基于Z指數(shù)的晉中地區(qū)洪澇變化特征及暴雨洪水成因分析

吳偉偉

（晉中市水利局，山西 晉中 030600）

晉中地區(qū)是中國(guó)農(nóng)耕文化的發(fā)源地之一，在史前為古晉陽(yáng)湖所在地，傳說(shuō)大禹治水“打開(kāi)靈石口、空出晉陽(yáng)湖”，逐漸形成西部的太原盆地，東部則是太行山脈中段，暴雨急促洪水猛烈，歷史上河道遷徙無(wú)常，給人民帶來(lái)深重的災(zāi)難［1］。晉中歷史有關(guān)洪水的記載頗多，最早記載于地方志“公元前362年榆次三月大雨”，如今在主要河流還留有很多關(guān)于洪水的碑刻和鎮(zhèn)河獸。新中國(guó)成立以后，興修水利大大提高了抗洪減災(zāi)能力，但是隨著人口增長(zhǎng)城市擴(kuò)張社會(huì)快速發(fā)展，使得暴雨洪水影響面甚廣，經(jīng)濟(jì)損失有增無(wú)減，然而水資源供需緊張的局面又讓暴雨洪水成為雨水集蓄利用的主要來(lái)源，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。1996年山西省水利廳組成水旱災(zāi)害編委會(huì)［2］首次從水文氣象角度系統(tǒng)的描繪了山西旱澇特征及成因，記錄了從1482-1990年重大暴雨洪水實(shí)況和災(zāi)情；2014年山西省水利廳再次組成編委會(huì)［3］編制了山西1482-2008年洪水調(diào)查成果，起到延長(zhǎng)水文系列，提高洪水系列代表性和設(shè)計(jì)洪水成果精度的重要作用，記錄了公元前1688-1987年洪澇災(zāi)害，研究了洪澇時(shí)空分布規(guī)律；2014年朱俊峰等［4］對(duì)晉中地區(qū)1914-2010年氣候特點(diǎn)、變化及氣候資源進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，記錄了晉中歷史重大氣象災(zāi)情和重大事件；其次周鳴盛［5］對(duì)1954-1983年北方50次特大暴雨、鮑名［6］對(duì)1951-2009年全國(guó)持續(xù)性暴雨、王林旺［7］對(duì)1954-1990年山西169 場(chǎng)大暴雨和盧淑賢等［8］對(duì)1957-2009年山西暴雨的天氣系統(tǒng)和大氣環(huán)流進(jìn)行分析，為研究晉中地區(qū)提供了前提條件。為提高晉中地區(qū)防災(zāi)減災(zāi)和水資源利用效率，填補(bǔ)區(qū)域洪澇研究空白，此項(xiàng)研究是非常有意義的。

1 區(qū)域概況

晉中地區(qū)位于山西省中部黃土高原東緣，地理坐標(biāo)為111°25′～114°08′E，36°40′～38°05′N(xiāo)，見(jiàn)圖1，國(guó)土面積16 347 km2，轄2 區(qū)1 市8 縣，總?cè)丝?36.6 萬(wàn)人。區(qū)域處于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，無(wú)霜期145～184 d，平均氣溫為3～11 ℃，蒸發(fā)量在1 600～2 000 mm，地勢(shì)東高西低，地形單元分太行山脈中段、沁潞高原北部、太岳山脈北段和太原盆地東南側(cè)及韓候岺臺(tái)地四部分，山地、丘陵、盆地面積分別占63.9%、20.5%、15.6%。以太行山、太岳山中脊為界分屬黃河流域和海河流域，黃河流域在晉中西部，有壽陽(yáng)、榆次、太谷、祁縣、平遙、介休、靈石7 個(gè)縣（區(qū)、市），河流主要有瀟河、象峪河、烏馬河、昌源河、惠濟(jì)河、靜升河等，各河注入汾河；海河流域在晉中東部，有昔陽(yáng)、和順、左權(quán)、榆社，河流主要有清漳河、濁漳河和松溪河，清漳河、濁漳河注入南運(yùn)河，松溪河注入子牙河。

