基于Z指数的晋中地区洪涝变化特征及暴雨洪水成因分析

吴伟伟

（晋中市水利局，山西 晋中 030600）

晋中地区是中国农耕文化的发源地之一，在史前为古晋阳湖所在地，传说大禹治水“打开灵石口、空出晋阳湖”，逐渐形成西部的太原盆地，东部则是太行山脉中段，暴雨急促洪水猛烈，历史上河道迁徙无常，给人民带来深重的灾难［1］。晋中历史有关洪水的记载颇多，最早记载于地方志“公元前362年榆次三月大雨”，如今在主要河流还留有很多关于洪水的碑刻和镇河兽。新中国成立以后，兴修水利大大提高了抗洪减灾能力，但是随着人口增长城市扩张社会快速发展，使得暴雨洪水影响面甚广，经济损失有增无减，然而水资源供需紧张的局面又让暴雨洪水成为雨水集蓄利用的主要来源，机遇与挑战并存。1996年山西省水利厅组成水旱灾害编委会［2］首次从水文气象角度系统的描绘了山西旱涝特征及成因，记录了从1482-1990年重大暴雨洪水实况和灾情；2014年山西省水利厅再次组成编委会［3］编制了山西1482-2008年洪水调查成果，起到延长水文系列，提高洪水系列代表性和设计洪水成果精度的重要作用，记录了公元前1688-1987年洪涝灾害，研究了洪涝时空分布规律；2014年朱俊峰等［4］对晋中地区1914-2010年气候特点、变化及气候资源进行了统计分析，记录了晋中历史重大气象灾情和重大事件；其次周鸣盛［5］对1954-1983年北方50次特大暴雨、鲍名［6］对1951-2009年全国持续性暴雨、王林旺［7］对1954-1990年山西169 场大暴雨和卢淑贤等［8］对1957-2009年山西暴雨的天气系统和大气环流进行分析，为研究晋中地区提供了前提条件。为提高晋中地区防灾减灾和水资源利用效率，填补区域洪涝研究空白，此项研究是非常有意义的。

1 区域概况

晋中地区位于山西省中部黄土高原东缘，地理坐标为111°25′～114°08′E，36°40′～38°05′N，见图1，国土面积16 347 km2，辖2 区1 市8 县，总人口336.6 万人。区域处于暖温带大陆性季风气候区，无霜期145～184 d，平均气温为3～11 ℃，蒸发量在1 600～2 000 mm，地势东高西低，地形单元分太行山脉中段、沁潞高原北部、太岳山脉北段和太原盆地东南侧及韩候岺台地四部分，山地、丘陵、盆地面积分别占63.9%、20.5%、15.6%。以太行山、太岳山中脊为界分属黄河流域和海河流域，黄河流域在晋中西部，有寿阳、榆次、太谷、祁县、平遥、介休、灵石7 个县（区、市），河流主要有潇河、象峪河、乌马河、昌源河、惠济河、静升河等，各河注入汾河；海河流域在晋中东部，有昔阳、和顺、左权、榆社，河流主要有清漳河、浊漳河和松溪河，清漳河、浊漳河注入南运河，松溪河注入子牙河。

图1 山西省地势图Fig.1 Topographic map of Shanxi Province

2 数据来源及分析方法

本文采用古今结合的方法，历史记载主要来自《山西水旱灾害》、《山西洪水研究》、《山西自然灾害史年表》、《晋中市气象志》和各地方志等文献记载，分析洪涝发生的年份、范围和等级。1958年以后晋中地区雨量站初成，因此利用1958-2020年各雨量站逐月降水资料，基于Z指数法、小波分析法分析年际和季节洪涝时空分布规律。

Z指数是目前我国广泛使用的评价洪涝特征指标［9］，通过对降水量进行正态化处理，将PersonⅢ型分布转化为以Z为变量的标准正态分布，其概率密度函数公式为：

式中：α为形状参数；β为尺寸参数；x为降水量；Γ（α）为gamma函数。将概率密度函数转化为以Z为变量的标准正态分布，转换公式（2）～（5）：

式中：Cs为偏态系数；φi为标准变量；σ为标准差。

3 历史大洪水分析

3.1 历史洪涝事件

晋中最早的洪涝记载始于公元前362年，至公元2020年的2382年中共记载有：洪涝灾年324年，发生频率13.6%，大洪涝灾年65年，发生频率2.7%，特大洪涝灾年21年，发生频率0.9%，以汾河两岸受灾最为严重，其次是潇河、松溪河和清漳河等。特大洪涝灾年是：公元前30、公元332、705、1295、1472、1501、1508、1556、1604、1605、1652、1662、1684、1761、1871、1879、1913、1939、1954、1963、1964，由于历代气象灾害记载存在“年代愈久、记载愈疏”问题，从公元1470年以后记载才开始详实，因此特大涝从1470年开始次数明显增加。

