廣東省2000-2019年降雨侵蝕力時(shí)空變化特征

◎蔣秋玲 白芝兵 廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)股份有限公司

1.前言

降雨是我國(guó)南方地區(qū)土壤侵蝕的主要?jiǎng)恿σ蛩?，降雨侵蝕力是指降雨引起土壤侵蝕的潛在能力，能夠全面表征降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨動(dòng)能等對(duì)土壤侵蝕的綜合影響。準(zhǔn)確評(píng)估區(qū)域降雨侵蝕力對(duì)提高土壤侵蝕預(yù)報(bào)精度和評(píng)估水土流失風(fēng)險(xiǎn)有重要意義。Wischmeier等在1958年第一次提出降雨侵蝕力概念，利用美國(guó)8250個(gè)徑流小區(qū)的降雨、土壤侵蝕實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)降雨量（P）、降雨動(dòng)能（E）、雨強(qiáng)等單因子及它們組合的復(fù)合因子與土壤流失量的回歸分析，使用降雨動(dòng)能和最大30分鐘降雨強(qiáng)度I30的乘積（EI30）來(lái)表征降雨侵蝕力。EI30計(jì)算降雨侵蝕力的精度高，在我國(guó)得到了良好的應(yīng)用，但是在實(shí)際應(yīng)用中，由于長(zhǎng)時(shí)間序列的降雨動(dòng)能數(shù)據(jù)難以獲取，用EI30來(lái)計(jì)算降雨侵蝕力相對(duì)困難，特別是在區(qū)域降雨侵蝕力研究中。Richardson等利用美國(guó)東部22個(gè)氣象站日降雨量數(shù)據(jù)提出了基于日降雨數(shù)據(jù)估算降雨侵蝕力簡(jiǎn)易模型。章文波等利用全國(guó)71個(gè)氣象站基于Richardson模型提出了利用日降雨量估算降雨侵蝕力的簡(jiǎn)易模型，被廣泛利用于各大流域的降雨侵蝕力的計(jì)算，如黃土高原、秦巴山區(qū)、珠江流域等。

廣東省經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，是中國(guó)最重要的經(jīng)濟(jì)大省之一。隨著地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和全球氣候變化，逐漸增多的極端降水和劇烈的人類活動(dòng)對(duì)區(qū)域水土流失產(chǎn)生了巨大影響。大量的耕地、林草地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地，再加上氣候變化的影響，使得廣東省水土保持工作面臨巨大的壓力。目前針對(duì)廣東省降雨侵蝕力時(shí)空分布特征的研究較少，基于此，本研究以廣東省21個(gè)氣象站的日降雨數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析廣東省2000-2019年降雨侵蝕力時(shí)空分布特征，旨在為廣東省水土保持、生態(tài)保護(hù)、災(zāi)害控制等工作提供科學(xué)依據(jù)。

2.研究區(qū)概況

廣東省位于中國(guó)大陸南部，位于北緯20°13′～25°31′和東經(jīng)109°39′～117°19′之間，屬于東亞季風(fēng)區(qū)，從北向南分別為中亞熱帶、南亞熱帶和熱帶氣候，是中國(guó)光、熱和水資源最豐富的地區(qū)之一。廣東降水充沛，年降水量在1300～2500mm，全省平均為1777mm。降雨的空間分布基本上呈南高北低的空間分布特征。降水的年內(nèi)分配嚴(yán)重不均，汛期4～9月的降水占全年的80%以上。

3.資料與方法

3.1 資料

本文選取廣東省南雄、韶關(guān)、廣寧、連平、信宜、羅定、高要、廣州、增城、惠陽(yáng)、五華、梅縣、湛江、電白、陽(yáng)江、臺(tái)山、深圳、汕尾、惠來(lái)、汕頭、南澳等21個(gè)氣象站點(diǎn)2000-2019年逐日降雨量數(shù)據(jù)計(jì)算降雨侵蝕力，逐日降雨量數(shù)據(jù)來(lái)自國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://data.cma.cn）。本文中降水?dāng)?shù)據(jù)缺失部分采用相鄰日或月降雨量的均值來(lái)插補(bǔ)。

