1990—2020年延安市侵蚀性降雨量和降雨侵蚀力时空变化分析

王盼婷 石海兰，2

（1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司延安分公司，陕西 延安 716000；2.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710024）

0 引言

在全球变暖的背景下，干旱、极端降水等自然灾害频繁发生［1］。持续性的降水会诱发区域土壤侵蚀，严重影响当地农业生产和粮食作物安全，给人类生活及经济产业可持续发展带来极大的隐患，同时也对整个区域生态安全构成威胁。因此，研究区域侵蚀性降雨量和降雨侵蚀力的时空演化特征对于区域土壤侵蚀监测、评估、预报和灾害预防等工作具有重要意义。

降雨侵蚀力是导致土壤侵蚀的一种潜在能力。国外学者在应用USLE预报土壤侵蚀量时，一般利用EI30作为降雨可蚀性的指标［2］。在国内相关研究方面，不少学者对国外的经典算法进行了改进，构建出适应不同地区降雨侵蚀力的计算方法。例如，章文波等［3］通过日降雨观测资料计算R因子的方法，为评价区域的侵蚀强度和水土流失预测奠定了基础。目前，诸多学者对不同尺度上的降水演化规律做了许多研究，例如张阿龙等［4］和徐东坡等［5］分别从不同的时间尺度和空间尺度研究降水特征的时空分布规律。但针对延安市有关降雨量的研究仅集中于单一季节的降雨时间序列趋势分析［6］以及对极端气候的响应研究［7］，缺少了与降雨侵蚀力之间相关联系的研究。

基于此，本研究利用延安地区1990—2020年21个气象站的逐小时降水数据资料，采用小波分析、趋势分析等方法，探究延安市侵蚀性降水和降雨侵蚀力的时空变化规律，以期为区域水土保持综合治理和生态环境保护政策提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

延安市位于黄土高原腹地（35°21'N～37°31'N，107°41E～110°31'E），北接榆林市，南连铜川、渭南、咸阳三市，东西分别与山西省、甘肃省为邻（见图1）。该区地势西北高东南低，总面积约3.7万km2，主要为丘陵沟壑地貌。延安市属温带大陆性季风气候，年均降水量500 mm左右；境内河流以北洛河、延河、清涧河及无定河为主。

1.2 数据来源及预处理

本研究所采用数据来源于国家气象科学数据中心（http：//data.cma.cn/）发布的中国地面气象站逐小时观测资料数据集（1990—2020），考虑到从延安地区气象站下载的数据存在缺测情况，因此选择延安市及邻域21个气象站点（见图1），选取逐日累计降水量大于或等于12 mm的降雨量，定义为侵蚀性降雨量［8］。河流水系及行政区边界数据来源于全国地理信息资源目录服务系统（https：//www.webmap.cn/）的1∶100万全国基础地理数据库。

1.3 研究方法

1.3.1 降雨量侵蚀力计算。降雨量是反映降雨可蚀性力的重要指标。本研究根据章文波等［3］构建的基于侵蚀性雨量的方程式估算半月降雨侵蚀力，计算公式为式（1）至式（4）。

式中：一年共有24个半月，Rm和R y分别为半月和年降雨侵蚀力，MJ·mm/（hm2·h·a）；i为降雨天数；Pdi为半月内第i天的降雨量（大于12 mm）；Pd m为日均侵蚀性降雨量；P ym为年均侵蚀性降雨量；α、β均为参数。

1.3.2 趋势分析。曼-肯德尔法（Mann-Kendall）可以用来判断趋势的显著性［9］和突变开始的时刻。判断趋势的显著性是通过统计值Z的改变来分析，当Z为正时且置信区间超过±1.96（α＝0.05），则表现为显著上升的趋势，反之同理。突变时刻则是按时间顺序统计的UFK和其逆序列UBK两者之间的交点。

1.3.3 小波分析。小波分析多在水文序列时间尺度分析中应用［10］，小波方差则反映能量在时间尺度的分布情况，显示时间序列中该尺度周期波动的强度。

1.3.4 空间插值分析。克里金插值法又称空间局部插值法，是依据协方差函数对区域化变量进行无偏最优估计的一种方法［11］，该方法参数设置方便、效果较好。

图2 延安市1990—2020年侵蚀性降雨量变化

2 结果与分析

2.1 侵蚀性降雨量年际变化

如图2所示，1990—2020年延安市多年侵蚀性降雨量平均为280.89 mm，其中2017年侵蚀性降雨量最高，达到406.54 mm；1997年侵蚀性降雨量最小，为185.21 mm，极差为221.33 m，年际变化幅度相对较大。线性拟合显示，过去21年延安市侵蚀性降水量以27.417 mm/10 a的速率呈增加趋势且存在阶段差异：2004—2012年侵蚀性降雨量呈波动性上升趋势，波动幅度不大；1990—2003年和2013—2020年时段内侵蚀性降雨量在不断呈波动性变化；2004年侵蚀性降雨量变化幅度最大，减少了178.52 mm。

2.2 侵蚀性降雨量的周期分析

周期分析显示（见图3）：实线表示小波系数的实部为正数，降水量相对偏多，而虚线则表示侵蚀性降水量相对偏少。从图3中可以明显看出延安市侵蚀性降雨量出现了“枯-丰”交替的周期。从小波变换实部的时频变化能够看出，侵蚀性降水量存在25～32 a、15～24 a以及3～15 a的3类时间尺度上的周期性变化规律，其中在3～15 a时间尺度上存在3次震荡，分别发生在1996—1999年、2003—2004年、2014—2016年。从图4小波方差图中可以看出，该过程存在5个较为明显的峰值，它们对应着3 a、6 a、13 a、20 a和28 a的时间尺度。其中，最大值与28 a的时间尺度相对应，表明此时的周期性震荡最为强烈，是延安市年降水量变化的第一主周期，这5个周期的波动决定了延安市近30年降水的变化特征。

