福州市降雨量及降雨侵蚀力变化趋势

孙丽丽,査轩

(福建师范大学a.地理科学学院，b.地理研究所， c.福建省亚热带资源与环境重点实验室，福州 350007)

0 引言

降雨是影响水土流失的主要动力因素之一，降雨侵蚀力作为反映降雨对土壤侵蚀影响的潜在能力，其时空分布的定量研究是进行土壤侵蚀评价的基础。Wischmeier认为通用土壤流失方程(USLE)中30 min的雨强I与降雨总动能E的乘积，即为降雨侵蚀力的经典算法，并且该指标已在世界范围内得到广泛应用[1]。但该算法的数据要精细到小时或分钟尺度，需要连续记录降雨的过程数据，这对于中国目前的气象观测条件还比较困难，难以收集，因此众多学者针对不同研究区的实际情况，建立了相应的降雨侵蚀力的简易算法，部分学者开始注重将降雨侵蚀力的简易计算着眼于年、月和日尺度上的常规的降雨数据上，即注重利用气象站常规降雨资料或来自于径流小区的实测资料来估算降雨侵蚀力[2]。目前，基于年降雨量、月降雨量、日降雨量和小时雨量的简易算法是常用的降雨侵蚀力简易算法[3-4]。Richardson[5]利用日雨量数据构建了降雨侵蚀力更加简易的算法，得到了多个国家和地区的验证，且得以在实践中推广。杨轩等[6]基于日降雨资料建立月降雨侵蚀力模型。如吴素业[7]、周伏建[8]、黄炎和等[9]，对安徽大别山、福建省以及闽东地区的年/月降雨资料进行了分析，分别确定了其降雨侵蚀力指标。章文波等[10]建立的降雨侵蚀力的算法是基于日降雨量数据，殷水清等[11]则是将降雨侵蚀力算法立足于小时降雨资料，在所有降雨侵蚀力的数据获取方法中，月降雨数据是最容易获取的，在福建地区，众多降雨侵蚀力模型中，周伏建提出来的降雨侵蚀力模型与降雨量有很好的拟合效果，更能代表该地区降雨状况，有较高的精度，因此本研究采用该模型，估算福建省的降雨侵蚀力情况。

罗健等[12]对广东省降雨侵蚀力48年的变化特征进行了分析，发现广东省降雨侵蚀力呈现微弱上升趋势。范建容等[13]对长江上游的降雨侵蚀力时空分布进行估算，结果表明长江上游地区降雨侵蚀力空间差异十分明显，类似于该地区降雨量的空间分布特征，且该地区多雨中心和暴雨中心也是降雨侵蚀力较大的区域，降雨侵蚀力与降雨量具有空间上的一致性。黄凤琴等[14]利用日降雨量数据，得出了多年平均降雨侵蚀力估算模型，并将该模型在四川省凉山州进行了成功的运用。于泳等[15]对湖北省的降雨侵蚀力进行分析得出其降雨侵蚀力年内变化明显，同时存在年际变化周期。李静等[16]研究得出黄土高原降雨侵蚀力主要集中于7、8两月。从小尺度角度来看，福州市有其独特的自然地理特征和人文地理特征，对其降雨量和降雨侵蚀力研究有重要意义，但相关研究却比较少见。

福州地区地跨中、南亚热带，气候类型属亚热带海洋性季风气候，降雨充足，温暖湿润。其东侧毗邻台湾海峡，北侧和南侧分布为丘陵地形，且丘陵海拔起伏较大，加上闽江从城市东西横贯，这些因素都塑造福州山谷地形地貌，地理位置独特[17]。本区背靠戴云山脉，鹜峰山脉，这种优越的地理环境，可有效阻挡住从北方南下的寒冷气流的长驱直入，同时又有效截留和保存太平洋上温暖湿润的气流，使该地区有丰富的雨热资源。境内山岳连绵起伏，在垂直气候上又构成了从山脚到山顶的立体气候，致使其植被特征类似于南亚热带到中亚热带植被类型，为该地区提供了丰富的气候资源，促进农业发展[18]，但对福州市降雨和降雨侵蚀力的变化规律较少涉及。利用福州市降雨数据，结合相关分析等数学方法从年尺度、月尺度对降雨量、降雨侵蚀力的变化趋势和特征进行系统分析，为该区生态环境建设、水土流失治理研究提供科学支持。因此本研究结果对于认识福州降雨侵蚀力的时间规律，揭示福州市降雨侵蚀力以及对福州市的土壤侵蚀评估与预报具有重要意义。

