福州市降雨量及降雨侵蝕力變化趨勢

孫麗麗,査軒

(福建師范大學(xué)a.地理科學(xué)學(xué)院，b.地理研究所， c.福建省亞熱帶資源與環(huán)境重點實驗室，福州 350007)

0 引言

降雨是影響水土流失的主要動力因素之一，降雨侵蝕力作為反映降雨對土壤侵蝕影響的潛在能力，其時空分布的定量研究是進行土壤侵蝕評價的基礎(chǔ)。Wischmeier認為通用土壤流失方程(USLE)中30 min的雨強I與降雨總動能E的乘積，即為降雨侵蝕力的經(jīng)典算法，并且該指標(biāo)已在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用[1]。但該算法的數(shù)據(jù)要精細到小時或分鐘尺度，需要連續(xù)記錄降雨的過程數(shù)據(jù)，這對于中國目前的氣象觀測條件還比較困難，難以收集，因此眾多學(xué)者針對不同研究區(qū)的實際情況，建立了相應(yīng)的降雨侵蝕力的簡易算法，部分學(xué)者開始注重將降雨侵蝕力的簡易計算著眼于年、月和日尺度上的常規(guī)的降雨數(shù)據(jù)上，即注重利用氣象站常規(guī)降雨資料或來自于徑流小區(qū)的實測資料來估算降雨侵蝕力[2]。目前，基于年降雨量、月降雨量、日降雨量和小時雨量的簡易算法是常用的降雨侵蝕力簡易算法[3-4]。Richardson[5]利用日雨量數(shù)據(jù)構(gòu)建了降雨侵蝕力更加簡易的算法，得到了多個國家和地區(qū)的驗證，且得以在實踐中推廣。楊軒等[6]基于日降雨資料建立月降雨侵蝕力模型。如吳素業(yè)[7]、周伏建[8]、黃炎和等[9]，對安徽大別山、福建省以及閩東地區(qū)的年/月降雨資料進行了分析，分別確定了其降雨侵蝕力指標(biāo)。章文波等[10]建立的降雨侵蝕力的算法是基于日降雨量數(shù)據(jù)，殷水清等[11]則是將降雨侵蝕力算法立足于小時降雨資料，在所有降雨侵蝕力的數(shù)據(jù)獲取方法中，月降雨數(shù)據(jù)是最容易獲取的，在福建地區(qū)，眾多降雨侵蝕力模型中，周伏建提出來的降雨侵蝕力模型與降雨量有很好的擬合效果，更能代表該地區(qū)降雨狀況，有較高的精度，因此本研究采用該模型，估算福建省的降雨侵蝕力情況。

羅健等[12]對廣東省降雨侵蝕力48年的變化特征進行了分析，發(fā)現(xiàn)廣東省降雨侵蝕力呈現(xiàn)微弱上升趨勢。范建容等[13]對長江上游的降雨侵蝕力時空分布進行估算，結(jié)果表明長江上游地區(qū)降雨侵蝕力空間差異十分明顯，類似于該地區(qū)降雨量的空間分布特征，且該地區(qū)多雨中心和暴雨中心也是降雨侵蝕力較大的區(qū)域，降雨侵蝕力與降雨量具有空間上的一致性。黃鳳琴等[14]利用日降雨量數(shù)據(jù)，得出了多年平均降雨侵蝕力估算模型，并將該模型在四川省涼山州進行了成功的運用。于泳等[15]對湖北省的降雨侵蝕力進行分析得出其降雨侵蝕力年內(nèi)變化明顯，同時存在年際變化周期。李靜等[16]研究得出黃土高原降雨侵蝕力主要集中于7、8兩月。從小尺度角度來看，福州市有其獨特的自然地理特征和人文地理特征，對其降雨量和降雨侵蝕力研究有重要意義，但相關(guān)研究卻比較少見。

