1966-2017年貴州省降雨侵蝕力的時空分布特征

阮 歐, 劉綏華, 楊廣斌, 謝 波

(1.貴州師范大學 地理與環境科學學院, 貴州 貴陽 550025;2.貴州師范大學 貴州省山地資源與環境遙感應用重點實驗室, 貴州 貴陽 550025)

貴州省以喀斯特地貌為主，山高谷深，石灰巖發育使得多數地區土層普遍較薄，加上長時間大規模的破壞性拓荒，使得地表植被、土壤的覆蓋遭到破壞，導致水土流失和石漠化成為貴州省生態環境最突出的問題[13]。遙感調查數據顯示，水土流失面積占貴州省總面積的41.62%[14]。因此，對貴州省的降雨侵蝕力R值進行估算及時空特征進行分析顯得尤為重要。本文通過貴州省33個氣象站實測逐日降雨數據，反演計算近52 a貴州省降雨侵蝕力，并分析其時空變化特征，以期為貴州省評估降雨對土壤侵蝕的潛在作用、防治、制定水土保持措施及農業生產規劃提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料準備及選用數據來源

降雨資料主要來源于中國氣象數據共享網(http:∥data.cma.cn/)提供的貴州省內33個氣象監測站1966—2017年的日降雨數據，部分地區年降雨侵蝕力數據來源于貴州省水土保持監測站。各站點分布狀況見封2附圖1，基本信息如表1所示。

表1 貴州省各氣象監測站點基本信息

1.2 研究方法

1.2.1 降雨侵蝕力R值的計算方法 由于數據資料的局限性，本研究選用章文波等[11]提出的利用日降雨量計算降雨侵蝕力R值的方法對貴州省1966—2017年的降雨侵蝕力R值進行計算，然后再對求得的數據進行時空特征分析，其中降雨侵蝕力R值的計算方法為：

(1)

式中：M為某個半月時段的降雨侵蝕力值MJ·mm/(hm2·h)；k為半月時段內侵蝕性降雨的天數(d);Pj為某個半月時段內第j天的日降雨量(mm)，要求其日降雨量必須大于12 mm(12 mm是降雨量是否為侵蝕性降雨的閾值)，否則以0計算，α與β為待定參數，這里α與β選取基于章文波等人提出的日雨量的最優參數進行計算，α=1.219 7，β=1.631 5[10]。

1.2.2 EOF分析法 經驗正交函數(empirical orthogonal function, EOF)分析法,又稱主成分分析法，是氣候氣象特征研究中較為常用的方法，它可以對某一區域內觀測站點的值進行時空分析，能準確的反映相應的空間模態隨時間的權重變化，即反映其空間分布特征。

1.2.3 突變檢測及周期檢驗方法 突變檢測和周期檢驗是分析長時間序列事物變化發展的重要內容之一，可以通過突變檢測和周期變化清晰直觀的了解事物的發展過程及其變化規律。當前檢測突變的方法有許多，通過研究各種檢驗方法發現， H.B.Mann和M.G.Kendall提出的Mann-Kendall檢驗法有較好的理論基礎和實際應用效果，目前該方法已經在氣溫，降雨等方面有了廣泛的使用[15-16]。其計算過程如下：

設氣候序列為，x1,x2,…,xn,Sk表示第i個樣本，定義統計量：

(其中i

(2)

在時間序列隨機獨立的假定下,Sk的均值和方差為：

(3)

當UFk或者UBk大于0時呈上升趨勢，反之則呈下降趨勢。給定顯著性水平α，若|UFk|>Uα則存在明顯的變化趨勢，反之變化不明顯。如果UFk和UBk出現相交情況，并且在兩條顯著性水平線之間，則交點即是存在突變的開始時間[15-17]。

在周期變化檢驗上主要采用在水文分析方面有著顯著成效的小波分析法，小波分析法是在傅里葉變化的基礎上發展而來的，其對獲取一個復雜時間序列的調整規律, 分辨時間序列在不同尺度上的演變特征非常有效. 小波分析方法用于檢驗信號突變可以較準確的檢驗出信號突變時間點[17]。本文選用水文研究中常用的復Morlet小波分析方法對貴州省的降雨侵蝕力R值進行研究，其表達為：

φ(t)=eiω0te-t2/2

(4)