1 数据与方法

整理福州市1951—2015年近65年来的降雨数据，分析不同时间尺度上(年、季、月)降雨量以及降雨侵蚀力的变化特征。周伏健曾提出福建地区最适用的降雨侵蚀力模型，其模型适用于降水量较为丰富的地区，即与区域降雨量有关，依据福州降雨、地形特征、纬度位置特征等，福州市降水较为丰富，适合应用该模型，因此本研究采用其提出的降雨侵蚀力模型来计算福州市降雨侵蚀力[8]，该模型利用气象站逐月雨量资料计算降雨侵蚀力，其公式如下：

(1)

式(1)中:Pi为月降雨量(mm)，R为年降雨侵蚀力[MJ·mm·hm-2·h-1·a-1]。采用上述算式计算福州市分月降雨侵蚀力，累加可知年降雨侵蚀力。

依据气象习惯，四季的划分依次为：春季为3—5月，夏季为6—8月，秋季为9—11月，冬季为12月至第二年2月。本研究降雨侵蚀力年际、季节和月份的变化情况采用趋势系数和气候倾向率来表示，气候倾向率和趋势系数均表示某个气候要素长期的趋势变化过程以及发生变化的方向和程度，趋势系数为正，表示降雨量或降雨侵蚀力有线性增加趋势；趋势系数若为负，表示降雨量或降雨侵蚀力有线性减小趋势。为了解气象要素的长期趋势变化，计算极端降雨量和降雨侵蚀力与时间之间的相关系数(趋势系数)。这样定义的趋势系数，是无量纲的，变化在(-1，1)之间。可以证明，它就是标准化的一元线性回归系数，它消去了气象要素的均方差和单位对线性回归系数数值大小的影响，从而可以在不同的地理位置、不同的气象要素之间比较趋势变化的大小，特别适合于研究和揭露大范围气象场长期变化的空间变化特征[19-20]。气候倾向率则表示气象要素每10 a的变化率，本研究降雨量和降雨侵蚀力的倾向率即分别代表降雨量和降雨侵蚀力每10 a的变化情况。其计算公式如下[21-22]：

(2)

2 结果与分析

2.1 降雨侵蚀力分析

图 1 多年各月降雨量和降雨侵蚀力Figure 1 Monthly rainfall and rainfall erosivity over the years

图 2 多年降雨侵蚀力及5年滑动平均Figure 2 Multi-year rainfall erosivity and 5-year moving average

将福州65年来1—12月的月降雨量及其对应的月降雨侵蚀力进行对比，如图1所示，在时间分布上，降雨侵蚀力与降雨量有着一致的分布规律，降雨量和降雨侵蚀力主要集中在5、6、8、9月，分别占全年的52.90%，54.48%。其中6月的降雨量和降雨侵蚀力是一年中最大的，分别占全年的15.27%和15.84%。降雨量和降雨侵蚀力最小值出现在12月，分别占全年的2.56%和2.09%。多年1—4月和11—12月降雨量和降雨侵蚀力分别占35.17%和33.97%。降雨量和降雨侵蚀力的最大值与最小值之差分别为177.31 mm和54.04 MJ·mm·hm-2·h-1，多年月降雨量和降雨侵蚀力在5月和6月出现2个峰值，在7月出现1个谷值，8月份降雨量和降雨侵蚀力数值回升但并未超越第一个峰值，8～12月月均降水量与降雨侵蚀力数值开始逐月递减，并在12月份达到全年的最低值，这与王丽园等人对福建省北部降雨侵蚀力时间分布的研究结果一致[23]。从年内变化来看，降雨侵蚀力变化幅度十分显著，降雨侵蚀力时间分布不均匀，尤以雨季最为明显。福州市多年来年均降雨量1 394.43 mm，最大降雨总量为2 263.8 mm，最小为775.80 mm，最高年降雨总量为最低年的2.92倍，降雨侵蚀力和降雨总量年际波动显著。根据中国东部雨带的推进过程，从5、6月雨带北上，雨季开始，到7、8月出现伏旱现象；但由于该时段台风带来大强度的降雨，尤其是8月登陆福建省的台风次数最多，因此造成7月出现谷值，而8月出现小峰值，降雨侵蚀力年际变化趋势上，夏季呈现增长趋势，这与登陆福建省的台风次数增多有关[24]，与戴金梅等人研究结果一致[25-26]。

