山东省不同地形区降雨侵蚀力时空变化特征 1, 王莹

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1 地球环境学报 Journal of Earth Environment 收稿日期 : ; 录用日期 : ; 网络出版 : Vol.10 No.3 ǀ Jun DOI: / 山东省不同地形区降雨侵蚀力时空变化特征 肖蓓 1, 崔步礼 1, 姜宝福 1, 李东昇 1, 王莹 1, 赵涛 1. 鲁东大学资源与环境工程学院, 烟台 山东省龙口市国土资源局, 烟台 Received Date: ; Accepted Date: ; Online first: 基金项目 : 山东省重点研发计划项目 (2018GSF117021); 山东省高等学校科技计划项目 (J17KA192); 中国科学院海岸带环境过程与生态修复重点实验室开放基金项目 (2016KFJJ03); 国家自然科学基金项目 ( ) Foundation Item: Shandong Provincial Key R & D Program (2018GSF117021); Science and Technology Projects of Shandong Universities (J17KA192); Open Foundation of Key Laboratory of Coastal Environmental Processes and Ecological Remediation, Chinese Academy of Sciences (2016KFJJ03); National Natural Science Foundation of China ( ) 通信作者 : 崔步礼, cuibuli@163.com Corresponding Author: CUI Buli, cuibuli@163.com 引用格式 : 肖蓓, 崔步礼, 姜宝福, 等 山东省不同地形区降雨侵蚀力时空变化特征 [J]. 地球环境学报, 10(3): Citation: Xiao B, Cui B L, Jiang B F, et al Spatial and temporal variations of rainfall erosivity in different topographic regions of Shandong Province [J]. Journal of Earth Environment, 10(3): 研究论文 ARTICLE 摘要 : 掌握降水及降雨侵蚀力的时空分布和演变特征对于揭示区域气候变化规律, 有效预防和科学评 估水土流失等环境问题具有重要意义 基于 34 个气象站点 年的降水日值数据, 采用降雨侵 蚀力计算模型 Mann-Kendall 检验 小波分析和 Kriging 空间插值等研究方法, 分析研究了山东省内山 地 丘陵和平原等不同地形区的降水和降雨侵蚀力时空变化特征 结果显示 : 近 55 年间, 全省及各地 形区的降水量和降雨侵蚀力均呈波动下降趋势, 年内分配均集中在夏季, 降雨侵蚀力在时间尺度上存在 25 年左右的变化周期 空间上, 降水和降雨侵蚀力均呈现鲁中南山区 > 胶东半岛丘陵区 > 鲁西北平原区 ; 分界线由东北至西南沿福山 莱阳 淄博 定陶等站呈 S 型贯穿山东省, 界线东南侧降雨侵蚀力 高, 西北侧降雨侵蚀力较低 其原因主要是受海拔和地形的影响, 东南季风携带湿润气流受胶东半岛丘 陵及鲁中南山地的阻挡抬升, 致使 S 型分界线东南侧迎风面降水及降雨强度相对较高 ; 西北侧背风 面形成焚风效应, 降水及降雨侵蚀强度较低 该结果可为山东省水土流失空间特征分析奠定数据基础, 同时为区域水土资源利用与调控及生态环境保护与改善提供决策支撑 关键词 : 降雨侵蚀力 ; 时空变化 ; 不同地形区 ; 山东省 Spatial and temporal variations of rainfall erosivity in different topographic regions of Shandong Province XIAO Bei 1, CUI Buli 1, JIANG Baofu 1, LI Dongsheng 1, WANG Ying 1, ZHAO Tao 2 1. School of Resources and Environmental Engineering, Ludong University, Yantai , China 2. Bureau of Land and Resources of Longkou, Yantai , China Abstract: Background, aim, and scope The problem of water and soil loss in China was serious, and it was increasingly serious in Shandong Province in recent years. Rainfall erosivity is one of the driving force of this ecological issue while precipitation is the primary cause of rainfall erosivity, thus the research of precipitation and rainfall erosivity are necessary, which would contribute to comprehensively understand the knowledge

