第四纪研究  2015, Vol.35 Issue (5): 1155-1164   PDF    
湖南道吾山树轮记录的1815~2013年6~9月平均温度及其与PDO和ENSO的联系
史江峰①②, 李玲玲, 韩志勇, 侯鑫源, 史逝远    
(① 南京大学地理与海洋科学学院, 南京 210023;② 江苏省气候变化协同创新中心, 南京 210023)
摘要    树木年轮作为高分辨率气候记录代用指标, 在历史时期气候变化研究中发挥着重要的作用。我国东南地区树木年轮气候重建还比较少, 制约了对该地区历史气候变化的认识。本文运用树木年轮学标准方法, 在湖南省道吾山建立了一条自1808年以来的马尾松树轮宽度年表, 根据子样本信号强度大于0.85的标准, 年表的可靠时段为1815~2013年。将年表与马坡岭和长沙气象站月平均温度、月最高温度、月最低温度和月降水量进行相关分析, 发现6~9月平均温度是研究区马尾松生长的主要限制因子。据此重建了该地区过去199年的6~9月平均温度。重建序列显示, 高温时段有1849~1889年、1924~1940年、1954~1972年和1999~2013年; 低温时段有1815~1834年、1890~1923年、1941~1953年和1973~1998年。重建温度序列的高、低温时段与湖北麻城地区树轮重建温度序列基本一致, 表明该重建序列在年代际尺度上具有较大的空间代表性。功率谱分析表明, 重建序列具有与太平洋年代际振荡(PDO)相似的37~43年的年代际周期, 还具有与厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)有关的2~3年的年际周期, 而且它们在共同时段对应较好, 表明PDO和ENSO对研究区6~9月温度有较大影响。
主题词     湖南道吾山    马尾松    树轮宽度    夏季温度    PDO    ENSO    
中图分类号     P467;P534.63+2                    文献标识码    A

1 引言

树木年轮作为高分辨率的气候代用指标,为重建历史气候做出了重要贡献,为预测未来气候变化打下了一定基础。我国树木年轮研究在中国西部干旱、 高寒地区和中国北方干旱、 半干旱到半湿润地区开展较多[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26]。然而,东南湿润地区的树轮研究相对较为薄弱,原因在于湿润区气候要素对树木生长的影响比较复杂。近十几年来,该地区开展了一些树轮稳定同位素的研究工作[27, 28, 29],但主要还是基于树轮宽度的研究[30, 31, 32, 33, 34, 35, 36]。除个别研究点树轮宽度年表对降水响应敏感外[30],其他研究地点主要是对温度的响应[31, 32, 33, 34, 35, 36]。尽管取得了这些成就,但对东南历史气候的认识还略显不足,需要开展更多的历史气候重建工作。

树轮序列在太平洋年代际振荡(PDO)重建方面取得了较多的研究成果[37, 38]。另外,环太平洋树轮年表中还包含有很强的厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)信号[39, 40]。我国在这方面的研究主要是对树轮序列或树轮重建的温度序列进行周期分析,探索研究区树木生长是否受到PDO等气候模态的影响[41, 42]

本文利用采自湖南省道吾山的马尾松(Pinus massoniana Lamb.)树芯样本,建立了一条206年的树轮宽度年表,基于子样本信号强度(SSS)大于0.85,确定该年表的可靠时段为1815~2013年。分析了该年表与温度、 降水的关系,重建了显著影响该地区马尾松径向生长的气候要素,即6~9月平均温度。最后探讨了该重建温度序列与PDO、 ENSO等气候模态的联系。

2 数据和方法 2.1 研究区概况

湖南省位于欧亚大陆的东南部,青藏高原南缘下游( 图 1)。由于海陆冷热源分布随季节发生转换,导致气压场的分布亦随季节变化,形成了中亚热带季风湿润气候。青藏高原的热力和动力作用,加强了该处的季风气候特征。冬季气候较为寒冷,夏季潮湿而炎热。4~6月受太平洋、 印度洋热带海洋气候影响,出现雨季; 7~9月夏季风势力增强,雨带移至淮河以北,长江以南处于雨带后部,本地区进入炎热少雨的盛夏,极易出现夏秋干旱; 10月冷空气频繁出现,秋凉天气伴随而来[43]。本文研究地点道吾山位于湖南省长沙市东北方向,连云山脉的蕉溪岭段余脉,最高海拔786m。

图 1 树木年轮采样点和附近两个气象站的位置 Fig. 1 Location of the sampling site and two meteorological stations
2.2 气象资料

气象资料选自距离道吾山采样点较近的马坡岭(28°12′N,113°05′E; 海拔44.9m)和长沙(28°13′N,112°55′E; 海拔68.0m)两个气象站( 图 1)。马坡岭站记录时段为1958年1月~1986年12月,后来观测业务为长沙站所代替,长沙站记录时段为1987年1月~2013年12月,最终将两站数据连接在一起使用。所使用的气象要素包括月平均温度、 月最高温度、 月最低温度和月降水量。根据这两个站点1958~2013年的多年平均值( 图 2),最冷月1月的平均温度为4.8℃,最热月7月的平均温度为29.3℃; 最大降水月份6月的降水量为208.5mm,全年总降水量为1405.0mm,4~6月降水量为602.2mm,占全年总降水量的42.9 % 。

