江苏省降雨及降雨侵蚀力时空变化趋势研究

罗梦琦 蒋丹丹 齐 斐 颜 韬 李 想

（1.南京林业大学南方现代林业协同创新中心 江苏省水土保持与生态修复重点实验室 南京 210037 2.江苏省水利工程科技咨询股份有限公司 南京 210003 3.江苏省水利科学研究院 南京 210017 4.河海大学大禹学院 南京 211106）

江苏省位于我国大陆东部沿海，土壤侵蚀状况在全国范围内属于较低水平，受季节性集中降雨与人为活动频繁等多因素影响，土壤侵蚀问题仍需引起重视。降雨侵蚀力具有较强的地域特征，在江苏省的研究还较少，因此开展江苏省关于降雨侵蚀力时空特征的研究十分必要。本文利用江苏省399个雨量站点1981—2017年的逐日降雨量资料，采用章文波日雨量模型计算降雨侵蚀力。利用降雨集中度评价降雨量及降雨侵蚀力年内差异性，采用回归分析和累计距平法分析降雨及降雨侵蚀力的年际演变趋势，基于普通克里金插值法分析其空间变异性，加深对研究区降雨及降雨侵蚀力时空分布特征的系统认知，为降雨侵蚀力获取及土壤侵蚀定量评价工作的顺利开展提供理论依据。

1 研究区概况

江苏省地处我国大陆东部沿海；介于东经116°18′～121°57′，北纬30°45′～35°20′之间；总面积10.72万km²，占全国的1.06%。研究区共辖13个地级市，96个县（市、区）。

研究区地势平坦，平原辽阔，河网密布，湖泊众多；地处亚热带向暖温带过渡区，四季气候分明，气温起伏大；降雨量年际变幅大，年内分布不均，汛期降雨量较为集中；土壤类型多样，主要类型有棕壤土、褐土等；地带性植被类型为落叶阔叶林、落叶阔叶常绿阔叶混交林与常绿阔叶林，南北跨度大，植被呈纬度地带性分布规律。

2 数据和方法

2.1 数据来源与处理

该研究搜集了研究区及其周边雨量站点441个1981—2017年逐日降雨数据。根据时间序列与站点数据完整性需求，经筛选统计，选取符合数据质量及空间分布要求的399个站点作为研究的基础数据。

2.2 降雨侵蚀力计算

本文采用章文波建立的基于日降雨数据以半月为步长估算降雨侵蚀力的简易模型，公式如下：

式中：Rj为半月降雨侵蚀力（MJ·mm/hm2·h）；Pi为第i个半月≥12mm的日雨量；m是半月日雨量≥12mm的日数；α、β为回归系数；指日雨量≥12mm的日平均雨量（mm）；指日雨量≥12mm的年平均雨量（mm）；Pdi表示时间窗口内第i日≥12mm的日雨量。通过逐日降雨量数据计算全年共24个半月的降雨侵蚀力，由此汇总得到年降雨侵蚀力。

2.3 统计分析方法

采用CI（concentrationindex）指数进行降雨量及降雨侵蚀力年内集中程度分析。当CI≤10时，表明在年内分布较为均匀；10＜CI≤20时，表明在年内变化具有明显的季节性；CI＞20时，表明在年内分布具有异常的集中性。CI指数的具体计算公式如下：

式中：CI为集中度指数；Mi为第i个月的降雨量或降雨侵蚀力。

采用线性回归分析和累计距平曲线进行降雨及降雨侵蚀力年际变化趋势分析。其中，线性回归分析法是进行时间序列变化趋势分析的基本方法，主要是根据数据序列中自变量与因变量的变化，推算其线性规律，并建立回归方程。累计距平曲线可以通过曲线的起伏变化情况可以判断研究对象的增减趋势与持续情况，以及突变发生的大致时期。

2.4 空间统计方法

基于雨量站点降雨量及降雨侵蚀力数据采用地统计学方法空间插值进行空间变异性分析。普通克里金插值法是地统计学应用于空间预测的常用方法，主要根据区域化变量的原始数据与变异数据的结构特点对插值点进行线性无偏最优估计。

3 结果与分析

3.1 降雨量时空分布特征

3.1.1 降雨量时间演变特征

（1）降雨量年内变化

根据多年平均降雨量年内变化情况，降雨量呈“几”字形分布。其中：最低值为12月（12.63mm），最高值为7月（103.92mm），汛期（6—9月）降雨量占全年比例为59.79%，与研究区降雨多集中在汛期的实际情况相符。

研究区降雨CI指数的平均值为12.51，说明研究区整体降雨存在一定的季节性。CI的变化范围为9.67（苏州市吴江区）到17.26（连云港市赣榆区），研究区年内降雨集中程度南北差异较大，由南向北呈现递增的趋势。整体来说研究区南部降雨年内分配较为均匀，南部降雨量大，季节间差异较小。CI在研究区北部（徐州市、连云港市）高于15，说明年内降雨最集中，季节差异较大。