3.2 洪涝灾年频率

据统计公元前362年至清代末1911年的2273年间，洪涝灾年287年，发生频率12.6%，1912-1958年46年间，洪涝灾年14年，发生频率30.4%，1958-2020年63年间，洪涝灾年23年，发生频率36.5%，尽管古今记录标准不一、覆盖点也不同，但随着人类数量增加和活动范围扩大，洪涝灾害愈加频繁是明显的。

3.3 洪涝链分析

洪涝链，即连续3年以上发生洪涝相互影响的系列洪涝灾年，晋中地区历史上洪涝链现象十分显著，从1470年以来近550年间，共发生洪涝链19 次，每次洪涝链的发生，均造成连续数年洪涝灾害，尤其是特大洪涝绝大部分出现在洪涝链中。历史上最为严重的洪涝年份发生在1953-1964年，12年间发生特大涝、大涝、中涝各3 次，暴雨和连阴雨接连出现，降水范围大、持续时间长，各河水位均超历史极值，河堤水库多次决口，倒塌房屋无数，灾情均为历史之最，为历史罕见。查询文献发现，早在1937年开始全区降水量就开始陡升，经历了1937-1942年的长洪涝链后，1948、1950年东部海河流域频发暴雨，1951、1952年转西部汾河流域暴雨，然后就是1953-1964年的超长洪涝链，充分说明1937-1964年全区进入罕见的暴雨频繁区，1644-1668年、1837-1880也曾进入过暴雨频繁区。

4 洪涝时空分布规律

定义Z指数值洪涝划分为4 个等级：轻涝、中涝、大涝和特大涝，并根据晋中地区实际情况调整了Z指数分类界限值，计算1958-2020年晋中地区年际和季节降水Z指数值见表1，冬季由于降水非常低，不计算洪涝次数。

表1 Z指数洪涝等级及晋中地区出现次数Tab.1 Z index flood grade and occurrence times in Jinzhong Area

4.1 年际洪涝特征

晋中地区年际降水Z指数如图2可知：

图2 晋中地区1958-2020年年际降水Z指数Fig.2 Z-index of interannual precipitation in Jinzhong Area from 1958 to 2020

（1）年际降水整体呈下降趋势，出现轻涝、中涝、大涝、特大涝频率分别是13.7%、20.6%、12.7%、3.2%，特大涝出现在1963年、1964年。

（2）旱涝交替频繁，近63 a 出现32 次，年际平均变化率达24%。

（3）年代特征明显，1960年代属中涝型，年均降水550.2 mm，发生特大涝2 次、大涝1 次，中涝4 次；1970年代属轻涝型，年均降水502.2 mm，发生大涝3 次；1980年代属轻旱型，年均降水467.8 mm，发生大涝1次，中涝3次，1990年代属中旱型，年均降水414.8 mm，仅发生中涝1 次；2000年代属轻旱型，年均降水451.5 mm，仅发生中涝2 次；2010年代属正常型，年均降水487.8 mm，发生大涝1次，中涝3次，整体来看63 a降水呈U字型排布。

4.2 春季洪涝特征

春季，平均降水72.3 mm 占15%，全区主要受极地锋区影响，盛行西北风，随着气温升高，蒙古高压与阿留申低压开始减弱，至5月份蒙古高压退至巴尔喀什湖以北，阿留申低压向东北退去，印度低压和副热带高压发展，地面气压场上形成四个气压系统的鞍形气压场。孟加拉湾水汽是降水的主要来源，500 hPa 场上南支槽发展旺盛则易发洪涝，以连阴雨偏多，雹雨次之。从图3可知：

图3 晋中地区1958-2020年春季降水Z指数Fig.3 Z-index of spring precipitation in Jinzhong Area from 1958 to 2020

（1）春季降水趋势稳定，振幅收窄，频率稳定。2002年以前大旱大涝往往持续2～4年，2002年以后春季大旱大涝发生频次明显下降，而这反映出春季气压场新的变化，冷暖交替更加频繁，同时也与人工增雨有关。

