1961～2021年舟山群岛年降水序列变化趋势及突变分析

龚浩哲，侯 婷

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

0 引 言

水文循环是地球上最重要的物质循环之一，它通过降水、地表径流、入渗、地下径流、蒸发和植物蒸腾等各个环节，将大气圈、水圈、岩石圈和生物圈相互联系起来。根据IPCC第五次评估报告，全球气候变暖加速了水文循环，降水规律也发生了明显的改变[1]。舟山市是中国第一个以群岛建制的地级市，与大陆分离，无过境客水，水资源全靠降水补给，全市人均水资源仅为671 m3，为全国人均的1/3左右，属于资源性缺水地区。目前，全市基本形成了本地水、大陆引水、海水淡化的多源供水水资源配置格局。近年来，随着国家级新区、自由贸易试验区等一系列重要战略的实施，水资源供需矛盾日益突出。目前，已有学者关注舟山群岛的水资源短缺问题，从水资源配置的角度对多源供水进行了分析[2-4]，但是针对水资源特征的研究相对较少且年代较远[5-6]。同时，欠缺从空间维度上对群岛降水变化特征的研究。在全球气候变化的背景下，近年来该区域实测年降水量屡破历史极值，水资源特性已发生了新的变化，研究舟山群岛降水序列变化趋势及突变情况，对当地水资源开发利用和管理调度具有重要意义。

1 研究区概况及数据资料

舟山群岛地处中国东南沿海的长江口南侧、杭州湾外缘的东海上，全市下辖定海、普陀两区和岱山、嵊泗两县，区域总面积2.22万km2，其中，海域面积2.08万km2、陆域面积1 458.76 km2，大小岛屿共2 085个[7]。根据第七次人口普查，2020年末全市常住人口为115.78万人。舟山群岛属于北亚热带南缘季风海洋性气候，多年平均气温15.4～17.6 ℃，多年平均降水量为1 296.9 mm，多年平均水面蒸发量800～900 mm，四季分明，温暖湿润，光照充足，具有春季多海雾，夏秋多台风，易干旱内涝的气候特点。本文选取了舟山群岛中面积较大、居住人口较多的重点岛屿进行分析，分别为舟山岛、金塘岛、六横岛、岱山岛、衢山岛、泗礁岛，各岛屿位置分布如图1所示，具体信息见表1。

舟山群岛的水文测站不多，考虑测站在地区上的代表性及设站时间，本次研究选取了金塘、大沙、定海(虹桥)等9个站点，测站位置、具体信息见图1和表1。本次研究，降水序列的起止时间选为1961～2021年，9个站点中，定海(虹桥)、六横、岱山、衢山有完整的降水序列。选择定海(虹桥)为参证站，建立年降水量相关关系对金塘、大沙、长春岭、沈家门的降水数据进行插补延长。嵊泗站由于设站时间较晚、孤悬大海，与其他站点距离较远、年降水相关性不强，暂未找到合适的参证站进行数据延长。但是嵊泗气象站的设站时间较早，可追溯至1952年，因此，泗礁岛采用嵊泗气象站的年降水量进行研究，数据来源于国家气象科学数据中心。舟山岛的面积较其他岛屿大，岛上有大沙等4个水文测站，面雨量采用泰森多边形法计算。

图1 研究区域及水文测站分布

表1 各岛屿及水文测站基本信息

2 研究方法

2.1 去趋势预置白Mann-Kendall检验法

Mann-Kendall检验法是由Mann[8]和 Kendal[9]提出的一种用于时间序列的非参数趋势检验方法，在水文统计领域应用较为广泛[10]。对任意待检序列Xt(t=1，2，…，n)，可定义统计量

(1)

式中：当xj>xi时，sgn(xj-xi)为1；当xj=xi时，sgn(xj-xi)为0；当xj

构造标准化的检验统计量

(2)

