2015, Vol.35
1 引言
中国东部干旱、 半干旱及半湿润区气候变化与东亚夏季风进退密切相关[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10]，而夏季风北界[7, 8]和强度[9]存在明显的年际波动，导致部分区域有些年份在季风影响范围之内，而有些年份则在季风影响范围之外，这一有动态变化的地区称之为季风北部边缘区[10]。总体上，这一区域多年平均降水量在200~450mm之间，年降水变率为15％~30％[11]。在地理位置上，季风北部边缘区主要包括大兴安岭以西、 内蒙古东南部、 河北山西北部及鄂尔多斯高原[12]，是农牧交错带的主体区域[13]。季风北部边缘区景观以荒漠草原、 温带草原、 疏林草原为主[14, 15]，生态系统脆弱，对气候变化十分敏感[16, 17]，历史时期以来，极端干旱事件在这一区域频频发生[18]，其引起的沙漠化问题[19]以及农作物歉收[20]、 沙尘暴频发[21]等诸多环境问题给社会经济发展带来了很大的影响。
历史时期极端干旱事件的分析是深入了解气候变化对现代极端干旱事件的影响、 预测未来干旱灾害变化趋势的基础。在季风北部边缘区，过去数十年来降水量无明显增加趋势，但气候变暖导致地表蒸散发加剧，极端干旱事件发生频率增加，程度加强[22, 23]。目前，在干旱、 半干旱区，虽然基于树轮记录已有大量有关著名干旱事件的强度及持续时间的重建结果[18, 24, 25, 26, 27]，以及区域干湿程度的时空变化过程反演[28, 29]，但采用树轮数据集定量极端干旱事件的强度及影响范围的研究仍然较少。近20余年来，大量高质量的树轮宽度年表的研究使在高分辨率的基础上解析季风北部边缘区历史时期的极端干旱事件成为可能。因此，在已发表的树轮宽度年表数据基础上，本文分析了1740年至1999年季风北部边缘区的极端干旱事件，并利用统计学算法，探讨主要极端干旱事件在各树轮年表中记录的差异性，并讨论了其在季风北部边缘区的发生强度和影响范围。
2 数据源与方法 2.1 数据源在对前人发表数据进行整理的基础上，获取了覆盖研究区的树轮宽度年表数据集(图 1和表 1)，详细的地点见表 1。由于大多数年表能覆盖1740年至1999年，因此本文将这一时期作为研究时段，此外，所有年表均与邻近区域干旱指数序列在重叠时段密切相关。干旱指数采用3~7月帕尔默干旱指数(PDSI)数据集[30]，其空间分辨率为 2.5°×2.5°、 时间跨度为1953年至1999年。采用单侧Pearson相关性检验来判定每一树轮年表与其最近PDSI格点数据之间的相关性，具有显著正相关的年表用于分析历史时期区域干湿程度的变化。结果显示，全部年表都可以通过0.05显著性水平的检验，且大部分年表通过0.01的显著性水平检验[29]。
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图 1 东亚夏季风北部边缘区树轮年表样点(黑点)和PDSI格点(灰色方块)分布图 Fig. 1 Location map of the tree-ring chronologies(black dots)and PDSI grids(gray squares)on the northern fringe of East Asian summer monsoon |
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表 1 树轮年表信息[31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39] Table 1 Information of tree-ring chronologies[31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39] |
由于各树轮年表具有不同的变化幅度，为便于相互比较，将所有树轮年表进行标准化处理。为获得近260年来季风北部边缘区干湿程度随时间的变化，将所有树轮年表进行平均，具体方法包括: 1)原始树轮年表数据集(X)中，完全覆盖整个研究时段(1740~1999年)的年表保持不变； 2)较短的树轮年表按照年表长度由长到短依次排序，相继将其平移至与所有较长年表在重叠时段均值一致； 3)将所有调整后的年表(Y)等权重计算区域平均序列。调整方法为:
式中，xi，j为原树轮年表序列，yi, j为调整后序列，i表示不同年表，j为时间计数器(年)。下标‘long’表示比年表i长的所有年表； ni为年表i的时间长度； nlongi为年表i的所有长年表个数与重叠时长的乘积； xlongi为年表i的所有长年表在重叠时段的均值； xlongi，j为年表i的长年表序列；xlongi为年表i的均值； Δxi为xlongi与xi的差值。
前人研究结果显示，当区域平均序列≤-1.17倍标准差时，区域发生极端干旱事件[40]，因此本文直接分析树轮年表信息，重点关注异常低值指示的极端干旱事件。主要选取距离均值±1和±2个标准差(±1SD和±2SD)作为临界值，计算每年各调整后序列Yi(ni)超过临界值的个数与全部年表数的比例R，当该比例超过某一限定值时，区域发生极端洪涝/干旱事件[43]。具体操作主要包括: 计算每年序列Yi(ni)分别>0(R＋(ni， 1))、>1SD(R＋(ni， 2))、>2SD(R＋(ni，3))、<0(R-(ni，1))、<-1SD(R-(ni，2))及<-2SD(R-(ni， 3))的树轮年表占所有年表的比例，当>临界值(>0、>1SD及>2SD； R＋)的比例上升时，表明湿润气候被更多树轮年表记录，气候湿润的区域增大； 当<临界值的比例(<0、<-1SD及<-2SD； R-)上升时，表明显示干旱的树轮年表比例上升，气候干旱的区域增大且干旱程度随临界值增加而加强。此外，计算每一对超过临界值比例的差值D，将>0与<0(D(ni，1)=R＋(ni， 1)-R-(ni， 1))、>1SD与<-1SD(D(ni，2)=R＋(ni， 2)-R-(ni， 2))及>2SD与<-2SD的比例(D(ni，3)=R＋(ni， 3)-R-(ni， 3))两两相减，得到其对应的差值序列并用于刻画区域干旱/湿润程度影响范围随时间的变化，差值为正表示区域气候以湿润为主，差值为负则区域气候以干旱为主。