福州地區(qū)地跨中、南亞熱帶，氣候類型屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，降雨充足，溫暖濕潤。其東側(cè)毗鄰臺灣海峽，北側(cè)和南側(cè)分布為丘陵地形，且丘陵海拔起伏較大，加上閩江從城市東西橫貫，這些因素都塑造福州山谷地形地貌，地理位置獨特[17]。本區(qū)背靠戴云山脈，鶩峰山脈，這種優(yōu)越的地理環(huán)境，可有效阻擋住從北方南下的寒冷氣流的長驅(qū)直入，同時又有效截留和保存太平洋上溫暖濕潤的氣流，使該地區(qū)有豐富的雨熱資源。境內(nèi)山岳連綿起伏，在垂直氣候上又構(gòu)成了從山腳到山頂?shù)牧Ⅲw氣候，致使其植被特征類似于南亞熱帶到中亞熱帶植被類型，為該地區(qū)提供了豐富的氣候資源，促進農(nóng)業(yè)發(fā)展[18]，但對福州市降雨和降雨侵蝕力的變化規(guī)律較少涉及。利用福州市降雨數(shù)據(jù)，結(jié)合相關(guān)分析等數(shù)學(xué)方法從年尺度、月尺度對降雨量、降雨侵蝕力的變化趨勢和特征進行系統(tǒng)分析，為該區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)、水土流失治理研究提供科學(xué)支持。因此本研究結(jié)果對于認識福州降雨侵蝕力的時間規(guī)律，揭示福州市降雨侵蝕力以及對福州市的土壤侵蝕評估與預(yù)報具有重要意義。

1 數(shù)據(jù)與方法

整理福州市1951—2015年近65年來的降雨數(shù)據(jù)，分析不同時間尺度上(年、季、月)降雨量以及降雨侵蝕力的變化特征。周伏健曾提出福建地區(qū)最適用的降雨侵蝕力模型，其模型適用于降水量較為豐富的地區(qū)，即與區(qū)域降雨量有關(guān)，依據(jù)福州降雨、地形特征、緯度位置特征等，福州市降水較為豐富，適合應(yīng)用該模型，因此本研究采用其提出的降雨侵蝕力模型來計算福州市降雨侵蝕力[8]，該模型利用氣象站逐月雨量資料計算降雨侵蝕力，其公式如下：

(1)

式(1)中:Pi為月降雨量(mm)，R為年降雨侵蝕力[MJ·mm·hm-2·h-1·a-1]。采用上述算式計算福州市分月降雨侵蝕力，累加可知年降雨侵蝕力。

依據(jù)氣象習(xí)慣，四季的劃分依次為：春季為3—5月，夏季為6—8月，秋季為9—11月，冬季為12月至第二年2月。本研究降雨侵蝕力年際、季節(jié)和月份的變化情況采用趨勢系數(shù)和氣候傾向率來表示，氣候傾向率和趨勢系數(shù)均表示某個氣候要素長期的趨勢變化過程以及發(fā)生變化的方向和程度，趨勢系數(shù)為正，表示降雨量或降雨侵蝕力有線性增加趨勢；趨勢系數(shù)若為負，表示降雨量或降雨侵蝕力有線性減小趨勢。為了解氣象要素的長期趨勢變化，計算極端降雨量和降雨侵蝕力與時間之間的相關(guān)系數(shù)(趨勢系數(shù))。這樣定義的趨勢系數(shù)，是無量綱的，變化在(-1，1)之間。可以證明，它就是標(biāo)準(zhǔn)化的一元線性回歸系數(shù)，它消去了氣象要素的均方差和單位對線性回歸系數(shù)數(shù)值大小的影響，從而可以在不同的地理位置、不同的氣象要素之間比較趨勢變化的大小，特別適合于研究和揭露大范圍氣象場長期變化的空間變化特征[19-20]。氣候傾向率則表示氣象要素每10 a的變化率，本研究降雨量和降雨侵蝕力的傾向率即分別代表降雨量和降雨侵蝕力每10 a的變化情況。其計算公式如下[21-22]：

(2)

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨侵蝕力分析

圖 1 多年各月降雨量和降雨侵蝕力Figure 1 Monthly rainfall and rainfall erosivity over the years

圖 2 多年降雨侵蝕力及5年滑動平均Figure 2 Multi-year rainfall erosivity and 5-year moving average

