1961～2021年舟山群島年降水序列變化趨勢及突變分析

龔浩哲，侯 婷

(1.浙江省舟山市定海區(qū)水利局，浙江 舟山 316001； 2.浙江省舟山市水利局，浙江 舟山 316000)

0 引 言

水文循環(huán)是地球上最重要的物質循環(huán)之一，它通過降水、地表徑流、入滲、地下徑流、蒸發(fā)和植物蒸騰等各個環(huán)節(jié)，將大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈相互聯(lián)系起來。根據IPCC第五次評估報告，全球氣候變暖加速了水文循環(huán)，降水規(guī)律也發(fā)生了明顯的改變[1]。舟山市是中國第一個以群島建制的地級市，與大陸分離，無過境客水，水資源全靠降水補給，全市人均水資源僅為671 m3，為全國人均的1/3左右，屬于資源性缺水地區(qū)。目前，全市基本形成了本地水、大陸引水、海水淡化的多源供水水資源配置格局。近年來，隨著國家級新區(qū)、自由貿易試驗區(qū)等一系列重要戰(zhàn)略的實施，水資源供需矛盾日益突出。目前，已有學者關注舟山群島的水資源短缺問題，從水資源配置的角度對多源供水進行了分析[2-4]，但是針對水資源特征的研究相對較少且年代較遠[5-6]。同時，欠缺從空間維度上對群島降水變化特征的研究。在全球氣候變化的背景下，近年來該區(qū)域實測年降水量屢破歷史極值，水資源特性已發(fā)生了新的變化，研究舟山群島降水序列變化趨勢及突變情況，對當地水資源開發(fā)利用和管理調度具有重要意義。

1 研究區(qū)概況及數據資料

舟山群島地處中國東南沿海的長江口南側、杭州灣外緣的東海上，全市下轄定海、普陀兩區(qū)和岱山、嵊泗兩縣，區(qū)域總面積2.22萬km2，其中，海域面積2.08萬km2、陸域面積1 458.76 km2，大小島嶼共2 085個[7]。根據第七次人口普查，2020年末全市常住人口為115.78萬人。舟山群島屬于北亞熱帶南緣季風海洋性氣候，多年平均氣溫15.4～17.6 ℃，多年平均降水量為1 296.9 mm，多年平均水面蒸發(fā)量800～900 mm，四季分明，溫暖濕潤，光照充足，具有春季多海霧，夏秋多臺風，易干旱內澇的氣候特點。本文選取了舟山群島中面積較大、居住人口較多的重點島嶼進行分析，分別為舟山島、金塘島、六橫島、岱山島、衢山島、泗礁島，各島嶼位置分布如圖1所示，具體信息見表1。

舟山群島的水文測站不多，考慮測站在地區(qū)上的代表性及設站時間，本次研究選取了金塘、大沙、定海(虹橋)等9個站點，測站位置、具體信息見圖1和表1。本次研究，降水序列的起止時間選為1961～2021年，9個站點中，定海(虹橋)、六橫、岱山、衢山有完整的降水序列。選擇定海(虹橋)為參證站，建立年降水量相關關系對金塘、大沙、長春嶺、沈家門的降水數據進行插補延長。嵊泗站由于設站時間較晚、孤懸大海，與其他站點距離較遠、年降水相關性不強，暫未找到合適的參證站進行數據延長。但是嵊泗氣象站的設站時間較早，可追溯至1952年，因此，泗礁島采用嵊泗氣象站的年降水量進行研究，數據來源于國家氣象科學數據中心。舟山島的面積較其他島嶼大，島上有大沙等4個水文測站，面雨量采用泰森多邊形法計算。

圖1 研究區(qū)域及水文測站分布

表1 各島嶼及水文測站基本信息

2 研究方法

2.1 去趨勢預置白Mann-Kendall檢驗法

Mann-Kendall檢驗法是由Mann[8]和 Kendal[9]提出的一種用于時間序列的非參數趨勢檢驗方法，在水文統(tǒng)計領域應用較為廣泛[10]。對任意待檢序列Xt(t=1，2，…，n)，可定義統(tǒng)計量

(1)

式中：當xj>xi時，sgn(xj-xi)為1；當xj=xi時，sgn(xj-xi)為0；當xj

構造標準化的檢驗統(tǒng)計量

(2)