（2）降雨量年际变化

对1981—2017年间研究区年降雨量均值进行回归分析（图1），年降雨量均值围绕平均值20%上下波动，降雨量整体呈现非显著上升的趋势。

图1 1981—2017年年降雨量均值回归分析图

对1981—2017年间研究区年降雨量均值进行距平分析（图2）。在研究时段内，共有19个年份年降雨量均值为负距平，18个年份年降雨量均值为正距平，降雨量总体呈现丰枯交替的波动变化趋势。

图2 1981—2017年年降雨量均值距平分析图

3.1.2 降雨量空间分布特征

对研究区399个雨量站点1981—2017年多年平均降雨量采用普通克里金插值法进行插值，获取多年平均降雨量空间分布特征（图3）。

图3 1981—2017年多年平均降雨量空间分布图

研究区多年平均降雨量的平均值为1016.69mm，变化范围为647.89mm（徐州市丰县）到1511.95mm（无锡市宜兴市），研究区降雨量南北差异较大，整体呈现南高北低、阶梯状递减的趋势。

3.2 降雨侵蚀力时空分布特征

3.2.1 降雨侵蚀力时间演变特征

（1）降雨侵蚀力年内变化

根据多年平均降雨侵蚀力年内变化情况，降雨侵蚀力呈“几”字形分布。汛期（6—9月）降雨侵蚀力占全年比例为59.79%。与降雨量年内分布情况相比，降雨侵蚀力各月之间的差异相比降雨量各月之间的差异来看有显著增大，汛期降雨侵蚀力占比进一步增加，降雨侵蚀力主要受12mm以上侵蚀性雨量影响，研究区强降雨多发生在汛期，因此这几月降雨侵蚀力在全年占主导地位。

研究区降雨CI指数的平均值为17.4，说明研究区整体降雨侵蚀力存在一定的季节性，这与降雨的季节差异规律一致。CI的变化范围为12.96（常州市溧阳市）到22.71（连云港市赣榆区），研究区降雨侵蚀力季节差异明显，由南向北差异显著性增大。

（2）降雨侵蚀力年际变化

对研究区1981—2017年年降雨侵蚀力均值进行回归分析显示（图4），在研究时段内呈现波动的变化，主要在平均值20%的范围内浮动，呈现上升-下降的起伏变化趋势；根据拟合趋势线显示，年降雨侵蚀力均值整体呈现非显著上升的趋势。

图4 1981—2017年年降雨侵蚀力均值回归分析图

由研究区1981—2017年年降雨侵蚀力均值的距平分析可知（图5），研究时段内，年降雨侵蚀力均值共有19个年份为负距平，共有18个年份为正距平，总体经历了上升-下降的波动变化趋势，整体变化趋势与降雨量大体一致。

图5 1981—2017年年降雨侵蚀力均值距平分析图

3.2.2 降雨侵蚀力空间分布特征

研究区1981—2017年多年平均降雨侵蚀力的空间分布如图6所示，多年平均降雨侵蚀力的平均值为5870.02MJ·mm/hm2·h1·a1，介 于3683.38（徐 州市丰县）到7664.69（无锡市宜兴市）之间，南北差异显著。研究区多年平均降雨侵蚀力与多年平均降雨量的空间分布并不重叠，存在一定的空间差异。

图6 1981—2017年多年平均降雨侵蚀力空间分布图

多年平均降雨侵蚀力整体呈现由南到北递减的趋势。受侵蚀性降雨、地理位置等因素共同影响，研究区多年平均降雨侵蚀力出现多个极值区域。

4 结论与讨论

4.1 结论

（1）研究区降雨量年内分布具有集中性，南部降雨量季节差异不明显，北部季节差异较大。在1981—2017年间，研究区降雨量年际间变化差异较大，总体呈现不显著上升趋势。研究区多年平均降雨量整体呈现从南向北递减的趋势。

（2）研究区降雨侵蚀力季节差异显著，汛期降雨侵蚀力在全年降雨侵蚀力占主导地位。在1981—2017年间，研究区降雨侵蚀力呈现上升-下降的起伏变化趋势，围绕平均值20%上下波动，整体呈不显著上升趋势。在空间分布上，多年平均降雨侵蚀力整体呈现南多北少的递减趋势；受侵蚀性降雨及地理位置等多重因素影响，降雨侵蚀力与降雨量的空间分布上存在一定差异。

4.2 讨论

在年际变化上显示降雨量、降雨侵蚀力在1991年、2016年达到峰值，1991—2016年间呈现下降-上升-下降的变化趋势，周期约为26年；本文采用的数据时间序列为1981—2017年，时间序列长度为37年，仅包含一个完整周期，未能较好地展现出降雨及降雨侵蚀力的周期性变化，对年际变化趋势的研究也具有一定的影响。数据时间序列最好包含两个或两个以上降雨周期，对长时间序列的降雨数据进行周期性及突变性检验，准确获取降雨及降雨侵蚀力周期变化特征，调整多年平均降雨侵蚀力数据年限，减小因降雨侵蚀力的周期变化导致多年平均降雨侵蚀力结果产生的差异■