在中国西北地区，大部分气象站的记录均不超过70a，这对研究降水的变化特征而言太短，因此利用树木年轮作为代用资料来延长气象记录已被广泛应用。自20世纪80年代起，一些学者就在中国境内额尔齐斯河周边地区开展了树轮研究工作。李江风、袁玉江等人对新疆阿尔泰山南坡气温、降水及额尔齐斯河径流量进行了重建^[1-3]。张同文等人利用树轮宽度重建了阿勒泰西部的降水、气温及积雪深度^[4-6]。陈峰等人利用阿尔泰山西伯利亚落叶松的树轮宽度和最大晚材密度来揭示了气候变暖的趋势并进行了降水重建^[7-8]。张瑞波和徐国保等人分别利用树轮中的δ¹³C和δ¹⁸O同位素重建了阿勒泰地区的夏季气温和相对湿度^[9-10]。尚华明等人对位于哈萨克斯坦境内的阿尔泰山进行了树轮研究，重建了当地310年来的初夏气温^[11-12]。此外，也有一些俄罗斯学者对阿尔泰山进行了树轮气候学研究^[13-15]。

前人对该地区的树轮研究几乎都是采用西伯利亚落叶松(Larix sibirica Ledeb)进行的，而本文利用采自阿尔泰山南坡额尔齐斯河上游的西伯利亚云杉(Picea obovata Ledeb)，分析其树木年轮径向生长对区域气候的响应，进而重建了当地1722—2012年上年7月至当年6月的降水量，并分析其变化特点。本文有助于加深对额尔齐斯河上游地区历史气候的认识，帮助人们了解该地区对全球气候变化的响应，还对完善阿尔泰山的树轮资料和气候预测有重要意义。

1 资料与方法 1.1 研究区概况

额尔齐斯河发源于阿尔泰山东段南麓即富蕴县东北部，在我国自东南向西北流淌，于哈巴河县北湾地区流出国界，流经哈萨克斯坦和俄罗斯，最终注入北冰洋。在我国境内干流总长593km，干流流域面积5万km^2[16]。额尔齐斯河上游的阿尔泰山区受来自大西洋的西风气流的影响，并因为山地的阻挡抬升作用，降水充足，山区森林资源丰富。西伯利亚云杉主要分布在海拔1200—1800m，其耐阴、耐寒，多生长于沟谷和多石头的地方。

1.2 样本采集及年表的建立

中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所于2010年7月下旬及2013年8月上旬，在额尔齐斯河上游的福海和富蕴林场选取了6个采样点进行树芯样本采集(图 1)，共采集了179棵西伯利亚云杉，318个样芯。表 1为额尔齐斯河上游树轮采样点概况。这些采样点都位于森林中下部，海拔较低，其中大部分采样点石头多，土层薄。

将样芯带回实验室后，按照树木年轮学的基本原理和研究步骤^[17]，对其进行固定、打磨、在显微镜下目测定年，用精度为0.001mm的MeasureJ2X树轮宽度测量系统测量树轮宽度，采用折线图对比法进行交叉定年，并用COFECHA^[18]程序进行交叉定年质量控制。采用ARSTAN年表研制程序建立年表，在建立年表的过程中，为了在树轮宽度年表中尽可能多的保留低频方差，使用负指数曲线或无正向坡度的直线对树轮宽度序列进行拟合，以去除树木自身的生长趋势，此外还使用2/3序列长度的样条函数进一步稳定年表的方差，最后得到标准化年表、差值年表和自回归年表共3种类型的树轮宽度年表。本文选用标准化年表进行分析，因为其既包含了气候变化的高频信息又包含了气候变化的低频信息，是目前树轮气候研究中应用最广的一种年表。

通过计算发现，本文6个树轮宽度标准化年表在公共区间(1799—2010年)内的互相关系数均很高(表 2)，且平均互相关系数达到了0.643，因此有必要建立研究区的区域年表(代码RTC)。将6个采样点的树轮样本序列放在一起重新交叉定年，用与上文相同的去趋势方法去除与树龄有关的生长趋势(负指数曲线或无正向坡度的直线对树轮宽度序列进行拟合，使用2/3序列长度的样条函数进一步稳定年表的方差)，建立低海拔西伯利亚云杉的区域年表，期间剔除了4个与主序列相关差的序列，最后进入年表的有314个序列。

表 3列出了区域标准化树轮宽度年表的统计特征，可以看出，区域树轮序列具有较高的平均敏感度和标准差，表明该地区西伯利亚云杉树轮宽度生长受气候因子的限制作用较强。较高的样本总体代表性，说明不同树木之间的树轮宽度变化具有较好的一致性。若以子样本信号强度0.85为标准，该序列从1722年起可用于气候重建。