2.2 年降雨侵蚀力变化

根据近65年福州日降雨数据计算各年份的降雨侵蚀力及其五年滑动平均值，结果如图2，该区降雨侵蚀力波动幅度较大，2个高的峰值出现在1990年和2016年，分别为600.25和657.88 MJ·mm·hm-2·h-1，2个低值出现在1967和2003年，分别为274.93，214.84 MJ·mm·hm-2·h-1，平均降雨侵蚀力为393.06 MJ·mm·hm-2·h-1。且降雨侵蚀力年际变化大，最高值和最低值之间相差453.25 MJ·mm·hm-2·h-1。从多年来总体来看，福州降雨侵蚀力逐年变化幅度比较大，波动变化明显，其年际波动存在周期。研究区域年降水量长期变化及年代际变化的原因不仅与全球气候变化有关，也与局地大气环流及要素异常有关，因此降雨侵蚀力和降水量的年际变化可能与全球变暖，ENSO冷暖事件以及全球气温的年代际变化有关[27-29]。

2.3 月降雨量和降雨侵蚀力变化

对福州近65年各个月份的降雨量进行汇总，并分别计算出多年来每个月份降雨侵蚀力的倾向率和趋势系数，如图3(a)所示，1、2、4、7、8、10、11、12月降雨倾向率为正，说明多年来降雨量1、2、4、7、8、10、11、12月有增加的趋势，其中，11月和12月的降雨倾向率最高，分别达到了5.66和3.25 mm·10 a-1。3、5、6、9月降雨倾向率为负，说明降雨3、5、6、9月有减少的趋势；其中，6月和9月的降雨倾向率最低，分别达到了-3.33和-7.40 mm·10 a-1。从趋势系数上来讲，多年来9月降雨量趋势系数为负，趋势系数-0.13，其余月份降雨量趋势系数均为正，其中，11月降雨量增加程度最为明显，趋势系数为0.27，其次是12月降雨增加程度较为明显。

对福州近65年各个月份的降雨侵蚀力进行汇总，并分别计算出多年来每个月份降雨侵蚀力的倾向率和趋势系数，由图3(b)可知，降雨侵蚀力倾向率1月、2月、7月、8月、10月、11月，12月为正，说明多年来降雨侵蚀力在1月、2月、4月、7月、8月、10月、11月、12月有增加的趋势。其中，11月和12月的降雨侵蚀力倾向率最高，分别达到了1.73，0.99 MJ·mm·hm-2·h-1·10 a-1。3、5、6、9月降雨侵蚀力倾向率为负，说明多年来降雨侵蚀力在3、5、6、9月有减少的趋势，其中，6、9月的降雨侵蚀力倾向率最低，分别达到了-1.02，-2.25 MJ·mm·hm-2·h-1·10 a-1。从趋势系数上来讲，降雨侵蚀力在1、2、7、8、10、11、12月为正。多年来11月降雨侵蚀力的增加程度最为明显，趋势系数达到了0.27，其次是12月增加程度明显，趋势系数达到了0.21。多年来9月降雨侵蚀力的减小程度更为明显，趋势系数达到了-0.13，其次是6月降雨侵蚀力的减小程度明显，为-0.06。因此11月潜在的土壤侵蚀可能性大，12月次之，这2个月份应该加大水土流失的预防。

2.4 季节降雨侵蚀力变化

对福州近65年春夏秋冬4个季节的降雨侵蚀力进行汇总，并计算出每个季节的5年滑动平均值以及季节降雨侵蚀力的趋势系数和倾向率得到图4，如图4(a)所示，一年四季中，夏季，秋季和冬季降雨侵蚀力的倾向率为正，分别为7.57，0.39和1.40 MJ·mm·hm-2·h-1·10 a-1，倾向率平均为

图 3 多年月均降雨量和降雨侵蚀力变化特征Figure 3 Multi-year variation characteristics of monthly average rainfall and rainfall erosivity

3.12 MJ·mm·hm-2·h-1·10 a-1，春季降雨侵蚀力倾向率为负值，说明夏季、秋季和冬季降雨侵蚀力呈增加趋势，春季呈减少趋势。且夏季降雨侵蚀力的倾向率最高，分别为秋季和冬季降雨侵蚀力的倾向率的19.55和5.44倍，说明夏季降雨侵蚀力增加程度最高。如图4(b)所示，一年中春季和夏季降雨侵蚀力最高，为秋冬两季的3.47倍。其中春季和夏季降雨侵蚀力占四季总和的78.64%，为冬季的4.44倍，四季平均降雨侵蚀力96.76 MJ·mm·hm-2·h-1。春季和夏季降雨侵蚀力的波动幅度较大。针对降雨侵蚀力上升的季节，应该加大水土保持的预防和措施的布设。综合来看，夏季、秋季和冬季均有潜在土壤侵蚀压力，可以加强对这些季节的土壤侵蚀预防工作的研究。