Z服从标准正态分布，当Z>0时，存在上升的趋势；当Z<0时，存在下降的趋势。在α显著水平下，如果|Z|≥Z1-α/2，说明序列存在显著向上或向下的趋势。本文中α取0.05，对应的Z1-α/2为 1.96。

Mann-Kendall检验法虽然有非参数检验的优势，但未能解决水文统计检验中要求的数据独立问题，如果原始序列存在自相关性，会显著放大序列的趋势[11]。为消除原始序列中自相关带来的影响，很多学者对Mann-Kendall检验法提出了改进措施，其中，以TFPW法为代表的前置移除法，近年来受到国内外学者的广泛应用[12-14]，具体步骤如下：

(2) 去除趋势项Tt，形成不含趋势项的序列Yt，Yt=Xt-Tt=Xt-βt，Tt为趋势项；

2.2 Pettitt法突变检验

本文采用Pettitt方法检测研究区域降水量长时间序列中的突变现象。Pettitt法是一种非参数检验方法，不仅可以进行突变分析获得突变点，还能量化突变点在统计意义上的显著水平[15]。定义统计量Ut，n，计算公式如下[16]：

(3)

若存在t时刻满足k(t)=Max|Ut，n|，则t点处为突变点，同时计算统计量

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

(4)

如果P≤0.5，则认为检测出的突变点在统计意义上是显著的。

3 结果与分析

3.1 降水趋势分析

研究区域1961～2021年降水序列线性趋势如图2所示。从图2可以看出，各岛屿的降水量年际变化均比较大、波动均较为明显，年降水量整体上均呈增长趋势，其中，舟山岛年降水量平均增长速率为8.86 mm/a、金塘岛为5.24 mm/a、六横岛为5.15 mm/a、岱山岛为7.59 mm/a、衢山岛为5.73 mm/a、泗礁岛为5.70 mm/a。

研究时段内，各岛屿的年降水量变化范围、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、极值比等见表2。对于多年平均降水量，金塘岛和舟山岛处于第一梯队(1 400 mm以上)、六横岛处于第二梯队(1 367.1 mm)、岱山岛处于第三梯队(1 241.2mm)、衢山岛和嵊泗岛处于第四梯队(1 200 mm以下)。岛屿间多年平均降水量分布总体上呈现出自西向东、自南向北递减的规律，这与当地气候条件一致。舟山群岛的降水水汽主要由西南大陆和东南沿海方向补给，形成降水的天气系统主要是从西面大陆影响过来的偏西气流、在夏秋季从东南沿海移动来的偏东气流、台风、东风波等，降水主要是气旋雨和台风雨[6]。

由表2各区域年降水量极值和出现年份等统计可知，各岛屿最小年降水量基本上集中在1967年，2003年也有出现，这是因为舟山1967年发生了特大干旱，2003年也是继1976年后旱情最为严重的一年。4个岛屿最大年降水量发生在2021年，这是因为海岛地区降水量受台风影响大，2021年 “烟花”台风和“灿都”台风正面影响舟山，带来了十分充沛的降水量，其中“烟花”台风在舟山登陆，全市面雨量达到了326.0 mm。从研究区域各岛屿年降水极值比可知，舟山群岛地区降水年际变化较大，需引起相关部门的重视。