將福州65年來1—12月的月降雨量及其對應(yīng)的月降雨侵蝕力進行對比，如圖1所示，在時間分布上，降雨侵蝕力與降雨量有著一致的分布規(guī)律，降雨量和降雨侵蝕力主要集中在5、6、8、9月，分別占全年的52.90%，54.48%。其中6月的降雨量和降雨侵蝕力是一年中最大的，分別占全年的15.27%和15.84%。降雨量和降雨侵蝕力最小值出現(xiàn)在12月，分別占全年的2.56%和2.09%。多年1—4月和11—12月降雨量和降雨侵蝕力分別占35.17%和33.97%。降雨量和降雨侵蝕力的最大值與最小值之差分別為177.31 mm和54.04 MJ·mm·hm-2·h-1，多年月降雨量和降雨侵蝕力在5月和6月出現(xiàn)2個峰值，在7月出現(xiàn)1個谷值，8月份降雨量和降雨侵蝕力數(shù)值回升但并未超越第一個峰值，8～12月月均降水量與降雨侵蝕力數(shù)值開始逐月遞減，并在12月份達到全年的最低值，這與王麗園等人對福建省北部降雨侵蝕力時間分布的研究結(jié)果一致[23]。從年內(nèi)變化來看，降雨侵蝕力變化幅度十分顯著，降雨侵蝕力時間分布不均勻，尤以雨季最為明顯。福州市多年來年均降雨量1 394.43 mm，最大降雨總量為2 263.8 mm，最小為775.80 mm，最高年降雨總量為最低年的2.92倍，降雨侵蝕力和降雨總量年際波動顯著。根據(jù)中國東部雨帶的推進過程，從5、6月雨帶北上，雨季開始，到7、8月出現(xiàn)伏旱現(xiàn)象；但由于該時段臺風(fēng)帶來大強度的降雨，尤其是8月登陸福建省的臺風(fēng)次數(shù)最多，因此造成7月出現(xiàn)谷值，而8月出現(xiàn)小峰值，降雨侵蝕力年際變化趨勢上，夏季呈現(xiàn)增長趨勢，這與登陸福建省的臺風(fēng)次數(shù)增多有關(guān)[24]，與戴金梅等人研究結(jié)果一致[25-26]。

2.2 年降雨侵蝕力變化

根據(jù)近65年福州日降雨數(shù)據(jù)計算各年份的降雨侵蝕力及其五年滑動平均值，結(jié)果如圖2，該區(qū)降雨侵蝕力波動幅度較大，2個高的峰值出現(xiàn)在1990年和2016年，分別為600.25和657.88 MJ·mm·hm-2·h-1，2個低值出現(xiàn)在1967和2003年，分別為274.93，214.84 MJ·mm·hm-2·h-1，平均降雨侵蝕力為393.06 MJ·mm·hm-2·h-1。且降雨侵蝕力年際變化大，最高值和最低值之間相差453.25 MJ·mm·hm-2·h-1。從多年來總體來看，福州降雨侵蝕力逐年變化幅度比較大，波動變化明顯，其年際波動存在周期。研究區(qū)域年降水量長期變化及年代際變化的原因不僅與全球氣候變化有關(guān)，也與局地大氣環(huán)流及要素異常有關(guān)，因此降雨侵蝕力和降水量的年際變化可能與全球變暖，ENSO冷暖事件以及全球氣溫的年代際變化有關(guān)[27-29]。

2.3 月降雨量和降雨侵蝕力變化

對福州近65年各個月份的降雨量進行匯總，并分別計算出多年來每個月份降雨侵蝕力的傾向率和趨勢系數(shù)，如圖3(a)所示，1、2、4、7、8、10、11、12月降雨傾向率為正，說明多年來降雨量1、2、4、7、8、10、11、12月有增加的趨勢，其中，11月和12月的降雨傾向率最高，分別達到了5.66和3.25 mm·10 a-1。3、5、6、9月降雨傾向率為負，說明降雨3、5、6、9月有減少的趨勢；其中，6月和9月的降雨傾向率最低，分別達到了-3.33和-7.40 mm·10 a-1。從趨勢系數(shù)上來講，多年來9月降雨量趨勢系數(shù)為負，趨勢系數(shù)-0.13，其余月份降雨量趨勢系數(shù)均為正，其中，11月降雨量增加程度最為明顯，趨勢系數(shù)為0.27，其次是12月降雨增加程度較為明顯。

