1966-2017年貴州省降雨侵蝕力的時(shí)空分布特征

阮 歐, 劉綏華, 楊廣斌, 謝 波

(1.貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 貴州 貴陽 550025;2.貴州師范大學(xué) 貴州省山地資源與環(huán)境遙感應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 貴州 貴陽 550025)

貴州省以喀斯特地貌為主，山高谷深，石灰?guī)r發(fā)育使得多數(shù)地區(qū)土層普遍較薄，加上長時(shí)間大規(guī)模的破壞性拓荒，使得地表植被、土壤的覆蓋遭到破壞，導(dǎo)致水土流失和石漠化成為貴州省生態(tài)環(huán)境最突出的問題[13]。遙感調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，水土流失面積占貴州省總面積的41.62%[14]。因此，對(duì)貴州省的降雨侵蝕力R值進(jìn)行估算及時(shí)空特征進(jìn)行分析顯得尤為重要。本文通過貴州省33個(gè)氣象站實(shí)測(cè)逐日降雨數(shù)據(jù)，反演計(jì)算近52 a貴州省降雨侵蝕力，并分析其時(shí)空變化特征，以期為貴州省評(píng)估降雨對(duì)土壤侵蝕的潛在作用、防治、制定水土保持措施及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)劃提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料準(zhǔn)備及選用數(shù)據(jù)來源

降雨資料主要來源于中國氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/)提供的貴州省內(nèi)33個(gè)氣象監(jiān)測(cè)站1966—2017年的日降雨數(shù)據(jù)，部分地區(qū)年降雨侵蝕力數(shù)據(jù)來源于貴州省水土保持監(jiān)測(cè)站。各站點(diǎn)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(jiān)測(cè)站點(diǎn)基本信息

1.2 研究方法

1.2.1 降雨侵蝕力R值的計(jì)算方法 由于數(shù)據(jù)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(jì)算降雨侵蝕力R值的方法對(duì)貴州省1966—2017年的降雨侵蝕力R值進(jìn)行計(jì)算，然后再對(duì)求得的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空特征分析，其中降雨侵蝕力R值的計(jì)算方法為：

(1)

式中：M為某個(gè)半月時(shí)段的降雨侵蝕力值MJ·mm/(hm2·h)；k為半月時(shí)段內(nèi)侵蝕性降雨的天數(shù)(d);Pj為某個(gè)半月時(shí)段內(nèi)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(jì)算，α與β為待定參數(shù)，這里α與β選取基于章文波等人提出的日雨量的最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，α=1.219 7，β=1.631 5[10]。

1.2.2 EOF分析法 經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(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(duì)某一區(qū)域內(nèi)觀測(cè)站點(diǎn)的值進(jìn)行時(shí)空分析，能準(zhǔn)確的反映相應(yīng)的空間模態(tài)隨時(shí)間的權(quán)重變化，即反映其空間分布特征。

1.2.3 突變檢測(cè)及周期檢驗(yàn)方法 突變檢測(cè)和周期檢驗(yàn)是分析長時(shí)間序列事物變化發(fā)展的重要內(nèi)容之一，可以通過突變檢測(cè)和周期變化清晰直觀的了解事物的發(fā)展過程及其變化規(guī)律。當(dāng)前檢測(cè)突變的方法有許多，通過研究各種檢驗(yàn)方法發(fā)現(xiàn)， H.B.Mann和M.G.Kendall提出的Mann-Kendall檢驗(yàn)法有較好的理論基礎(chǔ)和實(shí)際應(yīng)用效果，目前該方法已經(jīng)在氣溫，降雨等方面有了廣泛的使用[15-16]。其計(jì)算過程如下：

設(shè)氣候序列為，x1,x2,…,xn,Sk表示第i個(gè)樣本，定義統(tǒng)計(jì)量：

(其中i

(2)

在時(shí)間序列隨機(jī)獨(dú)立的假定下,Sk的均值和方差為：

(3)