（2）春季出现特大涝4 次，对应年份1963、1964、1983、1991，其中1963、1964年际特大涝、1983年际大涝。

（3）18 个春涝年份中只有11 个年涝，可见春涝后年涝发生的概率并不大，计算春季与年际降水相关系数为0.295 8，说明春季降水对年际影响较小，为微相关。

4.3 夏季洪涝特征

夏季，平均降水287.7 mm 占59.5%，6月伊始全区受印度低压和副热带反气旋环流影响，盛行西南气流，到6月末，中纬度西风带常有西风槽出现于河套地区，副热带高压北上，雨带推至山西，晋中进入汛期，进入7月，35°N 以北仍受偏西气流控制，环流平直，东亚大槽消失，副热带高压北抬至25°～30°N，高空处于西和西南气流与副热带高压控制之下，有利于水汽从孟加拉湾和南海洋面输送到晋中上空，以强降雨偏多，雹雨和连阴雨次之。从图4可知：

图4 晋中地区1958-2020年夏季降水Z指数Fig.4 Z-index of summer precipitation in Jinzhong Area from 1958 to 2020

（1）夏季降水降幅较大，振幅变化不大，频率降低，1999年以前降水年际变化率39.3%，1999年以后降低到24.6%，旱涝交替最长达到7年，这可能与温室效应及杨哲等提出的北半球对流层大气环流涡动减弱现象有关。

（2）夏季出现特大涝5 次，对应年份1963、1966、1973、1977、1988，其中1963年际特大涝、其余大涝。3.15个夏涝年份中有13 个年涝，计算夏季与年际降水量相关系数为0.807 1，为高度相关，说明夏季降水对年际影响最大，南海水汽是降水的主要来源，其次是孟加拉湾。

4.4 秋季洪涝特征

秋季，平均降水111.5 mm 占23%，四个气压系统活动与春季相反，印度低压和副热带高压退去，阿留申低压和蒙古高压扩展，反复拉锯易造成阴雨连绵局面，极地变性高压反气旋环流开始控制全区，10月中旬，蒙古高压成形，开始盛行西北气流，西风带南移，东亚大槽出现，降水明显减少，秋涝以连阴雨偏多。从图5可知：

图5 晋中地区1958-2020年秋季降水Z指数Fig.5 Z-index of autumn precipitation in Jinzhong Area from 1958 to 2020

（1）秋季降水趋势稳定，振幅两边大中间小，频率稳定，在1986-1997年间降水维持在低水平小幅震荡，正是西风带经向环流偏弱期。

（2）秋季出现特大涝3 次，对应年份1964、1969、1985，其中1964年际特大涝，其余中涝。3.19 个秋涝年份中有11 个年涝，计算秋季与年际降水量相关系数为0.492 1，为实相关。

4.5 季节连涝特征

不同程度和形式的连涝对生产活动影响是不同的，对1958-2020年全区连涝进行统计可知：

（1）春夏连涝出现11 次，频率17.5%，对农作物春播及生长发育有利，尤其是连阴雨有利于地下水的补充、减少森林火灾和提高苗木成活率等；但冰雹常发生在春末和夏季，频率较高，易造成农作物大幅减产和巨大经济损失；暴雨则集中在夏季7、8月份，会形成洪涝灾害造成经济损失。

（2）夏秋连涝出现16次，频率25.4%，出现频率高，7-9月份是全区的主汛期，秋涝对多数北方农作物不利，会造成果实霉烂、粮食减产，但可以有效补充水库和地下水，为冬春期间人民生活生产提供保障。

（3）春夏秋连涝出现3 次，频率4.8%，分别是1960、2007、2012年，研究发现三季连涝并未造成年际大涝，而是各月降水被充分稀释和均摊，均为丰产年。

（4）特大涝年份中1963年秋冬旱，1964年6、8月旱；8 个大涝年份中，4 个春旱、3 个秋旱、1 个春秋旱，可见大涝及特大涝年份降水是极不均匀的，是典型的灾年。

4.6 洪涝周期性分析

小波分析是非常重要的数据处理技术，通过对年份、季度降水量的时间尺度进行小波分析，能够清晰的揭示降水变化周期，反映降水在不同时间尺度中的变化趋势。经对晋中地区近63 a年际和季节降水进行小波分析见图6可知：