图 2 马坡岭、 长沙气象站(1958~2013年)多年月 平均温度、 月最高温度、 月最低温度和月降水量 Fig. 2 Monthly mean,maximum,minimum temperatures and monthly total precipitation from Mapoling and Changsha stations over the period 1958~2013

PDO指数定义为 20°N以北的北太平洋月海表温度异常第一主分量,本文所用的PDO时间序列(1900~2013年)来自美国华盛顿大学大气和海洋联合研究所(JISAO)网站(http://jisao.washington. edu/pdo/)。多变量ENSO指数(MEI)序列(1950~2013年)来自美国国家海洋和大气局(NOAA)网站 (http://www.cdc.noaa.gov/people/klaus.wolter/MEI/)。

2.3 树轮样品采集和树轮宽度年表建立

道吾山(DWS)采样点海拔高度为200~350m(28°11′N,113°35′E) ( 图 1)。共采集样本两次,第一次采集于2011年7月,除个别因树木生长位置限制只能取1根树芯外,其余每棵树均采集2根树芯,最终从26棵树上采集了49根树芯,命名为DWS01; 第二次补采于2014年7月,共采集15棵树,26根树芯,命名为DWS02。将两次采集到的树芯进行合并,命名为DWS0102。样品带回实验室后,在自然状态下风干,用样品槽对树芯进行固定,分别用120目、 400目和600目砂纸进行打磨,直到在显微镜下细胞清晰可见为止[44]。根据采样年份,对每个树芯在显微镜下进行初步目测定年,记录窄轮年份,并对可能的缺轮和伪轮位置进行标记。用量测精度为0.001mm的LINTAB树轮宽度测量仪进行年轮宽度测量,之后用折线图法进行交叉定年[45]。用COFECHA程序[46, 47]对交叉定年和宽度测量结果进行检验,剔除树龄短和相关值较低的树芯,最后保留35棵树的60个树芯用于建立年表。树芯平均长度为178年,缺轮率为0.32 % ,与主序列平均相关系数为0.58,一阶自相关系数为0.82,平均敏感度为0.29。

用ARSTAN程序[48]建立年表。首先采用67 % 样本长度的样条函数对宽度序列进行拟合,实测树轮宽度序列值除以拟合曲线的对应值,得到去趋势序列,这样就消除了与遗传因子等有关的影响,再用双权重平均法将去趋势序列合成平均值为1、 无量纲的树轮宽度指数序列,即树轮宽度标准年表(STD); 通过自回归分析,消除去趋势序列的自相关,再采用双权重平均法得到差值年表(RES)( 图 3)。年表的长度为1808~2013年(共206年),根据子样本信号强度大于0.85的标准,年表的可靠时段为1815~2013年( 表 1),共199年。

图 3 湖南道吾山马尾松树轮宽度标准年表、差值年表(1808~2013年)及其样本量 Fig. 3 The standard and residual tree-ring width chronologies of P. massoniana Lamb. over the period 1808~2013 and the corresponding sample depth in Mount Daowu, Hunan Province

表 1 道吾山树轮宽度标准年表(STD)和差值年表(RES)的统计特征 Table 1 Statistical characteristics of the standard and residual chronologies for DWS0102
3 结果与讨论 3.1 树轮宽度年表统计特征

表 1的年表统计量中可看出,差值年表在去掉一些低频变化后各统计量都有一定程度的提高,但与标准年表统计量相比提高幅度并不大。两年表有很高的相似度(r=0.89,p<0.01)。为了保留尽可能多的低频信号,本文选用标准年表进行分析。

3.2 年表与气象数据的相关分析

将气象数据与年表在共同时段(1958~2013年)进行相关分析,结果见 图 4。总的特征是年表与温度负相关,与降水正相关。年表与月平均温度、 月最高温度、 月最低温度的相关模式较为一致,与月平均温度显著的相关有3月(r=-0.33)、 6月(r=-0.39)、 7月(r=-0.37)和9月(r=-0.39),将6~9月温度平均后相关系数有较大的提高(r=-0.517),说明初春、 夏、 秋季节高温对研究区树木生长具有明显的限制。年表与当年4月、 6月份降水显著正相关,相关系数均为0.28; 还与上年10月、 11月温度负相关,与降水正相关。

图 4 树轮宽度标准年表与月平均、 最高、 最低温度(a) 和月降水量(b)的相关分析(1958~2013年) 图中虚线为0.05显著性水平线,P代表上年 Fig. 4 Correlation analyses between the STD chronology and monthly mean,maximum,and minimum temperatures (a) and monthly total precipitation (b) over the period 1958~2013.The dotted line:α=0.05; P:previous year