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

在周期變化檢驗(yàn)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(chǔ)上發(fā)展而來的，其對(duì)獲取一個(gè)復(fù)雜時(shí)間序列的調(diào)整規(guī)律, 分辨時(shí)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(yàn)信號(hào)突變可以較準(zhǔn)確的檢驗(yàn)出信號(hào)突變時(shí)間點(diǎn)[17]。本文選用水文研究中常用的復(fù)Morlet小波分析方法對(duì)貴州省的降雨侵蝕力R值進(jìn)行研究，其表達(dá)為：

φ(t)=eiω0te-t2/2

(4)

式中：φ(t)為高斯包絡(luò)下的復(fù)指數(shù)函數(shù)；i表示虛數(shù)；ω0為常數(shù)[15,18]；t為時(shí)間。

1.3 降雨侵蝕力R值計(jì)算精度評(píng)估

由于本研究所獲得的降雨數(shù)據(jù)資料沒有詳細(xì)的降雨細(xì)節(jié)記錄。通過對(duì)比最終選擇了基于日降雨量數(shù)據(jù)計(jì)算降雨侵蝕力R值的簡(jiǎn)易算法對(duì)本研究區(qū)進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)過前人的多次驗(yàn)證之后發(fā)現(xiàn)，該方法在降雨較豐富的地區(qū)有較好的精度，而在降雨量較小的地區(qū)該方法計(jì)算的降雨侵蝕力相對(duì)誤差較大。為了檢驗(yàn)此方法在貴州地區(qū)的適用程度，抽取4個(gè)不同地區(qū)前人所做的結(jié)果與本次計(jì)算降雨侵蝕力的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果如表2所示,通過對(duì)比可以看出畢節(jié)、貴陽、興義、織金4個(gè)站均與前人通過經(jīng)典算法或簡(jiǎn)易算法計(jì)算的值非常相近，相對(duì)誤差均小于5.3%。因此，章文波等[10]提出的利用日降雨量計(jì)算R值的算法和其他經(jīng)典算法以及簡(jiǎn)易算法在計(jì)算貴州地區(qū)降雨侵蝕力時(shí)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(qū)，地理環(huán)境與其他地區(qū)有所不同，因此需對(duì)本文所用的簡(jiǎn)易方法進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證，以證明該方法在貴州的適用性。為了驗(yàn)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(jiān)測(cè)站點(diǎn)計(jì)算的年降雨侵蝕力值作為精度評(píng)估樣本。各水土保持監(jiān)測(cè)站計(jì)算的年降雨侵蝕力值是由次降雨過程計(jì)算出的值具有一定的精確性以及真實(shí)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(jiān)測(cè)站點(diǎn)計(jì)算的年降雨侵蝕力R值進(jìn)行擬合分析，從圖1可知，水土保持站計(jì)算值與本文估算值總體趨勢(shì)保持一致，大部分時(shí)間點(diǎn)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(dá)到了0.668 8。因此利用基于日降雨數(shù)據(jù)估算貴州省的降雨侵蝕力具有一定的科學(xué)性和合理性。

圖1 貴州省部分站點(diǎn)估算值與水土保持站點(diǎn)計(jì)算值對(duì)比

圖2 貴州省部分站點(diǎn)估算值與水土保持站點(diǎn)計(jì)算值回歸分析

2 結(jié)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(duì)貴州省33個(gè)氣象檢測(cè)站點(diǎn)52 a的日降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到全省各氣象檢測(cè)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(duì)貴州全省進(jìn)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(qū)降雨侵蝕力R值分布的地域差異較明顯的，貴州省各地區(qū)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(shì)，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(qū)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(jié)地區(qū)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(shì)較高，而興義、安順、都勻地區(qū)恰好處在夏季風(fēng)迎風(fēng)坡一帶容易形成降雨，反之在畢節(jié)一帶地勢(shì)較高，最高海拔達(dá)2 800 m左右，當(dāng)濕熱水汽從南方北上時(shí)，大部分水汽已在迎風(fēng)坡上升遇冷形成地形雨，因此到達(dá)西北高海拔地區(qū)的水汽較少，降雨也較少。