Mann-Kendall分析显示（见图5），在21世纪10年代以前U Fk曲线值小于0，表明序列降水量在此期间呈波动下降的状态；在21世纪10年代以后U Fk曲线值大于0，则表明延安市降雨量有增加趋势。整体来看，1990—2020年的侵蚀性降雨量的变化趋势并不显著（-1.96＜U Fk＜1.96）。同时，从UF k和UBk曲线在置信区间内发现有交点，说明两条曲线在临界值之间存在突变点。第一次突变发生在2011年，但是没有超过显著水平线，则没有发生显著突变。第二次突变发生在2015—2016年，说明在此之后降水量呈现上升趋势。因此，可以看出延安市的侵蚀性降雨量在2011年之后不断增加，政府管理人员应做好相关应对措施，进一步加强防汛减灾应急能力。

图3 侵蚀性降水量小波变换等值线

图4 侵蚀性降水量的小波方差图

图5 延安市年降雨的突变分析

2.3 降雨侵蚀力的时空变化

表1为1991—2020年延安市盐池和离石站降雨侵蚀力统计表。由表1可知，2001—2010年盐池站点的降雨侵蚀力最小，为586.46 MJ·mm/（hm2·h·a），2011—2020年离石站点的降雨侵蚀力最大，为2 628.50 MJ·mm/（hm2·h·a）。将各个站点的降雨侵蚀力按照1991—2000年、2001—2010年、2011—2020年三个时期通过克里金法插值，得到延安市三个时期的降雨侵蚀力因子的空间分布。从整体来看，1991—2010年研究区降雨侵蚀力由北向南总体呈现上升趋势，2011—2020年除了研究区的西北部分降雨侵蚀力有所减少外，其他区域的降雨侵蚀力均在增加。其中，1991—2000年、2001—2010年和2010—2020年延安市降雨侵蚀力的范围分别在1 075.99～1 825.06 MJ·mm/（hm2·h·a）、1 099.56～2 265.11 MJ·mm/（hm2·h·a）、1 336.33～2 403.69 MJ·mm/（hm2·h·a）之间，其中年均降雨侵蚀力分别为1 333.64 MJ·mm/（hm2·h·a）、1 388.79 MJ·mm/（hm2·h·a）和1 793.52 MJ·mm/（hm2·h·a）。

2.4 降雨侵蚀力与降雨的关系

表1 气象站年均降雨侵蚀力统计表单位：MJ·mm（/hm2·h·a）

图6表示1991—2020年延安市年均降水量和降雨侵蚀力变化，由图6可以看出，1991—2000年、2001—2010年和2011—2020年年均降水量分别为254.19 mm、267.83 mm和328.04 mm。用线性拟合方法对延安地区年侵蚀性降水量和降雨侵蚀力动态曲线进行拟合分析，结果表明平均侵蚀性降雨量与降水侵蚀力呈线性正相关性回归关系，拟 合 方 程 为y=5.986 7x-191.65（R2=0.775 4，p＜0.05）。由此可见，降雨侵蚀力与降雨强度呈显著正相关，年均降雨量每增加1mm，降雨侵蚀力强度提升5.99 MJ·mm/（hm2·h·a），回归方程通过0.05显著性水平检验。

图6 延安市降雨侵蚀力与侵蚀性降雨量变化

3 结论与讨论

本研究基于1990—2020年21个气象站点逐小时降水数据，对延安市侵蚀性降雨量及降雨侵蚀力的变化趋势、空间分布特征进行分析。主要得出以下结论。

①延安市1990—2020年年均侵蚀性降雨量为280.89 mm，最大值为2017年出现的406.54 mm，最小值为1997年的185.21 mm，年际变化幅度相对较大，整体呈波动上升趋势且存在阶段差异。

②从小波分析可以看出，侵蚀性降水量存在25～32 a、15～24 a以及3～15 a的3类时间尺度上的周期性变化规律。侵蚀性降雨量的变化趋势并不显著，并在2011年和2015—2016年发生突变。

③2000年、2010年和2020年延安市年均降雨侵蚀力的分别为1 333.64 MJ·mm/（hm2·h·a）、1 388.79MJ·mm/（hm2·h·a）和1 793.52 MJ·mm/（hm2·h·a）。整体来看，降雨侵蚀力由北向南呈现上升趋势。

④侵蚀性降雨量与降水侵蚀力呈显著正相关，年均降雨量每增加1 mm，降雨侵蚀力强度提升5.99 MJ·mm/（hm2·h·a）。

多年来，延安市十分重视水保事业，落实退耕还林还草政策，并相继开展大规模的保护和治理工作。侵蚀性降雨是影响降雨侵蚀力的主要因素，本研究得出延安市侵蚀性降雨量表现出了上升趋势，其变化趋势与仇莉等［12］分析近20年来延安地区的年平均降水量总体呈增多趋势的研究结论一致，建议政府管理人员做好相关应对措施。本研究还存在一些不足之处：仅利用单一降雨侵蚀力模型计算降雨侵蚀力，难以全面反映降雨对土壤侵蚀的作用程度，下一步研究中需要针对延安市暴雨频发、地貌类型复杂等特点进行不同侵蚀力模型的优化对比分析。