1.3 气象资料

本文所用的气象资料来自研究区附近的富蕴气象站(89°31′E，46°59′N，海拔810.5m，1962—2012年)，气象要素包括月平均气温、月平均最高气温、月平均最低气温和月降水量，资料时段为1962—2012年。从该站多年月平均气温和降水分布图(图 2)可以看出，降水呈双峰型，主要集中在7月和11月，其中7月最多；高温期为6—8月，其中7月气温最高。

2 结果与分析 2.1 树轮径向生长与气候要素的关系

本文采用相关函数的方法，分析额尔齐斯河上游西伯利亚云杉径向生长对气候因子的响应(图 3)。经计算发现，研究区内树木径向生长对降水量的响应较强，树轮宽度与上年7、8、12月及当年5、6月的降水量的相关系数超过了0.05的显著性水平。上年7、8月即上年生长季中后期降水充沛，有利于树木积累较多的营养物质及土壤保持较高的湿度，为来年树木生长提供良好的条件^[19]。上年12月较多的降雪，在来年春季融化时会使地表径流增加，有利于春材的生长，形成偏宽年轮^[20]。5和6月是春材形成的关键时期，年轮生长较快，会形成大约一半年轮^[21]，该时期降水丰富时，能促进植物光合作用，加快形成层细胞分裂，形成较宽年轮^[19]。从图 3还可以看出，树木轮宽生长对上年7月至当年9月的单月温度响应较弱，只与当年8月平均温度达到了0.05的显著性水平。

将区域年表与富蕴气象站上年1月至当年12月所有顺序组合的气象资料做单相关普查，发现RTC与当年5—6月降水总量(P₅₆)及上年7月至当年6月的降水总量(P₇₆)比单月的相关要好，其相关系数分别为0.616和0.742，都超过了0.001的显著性水平。尽管上年9月至当年4月的单月降水量与树轮径向生长的相关性大都不显著，但在阿勒泰地区，由于纬度较高，从10月起就会出现积雪，到来年5月才能融化，这期间的固态降水，树木不能吸收，与单月相关性的生理意义不大，其累积降雪量融化后对来年春材生长影响较大，因此上年7月至当年6月降水量与树轮宽度生长的高相关是合理的。这也与美国树轮学家Schulman的“干旱和半干旱区针叶树年轮宽度与生长季以前的春季、冬季、秋季和夏季的气候状况有密切关系”^[22]这一观点相符。上年7月至当年6月的降水总量与树轮宽度生长的相关性要好于当年5—6月的降水总量与树轮宽度生长的相关性，因此，本文选择对上年7月至当年6月的降水量进行重建，以恢复该地区过去291a的降水变化。

2.2 重建方程的建立和检验

根据上文的相关分析，以RTC年表为自变量，以上年7月至当年6月降水总量为因变量，利用一元线性回归模型建立了转换方程：

式中，P₇₆为额尔齐斯河上游地区富蕴气象站上年7月至当年6月降水总量的重建值，RTC_t为区域树轮宽度标准化年表当年的树轮宽度指数。该转换方程的相关系数r=0.742，方差解释量为55.1%(调整自由度后方差解释量为54.2%)，F_1,48=58.91，超过了0.001的显著性水平，表明该方程有很高的可信度。图 4显示，上年7月至当年6月降水量的重建值与实测值的变化趋势和幅度有较好的一致性，可用该方程重建额尔齐斯河上游富蕴气象站1722—2012年上年7月至当年6月的降水量。

本文采用逐一剔除法，通过符号检验、误差缩减值(RE)、乘积平均数(t)等检验统计量对重建方程的质量进行检验。表 4列出了额尔齐斯河上游地区上年7月至当年6月降水量重建的一些检验统计量。其中，S₁为原始值符号检验，其超过了0.01的显著性水平，S₂为一阶差符号检验，其达到了0.05的显著性水平，说明降水重建序列与实测序列在高低频变化上均有较好的一致性，特别是低频变化上的一致性更好一些。RE为误差缩减值，取值范围为-∞—1.0，其值越大越好，本文中RE为0.515。t表示乘积平均数，本文t为5.29，超过了0.01的显著性水平。这些检验统计量均表明利用上述重建方程重建的降水量具有较高的可信性。

2.3 降水重建序列的变化特征

根据转换方程，重建了1722—2012年额尔齐斯河上游地区富蕴气象站上年7月至当年6月降水量长序列(图 5)，这条曲线反映了该地区291年来的干湿波动情况。本文选用新疆气象局划分年降水量的距平标准^[23]：降水距平百分率＞30%为湿润年，＜-30%为干旱年。故在过去291a干旱年份共有37a，湿润年份39a。

