-寿鹿地区的降水重建序列共同反映了研究区过去旱涝变化历史。其中显著干旱时段为:1924-1932年,1994-2002年;显著湿润时段为:1871-1876年。周期分析显示,兴隆山地区过去330年的降水变化存在160a、106.67a、80a、22.86a、6.27a和2-3a的显著周期。昌灵-寿鹿地区1853年以来的降水变化则含有23.33a,8.24a,2-3a的准周期。其中两条重建序列共有的20a左右的周期与太阳黑子活动的22a周期基本一致,表明太阳活动对黄土高原干旱区降水有一定的影响。两地降水重建序列在一定程度上揭示了研究区内东亚夏季风强度的变化。
5.兴隆山与昌灵-寿鹿地区降水与早涝等级序列相关分析结果显示,经11a滑动平均后,除个别时段外,两者在极端干湿事件的发生上有较为一致。
6.兴隆山及昌灵-寿鹿两地重建降水与贺兰山,山西宁武以及中国东部地区重建降水序列对比结果显示,各序列对历史时期发生的极端干湿事件的反映具有一致性。尤其五条降水曲线均明确地指示出了上世纪20年代末期发生在我国北方的极端干旱事件。两地降水变化能够在一定程度上反映了中国北方环境敏感带中西部地区的降水变化。
7.兴隆山地区降水序列变化与7月东亚季风指数相关较高,昌灵-寿鹿地区降水与东亚夏季风指数相关则不十分显著,但总体趋势基本一致。