1822號“山竹”臺風(fēng)對廣東省降雨侵蝕力的影響

陳世發(fā), 田廣增, 李航飛, 張清軍, 白永會, 王麗園

(1.韶關(guān)學(xué)院 旅游與地理學(xué)院, 廣東 韶關(guān) 512005; 2.東華理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院, 江西 南昌330013; 3.河南大學(xué) 環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院, 河南 開封 475004)

臺風(fēng)是熱帶氣旋在西太平洋地區(qū)的一種稱謂，是地球上破壞力最大的天氣系統(tǒng)。臺風(fēng)離赤道平均3～5緯度外的洋面形成，其移動主要受到地轉(zhuǎn)偏向力及其他大尺度天氣系統(tǒng)影響[1]。登陸的臺風(fēng)往往伴隨狂風(fēng)暴雨，造成嚴(yán)重的財產(chǎn)和人員傷亡。

臺風(fēng)登陸帶來極端強降雨，且由于降雨強度大，易造成巨大的降雨侵蝕力。降雨侵蝕力在某種程度上反映降雨對土壤的潛在能力[2]。采用降雨動能E與最大30 min降雨強度I30的乘積來表示降雨侵蝕力，即EI30，是降雨侵蝕力R值計算的經(jīng)典公式[3]，廣泛應(yīng)用于USLE，RUSLE等土壤流失方程。但在實際計算EI30過程中，需要詳細(xì)的次降雨過程資料，且降雨動能的計算較為復(fù)雜、該公式在小區(qū)域尺度上具有適用性，不適于大中區(qū)域尺度的研究。許多學(xué)者致力于研究利用常規(guī)年月日的降雨資料即可得到R值的經(jīng)驗算法[4-13]，這些算法對特定地區(qū)均有較好的適用性，為計算R值提供了便利的方法[14]。部分學(xué)者利用長時間尺度內(nèi)的強降雨數(shù)據(jù)，計算極端強降雨對降雨侵蝕力的影響[15-16]。極端強降雨事件易造成短時間內(nèi)的強降雨侵蝕力，是形成土壤劇烈侵蝕的重要影響因素。臺風(fēng)造成短時間的極端強降雨，對于一次臺風(fēng)造成的降雨侵蝕力，采用年、月和日的降雨侵蝕力模型計算降雨侵蝕力，則具有較大的偏差，為此需要以時為階段，采用小時降雨量計算臺風(fēng)造成的降雨侵蝕力，殷水清等[17-18]和吳佐成等[19]利用小時降雨量分別估算中國及長汀縣降雨侵蝕力，并建立經(jīng)驗公式，可精確估算中國降雨侵蝕力，與年月日降雨資料估算值相比，具有較高的精度，且為研究極端強降雨對降雨侵蝕力的影響提供參考。

本研究以2018年1822號“山竹”臺風(fēng)登陸廣東省為例，采用小時降雨侵蝕力模型，分析“山竹”臺風(fēng)對廣東省降雨侵蝕力的影響，研究短期極端強降雨對降雨侵蝕力的影響，為廣東省土壤侵蝕治理提供降雨侵蝕力指標(biāo)。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

1.1.1 研究區(qū)概況 廣東省位于20°09′—25°31′N和109°45′—117°20′E之間，地處中國大陸最南部，海岸線漫長，島嶼眾多。廣東省山脈大多與地質(zhì)構(gòu)造的走向一致，以東北—西南走向居多，粵北的山脈則多為向南拱出的弧形山脈，此外粵東和粵西有少量西北—東南走向的山脈，山脈之間有大小谷地和盆地分布。平原主要集中于珠江三角洲與韓江三角洲地帶。從北向南分別為中亞熱帶季風(fēng)氣候、南亞熱帶季風(fēng)氣候和熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫22.3 ℃。年平均降水量在1 300～2 500 mm之間，全省平均為17 77 mm，降雨的空間分布基本上也呈南高北低的趨勢，但受山脈走向影響較大。臺風(fēng)的影響也較為頻繁，是廣東省常見的災(zāi)害性天氣。

