广东省2000-2019年降雨侵蚀力时空变化特征

◎蒋秋玲 白芝兵 广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司

1.前言

降雨是我国南方地区土壤侵蚀的主要动力因素，降雨侵蚀力是指降雨引起土壤侵蚀的潜在能力，能够全面表征降雨量、降雨强度、降雨动能等对土壤侵蚀的综合影响。准确评估区域降雨侵蚀力对提高土壤侵蚀预报精度和评估水土流失风险有重要意义。Wischmeier等在1958年第一次提出降雨侵蚀力概念，利用美国8250个径流小区的降雨、土壤侵蚀实测数据，通过对降雨量（P）、降雨动能（E）、雨强等单因子及它们组合的复合因子与土壤流失量的回归分析，使用降雨动能和最大30分钟降雨强度I30的乘积（EI30）来表征降雨侵蚀力。EI30计算降雨侵蚀力的精度高，在我国得到了良好的应用，但是在实际应用中，由于长时间序列的降雨动能数据难以获取，用EI30来计算降雨侵蚀力相对困难，特别是在区域降雨侵蚀力研究中。Richardson等利用美国东部22个气象站日降雨量数据提出了基于日降雨数据估算降雨侵蚀力简易模型。章文波等利用全国71个气象站基于Richardson模型提出了利用日降雨量估算降雨侵蚀力的简易模型，被广泛利用于各大流域的降雨侵蚀力的计算，如黄土高原、秦巴山区、珠江流域等。

广东省经济发达，是中国最重要的经济大省之一。随着地区经济发展和全球气候变化，逐渐增多的极端降水和剧烈的人类活动对区域水土流失产生了巨大影响。大量的耕地、林草地转变为建设用地，再加上气候变化的影响，使得广东省水土保持工作面临巨大的压力。目前针对广东省降雨侵蚀力时空分布特征的研究较少，基于此，本研究以广东省21个气象站的日降雨数据为基础，分析广东省2000-2019年降雨侵蚀力时空分布特征，旨在为广东省水土保持、生态保护、灾害控制等工作提供科学依据。

2.研究区概况

广东省位于中国大陆南部，位于北纬20°13′～25°31′和东经109°39′～117°19′之间，属于东亚季风区，从北向南分别为中亚热带、南亚热带和热带气候，是中国光、热和水资源最丰富的地区之一。广东降水充沛，年降水量在1300～2500mm，全省平均为1777mm。降雨的空间分布基本上呈南高北低的空间分布特征。降水的年内分配严重不均，汛期4～9月的降水占全年的80%以上。

3.资料与方法

3.1 资料

本文选取广东省南雄、韶关、广宁、连平、信宜、罗定、高要、广州、增城、惠阳、五华、梅县、湛江、电白、阳江、台山、深圳、汕尾、惠来、汕头、南澳等21个气象站点2000-2019年逐日降雨量数据计算降雨侵蚀力，逐日降雨量数据来自国家气象科学数据中心（http://data.cma.cn）。本文中降水数据缺失部分采用相邻日或月降雨量的均值来插补。

3.2 研究方法

3.2.1 降雨侵蚀力的计算

本文采用章文波模型[4]计算降雨侵蚀力，该模型表达式为：

式中:R i 为第i 个月的侵蚀力(MJ·mm hm-2h-1)；α，β均为参数；Pk表示半月时段内第k天的侵蚀性日雨量，要求日雨量大于侵蚀性降雨标准，赖成光等计算珠江流域侵蚀力时将侵蚀性降雨标准定为12 mm，否则以0计算；m为天数。参数α，β的计算如下：

式中：Pd12为侵蚀性降雨日雨量平均值；Py12为年侵蚀性降雨量的平均值。

3.2.2 趋势及空间分析方法

采用线性回归、Mann-Kendall趋势分析法分析降雨量和降雨侵蚀力的年际变化趋势，采用ArcGIS的TPS样板条插值方法分析多年平均降雨侵蚀力空间分布，采用Pearson相关性检验方法分析不同站点降雨侵蚀力变化与经纬度的相关性。

4.结果与分析

4.1 降雨侵蚀力时间变化特征

广东省2000-2019年多年平均降雨侵蚀力为13934.1MJ·mm hm-2h-1，介于8186.4～25612.1MJ·mm hm-2h-1之间（图1），年降雨侵蚀力在2001年达到最大值18705.8 MJ·mm hm-2h-1，降雨侵蚀力最低（9648.9 MJ·mm hm-2h-1）的年份为2004年。流域降雨侵蚀力呈波动变化，根据5年滑动平均曲线可将广东省降雨侵蚀力分为四个阶段：2000-2006年降雨侵蚀力呈减少趋势；2007-2010为降雨侵蚀力呈增加趋势；2011-2013年降雨侵蚀力呈减少趋势；2014-2019年降雨侵蚀力呈增加趋势。降雨量年际变化过程与降雨侵蚀力一致。在广东省2000-2009年间，降雨侵蚀力和降雨量均呈不显著增加趋势，降雨量变化趋势略小于降雨侵蚀力。