2 268 地球环境学报第 10 卷 about the regional climatic change and the water resources utilization situation. This paper wrote with the study area of the three topographic regions (Jiaodong Peninsula Hilly Area (JDPHA), Luzhongnan Mountainous Area (LZNMA), and Luxibei Plain Area (LXBPA)) in Shandong Province for investigate the spatial and temporal variations of the precipitation and rainfall erosivity as well as their regional difference under the influence of topography, aim to provide insight into the prevention and control of water and soil loss as well as the protection and restoration of ecological environment. Materials and methods Based on the daily precipitation data of 34 meteorological stations in Shandong Province from 1961 to 2015, the spatio-temporal precipitation and rainfall erosivity variations respectively in Shandong Province and the three topographic regions were analyzed by using the mathematical statistics methods of coefficient of variation, Mann-Kendall test, wavelet analysis and Kriging interpolation. Results The results showed that annual precipitation and rainfall erosivity of Shandong Province fluctuated and declined slightly during the period from 1961 to 2015 with the average annual precipitation of mm and the average rainfall erosivity of MJ mm hm 2 h 1 a 1. The three topographic regions all showed the same fluctuated and slightly declined trends during the 55 years, among which, JDPHA was more obvious with the climate tendency rate of 11.6 mm (10a) 1 and 10.0 MJ mm hm 2 h 1 a 1 in precipitation and rainfall erosivity, respectively. The annual precipitation and rainfall erosivity were concentrated mostly in summer, the sum of precipitation and rainfall erosivity in June to August occupy for 60% and 70% of the year, respectively. The rainfall erosivity had a main period of 25 years. For the spatial characteristics of precipitation and rainfall erosivity, they all decreased gradually from the southeast to the northwest, while the values of the three regions were in the order of LZNMA>JDPHA>LXBPA. The study area should be divided into two parts by the S type boundary line through Fushan, Laiyang, Zibo, and Dingtao weather stations. High precipitation and rainfall erosivity were at the southeast side of the line, while relative low precipitation and rainfall erosivity were at the northwest side of the line. Discussion Influencing factors of the distribution and variations of rainfall erosivity were discussed. Altitude and topography also played an important role in influencing precipitation and rainfall erosivity. High precipitation and rainfall erosivity emerged on the southeast side of hilly areas (JDPHA and LZNMA) due to high moisture, climbing airflow on the windward slope of mountains, derived from the Southeast Asian Monsoon, while relative low