1.1.2 “山竹”臺風(fēng)概況 2018年9月7日20時，1822號臺風(fēng)“山竹”在西北太平洋洋面上生成，9月16日17時，“山竹”在廣東臺山海宴鎮(zhèn)登陸，登陸時中心附近最大風(fēng)力14級(45 m/s)，中心最低氣壓955 hPa。17日20時，因不能確定環(huán)流中心，中央氣象臺停止對其編號。

1.1.3 數(shù)據(jù)來源 “山竹”臺風(fēng)登陸數(shù)據(jù)采用中國臺風(fēng)網(wǎng)的數(shù)據(jù)，而“山竹”臺風(fēng)期間廣東省降雨的數(shù)據(jù)來源于中國氣象共享服務(wù)網(wǎng)提供的2018年9月13—19日的廣東省86個站點的降雨數(shù)據(jù)，剔除13—15日16時與17日15—19日的數(shù)據(jù)，此兩個時期，廣東省86個站點基本無降雨發(fā)生(偶有個別站點存在0.1 mm降水，不足以引起降雨侵蝕，故剔除)，最終保留15—17日期間的降雨數(shù)據(jù)。

1.2 研究方法

1.2.1 降雨侵蝕力計算方法 研究以小時降雨量為基礎(chǔ)，計算降雨侵蝕力，其計算公式如下[20]：

(1)

式中：E——次降雨總動能(MJ/hm2)。將一次降雨分成r=1，…，k個時段；ir——第r時段的平均雨強(mm/h)； ΔVr——第r時段的降雨量(mm)。對于60 min等間隔資料，從次降雨過程開始算起，本研究中從“山竹”帶來降雨開始算起，每60 min作為一個時段。I30——最大30 min雨強(mm/h)。對于60 min等間隔資料，不能得到真正的最大30 min雨強，則采用60 min等間隔資料中提取的最大60 min雨量。

為了能夠利用廣東省86站點的降雨資料計算“山竹”臺風(fēng)帶來的降雨侵蝕力，需要建立60 min等間隔資料與過程資料計算降雨侵蝕力指標(biāo)值的回歸關(guān)系[17-18]：

(E)m=1.105×(E)60

(2)

(I30)m=1.668×(I30)60

(3)

(EI30)m=1.730×(EI30)60

(4)

式中：(E)m，(I30)m，(EI30)m——用降雨過程資料計算得到的降雨動能，最大30 min雨強和降雨侵蝕力指標(biāo)值；(E)60，(I30)60，(EI30)60——用60 min等間隔資料計算的相應(yīng)值。

1.2.2 空間插值方法 降雨侵蝕力空間分布可采用空間插值算法得到，同時站點數(shù)量與分布也決定了插值精度。本研究采用廣東省86個氣象站點降雨數(shù)據(jù)，在一定程度上保證了插值精度。空間插值算法有很多，如樣條函數(shù)法(Spline法)、克里金插值法(Kriging法)，徑向基函數(shù)法(radial basis functions)和反距離權(quán)重插值(IDW)等。Kriging插值法對降雨量空間分布求最優(yōu)、線性和無偏內(nèi)插的估計，具有較好的擬合效果，對降雨量和降雨侵蝕力等值域范圍大，空間分布高度不均勻等變量適用于此法。因此本研究選用該插值方法，其模型為球狀模型，參數(shù)的選定以RSE最小為標(biāo)準(zhǔn)。

1.2.3 降雨侵蝕力數(shù)據(jù)的特征值 為反映山竹臺風(fēng)期間廣東省降雨侵蝕力的特征值狀況，選用平均數(shù)、眾數(shù)與中位數(shù)反映降雨侵蝕力的集中趨勢；選用極差、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)反映降雨侵蝕力的離散程度，其中極差可以反映降雨侵蝕力的差異范圍；標(biāo)準(zhǔn)差則為反映偏差的重要指標(biāo)，能描述降雨侵蝕力的值與均值的平均距離；變異系數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)差除以平均值則可得到，反映離散程度大小。

