基于日气象数据的降雨侵蚀力时空变化分析的解决方案

1.引言

    降雨侵蚀力是水土流失最为重要的外部驱动力，是土壤侵蚀相关领域的研究重点，分析降雨侵蚀力的时空变化特征，准确评估降雨对水土流失的潜在作用，对定量预报区域水土流失现状、农业面源污染状况及制定相应的控制措施、优化区域生态环境等具有重大意义。

    本方案采用基于日降雨量的月降雨侵蚀力模型对沂蒙山区的降雨侵蚀力的时空变化做出分析。具体技术路线如图 1 所示，主要包括三部分内容：（1）数据准备：气象台站日数据，主要包括台站经度、纬度、海拔、日降雨量、温度等； （2）模型运行及验证；（3）模拟结果分析，并给出结果报告。

图 1 沂蒙山区 1971－2008 年降雨侵蚀力空间分布获取技术路线

2.模型

    本研究采用杨轩等人在 2010 年建立的利用日降雨量计算月降雨侵蚀力的复合因子模型(杨轩,  梁音,  方继青等．基于日降雨信息的月降雨侵蚀力模型  [J] ．土壤学报, 2010, 47(2): 216- 222.)。该模型提出了侵蚀性降雨量(P_mer)、侵蚀性降雨日数(D_mer)和极端降雨量(Z_m， Z_3m)等新的指标，很好地将降雨强度信息反映在模型当中。其表达式如下：

3.数据准备

    模型输入数据包括气象台站插值数据经度，纬度，海拔，温度，以及日降雨数据。以沂蒙山区及周边 38 个气象台站（其中 8 个国家级台站，30 个省级台站）1971- 2008 年逐日降雨量资料为数据源，利用基于日降雨信息的月降雨侵蚀力模型，估算了研究区多年月、年降雨侵蚀力，并初步分析了降雨侵蚀力的时空分布规律。

    a)  日降雨数据处理

    借助编程语言 Fortran 检查日降雨源数据。对于缺测较多的台站，我们予以剔除；对于较少缺测或较为异常的值，我们通过邻近求平均的方法将缺测或异常值替换。经过处理后的沂蒙山区 1971- 2008年日降雨数据满足研究需要。

    b)  基于空间插值的气象数据

    气象数据（经度，纬度，海拔，日降雨量，温度等）以 1971- 2008 年每日的沂蒙山区气象台站观测数据进行空间内插得到，空间分辨率为 1km 网格（空间分辨率按项目需求），时间分辨率为 1d。使用的插值软件是由澳大利亚国立大学 Hutchinson 教授开发的 ANUSPLIN4.36，插值过程中主要考虑经纬度及高程信息。该方法对气象数据的插值效果要明显优于其他方法。

4.模拟和结果分析

    用 1971- 2008 年日降雨资料通过基于日降雨的月降雨侵蚀力模型计算得出的月降雨侵蚀力进行结果分析。主要用于分析：

    a)  1971－2008 年沂蒙山区降雨量与降雨侵蚀力的空间分布状况；

    b)  1971－2008 年沂蒙山区降雨量与降雨侵蚀力的年际变化；

    c)  1971－2008 年沂蒙山区降雨量与降雨侵蚀力的年内变化。

图 2 研究区位置

图 3 沂蒙山区降水量及降雨侵蚀力空间分布图