式中：φ(t)為高斯包絡下的復指數函數；i表示虛數；ω0為常數[15,18]；t為時間。

1.3 降雨侵蝕力R值計算精度評估

由于本研究所獲得的降雨數據資料沒有詳細的降雨細節記錄。通過對比最終選擇了基于日降雨量數據計算降雨侵蝕力R值的簡易算法對本研究區進行計算，經過前人的多次驗證之后發現，該方法在降雨較豐富的地區有較好的精度，而在降雨量較小的地區該方法計算的降雨侵蝕力相對誤差較大。為了檢驗此方法在貴州地區的適用程度，抽取4個不同地區前人所做的結果與本次計算降雨侵蝕力的數據進行驗證，驗證結果如表2所示,通過對比可以看出畢節、貴陽、興義、織金4個站均與前人通過經典算法或簡易算法計算的值非常相近，相對誤差均小于5.3%。因此，章文波等[10]提出的利用日降雨量計算R值的算法和其他經典算法以及簡易算法在計算貴州地區降雨侵蝕力時有較好的契合度。

表2 貴州省降雨侵蝕力R值估算精度

由于貴州省屬于喀斯特地區，地理環境與其他地區有所不同，因此需對本文所用的簡易方法進行進一步驗證，以證明該方法在貴州的適用性。為了驗證該方法的適用性，本文收集了2012年至2017年期間六盤水(龍貴地)、安順(三股水)、貴陽(修文)、黔南(貴定)、以及遵義(滸洋水)等各水土保持監測站點計算的年降雨侵蝕力值作為精度評估樣本。各水土保持監測站計算的年降雨侵蝕力值是由次降雨過程計算出的值具有一定的精確性以及真實性。利用基于日降雨侵蝕力的方法估算的降雨侵蝕力R值與水土保持監測站點計算的年降雨侵蝕力R值進行擬合分析，從圖1可知，水土保持站計算值與本文估算值總體趨勢保持一致，大部分時間點兩者值相差不大。從圖2中也可以看出兩者總體擬合情況較好，R2值達到了0.668 8。因此利用基于日降雨數據估算貴州省的降雨侵蝕力具有一定的科學性和合理性。

圖1 貴州省部分站點估算值與水土保持站點計算值對比

圖2 貴州省部分站點估算值與水土保持站點計算值回歸分析

2 結果與分析

2.1 貴州省降雨侵蝕力R值分布特征

通過公式(1)對貴州省33個氣象檢測站點52 a的日降雨數據進行計算，得到全省各氣象檢測站的多年平均降雨侵蝕力R值，通過ArcGIS軟件的克里金插值方法對貴州全省進行插值得到貴州省年平均降雨侵蝕力R值空間分布圖、汛期年平均分布圖以及枯水期年平均分布圖。

從附圖2(見封2)可知貴州地區降雨侵蝕力R值分布的地域差異較明顯的，貴州省各地區的多年平均降雨侵蝕力R值介于2 767.46～6 921.73 MJ·mm/(hm2·h)之間，平均R值為4 994.22 MJ·mm/(hm2·h)；貴州省降雨力R值地域分布總體上呈由北向南遞增的趨勢，在西南部、南部、東部邊緣多年平均降雨侵蝕力R值較大，而西北部、北部多年平均降雨侵蝕力R值偏低。其中，在興義、望謨、安順、織金以及都勻地區一帶形成了降雨侵蝕力R值的高值中心，R值均高于6 000 MJ·mm/(hm2·h)，相反在威寧以及畢節地區一帶形成降雨侵蝕力R值的低值中心，其值均低于3 000 MJ·mm/(hm2·h)；形成這種分布特征的原因主要是由于貴州省的地形地貌造成的，從附圖1(見封2)中可以看出中西部、西北部地勢較高，而興義、安順、都勻地區恰好處在夏季風迎風坡一帶容易形成降雨，反之在畢節一帶地勢較高，最高海拔達2 800 m左右，當濕熱水汽從南方北上時，大部分水汽已在迎風坡上升遇冷形成地形雨，因此到達西北高海拔地區的水汽較少，降雨也較少。

2.2 經驗正交函數EOF分析

2.2.1 貴州省降雨侵蝕力空間分布特征 為了進一步分析貴州省降雨侵蝕力R值的空間分布特征，利用Matlab2017軟件對貴州省內33個氣象監測站點測得的降雨資料計算的1966—2017年的降雨侵蝕力R值進行EOF分析。經檢驗，KOM值約為0.665，Bartlett球形檢驗發現，近似卡方值為2 036.261，自由度36，p=0.000，說明適合做EOF分析。從表3中可以看出，前5個特征向量貢獻值的累計貢獻率達69%，但是只有前兩個特征根誤差范圍沒有重疊通過了North顯著性檢驗，累計貢獻率達52%，基本上能解釋貴州省降雨侵蝕力R值的兩種空間分布特征。