图 4 多年季均降雨侵蚀力变化特征Figure 4 Multi-year variation characteristics of seasonal average rainfall erosivity

2.5 雨季和枯季降雨量及降雨侵蚀力变化

变异系数是用来反映特性参数的变异程度的，而在年降雨侵蚀力R值中可以用来说明多年降雨侵蚀力R值之间的离散变化程度。一般认为CV<0.1为弱变异性；0.1≤CV≤1为中等变异性；CV>1为高度变异性。将逐日降雨量数据按照雨季(3—8月)以及枯季(1、2月以及9—12月)进行分类整理，分别对多年来福州的降雨量和降雨侵蚀力特征进行分析，如表1和表2所示，福州的年均降雨量和降雨侵蚀力分别为1 394.43 mm和393.06 MJ·mm·hm-2·h-1，年降雨量和降雨侵蚀力变异系数均为0.21。

表 1 福州市多年降雨量变化特征Table 1 Variation characteristics of annual rainfall in Fuzhou City

多年均值/mm占比/%变异系数最大值/mm最小值/mm全年1 394.43—0.212 263.8775.8雨季990.6171.040.191 579.01606.9枯季403.8228.960.441 164.9163.9

表 2 福州市多年降雨侵蚀力变化特征Table 2 Multi-year variation characteristics of rainfall erosivity in Fuzhou City

多年均值/(MJ·mm·hm-2·h-1)占比/%变异系数最大值/(MJ·mm·hm-2·h-1)最小值/(MJ·mm·hm-2·h-1)全年393.06—0.21657.88204.63雨季285.9072.740.21465.12169.02枯季107.1627.260.50338.9934.09

福州雨季的降雨量和降雨侵蚀力分别为990.61 mm和285.90 MJ·mm·hm-2·h-1，福州雨季的降雨量和降雨侵蚀力分别占全年的71.04%和72.74%，可见降雨量和降雨侵蚀力主要集中在雨季，且福州降雨量和降雨侵蚀力雨季，枯季以及年际变化均属于中等变异性(0.1≤CV≤1)，并且雨季的降雨量和降雨侵蚀力其变异系数在全年中最低，降雨量和降雨侵蚀力变异系数均低于0.22，枯季的降雨量和降雨侵蚀力分别为403.82 mm和107.16 MJ·mm·hm-2·h-1，二者在全年中占比均小于30%，但枯季的降雨量和降雨侵蚀力变异系数在全年中最大，均高于0.40。可见福州市枯季的降雨量和降雨侵蚀力变化幅度最大，波动差异显著，同时枯季降雨量和降雨侵蚀力最大值与最小值差异要大于雨季，枯季降雨量和降雨侵蚀力最大值分别为最小值的7.11和9.94倍。福州的降雨和降雨侵蚀力主要集中于雨季(3—8月)，这与雨季登陆福建省的台风的次数较多，带来大量降水密切相关，因此福州雨季(3—8月)是进行水土流失治理的关键时期。

3 结论与展望

福州近65年平均降雨侵蚀力为393.06 MJ·mm·hm-2·h-1，年均降雨量1 394.43 mm，年降雨量和年降雨侵蚀力年际变化较大。且年内变化幅度十分显著且不均匀，雨季的降雨侵蚀力和降雨量最高。多年月降雨量和降雨侵蚀力在5月和6月出现2个峰值，在7月出现1个谷值，最小值均出现在12月。11月降雨量和降雨侵蚀力增加程度均最为明显，12月次之；9月降雨量和降雨侵蚀力的减小程度更为明显，6月次之。四季平均降雨侵蚀力96.76 MJ·mm·hm-2·h-1，春季和夏季降雨侵蚀力最高，占四季总和的78.64%。枯季的降雨量和降雨侵蚀力变异系数在全年中最大，雨季变异系数最低。且降雨和降雨侵蚀力主要集中于雨季(3—8月)，因此雨季(3—8月)是进行水土流失治理的关键时期。

降雨侵蚀力是反映降雨对土壤侵蚀的潜在能力，在制定水土保持措施的时候，要综合考虑人类活动等因素。同时为进一步提高降雨侵蚀力模型精度，通过野外径流实验与降雨观测数据，推求福州降雨侵蚀力的简易计算模型，从而精确估算降雨侵蚀力，是需要进一步深入研究的方向。