3.2 研究方法

3.2.1 降雨侵蝕力的計(jì)算

本文采用章文波模型[4]計(jì)算降雨侵蝕力，該模型表達(dá)式為：

式中:R i 為第i 個(gè)月的侵蝕力(MJ·mm hm-2h-1)；α，β均為參數(shù)；Pk表示半月時(shí)段內(nèi)第k天的侵蝕性日雨量，要求日雨量大于侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)，賴成光等計(jì)算珠江流域侵蝕力時(shí)將侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)定為12 mm，否則以0計(jì)算；m為天數(shù)。參數(shù)α，β的計(jì)算如下：

式中：Pd12為侵蝕性降雨日雨量平均值；Py12為年侵蝕性降雨量的平均值。

3.2.2 趨勢(shì)及空間分析方法

采用線性回歸、Mann-Kendall趨勢(shì)分析法分析降雨量和降雨侵蝕力的年際變化趨勢(shì)，采用ArcGIS的TPS樣板條插值方法分析多年平均降雨侵蝕力空間分布，采用Pearson相關(guān)性檢驗(yàn)方法分析不同站點(diǎn)降雨侵蝕力變化與經(jīng)緯度的相關(guān)性。

4.結(jié)果與分析

4.1 降雨侵蝕力時(shí)間變化特征

廣東省2000-2019年多年平均降雨侵蝕力為13934.1MJ·mm hm-2h-1，介于8186.4～25612.1MJ·mm hm-2h-1之間（圖1），年降雨侵蝕力在2001年達(dá)到最大值18705.8 MJ·mm hm-2h-1，降雨侵蝕力最低（9648.9 MJ·mm hm-2h-1）的年份為2004年。流域降雨侵蝕力呈波動(dòng)變化，根據(jù)5年滑動(dòng)平均曲線可將廣東省降雨侵蝕力分為四個(gè)階段：2000-2006年降雨侵蝕力呈減少趨勢(shì)；2007-2010為降雨侵蝕力呈增加趨勢(shì)；2011-2013年降雨侵蝕力呈減少趨勢(shì)；2014-2019年降雨侵蝕力呈增加趨勢(shì)。降雨量年際變化過(guò)程與降雨侵蝕力一致。在廣東省2000-2009年間，降雨侵蝕力和降雨量均呈不顯著增加趨勢(shì)，降雨量變化趨勢(shì)略小于降雨侵蝕力。

圖1 廣東省2000-2019年降雨量和降雨侵蝕力變化曲線（Z值為MK統(tǒng)計(jì)量，＊表示呈顯著變化趨勢(shì)）

廣東省汛期降雨侵蝕力占全年比例平均為84%，各站點(diǎn)介于72.7～91.4%之間。多年平均汛期、非汛期降雨侵蝕力分別為11921.6MJ·mmhm-2h-1、2065.3MJ·mm hm-2h-1。降雨侵蝕力多年汛期降雨侵蝕力呈不顯著下降趨勢(shì)，而非汛期降雨侵蝕力呈顯著增加趨勢(shì)（Z＞1.96）（圖1）。汛期降雨量占全年降雨量約79.7%，多年平均汛期、非汛期降雨量分別為1489.6mm、370.1mm。降雨量在汛期和非汛期的變化和降雨侵蝕力一致，但降雨量在汛期和非汛期都呈不顯著變化趨勢(shì)。

4.2 降雨侵蝕力空間分布特征

廣東省年降雨侵蝕力的空間分布不均，大體上呈現(xiàn)南高北低、西高東低（圖2）。降雨侵蝕力從南部的24000MJ·mm hm-2h-1逐漸減少到北部的8000MJ·mm hm-2h-1，從西部的16000MJ·mm hm-2h-1逐漸減少到東部的8000MJ·mm hm-2h-1。廣東省近20年多年平均年降雨侵蝕力最大的地區(qū)是廣東省南部的陽(yáng)江（25612.1MJ·mmhm-2h-1）。多年平均年降雨侵蝕力最小的地區(qū)是廣東省北部的南雄（8186.4MJ·m m hm-2h-1）。多年平均年降雨量空間分布基本與降雨侵蝕力一致，表現(xiàn)出從南部的2400mm逐漸減少到北部的1600mm，從西部的2000mm逐漸減少到東部的1400mm。降雨侵蝕力是地理位置影響較大，圖3相關(guān)性分析表明，廣東省各站點(diǎn)多年平均降雨侵蝕力與緯度顯著負(fù)相關(guān)（R2=0.32），多年平均年降雨侵蝕力隨緯度的增加而減小，而與經(jīng)度不相關(guān)（R2=0.02），表明緯度是廣東省降雨侵蝕力分布的地理主軸。