圖1 山西省地勢(shì)圖Fig.1 Topographic map of Shanxi Province

2 數(shù)據(jù)來(lái)源及分析方法

本文采用古今結(jié)合的方法，歷史記載主要來(lái)自《山西水旱災(zāi)害》、《山西洪水研究》、《山西自然災(zāi)害史年表》、《晉中市氣象志》和各地方志等文獻(xiàn)記載，分析洪澇發(fā)生的年份、范圍和等級(jí)。1958年以后晉中地區(qū)雨量站初成，因此利用1958-2020年各雨量站逐月降水資料，基于Z指數(shù)法、小波分析法分析年際和季節(jié)洪澇時(shí)空分布規(guī)律。

Z指數(shù)是目前我國(guó)廣泛使用的評(píng)價(jià)洪澇特征指標(biāo)［9］，通過(guò)對(duì)降水量進(jìn)行正態(tài)化處理，將PersonⅢ型分布轉(zhuǎn)化為以Z為變量的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，其概率密度函數(shù)公式為：

式中：α為形狀參數(shù)；β為尺寸參數(shù)；x為降水量；Γ（α）為gamma函數(shù)。將概率密度函數(shù)轉(zhuǎn)化為以Z為變量的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，轉(zhuǎn)換公式（2）～（5）：

式中：Cs為偏態(tài)系數(shù)；φi為標(biāo)準(zhǔn)變量；σ為標(biāo)準(zhǔn)差。

3 歷史大洪水分析

3.1 歷史洪澇事件

晉中最早的洪澇記載始于公元前362年，至公元2020年的2382年中共記載有：洪澇災(zāi)年324年，發(fā)生頻率13.6%，大洪澇災(zāi)年65年，發(fā)生頻率2.7%，特大洪澇災(zāi)年21年，發(fā)生頻率0.9%，以汾河兩岸受災(zāi)最為嚴(yán)重，其次是瀟河、松溪河和清漳河等。特大洪澇災(zāi)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，由于歷代氣象災(zāi)害記載存在“年代愈久、記載愈疏”問(wèn)題，從公元1470年以后記載才開(kāi)始詳實(shí)，因此特大澇從1470年開(kāi)始次數(shù)明顯增加。

3.2 洪澇災(zāi)年頻率

據(jù)統(tǒng)計(jì)公元前362年至清代末1911年的2273年間，洪澇災(zāi)年287年，發(fā)生頻率12.6%，1912-1958年46年間，洪澇災(zāi)年14年，發(fā)生頻率30.4%，1958-2020年63年間，洪澇災(zāi)年23年，發(fā)生頻率36.5%，盡管古今記錄標(biāo)準(zhǔn)不一、覆蓋點(diǎn)也不同，但隨著人類(lèi)數(shù)量增加和活動(dòng)范圍擴(kuò)大，洪澇災(zāi)害愈加頻繁是明顯的。

3.3 洪澇鏈分析

洪澇鏈，即連續(xù)3年以上發(fā)生洪澇相互影響的系列洪澇災(zāi)年，晉中地區(qū)歷史上洪澇鏈現(xiàn)象十分顯著，從1470年以來(lái)近550年間，共發(fā)生洪澇鏈19 次，每次洪澇鏈的發(fā)生，均造成連續(xù)數(shù)年洪澇災(zāi)害，尤其是特大洪澇絕大部分出現(xiàn)在洪澇鏈中。歷史上最為嚴(yán)重的洪澇年份發(fā)生在1953-1964年，12年間發(fā)生特大澇、大澇、中澇各3 次，暴雨和連陰雨接連出現(xiàn)，降水范圍大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，各河水位均超歷史極值，河堤水庫(kù)多次決口，倒塌房屋無(wú)數(shù)，災(zāi)情均為歷史之最，為歷史罕見(jiàn)。查詢(xún)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，早在1937年開(kāi)始全區(qū)降水量就開(kāi)始陡升，經(jīng)歷了1937-1942年的長(zhǎng)洪澇鏈后，1948、1950年?yáng)|部海河流域頻發(fā)暴雨，1951、1952年轉(zhuǎn)西部汾河流域暴雨，然后就是1953-1964年的超長(zhǎng)洪澇鏈，充分說(shuō)明1937-1964年全區(qū)進(jìn)入罕見(jiàn)的暴雨頻繁區(qū)，1644-1668年、1837-1880也曾進(jìn)入過(guò)暴雨頻繁區(qū)。