树木生长受到暖季高温限制的现象在我国东南地区低海拔马尾松树轮气候研究中也有发现,如湖北麻城马尾松(海拔分别为500m和540m)树轮宽度与6~9月最高温度显著负相关[49],福建永安市和沙县马尾松(海拔420~450m)树轮宽度与夏秋干旱季节(8月和10月)温度显著负相关[34, 50],广东鼎湖山马尾松(海拔200m左右)径向生长受到夏季(6月、 8月和9月)高温限制影响[51]; 另外,在我国北方高海拔地区也发现了类似的现象,如河南伏牛山油松(Pinus tabulaeformis Carr.)树轮宽度与5~7月温度显著负相关[52],而且不同海拔油松径向生长均受到5月、 6月份高温限制影响[53],甘肃崆峒山油松(海拔1910~1980m)径向生长与6~8月平均温度显著负相关[54],青藏高原南部南木林大果圆柏(Sabina tibetica,海拔4507~4693m)树轮宽度与6~8月温度显著负相关[55]。国外树轮气候研究也发现类似情况,如奥地利西部欧洲赤松(Pinus sylvestris L.,海拔750m)树轮宽度与5月温度负相关[56],法国阿尔卑斯山白冷杉(Abies alba Mill.,海拔1520~1820m)与上年8~9月温度负相关[57]。综上可知,这种树木生长受到夏季高温限制的现象在不同纬度、 不同海拔地区均可能出现。

表 2 1958~2013年校准、 检验和共同时段的统计参数 Table 2 Statistics of calibration and verification test results for the common period of 1958~2013

研究区马尾松树轮宽度年表与6~9月温度的负相关有两个可能原因: 一是土壤水分不足造成干旱胁迫; 二是采样点6~9月的平均温度达到了26℃,过高的温度对树木生长产生了抑制作用[22, 58]。具体原因还需要植物生理学方面的深入研究。总体上,年表与当年6~9月平均温度的相关最高。

3.3 6~9月温度重建

前面的分析表明,湖南道吾山马松尾树轮宽度标准年表与6~9月平均温度的相关最高,故采用一元线性回归方程对其进行重建。在1958~2013年共同时段,重建方程的方差解释量为26.7 % 。对重建方程进行了分段检验[59],发现RE和CE均为正值,表明重建方程比较可靠[60]( 表 2)。实测值和重建值一阶差的相关系数为0.20,在0.05水平下不显著,说明重建序列主要反映的是年代际尺度以上的低频信号。实测值和重建值的对比以及过去199年(1815~2013年)6~9月平均温度的重建见 图 5

图 5 湖南道吾山6~9月平均温度重建 (a)实测温度和重建温度的对比(1958~2013年);(b)重建温度(1815~2013年,细线为重建值,粗线为10年快速傅立叶平滑值,水平线为平均值) Fig. 5 June-September mean temperature reconstruction in Mount Daowu,Hunan province. (a)Comparison of the actual and reconstructed temperatures for 1958~2013;(b)the reconstructed temperature from 1815 to 2013 (Thin line: reconstructed value; thick line: 10-year FFT smoothing; horizontal line: the average value)

1815~2013年6~9月多年平均温度是26.9℃。高温时段有1849~1889年(27.2℃)、 1924~1940年(27.4℃)、 1954~1972年(27.4℃)和1999~2013年(27.5℃); 低温时段有1815~1834年(26.5℃)、 1890~1923年(26.5℃)、 1941~1953年(26.5℃)和1973~1998年(26.5℃)。分别对重建和实测的6~9月平均温度做空间相关分析( 图 6)。可以看出,重建序列代表了东南除沿海外的大部分地区。但是,与实测序列相比,空间相关值比较低,即气候信号强度比较弱。重建温度序列对Chen等[34]的福建永安没有代表,但对蔡秋芳等[49]的湖北麻城有一定的代表性( 图 6)。重建序列对田沁花等[52]的河南西部伏牛山的代表性较弱( 图 6),伏牛山树轮重建的是5~7月温度[52],与本文的6~9月相差较多。基于以上原因,仅将重建序列与湖北麻城树轮重建的6~9月温度进行了对比( 图 7)。湖北麻城1879~2011年以来6~9月最高温度重建序列有两个高温时段(1959~1970年和1999~2011年)和两个低温时段(1940~1957年和1971~1998年)[49]。这4个高、 低温时段和本文的高、 低温时段基本一致,表明本文重建的6~9月温度序列在年代际尺度上具有较大的空间代表性。需要注意的是,1907~1936年期间,两序列的高、 低温时段相反,具体原因需要在后续的树轮研究中予以关注。

图 6 6~9月平均温度重建值(a)、 实测值(b)与CRU TS 3.22格点数据的空间相关(1958~2013年) 五角星为本文采样点,圆为他人重建点[34, 49, 52] Fig. 6 Spatial correlation between the reconstructed (a),actual (b) June-September temperatures and the regional June-September temperature from CRU TS3.22(land)over 1958~2013. The star is the sampling site in this study and the dots are the temperature reconstruction sites by others[34, 49, 52]

