江蘇省降雨及降雨侵蝕力時空變化趨勢研究

羅夢琦 蔣丹丹 齊 斐 顏 韜 李 想

（1.南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心 江蘇省水土保持與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京 210037 2.江蘇省水利工程科技咨詢股份有限公司 南京 210003 3.江蘇省水利科學(xué)研究院 南京 210017 4.河海大學(xué)大禹學(xué)院 南京 211106）

江蘇省位于我國大陸東部沿海，土壤侵蝕狀況在全國范圍內(nèi)屬于較低水平，受季節(jié)性集中降雨與人為活動頻繁等多因素影響，土壤侵蝕問題仍需引起重視。降雨侵蝕力具有較強(qiáng)的地域特征，在江蘇省的研究還較少，因此開展江蘇省關(guān)于降雨侵蝕力時空特征的研究十分必要。本文利用江蘇省399個雨量站點(diǎn)1981—2017年的逐日降雨量資料，采用章文波日雨量模型計算降雨侵蝕力。利用降雨集中度評價降雨量及降雨侵蝕力年內(nèi)差異性，采用回歸分析和累計距平法分析降雨及降雨侵蝕力的年際演變趨勢，基于普通克里金插值法分析其空間變異性，加深對研究區(qū)降雨及降雨侵蝕力時空分布特征的系統(tǒng)認(rèn)知，為降雨侵蝕力獲取及土壤侵蝕定量評價工作的順利開展提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

江蘇省地處我國大陸東部沿海；介于東經(jīng)116°18′～121°57′，北緯30°45′～35°20′之間；總面積10.72萬km2，占全國的1.06%。研究區(qū)共轄13個地級市，96個縣（市、區(qū)）。

研究區(qū)地勢平坦，平原遼闊，河網(wǎng)密布，湖泊眾多；地處亞熱帶向暖溫帶過渡區(qū)，四季氣候分明，氣溫起伏大；降雨量年際變幅大，年內(nèi)分布不均，汛期降雨量較為集中；土壤類型多樣，主要類型有棕壤土、褐土等；地帶性植被類型為落葉闊葉林、落葉闊葉常綠闊葉混交林與常綠闊葉林，南北跨度大，植被呈緯度地帶性分布規(guī)律。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

該研究搜集了研究區(qū)及其周邊雨量站點(diǎn)441個1981—2017年逐日降雨數(shù)據(jù)。根據(jù)時間序列與站點(diǎn)數(shù)據(jù)完整性需求，經(jīng)篩選統(tǒng)計，選取符合數(shù)據(jù)質(zhì)量及空間分布要求的399個站點(diǎn)作為研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.2 降雨侵蝕力計算

本文采用章文波建立的基于日降雨數(shù)據(jù)以半月為步長估算降雨侵蝕力的簡易模型，公式如下：

式中：Rj為半月降雨侵蝕力（MJ·mm/hm2·h）；Pi為第i個半月≥12mm的日雨量；m是半月日雨量≥12mm的日數(shù)；α、β為回歸系數(shù)；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表示時間窗口內(nèi)第i日≥12mm的日雨量。通過逐日降雨量數(shù)據(jù)計算全年共24個半月的降雨侵蝕力，由此匯總得到年降雨侵蝕力。

2.3 統(tǒng)計分析方法

采用CI（concentrationindex）指數(shù)進(jìn)行降雨量及降雨侵蝕力年內(nèi)集中程度分析。當(dāng)CI≤10時，表明在年內(nèi)分布較為均勻；10＜CI≤20時，表明在年內(nèi)變化具有明顯的季節(jié)性；CI＞20時，表明在年內(nèi)分布具有異常的集中性。CI指數(shù)的具體計算公式如下：

式中：CI為集中度指數(shù)；Mi為第i個月的降雨量或降雨侵蝕力。

采用線性回歸分析和累計距平曲線進(jìn)行降雨及降雨侵蝕力年際變化趨勢分析。其中，線性回歸分析法是進(jìn)行時間序列變化趨勢分析的基本方法，主要是根據(jù)數(shù)據(jù)序列中自變量與因變量的變化，推算其線性規(guī)律，并建立回歸方程。累計距平曲線可以通過曲線的起伏變化情況可以判斷研究對象的增減趨勢與持續(xù)情況，以及突變發(fā)生的大致時期。