對福州近65年各個月份的降雨侵蝕力進行匯總，并分別計算出多年來每個月份降雨侵蝕力的傾向率和趨勢系數(shù)，由圖3(b)可知，降雨侵蝕力傾向率1月、2月、7月、8月、10月、11月，12月為正，說明多年來降雨侵蝕力在1月、2月、4月、7月、8月、10月、11月、12月有增加的趨勢。其中，11月和12月的降雨侵蝕力傾向率最高，分別達到了1.73，0.99 MJ·mm·hm-2·h-1·10 a-1。3、5、6、9月降雨侵蝕力傾向率為負，說明多年來降雨侵蝕力在3、5、6、9月有減少的趨勢，其中，6、9月的降雨侵蝕力傾向率最低，分別達到了-1.02，-2.25 MJ·mm·hm-2·h-1·10 a-1。從趨勢系數(shù)上來講，降雨侵蝕力在1、2、7、8、10、11、12月為正。多年來11月降雨侵蝕力的增加程度最為明顯，趨勢系數(shù)達到了0.27，其次是12月增加程度明顯，趨勢系數(shù)達到了0.21。多年來9月降雨侵蝕力的減小程度更為明顯，趨勢系數(shù)達到了-0.13，其次是6月降雨侵蝕力的減小程度明顯，為-0.06。因此11月潛在的土壤侵蝕可能性大，12月次之，這2個月份應(yīng)該加大水土流失的預(yù)防。

2.4 季節(jié)降雨侵蝕力變化

對福州近65年春夏秋冬4個季節(jié)的降雨侵蝕力進行匯總，并計算出每個季節(jié)的5年滑動平均值以及季節(jié)降雨侵蝕力的趨勢系數(shù)和傾向率得到圖4，如圖4(a)所示，一年四季中，夏季，秋季和冬季降雨侵蝕力的傾向率為正，分別為7.57，0.39和1.40 MJ·mm·hm-2·h-1·10 a-1，傾向率平均為

圖 3 多年月均降雨量和降雨侵蝕力變化特征Figure 3 Multi-year variation characteristics of monthly average rainfall and rainfall erosivity

3.12 MJ·mm·hm-2·h-1·10 a-1，春季降雨侵蝕力傾向率為負值，說明夏季、秋季和冬季降雨侵蝕力呈增加趨勢，春季呈減少趨勢。且夏季降雨侵蝕力的傾向率最高，分別為秋季和冬季降雨侵蝕力的傾向率的19.55和5.44倍，說明夏季降雨侵蝕力增加程度最高。如圖4(b)所示，一年中春季和夏季降雨侵蝕力最高，為秋冬兩季的3.47倍。其中春季和夏季降雨侵蝕力占四季總和的78.64%，為冬季的4.44倍，四季平均降雨侵蝕力96.76 MJ·mm·hm-2·h-1。春季和夏季降雨侵蝕力的波動幅度較大。針對降雨侵蝕力上升的季節(jié)，應(yīng)該加大水土保持的預(yù)防和措施的布設(shè)。綜合來看，夏季、秋季和冬季均有潛在土壤侵蝕壓力，可以加強對這些季節(jié)的土壤侵蝕預(yù)防工作的研究。

圖 4 多年季均降雨侵蝕力變化特征Figure 4 Multi-year variation characteristics of seasonal average rainfall erosivity

2.5 雨季和枯季降雨量及降雨侵蝕力變化

變異系數(shù)是用來反映特性參數(shù)的變異程度的，而在年降雨侵蝕力R值中可以用來說明多年降雨侵蝕力R值之間的離散變化程度。一般認為CV<0.1為弱變異性；0.1≤CV≤1為中等變異性；CV>1為高度變異性。將逐日降雨量數(shù)據(jù)按照雨季(3—8月)以及枯季(1、2月以及9—12月)進行分類整理，分別對多年來福州的降雨量和降雨侵蝕力特征進行分析，如表1和表2所示，福州的年均降雨量和降雨侵蝕力分別為1 394.43 mm和393.06 MJ·mm·hm-2·h-1，年降雨量和降雨侵蝕力變異系數(shù)均為0.21。

