1822号“山竹”台风对广东省降雨侵蚀力的影响

陈世发, 田广增, 李航飞, 张清军, 白永会, 王丽园

(1.韶关学院 旅游与地理学院, 广东 韶关 512005; 2.东华理工大学地球科学学院, 江西 南昌330013; 3.河南大学 环境与规划学院, 河南 开封 475004)

台风是热带气旋在西太平洋地区的一种称谓，是地球上破坏力最大的天气系统。台风离赤道平均3～5纬度外的洋面形成，其移动主要受到地转偏向力及其他大尺度天气系统影响[1]。登陆的台风往往伴随狂风暴雨，造成严重的财产和人员伤亡。

台风登陆带来极端强降雨，且由于降雨强度大，易造成巨大的降雨侵蚀力。降雨侵蚀力在某种程度上反映降雨对土壤的潜在能力[2]。采用降雨动能E与最大30 min降雨强度I30的乘积来表示降雨侵蚀力，即EI30，是降雨侵蚀力R值计算的经典公式[3]，广泛应用于USLE，RUSLE等土壤流失方程。但在实际计算EI30过程中，需要详细的次降雨过程资料，且降雨动能的计算较为复杂、该公式在小区域尺度上具有适用性，不适于大中区域尺度的研究。许多学者致力于研究利用常规年月日的降雨资料即可得到R值的经验算法[4-13]，这些算法对特定地区均有较好的适用性，为计算R值提供了便利的方法[14]。部分学者利用长时间尺度内的强降雨数据，计算极端强降雨对降雨侵蚀力的影响[15-16]。极端强降雨事件易造成短时间内的强降雨侵蚀力，是形成土壤剧烈侵蚀的重要影响因素。台风造成短时间的极端强降雨，对于一次台风造成的降雨侵蚀力，采用年、月和日的降雨侵蚀力模型计算降雨侵蚀力，则具有较大的偏差，为此需要以时为阶段，采用小时降雨量计算台风造成的降雨侵蚀力，殷水清等[17-18]和吴佐成等[19]利用小时降雨量分别估算中国及长汀县降雨侵蚀力，并建立经验公式，可精确估算中国降雨侵蚀力，与年月日降雨资料估算值相比，具有较高的精度，且为研究极端强降雨对降雨侵蚀力的影响提供参考。

本研究以2018年1822号“山竹”台风登陆广东省为例，采用小时降雨侵蚀力模型，分析“山竹”台风对广东省降雨侵蚀力的影响，研究短期极端强降雨对降雨侵蚀力的影响，为广东省土壤侵蚀治理提供降雨侵蚀力指标。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

1.1.1 研究区概况 广东省位于20°09′—25°31′N和109°45′—117°20′E之间，地处中国大陆最南部，海岸线漫长，岛屿众多。广东省山脉大多与地质构造的走向一致，以东北—西南走向居多，粤北的山脉则多为向南拱出的弧形山脉，此外粤东和粤西有少量西北—东南走向的山脉，山脉之间有大小谷地和盆地分布。平原主要集中于珠江三角洲与韩江三角洲地带。从北向南分别为中亚热带季风气候、南亚热带季风气候和热带季风气候，年平均气温22.3 ℃。年平均降水量在1 300～2 500 mm之间，全省平均为17 77 mm，降雨的空间分布基本上也呈南高北低的趋势，但受山脉走向影响较大。台风的影响也较为频繁，是广东省常见的灾害性天气。

1.1.2 “山竹”台风概况 2018年9月7日20时，1822号台风“山竹”在西北太平洋洋面上生成，9月16日17时，“山竹”在广东台山海宴镇登陆，登陆时中心附近最大风力14级(45 m/s)，中心最低气压955 hPa。17日20时，因不能确定环流中心，中央气象台停止对其编号。

1.1.3 数据来源 “山竹”台风登陆数据采用中国台风网的数据，而“山竹”台风期间广东省降雨的数据来源于中国气象共享服务网提供的2018年9月13—19日的广东省86个站点的降雨数据，剔除13—15日16时与17日15—19日的数据，此两个时期，广东省86个站点基本无降雨发生(偶有个别站点存在0.1 mm降水，不足以引起降雨侵蚀，故剔除)，最终保留15—17日期间的降雨数据。