Z服從標準正態(tài)分布，當Z>0時，存在上升的趨勢；當Z<0時，存在下降的趨勢。在α顯著水平下，如果|Z|≥Z1-α/2，說明序列存在顯著向上或向下的趨勢。本文中α取0.05，對應的Z1-α/2為 1.96。

Mann-Kendall檢驗法雖然有非參數檢驗的優(yōu)勢，但未能解決水文統(tǒng)計檢驗中要求的數據獨立問題，如果原始序列存在自相關性，會顯著放大序列的趨勢[11]。為消除原始序列中自相關帶來的影響，很多學者對Mann-Kendall檢驗法提出了改進措施，其中，以TFPW法為代表的前置移除法，近年來受到國內外學者的廣泛應用[12-14]，具體步驟如下：

(2) 去除趨勢項Tt，形成不含趨勢項的序列Yt，Yt=Xt-Tt=Xt-βt，Tt為趨勢項；

2.2 Pettitt法突變檢驗

本文采用Pettitt方法檢測研究區(qū)域降水量長時間序列中的突變現象。Pettitt法是一種非參數檢驗方法，不僅可以進行突變分析獲得突變點，還能量化突變點在統(tǒng)計意義上的顯著水平[15]。定義統(tǒng)計量Ut，n，計算公式如下[16]：

(3)

若存在t時刻滿足k(t)=Max|Ut，n|，則t點處為突變點，同時計算統(tǒng)計量

P=2exp{-6k(t)2/(n3+n2)}

(4)

如果P≤0.5，則認為檢測出的突變點在統(tǒng)計意義上是顯著的。

3 結果與分析

3.1 降水趨勢分析

研究區(qū)域1961～2021年降水序列線性趨勢如圖2所示。從圖2可以看出，各島嶼的降水量年際變化均比較大、波動均較為明顯，年降水量整體上均呈增長趨勢，其中，舟山島年降水量平均增長速率為8.86 mm/a、金塘島為5.24 mm/a、六橫島為5.15 mm/a、岱山島為7.59 mm/a、衢山島為5.73 mm/a、泗礁島為5.70 mm/a。

研究時段內，各島嶼的年降水量變化范圍、多年平均降水量、最大年降水量及年份、最小年降水量及年份、極值比等見表2。對于多年平均降水量，金塘島和舟山島處于第一梯隊(1 400 mm以上)、六橫島處于第二梯隊(1 367.1 mm)、岱山島處于第三梯隊(1 241.2mm)、衢山島和嵊泗島處于第四梯隊(1 200 mm以下)。島嶼間多年平均降水量分布總體上呈現出自西向東、自南向北遞減的規(guī)律，這與當地氣候條件一致。舟山群島的降水水汽主要由西南大陸和東南沿海方向補給，形成降水的天氣系統(tǒng)主要是從西面大陸影響過來的偏西氣流、在夏秋季從東南沿海移動來的偏東氣流、臺風、東風波等，降水主要是氣旋雨和臺風雨[6]。

由表2各區(qū)域年降水量極值和出現年份等統(tǒng)計可知，各島嶼最小年降水量基本上集中在1967年，2003年也有出現，這是因為舟山1967年發(fā)生了特大干旱，2003年也是繼1976年后旱情最為嚴重的一年。4個島嶼最大年降水量發(fā)生在2021年，這是因為海島地區(qū)降水量受臺風影響大，2021年 “煙花”臺風和“燦都”臺風正面影響舟山，帶來了十分充沛的降水量，其中“煙花”臺風在舟山登陸，全市面雨量達到了326.0 mm。從研究區(qū)域各島嶼年降水極值比可知，舟山群島地區(qū)降水年際變化較大，需引起相關部門的重視。