采用Monte Carlo法确定每一对超过临界值差值的显著性水平: 1)将调整后的各年表序列Yi(ni)前后随机移动Ki年(|Ki| ≤ ni，Ki<0表示提前，Ki>0表示推后； 其中i代表不同树轮年表，ni为树轮年表的时间长度)。产生一组新的树轮年表序列Zi(ni)，其中Zi(j)=Yi(j-Ki)，j为时间计数器(年)。当数值超过年表的终止年份时，再沿年表的起始年份重新循环(即，当j-Ki>ni时，j-Ki 从1重新开始)。
这一组随机移动序列虽破坏了各年表之间的年份纽带，但其自相关性基本保持不变[41]。 2)分别计算平移后的树轮年表数据集Zi(ni)超过各临界值的比例R＋Z及R-Z， 以及其对应的差值序列DZ。 3)重复以上试验1000次，产生1000组随机移动后的树轮年表数据集Z，计算其超过临界值比例的差值序列DZ。 4)依据1000组重复试验结果，建立每一年的3组差值(>0与<0、>1SD与<-1SD以及>2SD与<-2SD)的概率分布。由于位于分布曲线两端的数值表示所有序列均受共同因素(干旱指数)的影响，因此根据树轮年表样本量变化情况，计算每年的第1、 5、 95及99百分位数，如果某一时段差值序列DZ超过这些百分位数，则该时期发生极端干旱/湿润事件。
3 近260年季风北部边缘区的极端干旱事件尽管其发生时间不尽相同，所有年表均显示近260年来区域经历了多次极端干旱事件(图 2)。在1890~1894年间，所有年表均处于负距平，且dqs、 kt、 tbs、 fen等年表表现为极端低值(<-1SD)； 在1898~1905年间，除bsg和sxnw年表外，其余树轮年表均处于低值(负距平)，且部分年表序列表现为极端低值； 在1926~1932年间，所有树轮年表均处于低值时期，其中dqs、 bsg、 xlm、 lzk及xls等年表为极端低值且持续时间较长。相较而言，其余时段的干旱事件并不是在所有年表中均有所体现。例如，在1991~1997年间，年表dqs、 kt、 sxnw、 tbs及fen处于低值，而其余年表甚至表现为正距平。
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图 2 树轮年表显示的近260年干湿程度随时间的变化(黑线，5年滑动平均)及主要干旱事件(灰色阴影) Fig. 2 Variations in the dryness(black line，5-years running average)and major drought events (gray shades) over the past 260 years indicated by tree-ring chronologies |
区域平均序列显示(图 3)，近260年来东亚夏季风北部边缘区经历了多次的干湿波动: 在1745~1752年、 1837~1841年、 1859~1868年、 1877~1885年、 1890~1894年、 1898~1905年、 1926~1932年及1991~1997年间气候干旱，而其他时期气候干旱特征不明显或相对湿润。过去260年以来，持续时间最长且最严重的干旱事件发生在1926~1932年间。
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图 3 近260年来东亚夏季风北部边缘区干湿程度随时间的变化(黑线)及主要干旱事件(灰色阴影) Fig. 3 Variations in the areal mean dryness(black line)and major drought events(gray shades)in the northern fringe of East Asian summer monsoon over the past 260 years |
此外，虽然树轮年表超过临界值的比例与区域平均序列变化趋势类似，但还反映了各干旱事件的影响范围，比例越高，干旱事件影响区域越广(图 4)。例如，在1890~1894年间，树轮年表<0的比例略高于>0的比例，表明在这一时段内，虽然区域气候总体干旱，但其影响区域有限，因此并不是所有年表都记录了这一干旱事件。在1898~1905年间，树轮年表<0的比例超过70％，<-1SD的比例超过30％，而>1SD的年表比例仅占5％，显示这次干旱事件影响区域较大。在1926~1932年间，90％的年表为负距平，近50％的年表序列<-1SD，且有超过20％的年表序列<-2SD，表明这一极端干旱事件影响区域极大。此外，<-1SD和-2SD的年表比例还体现了极端干旱事件的影响区域。例如，在1991~1997年间，虽然>0和<0的年表比例分别为60％和40％，但是<-1SD的年表超过30％，表明虽然这一干旱事件影响范围不大，但在其影响区域内以发生极端干旱事件为主。