图1 广东省2000-2019年降雨量和降雨侵蚀力变化曲线（Z值为MK统计量，＊表示呈显著变化趋势）

广东省汛期降雨侵蚀力占全年比例平均为84%，各站点介于72.7～91.4%之间。多年平均汛期、非汛期降雨侵蚀力分别为11921.6MJ·mmhm-2h-1、2065.3MJ·mm hm-2h-1。降雨侵蚀力多年汛期降雨侵蚀力呈不显著下降趋势，而非汛期降雨侵蚀力呈显著增加趋势（Z＞1.96）（图1）。汛期降雨量占全年降雨量约79.7%，多年平均汛期、非汛期降雨量分别为1489.6mm、370.1mm。降雨量在汛期和非汛期的变化和降雨侵蚀力一致，但降雨量在汛期和非汛期都呈不显著变化趋势。

4.2 降雨侵蚀力空间分布特征

广东省年降雨侵蚀力的空间分布不均，大体上呈现南高北低、西高东低（图2）。降雨侵蚀力从南部的24000MJ·mm hm-2h-1逐渐减少到北部的8000MJ·mm hm-2h-1，从西部的16000MJ·mm hm-2h-1逐渐减少到东部的8000MJ·mm hm-2h-1。广东省近20年多年平均年降雨侵蚀力最大的地区是广东省南部的阳江（25612.1MJ·mmhm-2h-1）。多年平均年降雨侵蚀力最小的地区是广东省北部的南雄（8186.4MJ·m m hm-2h-1）。多年平均年降雨量空间分布基本与降雨侵蚀力一致，表现出从南部的2400mm逐渐减少到北部的1600mm，从西部的2000mm逐渐减少到东部的1400mm。降雨侵蚀力是地理位置影响较大，图3相关性分析表明，广东省各站点多年平均降雨侵蚀力与纬度显著负相关（R2=0.32），多年平均年降雨侵蚀力随纬度的增加而减小，而与经度不相关（R2=0.02），表明纬度是广东省降雨侵蚀力分布的地理主轴。

图2 2000-2019年广东省多年平均年降雨量和降雨侵蚀力空间分布

图3 多年平均年降雨侵蚀力与纬度和经度相关分析

广东省多年平均汛期降雨侵蚀力空间分布与多年平均年降雨侵蚀力一致，大体上呈现南高北低、西高东低的分布特征（图2）。汛期降雨侵蚀力从南部电白、深圳、汕尾一线的16000 MJ·mmhm-2h-1逐渐减少到北部韶关、南雄一线的6000 MJ·mmhm-2h-1。汛期降雨侵蚀力高值区位于阳江（22756.2MJ·mm hm-2h-1）、汕尾（17258.6MJ·mm hm-2h-1），低值区则位于南雄（6010.9 MJ·mmhm-2h-1）、罗定（6737.6MJ·mmhm-2h-1）。汛期降雨量空间分布与降雨侵蚀力一致，广州地区降雨侵蚀力与降雨量均高于同经纬度地区。广东省多年平均非汛期降雨侵蚀力呈现北高南低、西高东低的分布特征。非汛期降雨侵蚀力高值区位于阳江（2960.3MJ·mm hm-2h-1）、韶关（2933.1MJ·mm hm-2h-1），低值区则位于南澳（1484.0 MJ·mmhm-2h-1）、汕头（1600.1MJ·mmhm-2h-1）。汛期降雨量空间分布与降雨侵蚀力基本一致。非汛期降雨量呈现北高南低的空间分布，从韶关、南雄的500mm逐渐减少到汕头、深圳、电白一线的300mm。

5.结论

近20 年广东省年平均降雨侵蚀力介于8186.4～25612.1MJ·mm hm-2h-1之间，多年平均值为13934.1MJ·mmhm-2h-1。降雨侵蚀力年内分布上6月最大，降雨侵蚀力达2833.1 MJ·mmhm-2h-1，占全年降雨侵蚀力的20.3%，2月最小，仅占全年降雨侵蚀力的1.3%。从四季分布上来看，夏季降雨侵蚀力最大，占全年降雨侵蚀力的49.4%，最小为冬季，仅占全年降雨侵蚀力的5.0%。汛期、非汛期降雨侵蚀力多年平均值分别为11921.6MJ·mmhm-2h-1、2065.3MJ·mmhm-2h-1，分别占全年比例为84%和16%。广东省2000-2019年年降雨侵蚀力、汛期降雨侵蚀力趋势变化均不显著，非汛期降雨侵蚀力呈显著增长趋势。

广东省降雨侵蚀力的空间分布大体上呈现从南向北、自西向东逐渐减小的趋势。其中阳江、惠来年降雨侵蚀力较大，达到17000MJ·mmhm-2h-1以上，南雄、罗定降雨侵蚀力较小，低于9000MJ·mmhm-2h-1。汛期降雨侵蚀力空间分布与多年平均降雨侵蚀力分布一致，非汛期降雨侵蚀力则呈现北高南低、西高东低的分布特征。降雨量和降雨侵蚀力的高、低值区分布基本一致。广东省年降雨侵蚀力随纬度增加而减小。