图6 晋中地区年际和季节降水小波系数等值线图Fig.6 Wavelet coefficient contour map of interannual and seasonal precipitation in Jinzhong Area

（1）年际降水在26 a 存在明显的主周期，在6 a 存在弱周期；春季降水在24 a 存在主周期，在6 a 存在弱周期；夏季降水在4 a存在主周期，在18 a存在弱周期；秋季降水在8 a存在主周期，在21 a存在弱周期。

（2）春季与年际旱涝变化周期基本吻合，而夏秋两季与年际旱涝变化周期并不一致，且主周期明显缩短，旱涝变化更加频繁，夏季旱涝变化最为剧烈。

（3）提取在26 a 尺度上的小波系数进行关联分析，春季、夏季与年际降水呈高度相关，相关系数分别为0.861 7、0.854 5，秋季与年际降水呈显著相关，相关系数为0.781 7。夏秋季与春季降水呈显著相关，相关系数0.614 4、0.558 4，夏季与秋季呈正向实相关，相关系数0.457 2。可以看到夏秋两季降水关联性较差，反映出两季降水的机理是不同的，夏季主要受副热带高压控制，强降水偏多，而秋季受四大气压场联合控制，阴雨偏多。

4.7 暴雨时空分布

暴雨是晋中地区洪涝灾害的首因，去除了局部小范围暴雨，统计1958-2020年全区暴雨见表2可知：

表2 晋中地区1958-2020年暴雨次数统计表Tab.2 Statistics of rainstorm frequency in Jinzhong Area from 1958 to 2020

（1）近63 a 发生暴雨420 次，4-10月发生频率分别为0.5%、1.7%、6.7%、40.5%、40%、8.8%、1.9%，1、2、3、11、12月份未发生过暴雨，7、8月份是暴雨发生的主时段。

（2）黄河流域发生暴雨228 次，县均32.6 次，年均0.52 次。最高为介休44次，年均0.7次，呈喇叭口地形，东部太岳山脉，西部吕梁山，开口向北，处于暖湿气流背风坡。

（3）海河流域发生暴雨192 次，县均48 次，年均0.76 次，远高于黄河流域。最高为榆社56次，年均0.89次，呈喇叭口地形，东部太行山，西部太岳山，开口向南，处于暖湿气流迎风坡；其次为昔阳49 次，年均0.78 次，也呈喇叭口地形，南部太行山，北部系舟山，开口向东，可见喇叭口地形利于暴雨形成。

4.8 小 结

（1）晋中地区公元前362年至公元2020年共记载有洪涝灾年324年，发生频率13.6%，大洪涝灾年65年，发生频率2.7%，特大洪涝灾年21年，发生频率0.9%，洪涝灾害出现频率在加快。洪涝链现象同样十分显著，1470-2020年共发生洪涝链19次，最为严重的发生在1953-1964年，全区进入罕见的暴雨频繁区。

（2）年际与季节洪涝特征：1958-2020年年际降水整体呈下降趋势，大涝发生8 次，特大涝发生2 次，年代特征明显，整体呈U 字形排布，1960年代降水最多。春季降水对年际影响较少为弱相关，降水趋势稳定，振幅收窄，频率稳定，特大涝4 次；夏季降水对年际影响大为高度相关，降水降幅较大，振幅稳定，频率降低，特大涝5 次；秋季降水对年际有一定影响为实相关，趋势稳定，振幅前后大中间小，频率稳定，特大涝3 次。通过张祎玮等［10］对山西1958-2013年山西降水的季节变化对比发现，晋中地区与山西在年际与季节降水变化趋势高度一致，而晋中地区又处于山西省中部，这反映出两者变化的高相关性。

（3）季节连涝特征：1958-2020年春夏连涝出现11 次，频率17.5%，夏秋连涝16 次，频率25.4%，春夏秋连涝3 次，频率4.8%。研究发现春夏秋连涝并未出现在特大涝年份中，而是各月降水被充分稀释和均摊，均为丰产年，大涝和特大涝年份各月降水极不均匀，是典型的灾年。

（4）洪涝周期性：1958-2020年年际降水主周期26 a，弱周期6 a；春季降水主周期24 a，弱周期6 a；夏季降水主周期4 a，弱周期18 a；秋季降水主周期8 a，弱周期21 a。春季与年际降水变化周期基本吻合，夏秋两季与年际不一致且主周期明显缩短，旱涝变化更加频繁。