2 結(jié)果與分析

2.1 “山竹”臺風(fēng)期間廣東省降雨特征

“山竹”臺風(fēng)自9月7日20時生成，并在17日20時中央氣象臺停止編號結(jié)束。在其15日17時開始對廣東省降雨產(chǎn)生影響，一直延續(xù)到17日18時，期間廣東省降雨最大站點為陽春站，其降雨量高達(dá)378.4mm，最小值為始興站，其降雨量僅為15.5 mm，極差達(dá)362.9 mm，極值比高達(dá)24.4。15日17時至24時降雨量最大值為粵東南澳站，為27.7 mm，最小值為0 mm，主要分布于粵北和粵西站點。16日最大站點為陽江站，降雨量為241.8 mm，其次為深圳站，降雨量為221.5 mm，最低為平遠(yuǎn)站，僅為3.8 mm。17日最大降雨站點為陽春站，降雨量為182.5 mm，而降雨量為0 mm的站點，主要分布于粵東的潮陽等站點。在臺風(fēng)登陸的15—17日，廣東省平均每站點降雨量為106.7 mm，中位數(shù)為92 mm，眾數(shù)為54.5 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為58.2 mm，變異系數(shù)為0.55。

以ArcGIS的自然間斷法對克里金插值的降雨量進行分級，根據(jù)數(shù)據(jù)特征，共分為8級(附圖9，表1)，降雨量主要集中于23～95 mm，占廣東省全部面積的63.08%，而95 mm以上的面積為36.92%，降雨強度總體較大。而從累積頻率分布來看，66個站點的降雨量集中于23～115 mm之間。

山竹臺風(fēng)登陸站點臺山，降水量為254.1 mm，并不是最大值。這是因為臺風(fēng)登陸時，臺風(fēng)眼中心相對晴朗無云，隨著臺風(fēng)向西偏移，臺山產(chǎn)生降雨。從附圖9看出，“山竹”臺風(fēng)期間，廣東省降雨最大值分布于以臺風(fēng)為中心的附近，而距離臺風(fēng)中心較遠(yuǎn)的粵北、粵東降雨相對較少。

注：R為降雨侵蝕力〔MJ·mm/(hm2·h)〕。

2.2 山竹臺風(fēng)對廣東省降雨侵蝕力影響

2.2.1 15日廣東省降雨侵蝕力及分布特征 15日凌晨臺風(fēng)“山竹”以17級以上的巔峰強度于在菲律賓呂宋島東北部沿海登陸，臺風(fēng)勢力強，影響半徑大。受其影響，粵東地區(qū)在第15日17時起開始產(chǎn)生降雨，此時臺風(fēng)中心位于南海東部海域。利用公式(1)—(4)計算山竹臺風(fēng)對廣東省15日降雨侵蝕力的影響，并對其進行克里金插值(附圖10)。

從附圖10可以看出，廣東省降雨侵蝕力主要集中于粵東地區(qū)，而在粵北、粵西和珠三角地區(qū)無降雨的發(fā)生，故而也不存在降雨侵蝕力。在粵東地區(qū)，又以南澳區(qū)、澄海縣和海豐縣的降雨侵蝕力最大，分別達(dá)到199.72，101.34，81.80 MJ·mm/(hm2·h)，3個站點也是15日廣東省降雨量和雨強最大的3個氣象站點，這與15日17時，臺風(fēng)中心位于120°E，20N的洋面，并向西北方向移動，并對粵東地區(qū)的降雨及雨強產(chǎn)生較大影響。15日廣東省降雨侵蝕力極差達(dá)362.9 MJ·mm/(hm2·h)，平均每站點降雨侵蝕力為6.9 MJ·mm/(hm2·h)，中位數(shù)與眾數(shù)均0 MJ·mm/(hm2·h)，標(biāo)準(zhǔn)差為12.3 MJ·mm/(hm2·h)，變異系數(shù)為1.78。