precipitation and rainfall erosivity emerged on the northwest side of hilly areas (LXBPA) due to the foehn effect. Statistics showed that the precipitation and rainfall erosivity would increase with the rising of elevation, of which, the stations which altitude higher than 50 m the correlation coefficients of precipitation, rainfall erosivity and elevation all showed the significant level at 0.01, while the stations which lower than 50 m were not so obvious but also showed the positive correlation. Conclusions The annual and monthly variations of the precipitation and rainfall erosivity of the three topographic regions all showed the same trends with Shandong Province during the period from 1961 to 2015, but there are minor differences among each topographic region in the coefficient of variation, DOI: / climate tendency rate and the periodical variations of rainfall erosivity. Shandong Province have been divided into two parts by the S type boundary line that influenced by the altitude and topography, the southeast side had high precipitation and rainfall erosivity whereas the northwest side was quite the opposite. Besides, the higher the altitude the more obvious positive correlation of the precipitation, rainfall erosivity and elevation. Recommendations and perspectives It s necessary to plan and deploy the water and soil conservation with the stress on prevent and control water and soil loss in summer in Shandong Province, especially in JDPHA and LZNMA. The southeast monsoon is the key factor that influence the precipitation and rainfall erosivity, the altitude and topography work too, but in addition, other natural and human factors like temperature, vegetation coverage, soil property, agriculture development, urban expansion also play important roles in the spatial and temporal variations of precipitation and rainfall erosivity, that will be the further research to promote the rational use of regional water resources and accelerate the conservation and restoration of the eco-environment. Key words: rainfall erosivity; spatial and temporal variation; topographic region; Shandong Province

3 第 3 期肖蓓, 等 : 山东省不同地形区降雨侵蚀力时空变化特征 269 降水的时空变化对地表植被分布 土壤水分 径流和蒸发等的变化具有不容忽视的影响 (Qian et al,2006;zhuo et al,2014), 同时也会通过降 水强度 历时以及雨滴动能等要素的差异对不同 性质的下垫面产生不同程度的侵蚀力 ( 王辉等, 2014; 付玉等,2017) 降雨侵蚀力作为表征和量 化降水对土壤侵蚀作用机制和作用强度的指标, 受 控于降雨量 降雨强度 降雨历时 雨滴动能等 多个参数 ( 章文波等,2002a), 是各种土壤侵蚀 模型中的重要因子 准确计算降雨侵蚀力是定量 分析预报区域水土流失的基础环节 ( 殷水清和谢 云,2005) 因此, 掌握降水及降雨侵蚀力的时空 分布和演变特征对于揭示气候变化规律, 科学治理 并有效预防和评估水土流失等一系列环境问题都 具有先决性意义, 国内外已有诸多专家学者利用 不同研究方法对降水与降雨侵蚀力的时空分布 影响因素及其对土壤侵蚀的影响进行了较为全面 系统的研究 ( 刘春利等,2010; 刘斌涛等,2013; de Mello et