有研究表明，在干旱、半干旱地区，树轮重建在10年际尺度上比年际间更为可靠^[24]。为了更直观地观察干湿区间，对降水重建序列进行了11a的滑动平均。从图 5可以看出，1722—2012年的降水重建序列经历了9个湿润期和8个干旱期，其中最湿润的时期出现在1984—2008年，其降水最大距平百分率为23.5%；最干旱的时期出现在1877—1891年，其降水最大距平百分率也为-29.9%；最长的湿润期为1829—1876年，持续了48a；最长的干旱期出现在1807—1828年，持续了22a(表 5)。

功率谱分析表明，本文重建的额尔齐斯河上游地区过去291a降水序列中包含多个周期。显著的(P<0.05)高频变化周期有2.1a和3.2a的周期，此外，还有2.3、21.6、24.3a的周期超过了0.10的显著性水平。其中，2a左右的周期反映了与海气间相互耦合振荡有关的“准两年脉动”^[25]，3.2a周期可能与ENSO的2.5—7a周期有关^[26-27]，21.6a的周期可能与太阳黑子的活动有关^[28]。 本文利用滑动T检验法^[29]对降水重建序列进行突变检验。取滑动步长M=10，15，20，25，30a，将突变点出现次数≥4次的年份作为突变年份，以显著性水平0.01来判别突变,其检验结果见表 6。由表可知，额尔齐斯河上游地区上年7月至当年6月的降水量在1876—1877年发生了由多向少的突变，在1983年前后发生了由少向多的突变。

3 讨论 3.1 空间代表性分析

为探索本文重建结果对较大范围降水变化的区域代表性，利用Climate Research Unite(CRU TS3.22，0.5°×0.5°)格点数据中1963—2012年P7C6降水量数据与同时期富蕴气象站观测资料以及重建结果分别进行了空间相关分析。结果表明，器测降水(图 6a)和重建降水(图 6b)与CRU数据空间相关场的分布比较一致，相关最好的区域(r >0.6)主要集中在我国阿勒泰地区，此外，天山山区的相关系数也超过了0.3。这一结果说明本文重建的富蕴站上年7月至当年6月的降水量对整个阿勒泰地区的降水变化具有很好的代表性，对天山山区降水变化的代表性也较好。

3.2 与其它记录对比

为验证降水重建序列的可靠性，将北疆地区利用树轮进行降水重建的结果与本文的降水重建序列进行了对比分析，所有序列均为经过11a滑动平均计算后的低频变化序列(图 7)。与本文重建结果(图 7b)进行对比的3条降水重建序列分别是陈峰等人^[8]利用树轮宽度重建的中国阿尔泰山南坡上年7月至当年6月的降水序列(图 7a)；魏文寿^[30]等人利用树轮宽度重建的天山山区上年7月至当年5月的降水序列(图 7c)；高卫东^[31]等人利用树轮宽度重建的天山北坡中部上年8月至当年7月的降水序列(图 7d)。对比结果显示，本文重建的降水量与其它3条降水序列的干湿阶段具有较好的一致性，尤其是本文重建与陈峰^[8]等人重建序列的一致性非常好。在重建结果中，4条序列均体现了20世纪90年代以来的显著变湿趋势、20世纪70—80年代的干旱时期、20世纪50年代的湿润期、20世纪40年代的干旱期、20世纪20—30年代的湿润期和19世纪30年代的湿润期。其中3条序列(包含本文的重建序列)表现出了20世纪初的干旱期、19世纪70年代的湿润期、18世纪末的干旱期和18世纪80年代的湿润期。同时，4条重建序列之间还存在一些干湿阶段差异，这可能是由于重建时段、重建所用年表不同或采样点小生境差异产生的区域性气候特征造成的偏差^[32]。

4 结论

(1) 额尔齐斯河上游地区西伯利亚云杉树轮宽度生长与富蕴气象站上年7月至当年6月的降水量呈正相关，且相关显著，利用采自额尔齐斯河上游的西伯利亚云杉树轮宽度区域年表，重建了富蕴气象站1722—2012年共291a的上年7月至当年6月的降水历史变化。

(2) 重建的过去291年的降水序列经历了9个湿润期和8个干旱期，其中降水最多的时期出现在1984—2008年，降水最少的时期出现在1877—1891年；最长的湿润期出现在1829—1876年，持续了48a；最长的干旱期出现在1807—1828年，持续了22a。

(3) 额尔齐斯河上游地区的降水重建序列存在2.1a和3.2a的显著周期及2.3、21.6、24.3a的较显著周期，并且在1876—1877年及1983年前后降水发生过突变。

(4) 空间相关分析表明富蕴气象站1722—2012年上年7月至当年6月的降水量重建值对额尔齐斯河上游整个阿勒泰地区降水量具有很好的代表性。本文重建序列的干湿阶段与周边其他几条降水记录的结果较为一致，表明了重建结果的可靠性。