广西降雨侵蚀力时空变化分析

2016-12-22谢坤坚蔡卓杰莫建飞

中国水土保持 2016年12期

关键词：气象站置信度降雨量

谢坤坚，卢远，蔡卓杰，莫建飞

(1.广西师范学院地理科学与规划学院,广西南宁 530001；2.广西师范学院北部湾环境演变与资源利用教育部重点实验室，广西南宁 530001；3.广西壮族自治区气象减灾研究所，广西南宁 530022)

广西降雨侵蚀力时空变化分析

谢坤坚1，2，卢远1，2，蔡卓杰1，莫建飞3

降雨侵蚀力；Kriging插值法；气候倾向率；趋势系数；广西

利用GIS软件对广西进行降雨侵蚀力时空变化分析研究，根据广西1965—2010年的日降雨量变化数据，估算出年均降雨侵蚀力，计算其趋势系数和气候倾向率，并使用Kriging空间插值法生成空间分布图，结果发现：广西的多年平均降雨侵蚀力整体上呈现出从桂东南、桂东、桂东北向桂西北递减的趋势；46年间广西大部分地区降雨侵蚀力呈增加趋势，小部分地区呈减小趋势，减小区域分布呈双向弧状；广西年降雨侵蚀力变化情况只有4个气象站点通过了显著性为0.05的置信度水平检验，显著性气候变化站点较少。

降雨侵蚀力反映了雨滴击溅和径流冲刷引起的土壤侵蚀的潜在能力，对土壤侵蚀研究和水土保持工作具有重要意义[1]。国内外研究人员关于RUSLE模型中降雨侵蚀力R的计算方法建立了许多模型与算法：1958年Wischmeier等[2]发现侵蚀性降雨总动能与最大30 min雨强的乘积EI30与土壤流失量的相关性良好，将其作为度量降雨侵蚀力的指标应用于通用土壤流失方程；王万忠等[3]通过试验证实EI30计算指标作为降雨侵蚀力指标在中国同样适用；章文波等[4]建立的基于日雨量的降雨侵蚀力简易算法模型，可以估算多年平均降雨侵蚀力及降雨侵蚀力季节变化；黄炎和等[5-6]提出了基于月降雨量的降雨侵蚀力估算模型和年降雨侵蚀力估算模型。研究表明，我国大部分地区降雨侵蚀力在年内分配不均匀，主要集中在汛期；降雨侵蚀力的空间分布趋势与降雨量的空间分布趋势基本一致，且具有相同的中心；降雨侵蚀力年际波动明显，存在年际波动的周期等。因此，合理分析与确定一个区域降雨侵蚀力的大小与分布特征，对区域土壤侵蚀风险性评价具有重要的意义。

1 数据来源与研究方法

1.1 区域概况

广西壮族自治区地处我国华南沿海，地理坐标介于20°54′～26°24′N、104°26′～112°04′E，属亚热带季风气候区，全年气候温暖湿润，水热条件充足，年均气温17～22 ℃，年均降雨量1 250～2 000 mm，是全国降雨最丰富的地区之一。受冬、夏季风交替作用影响，降雨季节性分布不均，干湿季分明，雨季主要集中在4—9月，旱季是10月至次年3月，降雨集中程度高，单位时间内强降雨容易造成严重的水力侵蚀，加上广西特殊的地质环境条件，使得广西成为我国水土流失较为严重的省区之一。

1.2 数据来源

以资料序列连续且不少于40年为原则，选取了1965—2010年广西88个气象站点降水气象要素实测资料，用于计算降雨侵蚀力。数据包括各气象站点的经纬度坐标、名称和日降雨量等基本信息，以及广西基础地理信息数据。基于ArcGIS平台，将气象站点的坐标信息展开生成广西气象站点分布图。各站点均匀分布于广西各个县市，能插值计算气象数据。

1.3 年降雨侵蚀力计算模型

本研究采用章文波等[4]建立的用日降雨量估算降雨侵蚀力的简易模型，计算公式为

(1)

β=0.836 3+18.177/Pd12+24.455/Py12

(2)

(3)

上三式中：M为某半月时段的降雨侵蚀力，MJ·mm/(hm2·h)；Pi为半月时段内第i天的侵蚀性日降雨量，要求日降雨量≥12 mm，否则以0计算，阈值12 mm与中国侵蚀性降雨标准[7]一致；α、β为模型待定参数；k为半月时段内的天数，半月时段的划分以每月15日为界，前15天作为一个半月时段，剩下部分作为另一个半月时段，这样将全年一次划分为24个时段;Pd12为日降雨量≥12 mm的日平均降雨量，mm；Py12为年降雨量≥12 mm的年平均降雨量，mm。