al,2015;vallebona et al,2015;nanko et al,2016;panagos et al,2016;diodato et al, 2017) 山东省位于我国东部沿海温带季风气候 区, 受季风活动影响强烈, 雨热同期 ( 程方, 2010) 加之省内山地 丘陵广布, 人类活动强 烈, 降低了植被覆盖率, 导致水土流失严重 (Norris et al,2008;silva-sánchez et al,2014) 全省水 土流失面积约 2.7 万平方公里, 占全省总面积的 17.3%, 其中中度侵蚀强度以上的区域占总水土流 失面积的 70%( 杨永峰,2006) 侵蚀面积之广 和强度之大已经严重威胁到山东省的生态环境安 全, 并制约了该地社会经济发展 诸多专家学者曾 对山东省的降水 降雨侵蚀力和土壤侵蚀开展过研 究, 但已有研究多为时间或空间单一尺度, 未统筹 时空尺度及其可能的影响因素进行综合分析 ( 马良 等,2010a,2010b); 且多数研究在时间上均以年 或季节为时间尺度, 空间上以流域或行政区为研究区 ( 姜德娟等,2011; 潘仕梅等,2011; 张爱军等, 2012; 董旭光等,2014; 李胜利等,2016), 而基 于不同地形区和月尺度上开展降水和降雨侵蚀力的 时空变化特征尚未见报道 本文基于山东省内 34 个气象站点的降水日值 数据开展不同地形区降雨侵蚀力的年际 年内 周期及空间差异特征研究, 并就海陆位置 ( 东南 季风作用强度 ) 地形地貌 ( 高程效应 ) 等因素 对其可能产生的影响进行探讨, 旨在为山东省水 土流失定量计算和预防控制奠定理论基础, 同时 为区域水土资源利用与调控及生态环境保护与改 善提供决策支撑 1 研究区概况 山东省位于我国太行山以东沿海地区, 濒临黄海 渤海 ( N( 岛屿达 N), E), 总面积约 15.8 万平方公里, 与冀 豫 皖 苏四省接壤, 又隔黄海 渤海与辽东半岛 朝鲜半岛和日本南部岛屿相望 地属温带季风气候, 雨热同期, 年均降水量 mm, 年均温约 12.5, 夏秋季受东南季风影 响及地形的抬升作用降水集中, 易发生洪涝灾害 ( 潘仕梅等,2011; 钞振华等,2012) 地形以 山地丘陵和平原为主, 西部 北部地势低平, 黄 河三角洲为陆地最低处 ; 中部 南部地区山地众 多, 泰山为全省至高点, 胶东地区则主要以低山 丘陵为主, 故将之划分为鲁西北平原区 (LXBPA) 鲁中南山区 (LZNMA) 和胶东半岛丘陵区 (JDPHA)( 图 1), 分别占全省面积的 34.5% 48.2% 17.3% 2 数据源及研究方法 2.1 数据源 本文气象数据资料来源于中国气象数据网 ( 共涵盖 34 个气象站点, 数据起止时间为 1961 年 1 月 1 日至 2015 年 12 月 31 日 各气象站点的位置 分区等信息如图 1 所 示 DEM 数字高程数据下载于地理空间数据云网 站 ( 空间分辨率为 30 m 2.2 研究方法 降雨侵蚀力的计算方法采用章文波等 (2002b) 提出的降雨侵蚀力 (R 值 ) 计算模型, 该模型以 降水量和侵蚀性降雨量 ( 侵蚀性降雨指日降雨量 12 mm 的降雨 ) 为基础数据, 计算过程如下 : 式中 :R i 表示第 i 个月时段的降雨侵蚀力值 (MJ mm hm 2 h 1 a 1 ),n = 1,2,3,,30, 指某个月时段内的侵蚀性降雨天数,P n 为月时段 内第 n 天的侵蚀性降雨量, 若日降雨总量不足 DOI: /182079

4 270 地球环境学报第 10 卷 12 mm, 则以 0 mm 计算 α 与 β 为模型参数 P y12 为日降雨量 12 mm 的年平均雨量 ( 即一年中侵 蚀性降雨的日雨量多年累加值的平均 ),P d12 为日 降雨量 12 mm 的日平均雨量 ( 即一年中侵蚀性 降雨的日雨量总和与对应日数的比值 ) 公式 (1) 针对降水量及降雨侵蚀力的时空变化特征, 本研究利用 Mann-Kendall 时间序列突变点分 析 (M-K 检验 ) 来检验不同地形区降水量及降 雨侵蚀力在时间序列上的变化趋势和突变状况 (Mann,1945; 姜德娟等,2011), 基于小波分析来反映降雨侵蚀力在不同时间尺度上的周期振荡特征 (Torrence and Compo,1998;Goswami and Chan,1999); 采用 Kriging 空间插值方法研 究降雨侵蚀力的空间分布特征 (Scudiero et al, 2016), 辨析不同地形区降水的时空分异规律 3 结果分析 3.1 不同地形区降水时空变化特征 年, 山东省 (SD) 年降水量变化 DOI: / (3) 日雨量计算模型可直接估算逐年各月时段的降 雨侵蚀力值, 进一步统计分析可获得各站点每年的 降雨侵蚀力或多年平均降雨侵蚀力, 在相关研究中 已得到了较好的验证 ( 刘春利等,2010; 穆兴民等, 2010) 图 1 气象站点分布图 Fig.1 Locations of weather stations 在 mm(1964 年 ) 到 mm(1981 年 ) 之间 ( 图 2), 多年平均降水量为 mm, 总 体呈波动下降趋势, 下降幅度为 8.8 mm (10a) 1 ( 趋势线斜率 ), 未达到显著水平 ( r = 0.10 < 0.27 = α 0.05(55) ), 绝对变化幅度为 mm, 相对变化幅度为 2.52, 变差系数为 0.20, 表明山东 省降水量的年际变化较为平稳 各地形区降水量 差异较大, 多年平均降水量表现为鲁中南山区 (LZNMA)> 胶东半岛丘陵区 (JDPHA)> 鲁西北平原区 (LXBPA), 其值分别为 mm mm mm; 各地形区降水量均呈下降趋势但均不显著, 变差系数在 变化, 表明各地形区降水量空间上存在较大差异, 但年 际变化幅度均较小 ( 图 2)