1.2 研究方法

1.2.1 降雨侵蚀力计算方法 研究以小时降雨量为基础，计算降雨侵蚀力，其计算公式如下[20]：

(1)

式中：E——次降雨总动能(MJ/hm2)。将一次降雨分成r=1，…，k个时段；ir——第r时段的平均雨强(mm/h)； ΔVr——第r时段的降雨量(mm)。对于60 min等间隔资料，从次降雨过程开始算起，本研究中从“山竹”带来降雨开始算起，每60 min作为一个时段。I30——最大30 min雨强(mm/h)。对于60 min等间隔资料，不能得到真正的最大30 min雨强，则采用60 min等间隔资料中提取的最大60 min雨量。

为了能够利用广东省86站点的降雨资料计算“山竹”台风带来的降雨侵蚀力，需要建立60 min等间隔资料与过程资料计算降雨侵蚀力指标值的回归关系[17-18]：

(E)m=1.105×(E)60

(2)

(I30)m=1.668×(I30)60

(3)

(EI30)m=1.730×(EI30)60

(4)

式中：(E)m，(I30)m，(EI30)m——用降雨过程资料计算得到的降雨动能，最大30 min雨强和降雨侵蚀力指标值；(E)60，(I30)60，(EI30)60——用60 min等间隔资料计算的相应值。

1.2.2 空间插值方法 降雨侵蚀力空间分布可采用空间插值算法得到，同时站点数量与分布也决定了插值精度。本研究采用广东省86个气象站点降雨数据，在一定程度上保证了插值精度。空间插值算法有很多，如样条函数法(Spline法)、克里金插值法(Kriging法)，径向基函数法(radial basis functions)和反距离权重插值(IDW)等。Kriging插值法对降雨量空间分布求最优、线性和无偏内插的估计，具有较好的拟合效果，对降雨量和降雨侵蚀力等值域范围大，空间分布高度不均匀等变量适用于此法。因此本研究选用该插值方法，其模型为球状模型，参数的选定以RSE最小为标准。

1.2.3 降雨侵蚀力数据的特征值 为反映山竹台风期间广东省降雨侵蚀力的特征值状况，选用平均数、众数与中位数反映降雨侵蚀力的集中趋势；选用极差、标准差和变异系数反映降雨侵蚀力的离散程度，其中极差可以反映降雨侵蚀力的差异范围；标准差则为反映偏差的重要指标，能描述降雨侵蚀力的值与均值的平均距离；变异系数为标准差除以平均值则可得到，反映离散程度大小。

2 结果与分析

2.1 “山竹”台风期间广东省降雨特征

“山竹”台风自9月7日20时生成，并在17日20时中央气象台停止编号结束。在其15日17时开始对广东省降雨产生影响，一直延续到17日18时，期间广东省降雨最大站点为阳春站，其降雨量高达378.4mm，最小值为始兴站，其降雨量仅为15.5 mm，极差达362.9 mm，极值比高达24.4。15日17时至24时降雨量最大值为粤东南澳站，为27.7 mm，最小值为0 mm，主要分布于粤北和粤西站点。16日最大站点为阳江站，降雨量为241.8 mm，其次为深圳站，降雨量为221.5 mm，最低为平远站，仅为3.8 mm。17日最大降雨站点为阳春站，降雨量为182.5 mm，而降雨量为0 mm的站点，主要分布于粤东的潮阳等站点。在台风登陆的15—17日，广东省平均每站点降雨量为106.7 mm，中位数为92 mm，众数为54.5 mm，标准差为58.2 mm，变异系数为0.55。

以ArcGIS的自然间断法对克里金插值的降雨量进行分级，根据数据特征，共分为8级(附图9，表1)，降雨量主要集中于23～95 mm，占广东省全部面积的63.08%，而95 mm以上的面积为36.92%，降雨强度总体较大。而从累积频率分布来看，66个站点的降雨量集中于23～115 mm之间。