4 洪澇時(shí)空分布規(guī)律

定義Z指數(shù)值洪澇劃分為4 個(gè)等級(jí)：輕澇、中澇、大澇和特大澇，并根據(jù)晉中地區(qū)實(shí)際情況調(diào)整了Z指數(shù)分類(lèi)界限值，計(jì)算1958-2020年晉中地區(qū)年際和季節(jié)降水Z指數(shù)值見(jiàn)表1，冬季由于降水非常低，不計(jì)算洪澇次數(shù)。

表1 Z指數(shù)洪澇等級(jí)及晉中地區(qū)出現(xiàn)次數(shù)Tab.1 Z index flood grade and occurrence times in Jinzhong Area

4.1 年際洪澇特征

晉中地區(qū)年際降水Z指數(shù)如圖2可知：

圖2 晉中地區(qū)1958-2020年年際降水Z指數(shù)Fig.2 Z-index of interannual precipitation in Jinzhong Area from 1958 to 2020

（1）年際降水整體呈下降趨勢(shì)，出現(xiàn)輕澇、中澇、大澇、特大澇頻率分別是13.7%、20.6%、12.7%、3.2%，特大澇出現(xiàn)在1963年、1964年。

（2）旱澇交替頻繁，近63 a 出現(xiàn)32 次，年際平均變化率達(dá)24%。

（3）年代特征明顯，1960年代屬中澇型，年均降水550.2 mm，發(fā)生特大澇2 次、大澇1 次，中澇4 次；1970年代屬輕澇型，年均降水502.2 mm，發(fā)生大澇3 次；1980年代屬輕旱型，年均降水467.8 mm，發(fā)生大澇1次，中澇3次，1990年代屬中旱型，年均降水414.8 mm，僅發(fā)生中澇1 次；2000年代屬輕旱型，年均降水451.5 mm，僅發(fā)生中澇2 次；2010年代屬正常型，年均降水487.8 mm，發(fā)生大澇1次，中澇3次，整體來(lái)看63 a降水呈U字型排布。

4.2 春季洪澇特征

春季，平均降水72.3 mm 占15%，全區(qū)主要受極地鋒區(qū)影響，盛行西北風(fēng)，隨著氣溫升高，蒙古高壓與阿留申低壓開(kāi)始減弱，至5月份蒙古高壓退至巴爾喀什湖以北，阿留申低壓向東北退去，印度低壓和副熱帶高壓發(fā)展，地面氣壓場(chǎng)上形成四個(gè)氣壓系統(tǒng)的鞍形氣壓場(chǎng)。孟加拉灣水汽是降水的主要來(lái)源，500 hPa 場(chǎng)上南支槽發(fā)展旺盛則易發(fā)洪澇，以連陰雨偏多，雹雨次之。從圖3可知：

圖3 晉中地區(qū)1958-2020年春季降水Z指數(shù)Fig.3 Z-index of spring precipitation in Jinzhong Area from 1958 to 2020

（1）春季降水趨勢(shì)穩(wěn)定，振幅收窄，頻率穩(wěn)定。2002年以前大旱大澇往往持續(xù)2～4年，2002年以后春季大旱大澇發(fā)生頻次明顯下降，而這反映出春季氣壓場(chǎng)新的變化，冷暖交替更加頻繁，同時(shí)也與人工增雨有關(guān)。

