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(zhì)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(jù)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(bǔ)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(mào)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(xué)者關(guān)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(jìn)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(yuǎn)[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?qū)崪y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(dāng)?shù)厮Y源開發(fā)利用和管理調(diào)度具有重要意義。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)資料

舟山群島地處中國東南沿海的長江口南側(cè)、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(jù)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(fēng)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(fēng)，易干旱內(nèi)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(jìn)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(shè)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(guān)關(guān)系對金塘、大沙、長春嶺、沈家門的降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)延長。嵊泗站由于設(shè)站時間較晚、孤懸大海，與其他站點距離較遠(yuǎn)、年降水相關(guān)性不強(qiáng)，暫未找到合適的參證站進(jìn)行數(shù)據(jù)延長。但是嵊泗氣象站的設(shè)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(jìn)行研究，數(shù)據(jù)來源于國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)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(yù)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(shù)趨勢檢驗方法，在水文統(tǒng)計領(lǐng)域應(yīng)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(dāng)xj>xi時，sgn(xj-xi)為1；當(dāng)xj=xi時，sgn(xj-xi)為0；當(dāng)xj

構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)化的檢驗統(tǒng)計量

(2)

Z服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，當(dāng)Z>0時，存在上升的趨勢；當(dāng)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(yīng)的Z1-α/2為 1.96。

Mann-Kendall檢驗法雖然有非參數(shù)檢驗的優(yōu)勢，但未能解決水文統(tǒng)計檢驗中要求的數(shù)據(jù)獨立問題，如果原始序列存在自相關(guān)性，會顯著放大序列的趨勢[11]。為消除原始序列中自相關(guān)帶來的影響，很多學(xué)者對Mann-Kendall檢驗法提出了改進(jìn)措施，其中，以TFPW法為代表的前置移除法，近年來受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛應(yīng)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(xiàn)象。Pettitt法是一種非參數(shù)檢驗方法，不僅可以進(jìn)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(rèn)為檢測出的突變點在統(tǒng)計意義上是顯著的。

3 結(jié)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(nèi)，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(xiàn)出自西向東、自南向北遞減的規(guī)律，這與當(dāng)?shù)貧夂驐l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(bǔ)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(fēng)、東風(fēng)波等，降水主要是氣旋雨和臺風(fēng)雨[6]。

由表2各區(qū)域年降水量極值和出現(xiàn)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(xiàn)，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(yán)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(fēng)影響大，2021年 “煙花”臺風(fēng)和“燦都”臺風(fēng)正面影響舟山，帶來了十分充沛的降水量，其中“煙花”臺風(fēng)在舟山登陸，全市面雨量達(dá)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(guān)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(jìn)行趨勢分析，結(jié)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(jì)70年代開始均表現(xiàn)出了增長的趨勢，金塘島的年降水量從1997年開始表現(xiàn)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(xiàn)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(jìn)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(jìn)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(jié)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(jié)果

4 結(jié) 論

(1) 研究時段內(nèi)，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(xiàn)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(bǔ)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(guān)部門的重視。

(2) 采用TFPW-MK檢驗法對各島嶼的年降水序列進(jìn)行趨勢分析，各島嶼均明顯呈現(xiàn)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(xiàn)出增長趨勢，其他島嶼則自20世紀(jì)70年代開始均已表現(xiàn)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(xiàn)出了顯著的增長趨勢，將金塘島計算在內(nèi)，該時間段內(nèi)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(yuǎn)近是各島嶼間降水量區(qū)別的主要影響因素之一?？紤]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(jìn)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%。