山竹台风登陆站点台山，降水量为254.1 mm，并不是最大值。这是因为台风登陆时，台风眼中心相对晴朗无云，随着台风向西偏移，台山产生降雨。从附图9看出，“山竹”台风期间，广东省降雨最大值分布于以台风为中心的附近，而距离台风中心较远的粤北、粤东降雨相对较少。

注：R为降雨侵蚀力〔MJ·mm/(hm2·h)〕。

2.2 山竹台风对广东省降雨侵蚀力影响

2.2.1 15日广东省降雨侵蚀力及分布特征 15日凌晨台风“山竹”以17级以上的巅峰强度于在菲律宾吕宋岛东北部沿海登陆，台风势力强，影响半径大。受其影响，粤东地区在第15日17时起开始产生降雨，此时台风中心位于南海东部海域。利用公式(1)—(4)计算山竹台风对广东省15日降雨侵蚀力的影响，并对其进行克里金插值(附图10)。

从附图10可以看出，广东省降雨侵蚀力主要集中于粤东地区，而在粤北、粤西和珠三角地区无降雨的发生，故而也不存在降雨侵蚀力。在粤东地区，又以南澳区、澄海县和海丰县的降雨侵蚀力最大，分别达到199.72，101.34，81.80 MJ·mm/(hm2·h)，3个站点也是15日广东省降雨量和雨强最大的3个气象站点，这与15日17时，台风中心位于120°E，20N的洋面，并向西北方向移动，并对粤东地区的降雨及雨强产生较大影响。15日广东省降雨侵蚀力极差达362.9 MJ·mm/(hm2·h)，平均每站点降雨侵蚀力为6.9 MJ·mm/(hm2·h)，中位数与众数均0 MJ·mm/(hm2·h)，标准差为12.3 MJ·mm/(hm2·h)，变异系数为1.78。

从表1看出，降雨侵蚀力为0～5 MJ·mm/(hm2·h)值的面积占广东省总面积的91.85%，其中0值占70.35%，而从累积频率分布来看，74个站点的降雨侵蚀力集中于0～5 MJ·mm/(hm2·h)之间。

2.2.2 16日广东省降雨侵蚀力及分布特征 “山竹”(强台风级)于16日17时在广东台山海宴镇登陆，登陆时中心附近最大风力14级(45 m/s，相当于162 km/h)，中心最低气压955 hPa。由于在16日登陆广东，为此16日广东省绝大部分站点的降雨量最大，且呈现以登陆中心周边向东西两翼降低的趋势。其中，降雨量最大为阳江站，降雨量为241.8 mm，其次为深圳和新兴，降雨量分别为221.5 mm和207.1 mm。对16日广东省主要气象站点的降雨侵蚀力进行计算，并进行克里金插值(见附图11)。

广东省16日所有站点均发生降雨，均存在一定的降雨侵蚀力。降雨侵蚀力最大为阳江站，其降雨侵蚀力高达9 423.11 MJ·mm/(hm2·h)，其次为恩平站，其降雨侵蚀力为4023.55 MJ·mm/(hm2·h)，第三为阳春站，为3 928.23 MJ·mm/(hm2·h)，而台风登陆地台山站的降雨侵蚀力排第四，为3 846.75 MJ·mm/(hm2·h)。最小为平远站，为1 MJ·mm/(hm2·h)，其次为仁化站和南雄，分别为6.32 MJ·mm/(hm2·h)和19.30 MJ·mm/(hm2·h)，广东省降雨侵蚀力极差达9 422.11 MJ·mm/(hm2·h)，极值比为9 423.11。同时，广东省降雨侵蚀力小于100 MJ·mm/(hm2·h)的站点主要集中于分布与粤北和粤东地区。而降雨侵蚀力大于1 000 MJ·mm/(hm2·h)的站点集中于分布于粤西和珠三角地区，特别是茂名、阳春和江门等地区。总体上来看，广东省降雨侵蚀力从登陆中心向东西两翼降低。平均每站点降雨侵蚀力为802.3 MJ·mm/(hm2·h)，中位数为270.7 MJ·mm/(hm2·h)，标准差为1285.8 MJ·mm/(hm2·h)，变异系数为1.60。