（5）暴雨时空分布：1958-2020年发生暴雨420 次，主要发生在7、8月，黄河流域各县年均0.52次，最高为介休年均0.7次；海河流域各县年均0.76 次，最高为榆社年均0.89 次，其次昔阳0.78次，介休、榆社、昔阳均为喇叭口地形。

5 暴雨洪水成因分析

5.1 植被和岩性条件

植被对洪水的消减作用是非常显著的，就晋中地区来看，超标准洪水发生频率低或没有的地区，多数为密林区或植被条件好，而植被条件差，超标频率就高。岩性是洪水易发的又一重要影响因素，石灰岩属可溶性岩类，漏水比较强烈，除暴雨外一般不易形成洪水，如介休龙凤河流域，清漳河流域灰岩区。风化程度低的砂页岩流域，一般植被较差，洪水易发程度较高，如榆社。第三系红土和第四系黄土类地区，因入渗能力较低，洪水易发程度较高，例如晋中的黄河流域。变质岩地区，一般均有不同程度的风化层，植被条件较好，洪水易发程度介于石灰岩和风化程度低的砂页岩、第三系和第四系之间。风化程度高的砂页岩地区，一般植被较好，洪水易发程度与变质岩类地区相近。

5.2 地形地貌特征

地形地貌也是洪水易发程度的一个重要因素，地形陡峭、坡度大，洪水汇流快，径流系数大，洪水易发程度高，如纵坡大于20‰的象峪河、乌马河、龙凤河、仁义河、交口河以及太行山东缘、太岳山两侧，反之易发程度低。山脉及走向同样是致雨的重要因素，例如南部的太岳山和东部的太行山，一般情况下迎风坡常处于槽前区，形成暴雨的水汽团走向高空为西南风，低空则以偏东风为主，低层暖湿气流常因地形抬升而加速凝聚，从而产生历时长、强度大的暴雨。耕地在夏季植被要好，也可以有效减少径流，起到消减洪峰的作用。

5.3 喇叭口地形

喇叭口地形是指上游开口小地势高、下游开口大地势低的地形，对于低空气流有很明显的辐合抬升作用。开口朝向很关键，若是水汽输入方向，则非常有利于暴雨的形成和发展，有时会反复性发作，出现大暴雨情形。1963年8月晋中东山特大暴雨和2021年7月郑州特大暴雨喇叭口地形就起到了助推作用。晋中有三处此类地形，榆社，背靠太岳山和太行山，开口向南，处于暖湿气流背风坡，暴雨频率最高；昔阳，背靠太行山和系舟山，开口向东，暴雨频率第二；介休，背靠太岳山和吕梁山，开口向北，暴雨频率全区黄河流域最高，可见喇叭口地形对暴雨形成非常显著。

5.4 城市扩张易发洪涝

洪涝灾害已成为我国城市最主要的自然灾害，晋中地区也不例外，目前各县城区中雨级别即能造成洪涝，尤以晋中市城区最为严重。洪是因建城区面积越来越大，结合周边环境改造，造成城市汇流面积成倍增大、径流系数高，出现强降雨造成峰高量大，水位急涨。涝是因雨水不能及时排出，造成城区积水，排水设施跟不上城市建设速度是主因，城市下游排洪能力受限也是一重要原因，其次还与城市的分洪、蓄洪、缓洪水利工程不足有关。

5.5 汾河流域洪水频繁区

汾河流域属山西大范围洪水频繁区，约占山西省的1/4，汾河从上游到下游，大洪水出现的概率呈递增趋势。汾河是山西第一大河，全长713 km，流域面积40 096 km2，其中晋中处于汾河中游，境内长度有124 km，流域面积9 189 km2，占晋中国土面积56%，是晋中洪水最严重的河流之一。历史上汾河晋中段迁徙最多、变化最大，河势走向最不稳定的一段，据历史文献统计1464-1948年485年间发生大洪水138 次，发生频率28.5%，1949-2020年72年间发生大洪水14 次，发生频率19.4%，超标准洪水发生频率41%。