從表1看出，降雨侵蝕力為0～5 MJ·mm/(hm2·h)值的面積占廣東省總面積的91.85%，其中0值占70.35%，而從累積頻率分布來看，74個站點的降雨侵蝕力集中于0～5 MJ·mm/(hm2·h)之間。

2.2.2 16日廣東省降雨侵蝕力及分布特征 “山竹”(強臺風(fēng)級)于16日17時在廣東臺山海宴鎮(zhèn)登陸，登陸時中心附近最大風(fēng)力14級(45 m/s，相當(dāng)于162 km/h)，中心最低氣壓955 hPa。由于在16日登陸廣東，為此16日廣東省絕大部分站點的降雨量最大，且呈現(xiàn)以登陸中心周邊向東西兩翼降低的趨勢。其中，降雨量最大為陽江站，降雨量為241.8 mm，其次為深圳和新興，降雨量分別為221.5 mm和207.1 mm。對16日廣東省主要氣象站點的降雨侵蝕力進行計算，并進行克里金插值(見附圖11)。

廣東省16日所有站點均發(fā)生降雨，均存在一定的降雨侵蝕力。降雨侵蝕力最大為陽江站，其降雨侵蝕力高達(dá)9 423.11 MJ·mm/(hm2·h)，其次為恩平站，其降雨侵蝕力為4023.55 MJ·mm/(hm2·h)，第三為陽春站，為3 928.23 MJ·mm/(hm2·h)，而臺風(fēng)登陸地臺山站的降雨侵蝕力排第四，為3 846.75 MJ·mm/(hm2·h)。最小為平遠(yuǎn)站，為1 MJ·mm/(hm2·h)，其次為仁化站和南雄，分別為6.32 MJ·mm/(hm2·h)和19.30 MJ·mm/(hm2·h)，廣東省降雨侵蝕力極差達(dá)9 422.11 MJ·mm/(hm2·h)，極值比為9 423.11。同時，廣東省降雨侵蝕力小于100 MJ·mm/(hm2·h)的站點主要集中于分布與粵北和粵東地區(qū)。而降雨侵蝕力大于1 000 MJ·mm/(hm2·h)的站點集中于分布于粵西和珠三角地區(qū)，特別是茂名、陽春和江門等地區(qū)?？傮w上來看，廣東省降雨侵蝕力從登陸中心向東西兩翼降低。平均每站點降雨侵蝕力為802.3 MJ·mm/(hm2·h)，中位數(shù)為270.7 MJ·mm/(hm2·h)，標(biāo)準(zhǔn)差為1285.8 MJ·mm/(hm2·h)，變異系數(shù)為1.60。

從表1可看出，降雨侵蝕力為0～300 MJ·mm/(hm2·h)值的面積占廣東省總面積的50.92%，而從累積頻率分布來看，45個站點的降雨侵蝕力集中于0～300 MJ·mm/(hm2·h)之間，30個站點的降雨侵蝕力集中于300～2 000 MJ·mm/(hm2·h)之間。

2.2.3 17日廣東省降雨侵蝕力及分布特征 “山竹”于16日23時進入廣西壯族自治區(qū)，于17日下午，“山竹”減弱為熱帶低壓，中央氣象臺17日20時停止對其編號。由于17日19時以后，“山竹”臺風(fēng)幾乎不對廣東省降雨產(chǎn)生影響，故而統(tǒng)計時間截點為17日18時。而17日降雨量最大值在陽春站點，高達(dá)182.5 mm，其次為四會和高州，降雨量為117.2 mm和94.4 mm，而在粵北和粵東的部分站點無降雨發(fā)生。利用小時降雨侵蝕力模型，計算9月17日0—18時的降雨侵蝕力，其計算結(jié)果見附圖12。