该模型具有很高的稳定性和预测精度[4]，比较适用于我国降雨侵蚀力的计算。根据计算出的半月降雨侵蚀力能推算出年降雨侵蚀力，计算公式为

(4)

1.4 趋势系数与气候倾向率

趋势系数能描述要素长期变化的趋势和程度，能够定量给出气象要素序列的升降变化情况。趋势系数为正时说明其降雨侵蚀力序列呈增加趋势，反之则呈减小趋势。趋势系数(rxt)的计算公式[8-9]为

(5)

式中：xi为第i年降雨侵蚀力，MJ·mm/(hm2·h·a)；x为年均降雨侵蚀力，MJ·mm/(hm2·h·a)；i为年数，i=1,2,…,n；t=(n+1)/2。

计算年降雨侵蚀力的变化趋势时，可以采用最小二乘法计算气候要素x与时间t的线性回归系数b，用一次线性方程表示为x=a+bt(t=1,2,…,n)。以线性函数中的回归系数b的10倍作为气候倾向率[8-9]。根据线性回归理论，利用式(6)可实现从趋势系数到气候倾向率之间的转换，从而求得气候倾向率。

(6)

式中：σx为降雨侵蚀力的均方差；σt为时间序列的均方差。

2 插值结果与分析

2.1 降雨侵蚀力的空间分布特征

根据章文波等[4]提出的简易模型计算得到的年降雨侵蚀力和各气象站点的地理信息，使用ArcGIS 10.2软件中的Kriging空间插值法制作完成了1965—2010年广西多年平均降雨侵蚀力空间分布(图1)。广西多年平均降雨侵蚀力从整体上呈现出从桂东南、桂东、桂东北向桂西北递减的趋势，与插值生成的年降雨量的空间分布特征基本一致。在南北方向，年均降雨侵蚀力南部高于北部，有随纬度升高呈地带性递减的趋势；在东西方向，年均降雨侵蚀力桂东明显高于桂西。具体来说，容县—贵港—邕宁—吴圩—扶绥—宁明，自东向西大致形成年均降雨侵蚀力10 000 MJ·mm/(hm2·h·a)的等值线带，等值线带以南是高于10 000 MJ·mm/(hm2·h·a)的高值区，降雨侵蚀力远远高于其他区域。同时，还分布有3个年均降雨侵蚀力10 000 MJ·mm/(hm2·h·a)的等值线区，分别是资源—兴安—阳朔—鹿寨—柳城—罗城一带(桂东北)、金秀—蒙山—昭平—平南包围一带(桂东)、忻城—上林—凤山一带，它们各自形成了闭合的弧形区域，是广西年均降雨侵蚀力的小峰值分布区域。此外，在桂中地区形成了一个降雨侵蚀力低值区，这些地区被中部弧形山脉(架桥岭、大瑶山、莲花山、镇龙山、大明山、都阳山)自东向西分隔，内外气候差异明显，同时受东北季风气候影响降雨偏少，因此年均降雨侵蚀力较低。广西多年平均降雨侵蚀力多分布在8 000～13 000 MJ·mm/(hm2·h·a)。广西降雨侵蚀力整体较高，与当地的降雨特点和地质条件有关，作为引发土壤侵蚀的重要因素，也说明广西发生土壤侵蚀的风险较大。对广西各地级市年均降雨侵蚀力状况进行统计，结果见图2。由图2知，北海、防城港、钦州三市年均降雨侵蚀力较大，明显高于其他城市，这与广西多年平均降雨侵蚀力空间分布规律(图1)一致。

图1 广西年均降雨侵蚀力空间分布

图2 广西各地级市年均降雨侵蚀力

2.2 降雨侵蚀力的变化趋势

根据计算出的1965—2010年各气象站点降雨侵蚀力的趋势系数和气候倾向率，利用气象站点的坐标属性信息展开成图，使用kriging空间插值法生成广西年降雨侵蚀力趋势系数和气候倾向率的空间分布图(图3、4)。