2.4 空間統(tǒng)計方法

基于雨量站點(diǎn)降雨量及降雨侵蝕力數(shù)據(jù)采用地統(tǒng)計學(xué)方法空間插值進(jìn)行空間變異性分析。普通克里金插值法是地統(tǒng)計學(xué)應(yīng)用于空間預(yù)測的常用方法，主要根據(jù)區(qū)域化變量的原始數(shù)據(jù)與變異數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對插值點(diǎn)進(jìn)行線性無偏最優(yōu)估計。

3 結(jié)果與分析

3.1 降雨量時空分布特征

3.1.1 降雨量時間演變特征

（1）降雨量年內(nèi)變化

根據(jù)多年平均降雨量年內(nèi)變化情況，降雨量呈“幾”字形分布。其中：最低值為12月（12.63mm），最高值為7月（103.92mm），汛期（6—9月）降雨量占全年比例為59.79%，與研究區(qū)降雨多集中在汛期的實(shí)際情況相符。

研究區(qū)降雨CI指數(shù)的平均值為12.51，說明研究區(qū)整體降雨存在一定的季節(jié)性。CI的變化范圍為9.67（蘇州市吳江區(qū)）到17.26（連云港市贛榆區(qū)），研究區(qū)年內(nèi)降雨集中程度南北差異較大，由南向北呈現(xiàn)遞增的趨勢。整體來說研究區(qū)南部降雨年內(nèi)分配較為均勻，南部降雨量大，季節(jié)間差異較小。CI在研究區(qū)北部（徐州市、連云港市）高于15，說明年內(nèi)降雨最集中，季節(jié)差異較大。

（2）降雨量年際變化

對1981—2017年間研究區(qū)年降雨量均值進(jìn)行回歸分析（圖1），年降雨量均值圍繞平均值20%上下波動，降雨量整體呈現(xiàn)非顯著上升的趨勢。

圖1 1981—2017年年降雨量均值回歸分析圖

對1981—2017年間研究區(qū)年降雨量均值進(jìn)行距平分析（圖2）。在研究時段內(nèi)，共有19個年份年降雨量均值為負(fù)距平，18個年份年降雨量均值為正距平，降雨量總體呈現(xiàn)豐枯交替的波動變化趨勢。

圖2 1981—2017年年降雨量均值距平分析圖

3.1.2 降雨量空間分布特征

對研究區(qū)399個雨量站點(diǎn)1981—2017年多年平均降雨量采用普通克里金插值法進(jìn)行插值，獲取多年平均降雨量空間分布特征（圖3）。

圖3 1981—2017年多年平均降雨量空間分布圖

研究區(qū)多年平均降雨量的平均值為1016.69mm，變化范圍為647.89mm（徐州市豐縣）到1511.95mm（無錫市宜興市），研究區(qū)降雨量南北差異較大，整體呈現(xiàn)南高北低、階梯狀遞減的趨勢。

3.2 降雨侵蝕力時空分布特征

3.2.1 降雨侵蝕力時間演變特征

（1）降雨侵蝕力年內(nèi)變化

根據(jù)多年平均降雨侵蝕力年內(nèi)變化情況，降雨侵蝕力呈“幾”字形分布。汛期（6—9月）降雨侵蝕力占全年比例為59.79%。與降雨量年內(nèi)分布情況相比，降雨侵蝕力各月之間的差異相比降雨量各月之間的差異來看有顯著增大，汛期降雨侵蝕力占比進(jìn)一步增加，降雨侵蝕力主要受12mm以上侵蝕性雨量影響，研究區(qū)強(qiáng)降雨多發(fā)生在汛期，因此這幾月降雨侵蝕力在全年占主導(dǎo)地位。