5 第 3 期肖蓓, 等 : 山东省不同地形区降雨侵蚀力时空变化特征 271 SD: 山东省,JDPHA: 胶东半岛丘陵区,LZNMA: 鲁中南山区,LXBPA: 鲁西北平原区 SD: Shandong Province; JDPHA: Jiaodong Peninsula Hilly Area; LZNMA: Luzhongnan Mountainous Area; LXBPA: Luxibei Plain Area. Mann-Kendall 时间序列突变点分析结果显示 ( 图 3): 全省及各地形区年降水量 UF 值多低于 0 值,UF 与 UB 曲线在 年和 2005 年 前后有相交点, 但各交点绝对值均小于 1.96, 表明 全省及各地形区年降水量的年际变化均呈下降趋势, 但突变特征不显著 总体上,UF 值表现为 胶 图 2 山东省及各地形区降水量年际变化 Fig.2 Annual changes of precipitation of Shandong Province and different topographic regions 东半岛丘陵区 > 山东省 > 鲁中南山区 > 鲁西北平原区 ( UF-JDPHA > UF-SD > UF-LZNMA > UF-LXBPA ), 且除鲁西北平原区外, 其他区域和全省部分年份通过了 0.05 和 0.01 显著水平检验, 表明年降水量的下降显著程度为胶东半岛丘陵区 > 山东省 > 鲁中南山区 > 鲁西北平原区 图 3 山东省及各地形区年降水量 M-K 检验 Fig.3 Mann-Kendall tests of precipitation of Shandong Province and different topographic regions 山东省及各地形区的年内降水表现为 1 7 月递增,7 12 月递减 ( 图 4), 最高值为 7 月份, 最低值为 1 月份, 主要集中在夏季,6 8 月份降水可占全年降水总量的 60% 以上 山东省降水量的空间分布由东南部山区 ( 丘陵区 ) 向西北平原区逐渐降低, 由 mm 降低到 mm, 变化幅度约为 251 mm( 图 5) 650 mm 等降水量线由东北至西南沿福山 莱阳 淄博 定陶等站呈 S 型贯穿全省, 该线东南侧站点位于夏季盛行风 东亚季风的上风向 (Zhou et al,2018), 水汽来源较西北侧更为充足, 降水丰富, 临沂 郯城等气象站的多年平均降水量在 800 mm 以上 ; S 型线西北侧站点降水则较为贫乏, 年降水量不足 550 mm 同时, 受地形抬升作用影响, 山东省降水最丰富的地区位于海拔最高的泰山站, 年均降水量达 mm, 且该站点 DOI: /182079

6 272 地球环境学报第 10 卷 西北部等降水量线密集, 同等空间范围内降水量 减少幅度较其他地区更大, 这可能因东南季风携 带湿润气流受鲁中山地阻挡, 东南迎风面降水多, 西北背风面焚风效应降水少 ( 郭欣等,2017; 王 凌梓等,2018), 西北侧朝阳站年降水量不足 530 mm, 仅占泰山站年降水量的 51% 左右 3.2 降雨侵蚀力时空变化特征 年, 山东省及各地形区降雨侵 蚀力总体呈波动下降趋势 ( 图 6), 全省年降雨 侵蚀力变化在 MJ mm hm 2 h 1 a 1 (2002 年 ) 到 MJ mm hm 2 h 1 a 1 (1964 年 ) 之 间, 平均值为 MJ mm hm 2 h 1 a 1, 绝对 变化幅度为 MJ mm hm 2 h 1 a 1, 相对变 化幅度为 3.5( 高于年降水量的相对变化幅度 ) 从各地形区来看, 年降雨侵蚀力表现为鲁中南山 区 > 胶东半岛丘陵区 > 鲁西北平原区, 分别为 MJ mm hm 2 h 1 a MJ mm hm 2 h 1 a MJ mm hm 2 h 1 a 1, 与各地形区的年降水 DOI: / 量大小排序一致 ; 变差系数分别为 , 表明各地形区的降雨侵蚀力波动幅度表 现为鲁西北平原区 > 胶东半岛丘陵区 > 鲁中南 山区 图 4 山东省各地形区降水量年内分配 Fig.4 Monthly changes of precipitation of Shandong Province and different topographic regions 图 5 山东省多年平均降水量等值线图 Fig.5 Spatial distribution of annual precipitation of Shandong Province

7 第 3 期肖蓓, 等 : 山东省不同地形区降雨侵蚀力时空变化特征 273 图 6 山东省及各地形区降雨侵蚀力年际变化 Fig.6 Annual changes of rainfall erosivity of Shandong Province and different topographic regions 降雨侵蚀力 Mann-Kendall 时间序列突变点分 析结果显示 ( 图 7), 多数年份 UF 值低于 0 值, 表明全省及各地形区降雨侵蚀力呈下降趋势, 但存在较明显的年代差异, 整体呈现由 20 世纪 60 年代向 80 年代显著递减,80 年代后虽有递增趋势, 但未改变总体递减的趋势 各地形区 UF 与 UB 曲线在 1965 年及 2005 年前后存在相交点, 但各交点的绝对值小于 1.96, 表明各地形区降雨侵蚀力的年际变化较为平稳, 不存在显著的突变现象 山东省及各地形区年内降雨侵蚀力均高度集中于夏季 ( 图 8), 全省 胶东半岛丘陵区 鲁中南山区和鲁西北平原区的夏季降雨侵蚀力分别占全年降雨侵蚀力的 72.7 % 70.6 % 72.8 % 和 76.4 %, 表现为鲁西北平原区降雨侵蚀力在全年中的集中程度最高 与降水量 ( 夏季占 59.8 % 以上 ) 的年内分配对比可知 ( 图 4), 降雨侵蚀力的季节集中程度更高 ( 夏季占 70.6 % 以上 ), 且主要集中在 7 8 月份 ( 图 8) 图 7 山东省及各地形区年降雨侵蚀力 M-K 检验 Fig.7 Mann-Kendall test of rainfall erosivity of Shandong Province and different topographic regions 山东省多年平均降雨侵蚀力的空间分布特征与降水量的空间分布特征一致 ( 图 5 图 9), 表现为鲁中南山区东南部和胶东半岛丘陵区东部区域降雨侵蚀力较高, 鲁西北平原区 鲁中南山区北部及胶东半岛丘陵区西北较低 3900 MJ mm hm 2 h 1 a 1 降雨侵蚀力等值线约与 650 mm 等降水量线相对应, 将胶东半岛丘陵区 以福山 莱阳连线分割为东西两部分, 东部沿海区域降雨侵蚀力可达 5000 MJ mm hm 2 h 1 a 1 以上, 西部莱州湾沿岸降雨侵蚀力值在 3000 MJ mm hm 2 h 1 a 1 左右 ; 鲁中南山区降雨侵蚀力值自南向北由 5100 MJ mm hm 2 h 1 a 1 降至 3600 MJ mm hm 2 h 1 a 1 ; 鲁西北平原区降雨侵蚀力值多低于 3600 MJ mm hm 2 h 1 a 1 DOI: /182079