5.6 海河流域洪水频繁区

海河流域属山西大范围洪水频繁区，约占山西省的1/3，海河流域在晋中有三条大河：松溪河、清漳河和浊漳河，境内长度390 km，流域面积7 153 km2，占晋中国土面积44%，是晋中洪水最严重的河流之一，超标准洪水发生频率57%，高于汾河流域。据历史文献统计1662-1949年287年间发生大洪水23 次，发生频率8.0%，1949-2020年72年间发生大洪水17 次，发生频率23.6%。分析两时间段变化大的原因有：①历史上海河流域晋中人口稀疏，文献对洪水记载存在疏漏；②海河流域晋中东段多处灰岩区，下渗量大，新中国以后人类活动对地表进行改造，如耕地、坡耕地、城乡建设、交通建设等，降低了灰岩区下渗量，加大了洪水频率。

5.7 暴雨时空分布

暴雨在晋中地区时空分布不均匀，夏季暴雨多，7、8月份占到80.5%；东西部差异大，东部山区暴雨次数比西部平川多46%，大暴雨主要集中在太行山区昔阳、和顺、左权和太岳山南的榆社。山势走向同样影响了暴雨的时程分配特点，雨区分布与山脉走向一致，受太行山和太岳山的阻挡，东南和西南气流在输入过程中被高山阻挡抬升，产生强度大、历时短的暴雨，暴雨集中在整个降雨过程的前段，一般6 h 降水量能占到24 h 降水量的70%以上。

5.8 暴雨天气系统

晋中地区暴雨天气主要有气旋雨、地形雨、台风雨和热雷雨四种类型。①气旋雨，全区主要为低涡暴雨、西风槽暴雨、切变线暴雨和副热带高压后部暴雨，多为历时短的暴雨，但也有大范围持续强降雨。②地形雨，在东部太行山很常见，降水量几乎与等高线增高呈正比，其次山区小气候产生的谷风环流午后到傍晚之间也常会引发暴雨。③台风雨也会给全区带来大范围的连阴雨和大暴雨。④雷雨，一般由积雨云发展而来，主要出现在夏季午后或傍晚时分，变化剧烈、范围小，降雨强度大，在晋中非常常见。

5.9 暴雨环流特征

晋中地处黄土高原东缘，暴雨成因复杂，类型多样。500 hPa 环流场上主要有海上副高型、副高控制型、移动性副高型、江淮东西向切变形、东北低槽型、东亚阻塞高压型。700 hPa 环流场上主要有竖切变、横切变、高压后部、高压后部横切变、西南涡、西北涡、台风等。地面形势主要有冷锋、导槽、暖锋、高压后部底部、气旋等。全区暴雨500 hPa 环流场海上副高型占63%，副高控制型占20%，700 hPa 环流场上汾河流域主要是横切变，其次是竖切变和西北涡，海河流域主要是竖切变；地面形成主要以冷锋为主。

5.10 洪涝年环流形势

晋中处于亚洲大陆中纬度大陆性季风气候区，冬季多风少雨、盛行西北风，夏季高温多雨、盛行东南风。从大气环流形势来看，晋中地区涝年夏季一般太平洋副高偏北偏西，强盛持久，暖湿气流源源不断输送至北方，南下低涡交馁，形成多雨的局面。从500 hPa 环流场上分析［11］，1950年代东亚大槽发展深厚东亚大片负距平，亚洲大陆西部为正距平，峰区位于西伯利亚西，大陆高压脊北伸较强，是西风带经向环流发展的典型形势，这种环流背景下北方冷气团和南方暖湿气流频繁交馁，造成晋中地区低温多雨的局面。1960年代东亚大槽东移，负区在大陆沿岸及洋面上，正区覆盖整个亚洲大陆，峰区位于西伯利亚东山西正北方，也是西风带经向环流发展的形势，这种环流背景下利于北方寒潮南下山西和南方暖湿气流频繁交馁，形成低温多雨的局面。1970年代东亚大槽和大陆高压脊均偏弱，东亚距平分布与前两个年代正好相反，经向环流明显衰退，多平直的西风环流，造成高温少雨的局面。1980-2009年根据杨哲等［12］对北半球月均环流涡动分析，北半球涡度拟能整体呈减弱趋势，减弱的区域主要位于北太平洋以及极地地区，12.5～50°N 为北半球涡动拟能减弱的关键区域，这一区域正是西风急流所在区域，在全球增暖背景下，对流层大气经向温度梯度减小，副热带西风急流强度呈明显减弱趋势，急流的变化与北半球涡度拟能变化有显著的正相关关系，造成晋中地区降水减少，1980年代降水较上一年代减少了7%，1990年代副热带高压中心更加偏南，太平洋暖湿气流和孟加拉湾水汽无法输送到晋中上空，降水较上一年代大减11%，1997年东部超强厄尔尼诺的出现，晋中发生特大旱，1997年夏至2001年夏，17个季度出现15个干旱，历史记录描述为百年罕见大旱灾。2000年代副高中心向中部靠拢，降水较上一年代提高了9%，但仍处于较低水平。2010年代以来副高中心北移，西风带经向环流发展，冷空气强盛，7月、9月降水大幅上涨，降水较上一年代提高了9%，2020年受拉尼娜现象和台风影响，8月降水为1958年建站以来最大值，年降水为近32年来的最大值。总体来看，西风带经向环流发展、副高中心偏西偏北与晋中地区降水呈正向关系。

