基于树轮宽度重建呼伦贝尔沙地过去198 a降水变化

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00118

摘要/Abstract

摘要：

基于呼伦贝尔沙地樟子松的树轮宽度年表，分析了樟子松径向生长与该地区1952—2018年温度和降水的相关性。结果表明：树轮宽度年表与上一年8月至当年7月的累积降水的相关性最高（r=0.60，P<0.01）。基于此重建了呼伦贝尔沙地过去198 a（1821—2018年）上一年8月至当年7月的降水变化历史。该重建解释了器测时期上一年8月至当年7月降水量35.73%的方差，采用“逐一剔除法”交叉验证和“分段检验法”独立检验表明重建方程可靠稳定。过去198 a降水经历了5个湿润期和5个干旱期。功率谱分析显示，该地区过去198 a的降水存在着5.9~6.0、2.9、2.1 a的变化周期性。与邻近区域重建对比及空间相关性分析表明，本降水重建序列可以较好地代表研究区域的降水变化。

关键词: 树木年轮, 降水重建, 樟子松, 呼伦贝尔沙地, 增强回归树

Abstract:

Based on the ring-width chronology of Pinus sylvestris var. mongholica in the Hulunbuir sandy land， this paper analyzed the correlation between the tree radial growth and the temperature and precipitation during 1952-2018. The results showed that the highest correlation （r=0.60， P<0.01） was found between the ring-width chronology and the precipitation from August of the previous year to July of the current year. And the precipitation history was reconstructed from August of the previous year to July of the current year over the past 198 years （1821-2018） in the Hulunbuir sandy land. The reconstruction equation explained 35.73% of the variance of precipitation from August of the previous year to July of the current year in the instrumental period， and was reliable and stable by the validation using the "leave-one-out cross-validation method" and "segmentation independent test method". The precipitation over the past 198 years had experienced 5 wet-dry transition phases. The multi-taper spectrum analysis showed that the precipitation in this region has a periodicity of 5.9-6.0， 2.9 and 2.1 years over the past 198 years. Comparison with reconstructions from neighboring regions and spatial correlation analysis show that the present precipitation reconstruction sequence can better represent the precipitation changes in the study area.

Key words: tree-ring, precipitation reconstruction, Pinus sylvestris var. mongholica, Hulunbuir Sandy Land, boosted regression trees

中图分类号:

P467

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图/表 14

图1 树轮采样点及气象站分布（A）和月气象特征（B）注：基于自然资源部标准地图服务网站标准地图（审图号：GS（2024）0650号）制作，底图边界无修改

Fig.1 Location of sampling and meteorological station （A）， meteorological characteristics （B）

表1 样点基本信息

Table 1 Site and chronology information

样点	纬度/(°N)	经度/(°E)	海拔/m	时间区间	树芯/树
D01	49.104	120.388	683.1	1933—2018年	44/15
D02	49.070	120.372	690.8	1735—2018年	56/18
D03	49.038	120.378	664.9	1946—2018年	51/19
D04	48.976	120.373	747.5	1932—2018年	83/24

表2 樟子松差值年表主要统计特征参数

Table 2 Main statistical characteristic parameters of the residual chronology of Mongolian pine

年表样本量(芯/树)	平均敏感度MS	公共区间	所有样芯间平均相关系数(r₁)	树木内平均相关系数(r₂)	树木间平均相关系数(r₃)	信噪比	样本总体代表性
234/76	0.22	1946—2018年	0.47	0.76	0.47	93.88	0.99

图2 樟子松树轮差值年表序列（A）、样本量（B）、子样本信号强度（C）和平均相关性滑动序列（D）

Fig.2 Tree-ring width residual chronology （A）， sample size （B）， subsample signal strength （C）， and running series of average correlations （Rbar， D）

图3 1952—2018年树轮差值年表与气象要素的相关性注：P8—C7为上一年8月到当年7月，P6~P12代表上一年6月至12月，C1~C10代表当年的1月至10月；⁎表示在0.05水平上显著，⁎⁎表示在0.01水平上显著

Fig.3 Correlation coefficients between the tree-ring residual chronology and meteorological factors during 1952-2018

图4 气象要素对树轮宽度的相对影响注：P6~P12代表上一年6月至12月，C1~C10代表当年的1月至10月

Fig.4 Relative influence of meteorological factors for the tree-ring residual chronology

表3 校准和验证结果

Table 3 Statistics of calibration and verification results

校准期				验证期
时段（年份）	R²	R $a d j s t 2$	F	时段（年份）	r	ST	ST₁	t	RE	CE
1952—2018	0.36	0.35	36.13^**	1952—2018	0.56^**	50/17^**	38/28	6.50^**	0.32	—
1952—1986	0.15	0.13	5.99^*	1987—2018	0.75^**	27/5^**	22/9^*	7.45^**	0.43	0.43
1989—2018	0.52	0.50	30.47^**	1952—1988	0.52^**	27/10^**	18/18	4.39^**	0.08	0.06

表3 校准和验证结果

Table 3 Statistics of calibration and verification results

校准期				验证期
时段（年份）	R²	R $a d j s t 2$	F	时段（年份）	r	ST	ST₁	t	RE	CE
1952—2018	0.36	0.35	36.13^**	1952—2018	0.56^**	50/17^**	38/28	6.50^**	0.32	—
1952—1986	0.15	0.13	5.99^*	1987—2018	0.75^**	27/5^**	22/9^*	7.45^**	0.43	0.43
1989—2018	0.52	0.50	30.47^**	1952—1988	0.52^**	27/10^**	18/18	4.39^**	0.08	0.06

图5 1952—2018年降水量观测值与重建值

Fig.5 Observed and reconstructed precipitation during 1952-2018

图6 重建降水量与21 a滑动平均值

Fig.6 Reconstructed precipitation and 21-year smoothed average reconstruction

表4 过去198 a呼伦贝尔沙地的干旱年和湿润年

Table 4 Dry and wet years of the Hulunbuir Sandy Land in the past 198 years

极端湿润年	年降水量重建值/mm	极端干旱年	年降水量重建值/mm
1856年	512.4	1855年	216.7
1875年	479.7	1857年	170.7
		1908年	189.0
		1926年	193.7
		1951年	222.9
		1987年	220.2

图7 重建降水的功率谱（A）和小波分析（B）

Fig.7 Power spectral （A） and wavelet （B） of the reconstructed precipitation

图8 1952—2018年观测（A）和重建（B）降水数据与CRU TS 4.08格点降水数据的空间相关性

Fig.8 Spatial correlation fields of the observed （A） and reconstructed （B） precipitation with the gridded CRU TS 4.08 precipitation from previous August to current July during 1952-2018

图9 不同研究的重建降水或干旱序列的对比注：A为本研究重建降水序列，B为阴山东部降水重建序列［1］，C为小兴安岭中部降水重建序列［33］，D为大兴安岭北部PDSI重建序列［42］，E为中国东北地区南部和朝鲜半岛北部降水序列［14］，F为海拉尔站旱涝等级变化序列［41，43］

Fig.9 Comparisons of the reconstructed precipitation or drought series from different studies

图10 太阳黑子数与重建降水交叉谱分析注：白色轮廓表示95%显著性水平，黑色线条为影响锥。向右箭头表示两信号相同，向左箭头表示反相信号；向下箭头表示太阳黑子数落后于重建序列，向上箭头表示太阳黑子数领先于重建序列

Fig.10 Cross-wavelet analysis between sunspot number and reconstructed precipitation

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