从表1可看出，降雨侵蚀力为0～300 MJ·mm/(hm2·h)值的面积占广东省总面积的50.92%，而从累积频率分布来看，45个站点的降雨侵蚀力集中于0～300 MJ·mm/(hm2·h)之间，30个站点的降雨侵蚀力集中于300～2 000 MJ·mm/(hm2·h)之间。

2.2.3 17日广东省降雨侵蚀力及分布特征 “山竹”于16日23时进入广西壮族自治区，于17日下午，“山竹”减弱为热带低压，中央气象台17日20时停止对其编号。由于17日19时以后，“山竹”台风几乎不对广东省降雨产生影响，故而统计时间截点为17日18时。而17日降雨量最大值在阳春站点，高达182.5 mm，其次为四会和高州，降雨量为117.2 mm和94.4 mm，而在粤北和粤东的部分站点无降雨发生。利用小时降雨侵蚀力模型，计算9月17日0—18时的降雨侵蚀力，其计算结果见附图12。

从附图12可以看出，17日广东省降雨侵蚀力呈现以阳春市为中心，向东西两侧降低。特别是在粤北和粤北的部分区域的降雨侵蚀力最低。降雨侵蚀力最大为阳春站，达到3036.48 MJ·mm/(hm2·h)，其次为高州站和四会站，分别为1215.81 MJ·mm/(hm2·h)和997.20 MJ·mm/(hm2·h)，最小为0 MJ·mm/(hm2·h)，即无降雨产生的站点，极差为3 036.48 MJ·mm/(hm2·h)。平均每站点降雨侵蚀力为144.0 MJ·mm/(hm2·h)，中位数为18.1 MJ·mm/(hm2·h)，标准差为164.1 MJ·mm/(hm2·h)，变异系数为1.14。

从表1可看出，降雨侵蚀力为0～35 MJ·mm/(hm2·h)值的面积占广东省总面积的40.04%，在0～250 MJ·mm/(hm2·h)占79.38%。而从累积频率分布来看，40个站点的降雨侵蚀力集中于0～35 MJ·mm/(hm2·h)之间，30个站点的降雨侵蚀力集中于35～250 MJ·mm/(hm2·h)之间。

2.2.4 15—17日广东省降雨侵蚀力及分布特征 从“山竹”台风影响广东省降雨开始至结束，并以此期间的降雨为基础，利用小时降雨侵蚀模型计算并分析“山竹”台风对广东省降雨侵蚀力的影响。“山竹”台风期间，广东省降雨量最大的站点为阳春站，其降雨量高达378.4 mm，其次为阳江站和台山站，其降雨量分别为290.6 mm和254.2 mm；最少为仁化站，仅为15.5 mm，其次为南雄站和平远站，其降雨量分别为25.9 mm和26.7 mm。降雨各个站点之间分配不均，最大站点为最小站点的24.41倍。同时，此次台风各站点平均降雨为106.1 mm，降雨强度大，且主要集中于16日的7—20时，占全部降雨总比重的58%。计算广东省15—17日降雨侵蚀力，并进行空间插值(附图13)。

广东省降雨侵蚀力最大站点为阳春站，其降雨侵蚀力高达10 621.89 MJ·mm/(hm2·h)，其次为阳江站和台山站，其降雨侵蚀力分别为9 672.25 MJ·mm/(hm2·h)和4 352.75 MJ·mm/(hm2·h)。降雨侵蚀力最小站点为仁化站，降雨侵蚀力为18.87 MJ·mm/(hm2·h)，其次为南雄站和始兴站，其降雨侵蚀力分别为30.27 MJ·mm/(hm2·h)和38.18 MJ·mm/(hm2·h)。从附图13看出，广东省降雨侵蚀力在粤西最高(湛江除外)，其次为珠三角地区，而在粤北和粤东地区的降雨侵蚀力最低，极差为10 603.02 MJ·mm/(hm2·h)。平均每站点降雨侵蚀力为1 028.36 MJ·mm/(hm2·h)，中位数为488.23 MJ·mm/(hm2·h)，标准差为1 444.6 MJ·mm/(hm2·h)，变异系数为1.40。