圖2 2000-2019年廣東省多年平均年降雨量和降雨侵蝕力空間分布

圖3 多年平均年降雨侵蝕力與緯度和經(jīng)度相關(guān)分析

廣東省多年平均汛期降雨侵蝕力空間分布與多年平均年降雨侵蝕力一致，大體上呈現(xiàn)南高北低、西高東低的分布特征（圖2）。汛期降雨侵蝕力從南部電白、深圳、汕尾一線的16000 MJ·mmhm-2h-1逐漸減少到北部韶關(guān)、南雄一線的6000 MJ·mmhm-2h-1。汛期降雨侵蝕力高值區(qū)位于陽(yáng)江（22756.2MJ·mm hm-2h-1）、汕尾（17258.6MJ·mm hm-2h-1），低值區(qū)則位于南雄（6010.9 MJ·mmhm-2h-1）、羅定（6737.6MJ·mmhm-2h-1）。汛期降雨量空間分布與降雨侵蝕力一致，廣州地區(qū)降雨侵蝕力與降雨量均高于同經(jīng)緯度地區(qū)。廣東省多年平均非汛期降雨侵蝕力呈現(xiàn)北高南低、西高東低的分布特征。非汛期降雨侵蝕力高值區(qū)位于陽(yáng)江（2960.3MJ·mm hm-2h-1）、韶關(guān)（2933.1MJ·mm hm-2h-1），低值區(qū)則位于南澳（1484.0 MJ·mmhm-2h-1）、汕頭（1600.1MJ·mmhm-2h-1）。汛期降雨量空間分布與降雨侵蝕力基本一致。非汛期降雨量呈現(xiàn)北高南低的空間分布，從韶關(guān)、南雄的500mm逐漸減少到汕頭、深圳、電白一線的300mm。

5.結(jié)論

近20 年廣東省年平均降雨侵蝕力介于8186.4～25612.1MJ·mm hm-2h-1之間，多年平均值為13934.1MJ·mmhm-2h-1。降雨侵蝕力年內(nèi)分布上6月最大，降雨侵蝕力達(dá)2833.1 MJ·mmhm-2h-1，占全年降雨侵蝕力的20.3%，2月最小，僅占全年降雨侵蝕力的1.3%。從四季分布上來(lái)看，夏季降雨侵蝕力最大，占全年降雨侵蝕力的49.4%，最小為冬季，僅占全年降雨侵蝕力的5.0%。汛期、非汛期降雨侵蝕力多年平均值分別為11921.6MJ·mmhm-2h-1、2065.3MJ·mmhm-2h-1，分別占全年比例為84%和16%。廣東省2000-2019年年降雨侵蝕力、汛期降雨侵蝕力趨勢(shì)變化均不顯著，非汛期降雨侵蝕力呈顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)。

廣東省降雨侵蝕力的空間分布大體上呈現(xiàn)從南向北、自西向東逐漸減小的趨勢(shì)。其中陽(yáng)江、惠來(lái)年降雨侵蝕力較大，達(dá)到17000MJ·mmhm-2h-1以上，南雄、羅定降雨侵蝕力較小，低于9000MJ·mmhm-2h-1。汛期降雨侵蝕力空間分布與多年平均降雨侵蝕力分布一致，非汛期降雨侵蝕力則呈現(xiàn)北高南低、西高東低的分布特征。降雨量和降雨侵蝕力的高、低值區(qū)分布基本一致。廣東省年降雨侵蝕力隨緯度增加而減小。