根据趋势系数空间分布情况，广西大部分地区年降雨侵蚀力呈增加趋势，小部分地区呈减小趋势，减小区域分布呈双向弧状。降雨侵蚀力呈增加趋势的区域面积为14.55万km2，占全区土地总面积的61.47%；呈减小趋势的区域面积为9.12万km2，占38.53%。在桂北、桂东北和桂南区域形成几片集中分布的降雨侵蚀力明显增加的区域，年降雨侵蚀力趋势系数大于0.04。尤其是防城港市、全州县、兴安县、灌阳县的降雨侵蚀力趋势系数大于0.15，这说明桂北、桂东北和桂南的一些区域的土壤侵蚀风险性正在加大，以北部湾与桂东北地区最为突出。

图3 广西降雨侵蚀力趋势系数空间分布

图4 广西降雨侵蚀力气候倾向率空间分布

气候倾向率可以从侧面反映广西1965—2010年降雨侵蚀力的趋势变化情况。根据气候倾向率空间分布情况，桂南、桂北、桂东北的大片区域降雨侵蚀力明显增加，占全区总面积的69%，其中气候倾向率>200 [MJ·mm/(hm2·h·a)]/10a的土地面积占全区总面积的20%，这与趋势系数变化空间分布基本一致。气候倾向率呈减小趋势的区域主要分布在桂东南、桂西南和桂西北的小片区域，占全区面积的20%，气候倾向率<-50 [MJ·mm/(hm2·h·a)]/10a。广西年降雨侵蚀力增加趋势的峰值都偏向东北方向，表明广西降雨侵蚀力重心有向东北方向迁移的趋势。

2.3 降雨侵蚀力的变化趋势显著性检验

1965—2010年广西88个气象站中有55个站点年降雨侵蚀力呈增加趋势，占全部站点数的62.50%，其中有4个站点通过了显著性为0.1的置信度水平检验， 1个站点(防城区气象站)通过了显著性为0.05的置信度水平检验；有33个气象站点年降雨侵蚀力呈减小趋势，占全部气象站点的37.5%，其中有6个站点通过了显著性为0.1的置信度水平检验，占减少趋势站点总数的18.18%，有3个站点(崇左、扶绥、梧州站)通过了显著性为0.05的置信度水平检验。通过显著性为0.1以上置信度水平检验的气象站点数量占全部站点总数的11.36%，见表1。由表1可以看出，降雨侵蚀力呈减小趋势的显著性检验比呈增加趋势的显著性检验高(检验结果呈减小趋势的站点比呈增加的多)，但这并不能说明年降雨侵蚀力呈减小趋势，只能表明广西各站点中呈减小趋势的站点比呈增加趋势的站点的显著性略有优势。同时，总体来说达到显著性水平0.05置信度检验的站点较少，说明广西年降雨侵蚀力气候趋势变化显著性并不明显，降雨侵蚀力年际变化仍具有较高的随机性。

表1 广西年降雨侵蚀力变化趋势通过显著性0.1置信度检验的站点信息

3 结果与讨论

广西多年平均降雨侵蚀力整体上呈现出从桂东南、桂东、桂东北向桂西北递减的趋势，年均降雨侵蚀力的空间分布特征与年均降雨量的空间分布特征基本一致。容县—贵港—邕宁—吴圩—扶绥—宁明，自东向西大致形成年均降雨侵蚀力为10 000 MJ·mm/(hm2·h·a)的等值线带，以南是高于10 000 MJ·mm/(hm2·h·a)的高值区；还有3个10 000 MJ·mm/(hm2·h·a)等值线区，分别是资源—兴安—阳朔等包围区域(桂东北)、金秀—蒙山—昭平等包围区域(桂东)、忻城—上林—凤山包围区域。

近几十年来广西大部分区域年降雨侵蚀力呈增加趋势，少数区域呈减小趋势，呈增加趋势的区域面积占全区面积的61.47%，其中以桂南、桂东北一些区域尤为明显。从置信度看，通过显著性为0.05置信度检验水平的仅有4个气象站，占全区气象站点总数的4.5%，说明总体上广西气候趋势性变化并不明显，具有较高的随机性。

广西多年平均降雨侵蚀力在10 000 MJ·mm/(hm2·h·a)以上，相比全国其他地区，属于降雨侵蚀力的高值区，这与广西丰富的降雨是密不可分的。46年间降雨侵蚀力呈增加趋势的区域面积也超过了六成，这可能对广西的土壤环境构成一定威胁，水土流失总量也存在上升的风险，要弄清楚具体的土壤侵蚀情况，未来仍需要进一步调查与研究。

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(责任编辑李杨杨)

国家自然科学基金项目(41661043)

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