8 274 地球环境学报第 10 卷 3.3 降雨侵蚀力的周期特征 以降雨侵蚀力时间序列距平结果为基础进行 连续 Morlet 小波变换, 分析得到年降雨侵蚀力 变化的多时间尺度结构特征 ( 图 10), 进一步 通过小波方差检验降雨侵蚀力变化的主周期 ( 图 11) 结果显示 : 全省平均降雨侵蚀力频域波动 能量主要集中在 10 年和 25 年左右的尺度上 ( 图 10a), 小波方差同样显示全省降雨侵蚀力序列 存在 年的主周期和 10 年的次周期 ( 图 11a); 胶东半岛丘陵区降雨侵蚀力频域波动能 量主要集中在 10 年 18 年和 25 年左右的尺度上 ( 图 10b), 小波方差验证该区降雨侵蚀力序列存 在 年的主周期和 10 年 18 年两个次周期 ( 图 11b); 鲁中南山区降雨侵蚀力频域波动能量 主要集中在 7 8 年和 年左右的尺度上 ( 图 10c), 通过小波方差验证其存在 24 年的主周期 和 8 年的次周期 ( 图 11c); 鲁西北平原区降雨侵 蚀力频域波动能量主要集中在 5 年 10 年 17 年 和 年的尺度上 ( 图 10d), 小波方差结果 DOI: / 显示在 5 年 10 年 17 年 30 年存在峰值, 但受 限于 32 年的时间序列长度,28 30 年处的波峰 不明显, 表明鲁西北平原区降雨侵蚀力周期显著 性较低 ( 图 11d) 综合全省及各地形区相关结果 显示 : 全省 胶东半岛丘陵区和鲁中南山区的降 雨侵蚀力存在 25 年左右的主周期, 鲁西北平原区 降雨侵蚀力周期性不明显 图 8 山东省及各地形区降雨侵蚀力年内分配特征 Fig.8 Monthly changes of rainfall erosivity of Shandong Province and different topographic regions 图 9 山东省降雨侵蚀力空间分布图 Fig.9 Spatial distribution of annual rainfall erosivity in Shandong Province

9 第 3 期肖蓓, 等 : 山东省不同地形区降雨侵蚀力时空变化特征 275 a: 山东省 ;b: 胶东半岛丘陵区 ;c: 鲁中南山区 ;d: 鲁西北平原区 a: SD; b: JDPHA; c: LZNMA; d: LXBPA. 图 10 山东省及各地形区降雨侵蚀力 Morlet 小波变换实部时频分布 Fig.10 The real distribution of Morlet wavelet coefficient of rainfall erosivityof Shandong Province and different topographic regions 图 11 山东省及各地形区降雨侵蚀力小波方差 Fig.11 Wavelet variance of rainfall erosivity of Shandong Province and different topographic regions DOI: /182079

10 276 地球环境学报第 10 卷 4 讨论 东南季风是影响山东省降水和降雨侵蚀力分布 状况的主要因素 夏季, 随着副热带高压带北移, 欧亚大陆与太平洋气压差异增大, 太平洋海域近地面气压升高, 而亚洲大陆近地面气压低, 风由海洋吹向陆地, 对我国东部地区气候环境产生不同程度的影响 华北地区降水量随季风进退程度而增减, 形成雨热同期的气候特征, 降水集中在夏季 ( 林贤超和徐淑英,1989) 除地理位置( 海陆位置 ) 影响外, 降水时空分布还受海拔和地形的影响 (Haiden and Pistotnik,2009; 郭欣等,2013) 山东省降 DOI: / 水和降雨侵蚀力的空间分布均表现为由东北至西南沿福山 莱阳 淄博 定陶等站 ( 即 650 mm 等降水量线和 3900 MJ mm hm 2 h 1 a 1 等降雨侵蚀力线 ) 形成 S 型分界线, 分界线东南侧降水及降雨侵蚀力较高, 西北侧降水量及降雨侵蚀力较低 ( 图 1 图 12) 该现象主要是受地形抬升和屏障作用影响, 东南季风携带湿润气流受胶东半岛丘陵及鲁中山地阻挡, 东南侧迎风面降水多且降雨强度高, 西北背风面焚风效应致使降水少且降雨强度低, 致使东北 西南向延伸的降水量等值线和降雨侵蚀力等值线均在鲁中南山区形成 凸 向西北方向的 S 型曲线 图 12 山东省高程 降水与降雨侵蚀力空间分布图 Fig.12 Spatial distribution of elevation, precipitation and rainfall erosivity in Shandong Province 相关分析进而证实了这一假设 ( 表 1), 以海拔高度 50 m 为分界线 ( 山东省海拔高度 50 m 及以上地区占全省总面积的 45%, 气象站点涵盖率为 15/34;50 m 以下地区占 55%, 气象站点涵盖率为 19/34), 海拔高度 50 m 及以上地区的降水量 降雨侵蚀力均与高程呈正相关, 降水量的高程效应表现为 0.22 mm m 1, 降雨侵蚀力的高程效应表现为 2.23 MJ mm hm 1 h 1 a 1 m 1, 且相关性均极为显著 ( r >0.78>0.61 = α 0.01(15) ), 即随高程的上升降水量和降雨侵蚀力增加明显 ; 而海拔高度 50 m 以