2.2 經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)EOF分析

2.2.1 貴州省降雨侵蝕力空間分布特征 為了進(jìn)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(duì)貴州省內(nèi)33個(gè)氣象監(jiān)測(cè)站點(diǎn)測(cè)得的降雨資料計(jì)算的1966—2017年的降雨侵蝕力R值進(jìn)行EOF分析。經(jīng)檢驗(yàn)，KOM值約為0.665，Bartlett球形檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，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(gè)特征向量貢獻(xiàn)值的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)69%，但是只有前兩個(gè)特征根誤差范圍沒有重疊通過了North顯著性檢驗(yàn)，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)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(xiàn)率

由表3可以看出，第一特征向量的方差貢獻(xiàn)率為37%，遠(yuǎn)高于其他模態(tài)貢獻(xiàn)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(tài)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(shì)具有一致性，導(dǎo)致這一現(xiàn)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(shù)與強(qiáng)度呈正相關(guān)，由此導(dǎo)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(qū)位于安順市、都勻市等中部偏南地區(qū)，反映了該地區(qū)年降雨侵蝕力R值變化幅度較大。低值區(qū)主要在東北部，降雨侵蝕力R值變化幅度較小?，F(xiàn)有研究表明在中部偏南地區(qū)多極端降雨，對(duì)枯豐都比較敏感，而東北部年降雨量較為穩(wěn)定變化不大[22]。

圖3 1966-2017年貴州省降雨侵蝕力EOF前2個(gè)特征向量分布

第二特征向量方差貢獻(xiàn)率為15%，其表現(xiàn)出降雨侵蝕力R值東西呈現(xiàn)相反的分布模式，零值先出現(xiàn)在105°E左右，這體現(xiàn)了貴州省東部降雨侵蝕力R值較大時(shí)，西部就較小，而西部較大時(shí)，東部則較小。正值中心在西南部，負(fù)值中心出現(xiàn)在都勻附近。造成這種現(xiàn)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(tǒng)影響不同，造成降水差異，進(jìn)而導(dǎo)致降雨侵蝕力差異。

2.2.2 降雨侵蝕力R值EOF時(shí)間系數(shù)分析 通過對(duì)EOF時(shí)間系數(shù)進(jìn)行分析，貴州省的降雨侵蝕力R值主要有4種表現(xiàn)類型，第一模態(tài)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(tài)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(shí)間系數(shù)代表了對(duì)應(yīng)特征向量空間分布模態(tài)的時(shí)間變化特征，系數(shù)的正負(fù)決定了模態(tài)的方向，正好表示與模態(tài)同向，負(fù)號(hào)表示與模態(tài)方向相反，并且系數(shù)的絕對(duì)值越大越能決定這一時(shí)刻的對(duì)應(yīng)模態(tài)越典型。對(duì)貴州52 a的降雨侵蝕力R值的4種空間模態(tài)分布類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，取每年EOF時(shí)間系數(shù)絕對(duì)值最大值對(duì)應(yīng)的特征向量作為對(duì)應(yīng)年的降雨侵蝕力空間分布模態(tài)，結(jié)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(dá)到了37 a，占總年數(shù)的71.15%，全省全年降雨侵蝕力偏大和偏小年相當(dāng)。東部和西部差異型的降雨侵蝕力年數(shù)共15 a，占總年數(shù)的28.85%。這也與一、二模態(tài)貢獻(xiàn)率反映的典型程度基本表現(xiàn)一致。

圖4 EOF分析中前2個(gè)特征向量的時(shí)間系數(shù)

2.3 降雨侵蝕力R值年內(nèi)變化趨勢(shì)