表3 降雨侵蝕力特征向量貢獻率

由表3可以看出，第一特征向量的方差貢獻率為37%，遠高于其他模態貢獻率，是貴州省降雨侵蝕力R值的主要空間分布形式。由圖3可知，第一模態的特征值均為正值，這表明了貴州省1966—2017年間，貴州省的降雨侵蝕力R值變化趨勢具有一致性，導致這一現象的主要原因是由于貴州省較大的降雨受西太平洋副熱帶高壓的影響，其與該氣壓的面積指數與強度呈正相關，由此導致貴州省的降雨侵蝕力在大尺度范圍上的變化有明顯的一致性。高值區位于安順市、都勻市等中部偏南地區，反映了該地區年降雨侵蝕力R值變化幅度較大。低值區主要在東北部，降雨侵蝕力R值變化幅度較小。現有研究表明在中部偏南地區多極端降雨，對枯豐都比較敏感，而東北部年降雨量較為穩定變化不大[22]。

圖3 1966-2017年貴州省降雨侵蝕力EOF前2個特征向量分布

第二特征向量方差貢獻率為15%，其表現出降雨侵蝕力R值東西呈現相反的分布模式，零值先出現在105°E左右，這體現了貴州省東部降雨侵蝕力R值較大時，西部就較小，而西部較大時，東部則較小。正值中心在西南部，負值中心出現在都勻附近。造成這種現象的主要原因主要是地形所致，以105°E分為東、西兩部分，東部海拔較低，最低處僅有287.4 m，而西部的平均海拔高度在1 600 m左右，高度差異較大，所受得天氣系統影響不同，造成降水差異，進而導致降雨侵蝕力差異。

2.2.2 降雨侵蝕力R值EOF時間系數分析 通過對EOF時間系數進行分析，貴州省的降雨侵蝕力R值主要有4種表現類型，第一模態決定了全年全省降雨侵蝕力R值較大或者全年全省降雨侵蝕力R值較小兩種類型；第二模態決定了全年貴州省東部降雨侵蝕力R值偏大還是東部偏小，或者西部偏大東部偏小兩種類型。EOF時間系數代表了對應特征向量空間分布模態的時間變化特征，系數的正負決定了模態的方向，正好表示與模態同向，負號表示與模態方向相反，并且系數的絕對值越大越能決定這一時刻的對應模態越典型。對貴州52 a的降雨侵蝕力R值的4種空間模態分布類型進行統計分析，取每年EOF時間系數絕對值最大值對應的特征向量作為對應年的降雨侵蝕力空間分布模態，結果如圖4所示，得出貴州省降雨侵蝕力R值偏大年為19 a，全省降雨侵蝕力R值偏小年為18 a，東部降雨侵蝕力R值偏大年為7 a，西部降雨侵蝕力偏大年為8 a。由此可看出貴州省52 a降雨侵蝕力R值，以第一向量的空間分布為主，達到了37 a，占總年數的71.15%，全省全年降雨侵蝕力偏大和偏小年相當。東部和西部差異型的降雨侵蝕力年數共15 a，占總年數的28.85%。這也與一、二模態貢獻率反映的典型程度基本表現一致。

圖4 EOF分析中前2個特征向量的時間系數

2.3 降雨侵蝕力R值年內變化趨勢

通過對貴州省1966—2017年各月降雨量比例(見圖5)進行分析確定貴州省的汛期為5—8月，枯水期為8月至翌年5月。通過計算貴州地區汛期和枯水期降雨侵蝕力R值并對其空間插值后分析發現，貴州各地區的降雨侵蝕力R值在年內的變化十分顯著。從附圖3(見封2)中可以看出貴州省的汛期降雨侵蝕力R值分布與多年平均降雨侵蝕力R值在空間分布上十分相似，最小值依然出現在西北部降雨侵蝕力R值為2 145 MJ·mm/(hm2·h)，最大值也同樣出現在西南部的興義附近其值為5 195 MJ·mm/(hm2·h)。從附圖4(見封2)可以看出，貴州省各地區多年平均枯水期降雨侵蝕力R值在582～1 833 MJ·mm/(hm2·h)之間，空間特征整體呈現由西向東遞增的變化趨勢，最小值出現在畢節一帶，最大值出現在松桃、天柱、黎平一帶。

圖5 1966-2017年貴州省月降雨量比例

從圖6可以看出大雨和中雨造的降雨侵蝕力占比達到了33.09%和44.36%，通過對貴州地區多年平均降雨進行分析發現，貴州省的大雨和暴雨主要集中在汛期，因此可以得出汛期降雨是導致降雨侵蝕力R值變化的主要原因。

圖6 貴州省不同量級降雨造成的降雨侵蝕力比例及特征

貴州省屬于亞熱帶季風氣候，夏季高溫多雨，冬季溫和少雨。夏季貴州省的東部處于濕潤的東南季風區內，西部則處于無明顯的干濕季之分的東南季風向干濕明顯的西南季風區的過渡地帶，加之地形西高東低，整體呈中部向北、東、南3面傾斜，易在東南季風的迎風坡形成地形雨，由此導致了夏季西南部及東部降雨侵蝕力R值較大，西部和西北部則相對較低。而在冬半年由于受北方秦巴山系阻擋，南下冷空氣多半繞道兩湖盆地由偏東北方向入侵，在貴陽昆明一帶形成準靜止鋒，西部六盤水、畢節一帶經常處于鋒前位置，故冬季多晴朗天氣，在中部、東部正好處于鋒后，因此多陰雨天氣。