（2）春季出現(xiàn)特大澇4 次，對(duì)應(yīng)年份1963、1964、1983、1991，其中1963、1964年際特大澇、1983年際大澇。

（3）18 個(gè)春澇年份中只有11 個(gè)年澇，可見(jiàn)春澇后年澇發(fā)生的概率并不大，計(jì)算春季與年際降水相關(guān)系數(shù)為0.295 8，說(shuō)明春季降水對(duì)年際影響較小，為微相關(guān)。

4.3 夏季洪澇特征

夏季，平均降水287.7 mm 占59.5%，6月伊始全區(qū)受印度低壓和副熱帶反氣旋環(huán)流影響，盛行西南氣流，到6月末，中緯度西風(fēng)帶常有西風(fēng)槽出現(xiàn)于河套地區(qū)，副熱帶高壓北上，雨帶推至山西，晉中進(jìn)入汛期，進(jìn)入7月，35°N 以北仍受偏西氣流控制，環(huán)流平直，東亞大槽消失，副熱帶高壓北抬至25°～30°N，高空處于西和西南氣流與副熱帶高壓控制之下，有利于水汽從孟加拉灣和南海洋面輸送到晉中上空，以強(qiáng)降雨偏多，雹雨和連陰雨次之。從圖4可知：

圖4 晉中地區(qū)1958-2020年夏季降水Z指數(shù)Fig.4 Z-index of summer precipitation in Jinzhong Area from 1958 to 2020

（1）夏季降水降幅較大，振幅變化不大，頻率降低，1999年以前降水年際變化率39.3%，1999年以后降低到24.6%，旱澇交替最長(zhǎng)達(dá)到7年，這可能與溫室效應(yīng)及楊哲等提出的北半球?qū)α鲗哟髿猸h(huán)流渦動(dòng)減弱現(xiàn)象有關(guān)。

（2）夏季出現(xiàn)特大澇5 次，對(duì)應(yīng)年份1963、1966、1973、1977、1988，其中1963年際特大澇、其余大澇。3.15個(gè)夏澇年份中有13 個(gè)年澇，計(jì)算夏季與年際降水量相關(guān)系數(shù)為0.807 1，為高度相關(guān)，說(shuō)明夏季降水對(duì)年際影響最大，南海水汽是降水的主要來(lái)源，其次是孟加拉灣。

4.4 秋季洪澇特征

秋季，平均降水111.5 mm 占23%，四個(gè)氣壓系統(tǒng)活動(dòng)與春季相反，印度低壓和副熱帶高壓退去，阿留申低壓和蒙古高壓擴(kuò)展，反復(fù)拉鋸易造成陰雨連綿局面，極地變性高壓反氣旋環(huán)流開(kāi)始控制全區(qū)，10月中旬，蒙古高壓成形，開(kāi)始盛行西北氣流，西風(fēng)帶南移，東亞大槽出現(xiàn)，降水明顯減少，秋澇以連陰雨偏多。從圖5可知：

圖5 晉中地區(qū)1958-2020年秋季降水Z指數(shù)Fig.5 Z-index of autumn precipitation in Jinzhong Area from 1958 to 2020

（1）秋季降水趨勢(shì)穩(wěn)定，振幅兩邊大中間小，頻率穩(wěn)定，在1986-1997年間降水維持在低水平小幅震蕩，正是西風(fēng)帶經(jīng)向環(huán)流偏弱期。

（2）秋季出現(xiàn)特大澇3 次，對(duì)應(yīng)年份1964、1969、1985，其中1964年際特大澇，其余中澇。3.19 個(gè)秋澇年份中有11 個(gè)年澇，計(jì)算秋季與年際降水量相關(guān)系數(shù)為0.492 1，為實(shí)相關(guān)。