通過對(duì)貴州省1966—2017年各月降雨量比例(見圖5)進(jìn)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(jì)算貴州地區(qū)汛期和枯水期降雨侵蝕力R值并對(duì)其空間插值后分析發(fā)現(xiàn)，貴州各地區(qū)的降雨侵蝕力R值在年內(nèi)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(xiàn)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(xiàn)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(qū)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(xiàn)由西向東遞增的變化趨勢(shì)，最小值出現(xiàn)在畢節(jié)一帶，最大值出現(xiàn)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(dá)到了33.09%和44.36%，通過對(duì)貴州地區(qū)多年平均降雨進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，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(dǎo)致降雨侵蝕力R值變化的主要原因。

圖6 貴州省不同量級(jí)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(fēng)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(fēng)區(qū)內(nèi)，西部則處于無明顯的干濕季之分的東南季風(fēng)向干濕明顯的西南季風(fēng)區(qū)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(fēng)的迎風(fēng)坡形成地形雨，由此導(dǎo)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(duì)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(zhǔn)靜止鋒，西部六盤水、畢節(jié)一帶經(jīng)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(shù)較多，但是整體的降雨強(qiáng)度較低，達(dá)侵蝕性降雨的標(biāo)準(zhǔn)天數(shù)較少，因此造成了降雨侵蝕力R值冬春季節(jié)整體偏低。

2.4 降雨侵蝕力R值年際變化趨勢(shì)

通過Mann-Kendall檢驗(yàn)法對(duì)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(jìn)行突變檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖7a,7b所示，分析發(fā)現(xiàn)貴州省降雨侵蝕力R值在0.05置信度線區(qū)間內(nèi)UF與UB兩條統(tǒng)計(jì)量曲線存在多個(gè)交點(diǎn)，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(tǒng)計(jì)特征

從UF統(tǒng)計(jì)量曲線來看，除了少數(shù)年份外貴州省的降雨侵蝕力年際R值多處于負(fù)值，但均沒有通過0.05顯著性水平線，這也進(jìn)一步證明了其降雨侵蝕力變化趨勢(shì)總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但趨勢(shì)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(duì)比中可以發(fā)現(xiàn)兩者的變化趨勢(shì)基本保持一致，這體現(xiàn)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(shí)部時(shí)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(shí)間尺度特點(diǎn)，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(shí)間尺度的周期變化規(guī)律。其中在3～8 a時(shí)間尺度上出現(xiàn)了升—降交替的準(zhǔn)11.5次震蕩；在8～21 a時(shí)間尺度經(jīng)歷了升—降交替的準(zhǔn)6次震蕩；在22～32 a時(shí)間尺度上存在準(zhǔn)2.5次震蕩。經(jīng)圖9小波方差分析可以看出存在3個(gè)較為明顯的波峰，依次對(duì)應(yīng)的是6，12，28 a的時(shí)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(shí)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(nèi)，并未達(dá)到峰值階段，因此，未來幾年內(nèi)貴州省的降雨侵蝕力R值仍有升高趨勢(shì)。

圖8 貴州省年降水量小波實(shí)部時(shí)頻分布特征

圖9 貴州省年降水量小波方差特征

3 結(jié) 論

本文基于貴州省內(nèi)33個(gè)氣象站監(jiān)測(cè)站48 a的逐日降雨數(shù)據(jù)，運(yùn)用降雨侵蝕力R值的相關(guān)計(jì)算方法，計(jì)算貴州省的多年平均降雨侵蝕力R值并對(duì)其時(shí)空特征進(jìn)行研究分析，主要結(jié)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(shì)，最低值出現(xiàn)在威寧以及畢節(jié)一帶，導(dǎo)致其分布的主要原因是地勢(shì)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(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)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(shí)間系數(shù)分析表明，貴州省降雨侵蝕力偏大年份數(shù)量與降雨侵蝕力偏小年份量相當(dāng)，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(dá)到了80%左右。

(4) 運(yùn)用Mann-Kendall檢驗(yàn)法對(duì)貴州省的年降雨侵蝕力R值和汛期多年平均R值進(jìn)行突變檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)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(xiàn)象，變化趨勢(shì)總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但下降趨勢(shì)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(nèi)，并未達(dá)到峰值階段，因此，未來幾年內(nèi)貴州省的降雨侵蝕力R值仍有升高趨勢(shì)。