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图 4 所有标准化序列中超过临界值的比例(绿线:>0； 浅绿色阴影:>1SD； 深绿色阴影:>2SD； 红线:<0； 橘色阴影:<-1SD； 红色阴影:<-2SD；<临界值的比例乘以-1)； 所有序列均利用滑动平均滤波方法保留了5年以上时间尺度的低频变化 Fig. 4 Fractions of chronologies available in each year that have adjusted standardized values >0(green line)，>1SD(light green shading)，>2SD(dark green shading)，<0(red line)，<-1SD(orange shading)，and <-2SD(red shading)，with the latter three series multiplied by -1 before plotting. All the series have been filtered to remove variations on time scales less than 5 years |
年表>0与<0比例的差值序列(图 5a)显示，近260年来，虽然季风北部边缘区干湿程度波动剧烈，但以干旱为主的年份(差值为负且通过95％显著性水平的检验)主要集中在1860~1868年、 1891~1892年、 1898~1902年、 1916~1919年、 1926~1932年、 1945年以及1994~1995年间。特别在1926~1932年间，绝大多数年份极端干旱，显示了这一极端干旱事件持续时间长、 影响区域广。相较而言，极端洪涝年份较少，仅有1779~1781年、 1843~1844年、 1871~1872年、 1964~1965年等时期。>1SD与<-1SD的差值序列显示，区域在1868年、 1891~1892年、 1898~1900年、 1926~1932年、 1942年及1994~1995年间存在异常低值(图 5b)，特别在1926~1932年间，其差值远超出Monte Carlo结果中第99百分位数。相较而言，>2SD与<-2SD的差值序列变化幅度很小(图 5c)，仅在1900年、 1926~1932年及1995年存在异常低值时期。这些结果显示，近260年来，季风北部边缘区经历了4次极端干旱事件:1890~1894年、 1898~1905年、 1926~1932年以及1991~1997年。其中，发生在1926~1932年间的极端干旱事件是近260年来区域发生的强度最强、 波及范围最广的干旱事件[24, 42]。此外，1898~1905年间发生的极端干旱事件波及了季风北边缘区的大部分区域，是数百年来最严重极端干旱事件之一[18]； 1991~1997年间的干旱事件则是夏季风强度偏弱使降水量减少所导致[43]，虽其影响范围不大，但其影响的区域旱灾严重。
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图 5 各组超过临界值的差值随时间的变化(a)>0与<0，(b)>1SD与<-1SD，及(c)>2SD与<-2SD；红(蓝)线表示1000次Monte Carlo随机试验结果的第 1/99 百分位数(第 5/95 百分位数) Fig. 5 Difference between the fraction of the chronologies available in each year that have adjusted normalized values (a)>0 and <0，(b)>1SD and <-1SD，and (c)>2SD and <-2SD. The red (blue) lines show the 1st/99th (5th/95th) percentiles of distributions obtained by repeating the Monte Carlo analysis 1000 times with each proxy time series shifted randomly in time |
基于高分辨率树轮宽度年表数据集，分析了东亚夏季风北部边缘区近260年来的极端干旱事件。结果显示区域在1890~1894年、 1898~1905年、 1926~1932年及1991~1997年间发生极端干旱事件但各极端干旱事件的强度和影响区域存在较大差异。例如，1926~1932年间发生了近260年来最严重且影响区域最广的极端干旱事件，几乎波及整个研究区。相较而言，1890~1894年间的极端干旱事件仅在部分区域显著； 1898~1905年间的极端干旱事件在大部分区域均有体现，但其程度和影响区域不及在1926~1932年间发生的极端干旱事件； 1991至1997年间的干旱事件虽影响区域不大，但其影响区域灾害严重。
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Abstract