图 7 6~6~9月平均温度重建值与湖北麻城[49] 树轮重建的6~9月温度对比曲线为11年滑动平均值 Fig. 7 Comparison between the reconstructed June-September temperature of this study and the tree-ring based June-September temperature of Macheng[49],Hubei Province. The curves are the 11-year moving average
3.4 6~9月温度与PDO和ENSO的联系

太平洋年代际振荡(PDO)和厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)是影响环太平洋地区气候变化的两个主要气候模态。为了建立6~9月温度与PDO和ENSO之间的联系,本文分别从周期特征和序列对比两个方面进行探讨。

用多窗口谱分析方法[61]分析了6~9月重建温度序列和PDO序列在共同时段(1900~2013年)的周期,结果显示两者的周期特征比较相似( 图 8)。重建温度中37~43年的年代际振荡与PDO的34~43年周期相对应。在高频变化上,两序列均有与ENSO一致的2~7年周期。

因重建温度序列具有与PDO相似的37~43年长周期,还有与ENSO有关的2~3年短周期,为了进一步了解PDO和ENSO对研究区温度的影响,对比分析了重建温度与这两个太平洋气候模态的关系。

图 8 6~9月重建温度序列(1900~2013年)(a) 和PDO(1900~2013年)(b)的功率谱分析 平滑实线和平滑虚线分别为90 % 和95 % 置信水平,数字为显著周期 Fig. 8 Spectrogram of the reconstructed June-September average temperature (a) and the PDO series(b). Smooth solid line:90 % confidence level; smooth dotted line:95 % confidence level; number: significant period

图 9是实测的6~9月平均温度、 重建的6~9月平均温度与ENSO和PDO在各自共同时段的变化曲线,它们之间存在反向关系。分别计算了实测的6~9月平均温度、 重建的6~9月平均温度与PDO指数在各自共同时段的相关系数( 图 9b和9d),分别为-0.35(p<0.01,n=56)和-0.34(p<0.01,n=114)。两者与ENSO指数的相关系数分别为-0.27(p<0.05,n=56)和-0.41(p<0.01,n=56)( 图 9a和9c)。上述分析结果说明,研究区6~9月平均温度受到了PDO和ENSO等太平洋气候模态的显著影响。

图 9 实测的6~9月平均温度(实线,a,b)、 重建的6~9月平均温度(实线,c,d)与ENSO指数(虚线,a,c) 和PDO指数(虚线,b,d)的对比(细线为实际值,粗线是11年滑动平均值) Fig. 9 Comparison between actual June-September mean temperature(solid line,a,b),reconstructed June-September mean temperature(solid line,c,d)and the ENSO(dotted line,a,c)and PDO(dotted line,b,d)indices. The thin line is the original value and the thick line is the 11-year moving average

重建温度与PDO的关系没有东北太平洋[38]和西北太平洋[62]沿岸采样点那样显著,这可能是因为本次研究采样点位于内陆,受到海洋性气候的影响没有沿岸地区强烈的缘故; 但与同位于内陆的中国东北采样点[63]相比,本研究中二者关系更加明显,这可能是因为本文采样点位于我国东南季风区,不同的地理位置使其更易受到太平洋气候变化的影响。

4 结论

本文在湖南道吾山建立了一条206年的树轮宽度年表,依据SSS大于0.85,确定标准年表的可靠时段为1815~2013年。通过年表与气象数据的相关分析,发现6~9月温度是研究区树木生长的主要限制因子,据此重建了该地区过去199年6~9月平均温度。树木生长受到暖季高温限制的现象在不同纬度、 不同海拔地区均可出现,有两个可能原因,一是土壤水分不足造成干旱胁迫,二是过高的温度对树木生长产生了抑制作用。重建温度的高、 低温时段与湖北麻城对应较好,表明重建温度序列在年代际尺度上具有一定的空间代表性。

6~9月温度与PDO、 ENSO无论在周期特征上,还是在年际或年代际尺度的对比上均有较好的对应关系。重建温度的功率谱存在着与PDO相似的37~43年的长周期,另外还有与ENSO有关的2~3年的短周期(见 图 8)。说明PDO和ENSO对研究区6~9月温度有显著影响。