11 第 3 期肖蓓, 等 : 山东省不同地形区降雨侵蚀力时空变化特征 277 下的地区高程对降水和降雨侵蚀力的作用力弱, 影 响较小, 相关性检验未达到显著水平 ( r 0.21< 0.43 = α 0.05(19) ) 此外, 由于气象站点空间分布不均 且不同地形区地势隆升幅度存在较大差异, 高程对 降水和降雨侵蚀力的具体影响程度存在一定的地域 高程 Elevation / m 差异 ( 叶芝菡等,2003); 再者, 由于山东省海拔 高度 50 m 以下地区占全省面积比重较大, 而高程效 应在海拔较低且地势起伏相对平缓的地区适用性较 差, 因此鲁西北平原区等海拔较低的平原低地区域 的高程效应对降水和降雨侵蚀力的作用不典型 表 1 降水量 降雨侵蚀力与高程的关系 Tab.1 Relationships among precipitation, rainfall erosivity and elevation 降雨侵蚀力与降水量 Rainfall erosivity and precipitation 线性方程 Linear equation 相关系数 Correlation coefficient 降水与高程 Precipitation and elevation 线性方程 Linear equation 相关系数 Correlation coefficient 降雨侵蚀力与高程 Rainfall erosivity and elevation 线性方程 Linear equation 相关系数 Correlation coefficient <50 y = x ** y = x y = x y = x ** y = x ** y = x ** 全省 SD y = x ** y = x ** y = x ** 注 :** 表示相关性在 0.01 显著水平上 ( 双尾检验 ) Annotation: Correlation at the 0.01 significant level. 本研究获取的山东省多年平均降雨侵蚀力为 MJ mm hm 2 h 1 a 1, 与刘斌涛等 (2013) 和马良等 (2010a,2010b) 所得山东省降雨侵蚀 力均值非常接近 ; 在多年的变化趋势和空间分布 特征上, 与刘斌涛等研究结果相一致, 但与马良 等研究结果存在一定的差异性, 这主要是由于不 同研究所采用的降水数据序列长度 ( 刘斌涛等 研究时段为 年, 马良等研究时段为 年, 本研究时段为 年 ) 及选取气象站点的空间覆盖度 ( 马良等选用 22 个 气象站点, 本研究选用 34 个气象站点 ) 存在差异 所造成的 通过分析发现 : 山东省降水及降雨侵蚀 力时空变化受海陆位置 地形地貌 气候因素等 影响差异较为显著 空间上, 山东省降雨侵蚀力空间分布以 S 形分界线呈现山区 > 丘陵区 > 平原区的变化趋势, 且呈现由东南向西北递减的变 化特征, 这与全国范围 ( 刘斌涛等,2013) 松 花江流域 ( 钟科元和郑粉莉,2017) 黄土高原 地区 ( 殷水清和谢云,2005; 穆兴民等,2010) 及四川省 ( 王超,2017) 的降雨侵蚀力空间分布 特征类似, 同时与北京市 ( 叶芝菡等,2003) 和 西南山区 ( 刘斌涛等,2012) 等区域降雨侵蚀力 一样存在高程效应, 其主要原因是山脉对东南湿 润气流的阻挡作用会增加迎风坡降水及降雨侵蚀 力强度, 同时海拔高度的上升也会对降雨侵蚀力 增加起到放大效应 ( 叶芝菡等,2003; 穆兴民等, 2010; 刘斌涛等,2012; 王超,2017; 钟科元和 郑粉莉,2017) 5 结论 (1) 年, 山东省降水和降雨侵 蚀力均呈波动下降趋势, 年内分配均集中于夏季 各地形区年际和年内变化特征与全省类似, 多年平 均降水和降雨侵蚀力表现为鲁中南山区 > 胶东半 岛丘陵区 > 鲁西北平原区, 年内降水和降雨侵蚀力 集中程度表现为鲁西北平原区 > 鲁中南山区 > 胶东半岛丘陵区 空间上, 降水和降雨侵蚀力分别以 650 mm 等降水量线和 3900 MJ mm hm 2 h 1 a 1 等降雨侵蚀力线呈 S 形贯穿全省, S 线东 南侧降水丰富, 降雨侵蚀力高, 西北侧反之 (2) 各地形区降雨侵蚀力周期特征略有差异, 全省 胶东半岛丘陵区和鲁中南山区的降雨侵蚀力存在 25 年左右的主周期和 10 年左右的次周期, 鲁西北平原区降雨侵蚀力周期性不明显 (3) 海拔和地形对降水和降雨侵蚀力的影 响主要表现为地形抬升对湿润气流的阻挡作用, DOI: /182079

12 278 地球环境学报第 10 卷 S 线东南侧地区受山地丘陵对水汽的拦截作用 影响, 降水多且降雨强度高, 西北侧则因焚风效 应致使降水少且降雨强度低, 因此胶东半岛丘陵 区及鲁中南山地区应重点加强水土保持工作, 尤 其是夏秋季 参考文献 钞振华, 张培栋, 袁赛帅 山东省 MODIS 遥感植 被指数时空变化研究 [J]. 生态环境学报, 21(10): [Chao Z H, Zhang P D, Yuan S S Temporal and spatial variation of MODIS vegetation index for Shandong Province [J]. Ecology and Environmental Sciences, 21(10): ] 程方 清代山东农业发展与民生研究 [D]. 天津 : 南开大学. [Cheng F Research on agricultural development and livelihood of Shandong Province in Qing Dynasty [D]. Tianjin: Nankai University.] 董旭光, 顾伟宗, 孟祥新, 等 山东省近 50 年来降水 付 事件变化特征 [J]. 地理学报, 69(5): [Dong X G, Gu W Z, Meng X X, et al Change features of precipitation events in Shandong Province from 1961 to 2010 [J]. Acta Geographica Sinica, 69(5): ] 玉, 李光录, 郑腾辉, 等 雨滴击溅对耕作层土 壤团聚体粒径分布的影响 [J]. 