4.5 季節(jié)連澇特征

不同程度和形式的連澇對(duì)生產(chǎn)活動(dòng)影響是不同的，對(duì)1958-2020年全區(qū)連澇進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可知：

（1）春夏連澇出現(xiàn)11 次，頻率17.5%，對(duì)農(nóng)作物春播及生長(zhǎng)發(fā)育有利，尤其是連陰雨有利于地下水的補(bǔ)充、減少森林火災(zāi)和提高苗木成活率等；但冰雹常發(fā)生在春末和夏季，頻率較高，易造成農(nóng)作物大幅減產(chǎn)和巨大經(jīng)濟(jì)損失；暴雨則集中在夏季7、8月份，會(huì)形成洪澇災(zāi)害造成經(jīng)濟(jì)損失。

（2）夏秋連澇出現(xiàn)16次，頻率25.4%，出現(xiàn)頻率高，7-9月份是全區(qū)的主汛期，秋澇對(duì)多數(shù)北方農(nóng)作物不利，會(huì)造成果實(shí)霉?fàn)€、糧食減產(chǎn)，但可以有效補(bǔ)充水庫(kù)和地下水，為冬春期間人民生活生產(chǎn)提供保障。

（3）春夏秋連澇出現(xiàn)3 次，頻率4.8%，分別是1960、2007、2012年，研究發(fā)現(xiàn)三季連澇并未造成年際大澇，而是各月降水被充分稀釋和均攤，均為豐產(chǎn)年。

（4）特大澇年份中1963年秋冬旱，1964年6、8月旱；8 個(gè)大澇年份中，4 個(gè)春旱、3 個(gè)秋旱、1 個(gè)春秋旱，可見(jiàn)大澇及特大澇年份降水是極不均勻的，是典型的災(zāi)年。

4.6 洪澇周期性分析

小波分析是非常重要的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，通過(guò)對(duì)年份、季度降水量的時(shí)間尺度進(jìn)行小波分析，能夠清晰的揭示降水變化周期，反映降水在不同時(shí)間尺度中的變化趨勢(shì)。經(jīng)對(duì)晉中地區(qū)近63 a年際和季節(jié)降水進(jìn)行小波分析見(jiàn)圖6可知：

圖6 晉中地區(qū)年際和季節(jié)降水小波系數(shù)等值線圖Fig.6 Wavelet coefficient contour map of interannual and seasonal precipitation in Jinzhong Area

（1）年際降水在26 a 存在明顯的主周期，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）春季與年際旱澇變化周期基本吻合，而夏秋兩季與年際旱澇變化周期并不一致，且主周期明顯縮短，旱澇變化更加頻繁，夏季旱澇變化最為劇烈。

（3）提取在26 a 尺度上的小波系數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，春季、夏季與年際降水呈高度相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.861 7、0.854 5，秋季與年際降水呈顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.781 7。夏秋季與春季降水呈顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)0.614 4、0.558 4，夏季與秋季呈正向?qū)嵪嚓P(guān)，相關(guān)系數(shù)0.457 2。可以看到夏秋兩季降水關(guān)聯(lián)性較差，反映出兩季降水的機(jī)理是不同的，夏季主要受副熱帶高壓控制，強(qiáng)降水偏多，而秋季受四大氣壓場(chǎng)聯(lián)合控制，陰雨偏多。

4.7 暴雨時(shí)空分布

暴雨是晉中地區(qū)洪澇災(zāi)害的首因，去除了局部小范圍暴雨，統(tǒng)計(jì)1958-2020年全區(qū)暴雨見(jiàn)表2可知：

表2 晉中地區(qū)1958-2020年暴雨次數(shù)統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Statistics of rainstorm frequency in Jinzhong Area from 1958 to 2020

（1）近63 a 發(fā)生暴雨420 次，4-10月發(fā)生頻率分別為0.5%、1.7%、6.7%、40.5%、40%、8.8%、1.9%，1、2、3、11、12月份未發(fā)生過(guò)暴雨，7、8月份是暴雨發(fā)生的主時(shí)段。