研究區(qū)降雨CI指數(shù)的平均值為17.4，說明研究區(qū)整體降雨侵蝕力存在一定的季節(jié)性，這與降雨的季節(jié)差異規(guī)律一致。CI的變化范圍為12.96（常州市溧陽市）到22.71（連云港市贛榆區(qū)），研究區(qū)降雨侵蝕力季節(jié)差異明顯，由南向北差異顯著性增大。

（2）降雨侵蝕力年際變化

對研究區(qū)1981—2017年年降雨侵蝕力均值進(jìn)行回歸分析顯示（圖4），在研究時段內(nèi)呈現(xiàn)波動的變化，主要在平均值20%的范圍內(nèi)浮動，呈現(xiàn)上升-下降的起伏變化趨勢；根據(jù)擬合趨勢線顯示，年降雨侵蝕力均值整體呈現(xiàn)非顯著上升的趨勢。

圖4 1981—2017年年降雨侵蝕力均值回歸分析圖

由研究區(qū)1981—2017年年降雨侵蝕力均值的距平分析可知（圖5），研究時段內(nèi)，年降雨侵蝕力均值共有19個年份為負(fù)距平，共有18個年份為正距平，總體經(jīng)歷了上升-下降的波動變化趨勢，整體變化趨勢與降雨量大體一致。

圖5 1981—2017年年降雨侵蝕力均值距平分析圖

3.2.2 降雨侵蝕力空間分布特征

研究區(qū)1981—2017年多年平均降雨侵蝕力的空間分布如圖6所示，多年平均降雨侵蝕力的平均值為5870.02MJ·mm/hm2·h1·a1，介 于3683.38（徐 州市豐縣）到7664.69（無錫市宜興市）之間，南北差異顯著。研究區(qū)多年平均降雨侵蝕力與多年平均降雨量的空間分布并不重疊，存在一定的空間差異。

圖6 1981—2017年多年平均降雨侵蝕力空間分布圖

多年平均降雨侵蝕力整體呈現(xiàn)由南到北遞減的趨勢。受侵蝕性降雨、地理位置等因素共同影響，研究區(qū)多年平均降雨侵蝕力出現(xiàn)多個極值區(qū)域。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

（1）研究區(qū)降雨量年內(nèi)分布具有集中性，南部降雨量季節(jié)差異不明顯，北部季節(jié)差異較大。在1981—2017年間，研究區(qū)降雨量年際間變化差異較大，總體呈現(xiàn)不顯著上升趨勢。研究區(qū)多年平均降雨量整體呈現(xiàn)從南向北遞減的趨勢。

（2）研究區(qū)降雨侵蝕力季節(jié)差異顯著，汛期降雨侵蝕力在全年降雨侵蝕力占主導(dǎo)地位。在1981—2017年間，研究區(qū)降雨侵蝕力呈現(xiàn)上升-下降的起伏變化趨勢，圍繞平均值20%上下波動，整體呈不顯著上升趨勢。在空間分布上，多年平均降雨侵蝕力整體呈現(xiàn)南多北少的遞減趨勢；受侵蝕性降雨及地理位置等多重因素影響，降雨侵蝕力與降雨量的空間分布上存在一定差異。

4.2 討論

在年際變化上顯示降雨量、降雨侵蝕力在1991年、2016年達(dá)到峰值，1991—2016年間呈現(xiàn)下降-上升-下降的變化趨勢，周期約為26年；本文采用的數(shù)據(jù)時間序列為1981—2017年，時間序列長度為37年，僅包含一個完整周期，未能較好地展現(xiàn)出降雨及降雨侵蝕力的周期性變化，對年際變化趨勢的研究也具有一定的影響。數(shù)據(jù)時間序列最好包含兩個或兩個以上降雨周期，對長時間序列的降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行周期性及突變性檢驗(yàn)，準(zhǔn)確獲取降雨及降雨侵蝕力周期變化特征，調(diào)整多年平均降雨侵蝕力數(shù)據(jù)年限，減小因降雨侵蝕力的周期變化導(dǎo)致多年平均降雨侵蝕力結(jié)果產(chǎn)生的差異■