圖2 各島嶼年降水量及線性趨勢

采用TFPW-MK檢驗法對各島嶼的年降水序列進行趨勢分析，結果如圖3所示。從圖3可知：① 除金塘島外，其他島嶼年降水量自20世紀70年代開始均表現出了增長的趨勢，金塘島的年降水量從1997年開始表現出增長趨勢；② 在0.05顯著水平下，舟山島降水量自1981年明顯增多，金塘島為2019年、六橫島為1985～2002年、岱山島為1993～2002年和2014～2021年、衢山島為1983～2021年、泗礁島為1992～2021年；③ 島嶼之間降水序列變化趨勢的比較表明，舟山島變化趨勢最顯著，而金塘島最不顯著，岱山島、衢山島和泗礁島的趨勢變化較為相似；④ 除金塘島外，其他島嶼在1993～2002年間的降水量均表現出了顯著的增長趨勢。統(tǒng)計各島嶼1993～2002年期間的降水量，并與多年平均降水量進行對比，情況如下：舟山島為1 554.3 mm，較多年平均降水量高出10.9%；金塘島為1 501.0 mm，較多年平均降水量高出6.8%；六橫島為1 496.2 mm，較多年平均降水量高出9.4%；岱山島為1 333.1 mm，較多年平均降水量高出7.4%；衢山島為1 292.0 mm，較多年平均降水量高出12.3%；泗礁島為1 244.5 mm，較多年平均降水量高出15.8%。這表明：衢山島和泗礁島的增長趨勢最為明顯。

表2 各島嶼年降水序列特征值

3.2 降水突變分析

采用Pettitt法進行突變檢驗，圖4為各島嶼統(tǒng)計量Ut，n隨著時間變化的曲線。表3為各島嶼年降水序列突變時間、統(tǒng)計量P、突變點前后兩個時段的平均降水量等。Pettitt法檢驗出的各島嶼降水序列突變點，統(tǒng)計量P均小于0.05，這說明檢驗出的突變點在統(tǒng)計意義上是顯著的。舟山島與六橫島的突變點一致，為1972年；岱山島、衢山島、泗礁島的突變點一致，為1988年；金塘島的突變點為1996年。從表3可以看出，所有島嶼突變后的多年平均年降水量均比突變前有所增加，其中增幅最大的是舟山島，年平均降水量由1 013.3 mm增長到1 495.7 mm，增幅為47.6%；增幅最小的是金塘島，年平均降水量由1 327.4 mm增長到1 525.9 mm，增幅為15%。這一規(guī)律與TFPW-MK檢驗法對降水序列趨勢檢驗的結果一致，舟山島的增長趨勢最顯著、金塘島的增長趨勢最不顯著。

圖3 各島嶼年降水序列TFPW-MK趨勢檢驗

圖4 各島嶼年降水序列Pettitt突變檢驗

表3 各島嶼年降水序列突變分析結果

4 結 論

(1) 研究時段內，舟山群島各島嶼的年降水量整體上均呈增長趨勢，多年平均降水量空間分布總體上呈現出自西向東、自南向北遞減的規(guī)律，金塘島和舟山島降水最豐沛、六橫島次之、岱山島再次之、衢山島和嵊泗島降水最少，這與舟山群島的降水水汽主要由西南大陸和東南沿海方向補給的氣象特性相吻合。各島嶼年降水極值比較大，降水年際變化比較明顯，需引起相關部門的重視。

(2) 采用TFPW-MK檢驗法對各島嶼的年降水序列進行趨勢分析，各島嶼均明顯呈現枯-豐兩個變化階段，且變化趨勢明顯。金塘島的年降水量從1997年開始表現出增長趨勢，其他島嶼則自20世紀70年代開始均已表現出了增長趨勢。舟山島降水序列變化趨勢最顯著，金塘島最不顯著，岱山島、衢山島和泗礁島的趨勢變化較為相似。除金塘島外，其他島嶼在1993～2002年間的降水量均表現出了顯著的增長趨勢，將金塘島計算在內，該時間段內各島嶼的降水量較多年平均降水量分別高出10.9%，6.8%，9.4%，7.4%，12.3%和15.8%。與大陸距離的遠近是各島嶼間降水量區(qū)別的主要影響因素之一。考慮到研究區(qū)域為海洋島嶼，年降水變化主要受自然氣候條件影響，這也印證了在全球變暖的大背景下，年降水量確實受到了顯著影響。

(3) 采用Pettitt法進行突變檢驗，各島嶼均檢驗出了顯著的突變點，舟山島與六橫島的突變點為1972年，岱山島、衢山島、泗礁島的突變點均為1988年，金塘島的突變點為1996年。所有島嶼突變后的多年平均年降水量均比突變前有所增加，其中增幅最大的是舟山島，增幅為47.6%；增幅最小的是金塘島，增幅為15%。