從附圖12可以看出，17日廣東省降雨侵蝕力呈現(xiàn)以陽春市為中心，向東西兩側(cè)降低。特別是在粵北和粵北的部分區(qū)域的降雨侵蝕力最低。降雨侵蝕力最大為陽春站，達(dá)到3036.48 MJ·mm/(hm2·h)，其次為高州站和四會站，分別為1215.81 MJ·mm/(hm2·h)和997.20 MJ·mm/(hm2·h)，最小為0 MJ·mm/(hm2·h)，即無降雨產(chǎn)生的站點，極差為3 036.48 MJ·mm/(hm2·h)。平均每站點降雨侵蝕力為144.0 MJ·mm/(hm2·h)，中位數(shù)為18.1 MJ·mm/(hm2·h)，標(biāo)準(zhǔn)差為164.1 MJ·mm/(hm2·h)，變異系數(shù)為1.14。

從表1可看出，降雨侵蝕力為0～35 MJ·mm/(hm2·h)值的面積占廣東省總面積的40.04%，在0～250 MJ·mm/(hm2·h)占79.38%。而從累積頻率分布來看，40個站點的降雨侵蝕力集中于0～35 MJ·mm/(hm2·h)之間，30個站點的降雨侵蝕力集中于35～250 MJ·mm/(hm2·h)之間。

2.2.4 15—17日廣東省降雨侵蝕力及分布特征 從“山竹”臺風(fēng)影響廣東省降雨開始至結(jié)束，并以此期間的降雨為基礎(chǔ)，利用小時降雨侵蝕模型計算并分析“山竹”臺風(fēng)對廣東省降雨侵蝕力的影響。“山竹”臺風(fēng)期間，廣東省降雨量最大的站點為陽春站，其降雨量高達(dá)378.4 mm，其次為陽江站和臺山站，其降雨量分別為290.6 mm和254.2 mm；最少為仁化站，僅為15.5 mm，其次為南雄站和平遠(yuǎn)站，其降雨量分別為25.9 mm和26.7 mm。降雨各個站點之間分配不均，最大站點為最小站點的24.41倍。同時，此次臺風(fēng)各站點平均降雨為106.1 mm，降雨強度大，且主要集中于16日的7—20時，占全部降雨總比重的58%。計算廣東省15—17日降雨侵蝕力，并進行空間插值(附圖13)。

廣東省降雨侵蝕力最大站點為陽春站，其降雨侵蝕力高達(dá)10 621.89 MJ·mm/(hm2·h)，其次為陽江站和臺山站，其降雨侵蝕力分別為9 672.25 MJ·mm/(hm2·h)和4 352.75 MJ·mm/(hm2·h)。降雨侵蝕力最小站點為仁化站，降雨侵蝕力為18.87 MJ·mm/(hm2·h)，其次為南雄站和始興站，其降雨侵蝕力分別為30.27 MJ·mm/(hm2·h)和38.18 MJ·mm/(hm2·h)。從附圖13看出，廣東省降雨侵蝕力在粵西最高(湛江除外)，其次為珠三角地區(qū)，而在粵北和粵東地區(qū)的降雨侵蝕力最低，極差為10 603.02 MJ·mm/(hm2·h)。平均每站點降雨侵蝕力為1 028.36 MJ·mm/(hm2·h)，中位數(shù)為488.23 MJ·mm/(hm2·h)，標(biāo)準(zhǔn)差為1 444.6 MJ·mm/(hm2·h)，變異系數(shù)為1.40。

從表1可看出，降雨侵蝕力為5～400 MJ·mm/(hm2·h)值的面積占廣東省總面積的60.77%，而從累積頻率分布來看，50個站點的降雨侵蝕力集中于5～400 MJ·mm/(hm2·h)之間，28個站點的降雨侵蝕力集中于400～3 000 MJ·mm/(hm2·h)之間。

