1822号“山竹”台风对广东省降雨侵蚀力的影响

2019-02-17陈世发田广增李航飞张清军白永会王丽园

水土保持通报 2019年3期

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。