表 1 福州市多年降雨量變化特征Table 1 Variation characteristics of annual rainfall in Fuzhou City

多年均值/mm占比/%變異系數(shù)最大值/mm最小值/mm全年1 394.43—0.212 263.8775.8雨季990.6171.040.191 579.01606.9枯季403.8228.960.441 164.9163.9

表 2 福州市多年降雨侵蝕力變化特征Table 2 Multi-year variation characteristics of rainfall erosivity in Fuzhou City

多年均值/(MJ·mm·hm-2·h-1)占比/%變異系數(shù)最大值/(MJ·mm·hm-2·h-1)最小值/(MJ·mm·hm-2·h-1)全年393.06—0.21657.88204.63雨季285.9072.740.21465.12169.02枯季107.1627.260.50338.9934.09

福州雨季的降雨量和降雨侵蝕力分別為990.61 mm和285.90 MJ·mm·hm-2·h-1，福州雨季的降雨量和降雨侵蝕力分別占全年的71.04%和72.74%，可見降雨量和降雨侵蝕力主要集中在雨季，且福州降雨量和降雨侵蝕力雨季，枯季以及年際變化均屬于中等變異性(0.1≤CV≤1)，并且雨季的降雨量和降雨侵蝕力其變異系數(shù)在全年中最低，降雨量和降雨侵蝕力變異系數(shù)均低于0.22，枯季的降雨量和降雨侵蝕力分別為403.82 mm和107.16 MJ·mm·hm-2·h-1，二者在全年中占比均小于30%，但枯季的降雨量和降雨侵蝕力變異系數(shù)在全年中最大，均高于0.40?？梢姼Ｖ菔锌菁镜慕涤炅亢徒涤昵治g力變化幅度最大，波動差異顯著，同時枯季降雨量和降雨侵蝕力最大值與最小值差異要大于雨季，枯季降雨量和降雨侵蝕力最大值分別為最小值的7.11和9.94倍。福州的降雨和降雨侵蝕力主要集中于雨季(3—8月)，這與雨季登陸福建省的臺風(fēng)的次數(shù)較多，帶來大量降水密切相關(guān)，因此福州雨季(3—8月)是進行水土流失治理的關(guān)鍵時期。

3 結(jié)論與展望

福州近65年平均降雨侵蝕力為393.06 MJ·mm·hm-2·h-1，年均降雨量1 394.43 mm，年降雨量和年降雨侵蝕力年際變化較大。且年內(nèi)變化幅度十分顯著且不均勻，雨季的降雨侵蝕力和降雨量最高。多年月降雨量和降雨侵蝕力在5月和6月出現(xiàn)2個峰值，在7月出現(xiàn)1個谷值，最小值均出現(xiàn)在12月。11月降雨量和降雨侵蝕力增加程度均最為明顯，12月次之；9月降雨量和降雨侵蝕力的減小程度更為明顯，6月次之。四季平均降雨侵蝕力96.76 MJ·mm·hm-2·h-1，春季和夏季降雨侵蝕力最高，占四季總和的78.64%。枯季的降雨量和降雨侵蝕力變異系數(shù)在全年中最大，雨季變異系數(shù)最低。且降雨和降雨侵蝕力主要集中于雨季(3—8月)，因此雨季(3—8月)是進行水土流失治理的關(guān)鍵時期。

降雨侵蝕力是反映降雨對土壤侵蝕的潛在能力，在制定水土保持措施的時候，要綜合考慮人類活動等因素。同時為進一步提高降雨侵蝕力模型精度，通過野外徑流實驗與降雨觀測數(shù)據(jù)，推求福州降雨侵蝕力的簡易計算模型，從而精確估算降雨侵蝕力，是需要進一步深入研究的方向。