3 討論與結(jié)論

3.1 討 論

3.1.1 廣東省降雨侵蝕力分布原因 廣東省降雨侵蝕力的分布總體上與臺風(fēng)登陸及運行路徑相關(guān)，距離臺風(fēng)中心越遠(yuǎn)，總體上降雨侵蝕力越小。但降雨侵蝕力最大值在陽春站與陽江站，與臺風(fēng)登陸地點不一致，同時，從臺風(fēng)登陸地至粵西，降雨侵蝕力快速降低，而珠三角的深圳、廣州等地降雨侵蝕力仍較大，而處于盆地的降雨侵蝕力較低，如仁化董塘盆地的仁化站的降雨侵蝕力最低，其次為南雄盆地的始興站和南雄站，這些均與地形對臺風(fēng)氣流阻擋有關(guān)。陽江市(包括陽春)東北有天露山屏障，西北有云霧山環(huán)繞，臺風(fēng)氣流受天露山與云霧山的阻擋，在此形成降雨中心，降雨量和降雨侵蝕力均最大。珠三角地勢較為低平，臺風(fēng)氣流往往暢通無阻，降雨侵蝕力同樣也較大。而仁化、南雄與始興等站點，距離臺風(fēng)中心較遠(yuǎn)，且處于盆地，四周為山脈，氣流影響相對較小，降雨侵蝕力低。

3.1.2 降雨量、雨強與降雨侵蝕力 降雨量與雨強是影響降雨侵蝕力大小的重要因素[21]。15日與15—17日的最大3個站點的降雨量與降雨侵蝕力相同。而16日與17日的最大站點的降雨量與降雨侵蝕力相同，15—17日最低降雨量與最低降雨侵蝕力總體相符。

但也存在部分站點相異的情況。16日的降雨量次大值為深圳站與新興站，但降雨侵蝕力次大值則為恩平站和陽春站，17日降雨量次大值為高州站與四會站，而降雨侵蝕力四會站高于高州站。降雨量較低的站點也存在部分不一致的情況，如平遠(yuǎn)站總的降雨侵蝕力為117.62 MJ·mm/(hm2·h)，在所有站點中排倒數(shù)第12位，而降雨量僅僅為26.7 mm，在所有站點的排倒數(shù)第3位。這與本研究所采用的降雨侵蝕力的計算公式中，既與降雨量相關(guān)，又與雨強、降雨動能相關(guān)。相關(guān)學(xué)者研究表明廣東省近幾十年來降雨量增加，但降雨侵蝕力仍然呈現(xiàn)下降趨勢，這與大暴雨呈現(xiàn)下降趨勢相關(guān)[22]，諸多學(xué)者模擬試驗表明降雨強度的增大，降雨侵蝕力增強，徑流量與含沙量也隨之增加[23-24]。

采用小時降雨量計算降雨侵蝕力，與用日、月和年降雨量資料為基礎(chǔ)估算降雨侵蝕力相比, 該算法能夠提高土壤侵蝕預(yù)報精度，為土壤侵蝕的防治提供一定的參考。

3.2 結(jié) 論

利用小時降雨侵蝕力模型，分析登陸廣東省超強臺風(fēng)山竹對降雨侵蝕力的影響。

(1) 山竹臺風(fēng)期間(2018年9月15至17日)，廣東省降雨量大，降雨強度大，降雨侵蝕力大，特別是在陽春站，其降雨侵蝕力高達(dá)10 621.89 MJ·mm/(hm2·h)，最低站點的降雨侵蝕力為18.87 MJ·mm/(hm2·h)。

(2) 隨著山竹臺風(fēng)自東南向西北移動，廣東省降雨侵蝕力最大站點從粵東地區(qū)移至粵西地區(qū)，特別是以登陸地為中心的周邊地區(qū)的降雨侵蝕力最大。而整個臺風(fēng)期間，陽江站降雨侵蝕力最大，粵北和粵東地區(qū)的降雨侵蝕力最低。

(3) 山竹臺風(fēng)期間，廣東省降雨侵蝕力的分布特征與臺風(fēng)移動路徑、地形等因素相關(guān)，而降雨侵蝕力又與降雨量、雨強和降雨動能相關(guān)。