致谢 感谢史彦武、 卓海昕、 吉普昇和孙凯歌在野外采样和室内实验中提供帮助,感谢审稿专家和编辑部老师提出的宝贵意见。

参考文献(References)
1 袁玉江, 韩淑媞. 北疆500年干湿变化特征. 冰川冻土, 1991,13 (4):316~321
Yuan Yujiang, Han Shuti. Features of dry and wet changes for 500 years in the northern Xinjiang. Journal of Glaciology and Geocryology, 1991,13 (4):316~321
2 Li J B, Gou X H, Cook E R et al. Tree-ring based drought reconstruction for the central Tien Shan area in Northwest China. Geophysical Research Letters, 2006,33 (7):1~5
3 袁玉江, 魏文寿, 陈 峰等. 天山北坡乌鲁木齐河年径流总量的树轮重建. 第四纪研究, 2013,33 (3):501~510
Yuan Yujiang, Wei Wenshou, Chen Feng et al. Tree-ring reconstruction of annual total runoff for the Ürümqi River on the northern slope of Tien Shan Mountains. Quaternary Sciences, 2013,33 (3):501~510
4 张同文, 刘 禹, 袁玉江等. 利用树轮资料重建天山中段南坡巩乃斯地区公元1777年来平均最高气温变化. 第四纪研究, 2011,31 (6):1011~1021
Zhang Tongwen, Liu Yu, Yuan Yujiang et al. Tree ring based mean maximum temperature reconstruction for the Gongnaisi region on the southern slope of the central Tienshan Mountain, China since A.D. 1777. Quaternary Sciences, 2011,31 (6):1011~1021
5 任军莉, 刘 禹, 宋慧明等. 甘肃临夏地区过去195年最高温度历史重建——基于紫果云杉树轮宽度资料. 第四纪研究, 2014,34 (6):1270~1279
Ren Junli, Liu Yu, Song Huiming et al. The historical reconstruction of the maximum temperature over the past 195 years, Linxia region, Gansu Province——Based on the data from Picea purpurea Mast. Quaternary Sciences, 2014,34 (6):1270~1279
6 Zhang Q B, Cheng G D, Yao T D et al. A2326-year tree-ring record of climate variability on the northeastern Qinghai-Tibetan Plateau. Geophysical Research Letters, 2003,30 (14):doi:10.1029/2003GL017425
7 Shao Xuemei, Huang Lei, Liu Hongbin et al. Reconstruction of precipitation variation from tree rings in recent 1000 years in Delingha, Qinghai. Science in China(Series D), 2005,48 (7):939~949
8 Liu Yu, An Zhisheng, Ma Haizhou et al. Precipitation variation in the northeastern Tibetan Plateau recorded by the tree rings since 850 AD and its relevance to the Northern Hemisphere temperature. Science in China(Series D), 2006,49 (4):408~420
9 Liang E Y, Shao X M, Liu X H. Annual precipitation variation inferred from tree rings since AD 1770 for the western Qilian Mts., northern Tibetan Plateau. Tree-Ring Research, 2009,65 (2):95~103
10 Yang B, Qin C, Wang J L et al. A 3500-year tree-ring record of annual precipitation on the northeastern Tibetan Plateau. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2014,111 (8):2903~2908
11 Gou X, Peng J, Chen F et al. A dendrochronological analysis of maximum summer half-year temperature variations over the past 700 years on the northeastern Tibetan Plateau. Theoretical and Applied Climatology, 2008,93 (3):195~206
12 Gou X H, Chen F H, Jacoby G et al. Rapid tree growth with respect to the last 400 years in response to climate warming, northeastern Tibetan Plateau. International Journal of Climatology, 2007,27 (11):1497~1503
13 Zhu Haifeng, Zheng Yonghong, Shao Xuemei et al. Millennial temperature reconstruction based on tree-ring widths of Qilian Juniper from Wulan, Qinghai Province, China. Chinese Science Bulletin, 2008,53 (24):3914~3920
14 刘 禹, 蔡秋芳, 宋慧明. 关于青藏高原2485年温度的季节和空间代表性问题. 第四纪研究, 2013,33 (1):108~114
Liu Yu, Cai Qiufang, Song Huiming. Seasonal and spatial representativeness of the tree-ring based 2485-year annual mean temperature reconstruction in the northeastern Tibetan Plateau. Quaternary Sciences, 2013,33 (1):108~114
15 时兴合, 秦宁生, 刘洪滨等. 青海治多公元1374年以来树轮记录的青藏高原地面加热场强度变化. 第四纪研究, 2013,33 (1):115~125
Shi Xinghe, Qin Ningsheng, Liu Hongbin et al. Surface heating field intensity change over Tibetan Plateau recorded Qinghai Zhiduo tree rings since 1374A.D.Quaternary Sciences, 2013,33 (1):115~125
16 Liang E Y, Shao X M, Qin N S. Tree-ring based summer temperature reconstruction for the source region of the Yangtze River on the Tibetan Plateau. Global and Planetary Change, 2008,61 (3~4):313~320
17 Yang B, Kang X C, Bräuning A et al. A 622-year regional temperature history of southeast Tibet derived from tree rings. The Holocene, 2010,20 (2):181~190
18 刘晶晶, 杨 保. 西藏浪卡子地区树轮宽度特征值年表的建立. 第四纪研究, 2014,34 (6):1280~1287
Liu Jingjing, Yang Bao. Development of a tree-ring-width chronology using the eigen analysis method in Langkazi regions of Tibet. Quaternary Sciences, 2014,34 (6):1280~1287
19 杨 保. 树轮记录的小冰期以来青藏高原气候变化的时空特征. 第四纪研究, 2012,32 (1):81~94
Yang Bao. Spatial and temporal patterns of climate variations over the Tibetan Plateau during the period 1300~2010. Quaternary Sciences, 2012,32 (1):81~94
20 李宗善, 刘国华, 傅伯杰等. 利用树木年轮宽度资料重建川西米亚罗地区过去200年夏季温度的变化. 第四纪研究, 2011,31 (3):522~534
Li Zongshan, Liu Guohua, Fu Bojie et al. Tree ring-based summer temperature reconstruction over the past 200 years in Miyaluo of western Sichuan, China. Quaternary Sciences, 2011,31 (3):522~534