图2 各岛屿年降水量及线性趋势

采用TFPW-MK检验法对各岛屿的年降水序列进行趋势分析，结果如图3所示。从图3可知：① 除金塘岛外，其他岛屿年降水量自20世纪70年代开始均表现出了增长的趋势，金塘岛的年降水量从1997年开始表现出增长趋势；② 在0.05显著水平下，舟山岛降水量自1981年明显增多，金塘岛为2019年、六横岛为1985～2002年、岱山岛为1993～2002年和2014～2021年、衢山岛为1983～2021年、泗礁岛为1992～2021年；③ 岛屿之间降水序列变化趋势的比较表明，舟山岛变化趋势最显著，而金塘岛最不显著，岱山岛、衢山岛和泗礁岛的趋势变化较为相似；④ 除金塘岛外，其他岛屿在1993～2002年间的降水量均表现出了显著的增长趋势。统计各岛屿1993～2002年期间的降水量，并与多年平均降水量进行对比，情况如下：舟山岛为1 554.3 mm，较多年平均降水量高出10.9%；金塘岛为1 501.0 mm，较多年平均降水量高出6.8%；六横岛为1 496.2 mm，较多年平均降水量高出9.4%；岱山岛为1 333.1 mm，较多年平均降水量高出7.4%；衢山岛为1 292.0 mm，较多年平均降水量高出12.3%；泗礁岛为1 244.5 mm，较多年平均降水量高出15.8%。这表明：衢山岛和泗礁岛的增长趋势最为明显。

表2 各岛屿年降水序列特征值

3.2 降水突变分析

采用Pettitt法进行突变检验，图4为各岛屿统计量Ut，n随着时间变化的曲线。表3为各岛屿年降水序列突变时间、统计量P、突变点前后两个时段的平均降水量等。Pettitt法检验出的各岛屿降水序列突变点，统计量P均小于0.05，这说明检验出的突变点在统计意义上是显著的。舟山岛与六横岛的突变点一致，为1972年；岱山岛、衢山岛、泗礁岛的突变点一致，为1988年；金塘岛的突变点为1996年。从表3可以看出，所有岛屿突变后的多年平均年降水量均比突变前有所增加，其中增幅最大的是舟山岛，年平均降水量由1 013.3 mm增长到1 495.7 mm，增幅为47.6%；增幅最小的是金塘岛，年平均降水量由1 327.4 mm增长到1 525.9 mm，增幅为15%。这一规律与TFPW-MK检验法对降水序列趋势检验的结果一致，舟山岛的增长趋势最显著、金塘岛的增长趋势最不显著。

图3 各岛屿年降水序列TFPW-MK趋势检验

图4 各岛屿年降水序列Pettitt突变检验

表3 各岛屿年降水序列突变分析结果

4 结 论

(1) 研究时段内，舟山群岛各岛屿的年降水量整体上均呈增长趋势，多年平均降水量空间分布总体上呈现出自西向东、自南向北递减的规律，金塘岛和舟山岛降水最丰沛、六横岛次之、岱山岛再次之、衢山岛和嵊泗岛降水最少，这与舟山群岛的降水水汽主要由西南大陆和东南沿海方向补给的气象特性相吻合。各岛屿年降水极值比较大，降水年际变化比较明显，需引起相关部门的重视。

(2) 采用TFPW-MK检验法对各岛屿的年降水序列进行趋势分析，各岛屿均明显呈现枯-丰两个变化阶段，且变化趋势明显。金塘岛的年降水量从1997年开始表现出增长趋势，其他岛屿则自20世纪70年代开始均已表现出了增长趋势。舟山岛降水序列变化趋势最显著，金塘岛最不显著，岱山岛、衢山岛和泗礁岛的趋势变化较为相似。除金塘岛外，其他岛屿在1993～2002年间的降水量均表现出了显著的增长趋势，将金塘岛计算在内，该时间段内各岛屿的降水量较多年平均降水量分别高出10.9%，6.8%，9.4%，7.4%，12.3%和15.8%。与大陆距离的远近是各岛屿间降水量区别的主要影响因素之一。考虑到研究区域为海洋岛屿，年降水变化主要受自然气候条件影响，这也印证了在全球变暖的大背景下，年降水量确实受到了显著影响。

(3) 采用Pettitt法进行突变检验，各岛屿均检验出了显著的突变点，舟山岛与六横岛的突变点为1972年，岱山岛、衢山岛、泗礁岛的突变点均为1988年，金塘岛的突变点为1996年。所有岛屿突变后的多年平均年降水量均比突变前有所增加，其中增幅最大的是舟山岛，增幅为47.6%；增幅最小的是金塘岛，增幅为15%。