农业工程学报, 33(3): [Fu Y, Li G L, Zheng T H, et al Effects of raindrop splash on aggregate particle size distribution of soil plough layer [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 33(3): ] 郭欣, 郭学良, 付丹红, 等 钟形地形动力抬升和重 力波传播与地形云和降水形成关系研究 [J]. 大气科学, 37(4): [Guo X, Guo X L, Fu D H, et al Relationship between bell-shaped terrain dynamic forcing, mountain wave propagation, and orographic clouds and precipitation [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences, 37(4): ] 郭欣, 郭学良, 付丹红 云凝结核浓度对不同弗罗德数下形成的地形云和降水的影响 [J]. 气象学 报, 75(2): [Guo X, Guo X L, Fu D H Effects of CCN concentration on orographic clouds and precipitation formed with different Froude numbers [J]. Acta Meteorologica Sinica, 75(2): ] 姜德娟, 李志, 王昆 年山东省 极端降水事件的变化趋势分析 [J]. 地理科学, 31(9): [Jiang D J, Li Z, Wang K Trends of DOI: / extreme precipitation events over Shandong Province from 1961 to 2008 [J]. Scientia Geographica Sinica, 31(9): ] 李胜利, 巩在武, 石振彬 近 50 年来山东省极端降水 指数变化特征分析 [J]. 水土保持研究, 23(4): [Li S L, Gong Z W, Shi Z B Characteristics of change in extreme precipitation indices in Shandong Province in recent 50 years [J]. Research of Soil and Water Conservation, 23(4): ] 林贤超, 徐淑英 东亚季风强弱变化及其对初夏我国 东部地区降水的影响 [J]. 地理研究, 8(2): [Lin X C, Xu S Y The variation of summer monsoon systems and its effect on the precipitation in the early summer in east China [J]. Geographical Research, 8(2): ] 刘斌涛, 陶和平, 宋春风, 等 我国西南山区降雨 侵蚀力时空变化趋势研究 [J]. 地球科学进展, 27(5): [Liu B T, Tao H P, Song C F, et al Temporal and spatial variations of rainfall erosivity in southwest China from 1960 to 2009 [J]. Advances in Earth Science, 27(5): ] 刘斌涛, 陶和平, 宋春风, 等 年中国 降雨侵蚀力的时空变化趋势 [J]. 地理研究, 32(2): [Liu B T, Tao H P, Song C F, et al Temporal and spatial variations of rainfall erosivity in China during 1960 to 2009 [J]. Geographical Research, 32(2): ] 刘春利, 杨勤科, 谢红霞 延河流域降雨侵蚀力时空 分布特征 [J]. 环境科学, 31(4): [Liu C L, Yang Q K, Xie H X Spatial and temporal distributions of rainfall erosivity in the Yanhe River Basin [J]. Environmental Science, 31(4): ] 马良, 左长清, 孙勐, 等. 2010a. 山东省降雨侵蚀力空间分布特征及简易方程的研究 [J]. 水土保持研究, 17(2): [Ma L, Zuo C Q, Sun M, et al Spatial characteristics and simplified empirical models of annual rainfall erosivity in Shandong Province [J]. Research of Soil and Water Conservation, 17(2): ] 马良, 左长清, 尹忠东, 等. 2010b. 山东省降雨侵蚀力多年变化特征分析 [J]. 中国水土保持科学, 8(4): [Ma L, Zuo C Q, Yin Z D, et al Analysis on variation characteristics of the rainfall erosivity during last 58 years in Shandong Province [J]. Science of Soil and

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