21 李宗善, 刘国华, 伍 星等. 川西米亚罗地区岷江冷杉林过去223年森林净初级生产力重建. 第四纪研究, 2014,34 (4):831~847
Li Zongshan, Liu Guohua, Wu Xing et al. Tree-ring based net primary production of Abies faxoniana forest over the past 223 years in Miyaluo of western Sichuan, China. Quaternary Sciences, 2014,34 (4):831~847
22 Shi J F, Liu Y, Vaganov E A et al. Statistical and process-based modeling analyses of tree growth response to climate in semi-arid area of north Central China:A case study of Pinus tabulaeformis. Journal of Geophysical Research, 2008, 113 :G01026, doi:10.1029/2007JG000547
23 马 龙, 刘廷玺, 冀鸿兰等. 科尔沁沙地1826年以来榆树树轮宽度年表的建立及降水重建. 第四纪研究, 2011,31 (2):360~369
Ma Long, Liu Tingxi, Ji Honglan et al. Establishment of ring width chronology and rainfall reconstruction of Ulmus pumila L. in Horqin sandy land since 1826. Quaternary Sciences, 2011,31 (2):360~369
24 田沁花, 周秀骥, 刘 禹等. 秦岭地区多点树轮序列记录的春末夏初气温变化与北半球海温关系的初步分析. 第四纪研究, 2011,31 (5):864~872
Tian Qinhua, Zhou Xiuji, Liu Yu et al. Historical late-spring-to-early-summer temperature at Qinling Mountain range inferred from multi-site tree-ring chronologies, and their relationship with Northern Hemisphere sea surface temperature. Quaternary Sciences, 2011,31 (5):864~872
25 蔡秋芳, 刘 禹. 山西五鹿山油松树轮宽度年表的建立及过去百余年5~6月平均气温变化. 第四纪研究, 2013,33 (1):511~517
Cai Qiufang, Liu Yu. The development of a tree-ring width chronology and the May-June mean temperature variability in Wulu Mountain, Shanxi Province of north-Central China. Quaternary Sciences, 2013,33 (1):511~517
26 刘昶智, 勾晓华, 方克艳等. 甘肃南部公元1824年以来降水重建. 第四纪研究, 2013,33 (3):518~525
Liu Changzhi, Gou Xiaohua, Fang Keyan et al. Precipitation reconstruction in southern Gansu Province since A.D. 1824. Quaternary Sciences, 2013,33 (3):518~525
27 Qian Junlong, Deng Ziwang, Tu Qipu et al. Climatic significance of δD time series in tree rings from Tianmu Mountain. Science in China(Series D), 2001,44 (12):1140~1146
28 Qian Junlong, Lü Jun, Tu Qipu et al. Reconstruction of the climate in the Tianmu Mountain area, Zhejiang Province, in the last 160 years by δ 13 C sequence of tree ring α-cellulose. Science in China(Series D), 2002,45 (5):409~419
29 王 建, 钱君龙, 梁 中等. 树轮稳定碳同位素分析的采样方法——以天目山柳杉为例. 生态学报, 2008,28 (12):6070~6078
Wang Jian, Qian Junlong, Liang Zhong et al. Sampling strategy for carbon isotope analysis of tree rings:A case study of Cryptomeria fortunei from Mt. Tianmu, China. Acta Ecologica Sinica, 2008,28 (12):6070~6078
30 Shi J F, Lu H Y, Li J B et al. Tree-ring based February-April precipitation reconstruction for the lower reaches of the Yangtze River, Southeastern China. Global and Planetary Change, 2015, doi:10.1016/j.gloplacha.2015.05.006
31 Shi J F, Cook E R, Lu H Y et al. Tree-ring based winter temperature reconstruction for the lower reaches of the Yangtze River in Southeast China. Climate Research, 2010,41 (2):169~175
32 Duan J P, Zhang Q B, Lv L X et al. Regional-scale winter-spring temperature variability and chilling damage dynamics over the past two centuries in Southeastern China. Climate Dynamics, 2012,39 (3~4):919~928
33 Chen F, Yuan Y J, Wei W S et al. Tree ring-based winter temperature reconstruction for Changting, Fujian, subtropical region of Southeast China, since 1850:Linkages to the Pacific Ocean. Theoretical and Applied Climatology, 2012,109 (1~2):141~151
34 Chen F, Yuan Y J, Wei W S et al. Reconstructed temperature for Yong'an, Fujian, Southeast China:Linkages to the Pacific Ocean climate variability. Global and Planetary Change, 2012, 86~87 :11~19
35 Zheng Y H, Zhang Y, Shao X M et al. Temperature variability inferred from tree-ring widths in the Dabie Mountains of subtropical Central China. Trees, 2012,26 (6):1887~1894
36 Shi J F, Cook E R, Li J B et al. Unprecedented January-July warming recorded in a 178-year tree-ring width chronology in the Dabie Mountains, Southeastern China. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 2013, 381~382 :92~97
37 Arrigo R D, Villalba R, Wiles G. Tree-ring estimates of Pacific decadal climate variability. Climate Dynamics, 2001,18 (3~4):219~224
38 Biondi F. North Pacific decadal climate variability since 1661. Journal of Climate, 2001,14 (1):5~10
39 Li J B, Xie S P, Cook E R et al. Interdecadal modulation of El Niño amplitude during the past millennium. Nature Climate Change, 2011,1 (2):114~118
40 Li J B, Xie S P, Cook E R et al. El Niño modulations over the past seven centuries. Nature Climate Change, 2013,3 (9):822~826
41 Wang L L, Duan J P, Chen J et al. Temperature reconstruction from tree-ring maximum density of Balfour spruce in eastern Tibet, China. International Journal of Climatology, 2010,30 (7):972~979
