阿尼玛卿山西北部地区过去千年气候变化特征

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过去2000年气候变化是国际地圈生物圈计划-过去全球变化研究(IGBP-PAGES)关注的核心内容之一。作为重建过去气候变化序列的一种代用证据,树木年轮以其时间分辨率高、分布广泛、定年准确、易于复本等优势,在过去2000年气候变化研究中起着重要作用。青藏高原是环境变化研究的天然实验室,是全球变化的敏感区。虽然该地区已经建立了一些千年树轮序列,但是主要集中在柴达木盆地和祁连山地区,并且超过2千年的序列相当稀少,限制了人类对过去千年气候变化特征的认识,不利于人类评估气候环境变化与人类活动的相互影响及预测未来数十年全球与区域气候环境变化。本研究的目的是建立青藏高原东部阿尼玛卿山西北部地区千年树轮宽度序列,利用树轮宽度重建研究区千年气候变化,增加千年树轮序列在青藏高原的分布密度,为阿尼玛卿山地区气候变化研究提供参考信息。  本研究在阿尼玛卿山西北部温泉地区3个样点采集了大样本量祁连圆柏树轮数据,经过对样本的交叉定年、轮宽的测量和定年结果的检验,在ARSTAN中采用负指数和斜率为负的线性函数去除树木生长趋势,分别建立温泉上、下限标准年表(wq和wq1),同时采用signal free方法对上限树芯进行去趋势,建立上限signal free年表(Ssfwq)。通过响应函数和相关函数分析了Ssfwq年表和wq1年表与气候要素之间的关系,在此基础上建立了树轮指数与降水和高温之间的转换方程,并且进行了检验,进而根据方程重建了温泉地区过去千年上年9月到当年6月总降水量,和过去2千年当年4-6月月均最高温。对重建高温和降水的特征,如冷暖干湿期、周期特征和趋势及突变等进行了详细分析,最后对年表质量进行评价和比较,详细解释了年表和气候要素关系的机理,分析了重建中引起误差的可能原因,重建的空间代表性,与其他序列和北半球温度序列进行了比较。主要结论如下:  (1)温泉上、下限标准年表的有效长度分别为1336年和1581年,而上限signal free年表(Ssfwq)的有效长度达到了2275年,是目前阿尼玛卿山最长的树轮宽度年表。  (2)相关函数分析结果显示,温泉上、下限轮宽指数都与兴海站当年4-6月平均温和最高温显著负相关,与上年9月和当年5月降水显著正相关;另上限Ssfwq年表与上年8月、下限年表wq1与当年6月降水显著正相关;响应函数也证实轮宽显著负响应4-6月平均温和最高温,显著正响应上年8、9月和当年5、6月降水,上述结果说明研究区森林上限树木生长主要受生长季前期(当年4-6月)最高温的影响,而森林下限树木生长主要受春末夏初(当年5-6月)和上年生长季后期(上年9月)水分条件的控制。  (3)采用线性回归方法重建了研究区公元677-2012年时期上年9月到当年6月的总降水量,公元前262年-公元2012年时期当年4-6月月均最高温,方差解释量分别为45.4%和37.9%。31年滑动平均显示,过去2千年最高温的变化存在8个明显的暖期:公元前246-200年、公元前144-117年、公元126-218、485-574、792-875、890-947(最暖的)、1330-1393和1443-1544年,3个明显的冷期:公元前199-145年、公元351-481(最冷的)和1721-1875年;而过去千年降水,有5个明显的湿润时期:公元871-898、943-999、1059-1114、1492-1585和1738-1815年,3个明显的干旱时期:899-942、1134-1230和1684-1737年。9世纪90年代到10世纪40年代是温度最高降水最少的时期,这一时期降水的波动幅度最大,高温的波动幅度仅次子5世纪初的最冷时期。20世纪以来降水和温度都是先下降后上升,大部分时段超过重建时期的均值,近期处于偏暖偏湿状态。  (4)功率谱和小波分析表明降水和高温都以百年左右的长周期为主,17-18世纪128年左右的长周期表现明显。重建的上年9月到当年6月总降水量在千年之前存在4个明显的下降时段,其他时段变化趋势不明显,而总降水量的30年均值有明显差异,存在较多的正负突变,最明显的正、负突变分别发生在1733和903年前后;过去2000年当年4月到6月月均最高温存在两个明显升温和降温时段,降温发生在公元前160s附近和4世纪90年代到6世纪30年代,升温发生在9世纪90年代到11世纪80年代和15世纪90年代到18世纪30年代,并且升温的时间长于降温的时间,其它时段升温或降温的趋势都不明显,最高温30年均值也有明显差异,共发生了22次突变,最显著的正、负突变都发生在10世纪前期。  (5)与阿尼玛卿山地区其他树轮宽度年表相比,本文建立的温泉千年树轮宽度序列在样本量、序列长度、SNR和EPS方面明显好于其他年表。研究区为黄河上段温润亚区气候,尽管采样点最高海拔达到4100m,但是由于没有达到气候意义上的森林上限,所以温泉上限年表与三气象站上年10月到当年2月及当年5月到8月最低温没有达到显著正相关(玛多和达日站当年7月最低温除外)。分析表明降水重建误差较大的一般出现在降水较多的年份,集中在1996-2010时期;高温重建误差集中在1979-1992时期。空间相关分析的结果显示,本文重建的最高温序列和降水序列,具有较好的空间代表性,可以很好的反映青藏高原地区,特别是阿尼玛卿山地区的气候变化特征。与邻近区域及北半球其他温度和降水序列的比较表明,高温和低温存在非对称变化,近100年来最高温变化并未显示快速的增温趋势,中世纪气候异常期有所提前,小冰期持续时间较短。
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