盡管冬季東部降雨天數較多，但是整體的降雨強度較低，達侵蝕性降雨的標準天數較少，因此造成了降雨侵蝕力R值冬春季節整體偏低。

2.4 降雨侵蝕力R值年際變化趨勢

通過Mann-Kendall檢驗法對貴州省的多年年均降雨侵蝕力R值與汛期多年年均R值進行突變檢測，檢測結果如圖7a,7b所示，分析發現貴州省降雨侵蝕力R值在0.05置信度線區間內UF與UB兩條統計量曲線存在多個交點，分別是1971，1974，1975，1978，1981，1991，1992，2003，2014，2016年，這說明貴州省的降雨侵蝕力多突變，震蕩頻繁，尤其是在1971年到1981年之間突變頻率最為頻繁。

圖7 1966-2017年貴州省多年平均、汛期降雨侵蝕力R值M-K統計特征

從UF統計量曲線來看，除了少數年份外貴州省的降雨侵蝕力年際R值多處于負值，但均沒有通過0.05顯著性水平線，這也進一步證明了其降雨侵蝕力變化趨勢總體呈現下降趨勢，但趨勢不明顯。從汛期年際降雨侵蝕力R值與年際降雨侵蝕力R值圖的對比中可以發現兩者的變化趨勢基本保持一致，這體現了多年年均降雨侵蝕力R值主要受汛期降雨侵蝕力R值的影響。

從圖8貴州省年降水量小波實部時頻分布特征可以清晰的看出貴州省降雨侵蝕力R值的變化過程中存在多時間尺度特點，在降雨侵蝕力的演變過程中存在3～8，8～21，21～32 a共3類時間尺度的周期變化規律。其中在3～8 a時間尺度上出現了升—降交替的準11.5次震蕩；在8～21 a時間尺度經歷了升—降交替的準6次震蕩；在22～32 a時間尺度上存在準2.5次震蕩。經圖9小波方差分析可以看出存在3個較為明顯的波峰，依次對應的是6，12，28 a的時間尺度，其中28 a的峰值最大為其震蕩主周期，其次是12 a和6 a的時間尺度 ，從主周期來看，貴州省的降雨侵蝕力R值正處于升高的范圍內，并未達到峰值階段，因此，未來幾年內貴州省的降雨侵蝕力R值仍有升高趨勢。

圖8 貴州省年降水量小波實部時頻分布特征

圖9 貴州省年降水量小波方差特征

3 結 論

本文基于貴州省內33個氣象站監測站48 a的逐日降雨數據，運用降雨侵蝕力R值的相關計算方法，計算貴州省的多年平均降雨侵蝕力R值并對其時空特征進行研究分析，主要結論有：

(1) 貴州省的多年平均降雨侵蝕力R值在2 767.46～6 921.73 MJ·mm/(hm2·h)之間，地域分布較為明顯，R值總體上呈由北向南遞增的趨勢，最低值出現在威寧以及畢節一帶，導致其分布的主要原因是地勢所造成的。

(2) EOF分析表明，貴州省多年年均降雨侵蝕力空間是主要分為兩種類型，全局型以及東西相反型，這兩種空間分布類型的累計方差貢獻率達到了52%，基本上可以反映貴州省降雨侵蝕力的空間分布特征。貴州省降雨侵蝕力EOF時間系數分析表明，貴州省降雨侵蝕力偏大年份數量與降雨侵蝕力偏小年份量相當，分別是19 a和18 a。

(3) 通過分析得出貴州省的降雨侵蝕力R值主要受汛期降雨R值影響，侵蝕性降雨主要集中在汛期(5—9月)，全省各地汛期多年平均降雨R值均占多年平均降雨侵蝕力R值的60%以上，最大占比達到了80%左右。

(4) 運用Mann-Kendall檢驗法對貴州省的年降雨侵蝕力R值和汛期多年平均R值進行突變檢測，發現年際降雨侵蝕力R值存在貴州省的降雨侵蝕力多突變，震蕩頻繁現象，變化趨勢總體呈現下降趨勢，但下降趨勢不明顯。

(5) 貴州省降雨侵蝕力R值變化的主周期為28 a左右，目前降雨侵蝕力R值正處于逐漸升高的范圍內，并未達到峰值階段，因此，未來幾年內貴州省的降雨侵蝕力R值仍有升高趨勢。