42 Chen Z J, He X Y, Chen W et al. Solar activity, global surface air temperature anomaly and Pacific Decadal Oscillation signals observed in urban outskirts tree ring records from Shenyang, China. Advances in Space Research, 2006,38 (10):2272~2284
43 祝燕德. 湖南省气象志. 北京: 气象出版社, 2008. 1~963
Zhu Yande. Hunan Meteorological Records. Beijing:China Meteorological Press, 2008. 1~963
44 Stokes M A, Smiley T L. An Introduction to Tree-Ring Dating. Tucson:The University of Arizona Press, 1996. 1~73
45 喻树龙, 袁玉江, 魏文寿等. 用于气候分析的树轮宽度资料获取技术方法与质量控制. 沙漠与绿洲气象, 2012,6 (1):49~55
Yu Shulong, Yuan Yujiang, Wei Wenshou et al. Technique of tree-ring width data acquisition for dendroclimatological research and quality control. Desert and Oasis Meteorology, 2012,6 (1):49~55
46 Holmes R. Computer-assisted quality control in tree-ring dating and measurement. Tree-Ring Bulletin, 1983,43 (1):69~78
47 Grissino-Mayer H D. Evaluating crossdating accuracy:A manual and tutorial for the computer program COFECHA. Tree-Ring Research, 2001,57 (2):205~221
48 Cook E R. A Time Series Analysis Approach to Tree-Ring Standardization. Tucson:The Ph.D. Dissertation of University of Arizona, 1985. 1~171
49 蔡秋芳, 刘 禹. 湖北麻城马尾松树轮宽度对气候的响应及1879年以来6~9月平均最高气温重建. 科学通报, 2013,58 (增刊Ⅰ):169~177
Cai Qiufang, Liu Yu. The June-September maximum mean temperature reconstruction from Masson pine(Pinus massoniana Lamb.)tree rings in Macheng, Southeast China since 1879 AD. Chinese Science Bulletin, 2013,58 (S1):169~177
50 陈 峰, 袁玉江, 魏文寿等. 福建沙县马尾松树轮宽度与夏季亚洲-太平洋涛动指数的关系. 第四纪研究, 2011,31 (1):96~103
Chen Feng, Yuan Yujiang, Wei Wenshou et al. Correlations between the summer Asian Pacific Oscillation Index and the tree ring width of Pinus massoniana from Sha County, Fujian Province. Quaternary Sciences, 2011,31 (1):96~103
51 侯爱敏, 周国逸, 彭少麟. 鼎湖山马尾松径向生长动态与气候因子的关系. 应用生态学报, 2003, 4 (14):637~639
Hou Aimin, Zhou Guoyi, Peng Shaolin. Relationship between climatic factors and radial growth of Pinus massoniana in Dinghushan Mountain. Chinese Journal of Applied Ecology, 2003, 4 (14):637~639
52 田沁花, 刘 禹, 蔡秋芳等. 油松树轮记录的过去134年伏牛山5~7月平均最高温度. 地理学报, 2009,64 (7):879~887
Tian Qinhua, Liu Yu, Cai Qiufang et al. The maximum temperature of May-July inferred from tree-ring in Funiu Mountain since 1874 AD. Acta Geographica Sinica, 2009,64 (7):879~887
53 Shi J F, Li J B, Cook E R et al. Growth response of Pinus tabulaeformis to climate along an elevation gradient in the eastern Qinling Mountains, Central China. Climate Research, 2012,53 (2):157~167
54 侯 迎, 王乃昂, 李 钢等. 利用树轮资料重建1751~2005年崆峒山地区夏季温度变化. 气候变化研究进展, 2007,3 (3):172~176
Hou Ying, Wang Nai'ang, Li Gang et al. Reconstruction of summer average temperature from tree-ring proxy data during 1751~2005
in Mt. Kongtong. Advance in Climate Change Research, 2007,3 (3):172~176
55 刘晶晶, 杨 保. 青藏高原南部南木林地区树木径向生长对气候因子的响应. 中国沙漠, 2011,31 (6):1527~1534
Liu Jingjing, Yang Bao. Establishment of tree-ring chronology and its response to climate factors in Nanmulin region, southern Tibetan Plateau. Journal of Desert Research, 2011,31 (6):1527~1534
56 Oberhuber W M, Stumboeck M, Kofler W. Climate-tree-growth relationships of Scots pine stands(Pinus sylvestris L.)exposed to soil dryness. Trees, 1998,13 (1):19~27
57 Rolland C. Tree-ring and climate relationships for Abies alba in the internal Alps. Tree-Ring Bulletin, 1993, 53 :1~11
58 Evans M N, Reichert B K, Kaplan A et al. A forward modeling approach to paleoclimatic interpretation of tree-ring data. Journal of Geophysical Research, 2006, 111 :G03008, doi:10.1029/2006JG000166
59 Meko D, Graybill D A. Tree-ring reconstruction of upper Gila River discharge. Water Resources Bulletin, 1995,31 (4):605~616
60 Cook E R, Meko D M, Stahle D W et al. Drought reconstructions for the continental United States. Journal of Climate, 1999,12 (4):1145~1162
61 Mann M E, Lees J M. Robust estimation of background noise and signal detection in climatic time series. Climatic Change, 1996,33 (3):409~445
62 Jacoby G, Solomina O, Frank D. Kunashir(Kuriles)Oak 400-year reconstruction of temperature and relation to the Pacific Decadal Oscillation. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 2004,209 (1):303~311
63 He X Y, Chen Z J, Chen W et al. Solar activity, global surface air temperature anomaly and Pacific Decadal Oscillation recorded in urban tree rings. Annals of Forest Science, 2007,64 (7):743~756
Tree-ring width based June-September temperature reconstruction and its teleconnection with PDO and ENSO in Mount Daowu, Hunan Province
Shi Jiangfeng①②, Li Lingling, Han Zhiyong, Hou Xinyuan, Shi Shiyuan    
(① School of Geographic and Oceanographic Sciences, Nanjing University, Nanjing 210023; ② Jiangsu Collaborative Innovation Center for Climate Change, Nanjing 210023)