The northern fringe of East Asian summer monsoon (EASM) includes the west side of Great Khingan Range, southeastern of Inner Mongolia Autonomous Region, northern of Hebei and Shanxi Provinces and the Ordos Plateau. During historical periods, fluctuations in the intensity of EASM have caused multiple drought and flood events in this region. By employing the database of 9 high resolution tree-ring width chronologies and the Palmer Drought Severity Index(PDSI)grid data neared the locations of chronologies, the present study aims to analyze the extreme drought events from 1740 A.D.to 1999 A.D.in the northern fringe of EASM. By means of statistical methods, we also calculated the fractions of the chronologies exceeding each of critical values(including mean value(i.e., 0), 1 time standard deviation departure to the mean value(i.e., ±1SD), and 2 times standard deviation departure to the mean value(i.e., ±2SD))which indicate the fractions of those chronologies with extreme drought events recorded, and analyzed the intensity and affected areas of each extreme drought event. The areal mean tree-ring series show that over the past 260 years the northern fringe of EASM has experienced multiple drought events, which include the periods from 1890 A.D.to 1894 A.D., 1898 A.D.to 1905 A.D., 1926 A.D to 1932 A.D., and 1991 A.D.to 1997 A.D.In addition, the statistics results show that over the past 260 years there were variations in the temporal and spatial trends of each extreme drought events: the extreme drought event occurred from 1890 A.D.to 1894 A.D.was recorded in some chronologies with significant low values(i.e.,<-1), but it was not recorded by the other chronologies, indicating that although the areal mean series did depict this drought event, its influences were limited within some areas; the extreme drought event occurred from 1898 A.D.to 1905 A.D.had been recorded by most of available tree-ring chronologies(over 70% of the available chronologies), suggesting it influenced most of the study area; the extreme drought event occurred from 1926 A.D.to 1932 A.D., which was marked by nearly all of the chronologies(over 90% of the available chronologies) with abnormal low values, was an exceptional and the most intensive and extensive climate disasters over the past 260 years in this region; the drought event occurred from 1991 A.D.to 1997 A.D.was recorded by 60% of the available chronologies, and beyond 50% of these recorded chronologies showed abnormal low values(i.e.,< -1), which demonstrates that although this drought event spread a limited areas, its affected areas was dominated by extreme dryness.