5.11 太阳黑子活动

太阳是地球主要外部能量来源，太阳活动对地球的大气环流层扰动非常大，进而影响到降水的变化［13］，通过1958-2020年晋中降水距平与太阳黑子相对数对比见图7，可以看到太阳黑子变化与晋中地区降水并不相对应，但有一定的规律。①极小年前后年际降水变化大，变化率29.7%，极小年前1～2年降水较多，易发洪涝灾害，全区大范围暴雨多数发生在这个时期，极小年及后一年降水减幅大，易出现较大干旱，随后大幅回升，说明极小年前后天气变化大，旱涝灾害频繁，多为欠收年。②极大年前后年际降水变化小，降水平均变化率16.8%，远低于极小年，极大年前1～2年降水偏多，易发洪涝，极大年及后一年降水偏少，但整体降水量相对正常变化小，多为丰收年。③极大年向极小年过程中降水丰枯交错，极小年向极大年过程中降水偏多。

图7 晋中地区1958-2020年降水距平与太阳黑子相对数对比图Fig.7 Comparison of precipitation anomaly and relative number of sunspots in Jinzhong Area from 1958 to 2020

5.12 厄尔尼诺/拉尼娜现象

厄尔尼诺/拉尼娜现象是发生在热带中东太平洋海温异常现象，对晋中地区降水影响甚大，将nino3.4 区温度异常指数（SST）分为4 个区，定义高于0.5 ℃为厄尔尼诺区，低于0.5 ℃为拉尼娜区，选取1958-2020年SST 与晋中单月降水进行对比，如图8和表3可知：①在厄尔尼诺区，降水春季微丰，夏秋季大枯，分别降幅达16.44%、10.09%；在拉尼娜区，降水春季偏枯，降幅7.59%，夏秋两季偏丰，增幅9.64%、6.11%，可见厄尔尼诺和拉尼娜对晋中降水影响完全相反，而厄尔尼诺对夏秋两季降水影响更大。②在［0，0.5）区间，春季降水偏丰，增幅12.02%，夏秋季微枯；在（-0.5，0）区间，降水春季大枯，降幅达12.32%，夏季秋季偏丰，增幅5.2%、6.34%。③春季，厄尔尼诺区为正效应，其余区间为负效应；夏秋两季，SST大于零为负效应，SST小于零为正效应。这与李芬等［14］研究1958-2013年厄尔尼诺/拉尼娜对山西季节旱涝响应变化是一致的。

表3 太平洋温度异常对晋中地区降水影响Tab.3 Influence of Pacific temperature anomaly on Precipitation in Jinzhong Area

图8 1958-2020年晋中地区降水距平与太平洋温度异常关系Fig.8 Relationship between precipitation anomaly and Pacific temperature anomaly in Jinzhong region from 1958 to 2020

5.13 小 结

随着全球气温升高，气候系统的热动力条件、能量收支和水循环均发生了巨大变化，水汽含量增加，极端降雨的发生将越来越多［15］，最新学者对中国暴雨过程的研究显示，1961-2016年暴雨覆盖范围、综合强度和暴雨期均呈显著延长趋势［16，17］，北方虽不明显，但是随着2020年拉尼娜的到来，雨带明显北移，2020年8月266.4 mm 降水量打破晋中地区建站以来单月历史记录，2021年“7·20 郑州特大暴雨”打破建站以来60年的历史记录和“10·5 山西暴雨”晋中地区4日降水193.4 mm 为历史10月最高，从全球来讲2021年极端高温与极端干旱也同时并存。对于严重缺水的北方来说不仅要做好防洪减灾提高对暴雨洪水的防御标准，更要做好引洪补枯、丰枯调剂和雨水资源化等措施，通过水利工程让洪涝变灾为宝、造福人类。