Abstract

Tree rings have been widely used in palaeoclimate studies as a high-resolution physical proxy around the world. However, there were few tree-ring based climate reconstructions due to the complex relationships between tree growth and climate in southeastern China that had prevented understanding the historical climate variability there. Therefore, more tree-ring based palaeoclimate studies are needed. In this paper, a 206-year well-replicated robust tree-ring width chronology was developed using 60 tree-ring cores of Masson pine(Pinus massoniana Lamb.)with an average length of 178 years at a low elevation site(200~350m above sea level, 28°11'N, 113°35'E) in Mount Daowu, Hunan Province. The cores were firstly crossdated and the ring width then measured to 0.001mm precision using the LINTAB 5 measurement system. All the measurement series were detrended by fitting a cubic smoothing spline with a 50% frequency response cutoff equal to 67% of the series length. The ratios between original ring widths and the fitted curves were calculated as the detrended series. The crossdated and detrended series were then merged into a chronology using the biweight robust mean method. Based on the criteria that the subsample signal strength(SSS)was larger than 0.85, the reliable period of the chronology was from 1815 to 2013. The correlation analyses were conducted between the chronology and monthly mean, maximum, minimum temperatures and monthly total precipitation at adjacent Mapoling and Changsha meteorological stations. The results showed that tree growth was mainly limited by June-September temperatures with a correlation coefficient of -0.517 over their common period 1958~2013. Two possible mechanisms might be involved in producing this relationship. One is that water stress may play a role, and the other is that high June-September temperature may inhibit tree growth in the study region. Based on this significant relationship, the past 199-year June-September temperature was reconstructed with an explained variance of 26.7% during 1958~2013. According to reconstructed temperature series, high-temperature periods were 1849~18891924~19401954~1972 and 1999~2013, and low-temperature periods were 1815~18341890~19231941~1953 and 1973~1998. The high-and low-temperature periods of this reconstruction matched a tree-ring based June-September temperature of Macheng of Hubei province quite well, showing the large scale representative of our reconstructed temperature at decadal timescales. Power spectrum analyses showed that the reconstructed temperature series had 37~43-year inter-decadal cycles similar to Pacific Decadal Oscillation(PDO) periodicities and 2~3-year cycles related to El Nio-Southern Oscillation(ENSO) over their common period 1900~2013. Both the actual and the reconstructed June-September temperature series significantly correlated with the PDO and ENSO indices over their corresponding maximum common periods at the 0.05 level. Therefore, both the periodic analyses and the correlation analyses showed that PDO and ENSO may influence June-September temperature through their teleconnection in Mount Daowu, Hunan province. More similar warm-season temperature reconstructions should be done to give a clearer picture of historical warm-season temperature in Southeastern China in the future. This study indicated a great potential for such kind of studies.

Key words     Mount Daowu in Hunan Province    Masson pine(Pinus massoniana Lamb.)    tree-ring width    summer temperature    PDO    ENSO