从表1可看出，降雨侵蚀力为5～400 MJ·mm/(hm2·h)值的面积占广东省总面积的60.77%，而从累积频率分布来看，50个站点的降雨侵蚀力集中于5～400 MJ·mm/(hm2·h)之间，28个站点的降雨侵蚀力集中于400～3 000 MJ·mm/(hm2·h)之间。

3 讨论与结论

3.1 讨 论

3.1.1 广东省降雨侵蚀力分布原因 广东省降雨侵蚀力的分布总体上与台风登陆及运行路径相关，距离台风中心越远，总体上降雨侵蚀力越小。但降雨侵蚀力最大值在阳春站与阳江站，与台风登陆地点不一致，同时，从台风登陆地至粤西，降雨侵蚀力快速降低，而珠三角的深圳、广州等地降雨侵蚀力仍较大，而处于盆地的降雨侵蚀力较低，如仁化董塘盆地的仁化站的降雨侵蚀力最低，其次为南雄盆地的始兴站和南雄站，这些均与地形对台风气流阻挡有关。阳江市(包括阳春)东北有天露山屏障，西北有云雾山环绕，台风气流受天露山与云雾山的阻挡，在此形成降雨中心，降雨量和降雨侵蚀力均最大。珠三角地势较为低平，台风气流往往畅通无阻，降雨侵蚀力同样也较大。而仁化、南雄与始兴等站点，距离台风中心较远，且处于盆地，四周为山脉，气流影响相对较小，降雨侵蚀力低。

3.1.2 降雨量、雨强与降雨侵蚀力 降雨量与雨强是影响降雨侵蚀力大小的重要因素[21]。15日与15—17日的最大3个站点的降雨量与降雨侵蚀力相同。而16日与17日的最大站点的降雨量与降雨侵蚀力相同，15—17日最低降雨量与最低降雨侵蚀力总体相符。

但也存在部分站点相异的情况。16日的降雨量次大值为深圳站与新兴站，但降雨侵蚀力次大值则为恩平站和阳春站，17日降雨量次大值为高州站与四会站，而降雨侵蚀力四会站高于高州站。降雨量较低的站点也存在部分不一致的情况，如平远站总的降雨侵蚀力为117.62 MJ·mm/(hm2·h)，在所有站点中排倒数第12位，而降雨量仅仅为26.7 mm，在所有站点的排倒数第3位。这与本研究所采用的降雨侵蚀力的计算公式中，既与降雨量相关，又与雨强、降雨动能相关。相关学者研究表明广东省近几十年来降雨量增加，但降雨侵蚀力仍然呈现下降趋势，这与大暴雨呈现下降趋势相关[22]，诸多学者模拟试验表明降雨强度的增大，降雨侵蚀力增强，径流量与含沙量也随之增加[23-24]。

采用小时降雨量计算降雨侵蚀力，与用日、月和年降雨量资料为基础估算降雨侵蚀力相比, 该算法能够提高土壤侵蚀预报精度，为土壤侵蚀的防治提供一定的参考。

3.2 结 论

利用小时降雨侵蚀力模型，分析登陆广东省超强台风山竹对降雨侵蚀力的影响。

(1) 山竹台风期间(2018年9月15至17日)，广东省降雨量大，降雨强度大，降雨侵蚀力大，特别是在阳春站，其降雨侵蚀力高达10 621.89 MJ·mm/(hm2·h)，最低站点的降雨侵蚀力为18.87 MJ·mm/(hm2·h)。

(2) 随着山竹台风自东南向西北移动，广东省降雨侵蚀力最大站点从粤东地区移至粤西地区，特别是以登陆地为中心的周边地区的降雨侵蚀力最大。而整个台风期间，阳江站降雨侵蚀力最大，粤北和粤东地区的降雨侵蚀力最低。

(3) 山竹台风期间，广东省降雨侵蚀力的分布特征与台风移动路径、地形等因素相关，而降雨侵蚀力又与降雨量、雨强和降雨动能相关。