（2）黃河流域發(fā)生暴雨228 次，縣均32.6 次，年均0.52 次。最高為介休44次，年均0.7次，呈喇叭口地形，東部太岳山脈，西部呂梁山，開(kāi)口向北，處于暖濕氣流背風(fēng)坡。

（3）海河流域發(fā)生暴雨192 次，縣均48 次，年均0.76 次，遠(yuǎn)高于黃河流域。最高為榆社56次，年均0.89次，呈喇叭口地形，東部太行山，西部太岳山，開(kāi)口向南，處于暖濕氣流迎風(fēng)坡；其次為昔陽(yáng)49 次，年均0.78 次，也呈喇叭口地形，南部太行山，北部系舟山，開(kāi)口向東，可見(jiàn)喇叭口地形利于暴雨形成。

4.8 小 結(jié)

（1）晉中地區(qū)公元前362年至公元2020年共記載有洪澇災(zāi)年324年，發(fā)生頻率13.6%，大洪澇災(zāi)年65年，發(fā)生頻率2.7%，特大洪澇災(zāi)年21年，發(fā)生頻率0.9%，洪澇災(zāi)害出現(xiàn)頻率在加快。洪澇鏈現(xiàn)象同樣十分顯著，1470-2020年共發(fā)生洪澇鏈19次，最為嚴(yán)重的發(fā)生在1953-1964年，全區(qū)進(jìn)入罕見(jiàn)的暴雨頻繁區(qū)。

（2）年際與季節(jié)洪澇特征：1958-2020年年際降水整體呈下降趨勢(shì)，大澇發(fā)生8 次，特大澇發(fā)生2 次，年代特征明顯，整體呈U 字形排布，1960年代降水最多。春季降水對(duì)年際影響較少為弱相關(guān)，降水趨勢(shì)穩(wěn)定，振幅收窄，頻率穩(wěn)定，特大澇4 次；夏季降水對(duì)年際影響大為高度相關(guān)，降水降幅較大，振幅穩(wěn)定，頻率降低，特大澇5 次；秋季降水對(duì)年際有一定影響為實(shí)相關(guān)，趨勢(shì)穩(wěn)定，振幅前后大中間小，頻率穩(wěn)定，特大澇3 次。通過(guò)張祎瑋等［10］對(duì)山西1958-2013年山西降水的季節(jié)變化對(duì)比發(fā)現(xiàn)，晉中地區(qū)與山西在年際與季節(jié)降水變化趨勢(shì)高度一致，而晉中地區(qū)又處于山西省中部，這反映出兩者變化的高相關(guān)性。

（3）季節(jié)連澇特征：1958-2020年春夏連澇出現(xiàn)11 次，頻率17.5%，夏秋連澇16 次，頻率25.4%，春夏秋連澇3 次，頻率4.8%。研究發(fā)現(xiàn)春夏秋連澇并未出現(xiàn)在特大澇年份中，而是各月降水被充分稀釋和均攤，均為豐產(chǎn)年，大澇和特大澇年份各月降水極不均勻，是典型的災(zāi)年。

（4）洪澇周期性：1958-2020年年際降水主周期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。春季與年際降水變化周期基本吻合，夏秋兩季與年際不一致且主周期明顯縮短，旱澇變化更加頻繁。

（5）暴雨時(shí)空分布：1958-2020年發(fā)生暴雨420 次，主要發(fā)生在7、8月，黃河流域各縣年均0.52次，最高為介休年均0.7次；海河流域各縣年均0.76 次，最高為榆社年均0.89 次，其次昔陽(yáng)0.78次，介休、榆社、昔陽(yáng)均為喇叭口地形。

5 暴雨洪水成因分析

5.1 植被和巖性條件

植被對(duì)洪水的消減作用是非常顯著的，就晉中地區(qū)來(lái)看，超標(biāo)準(zhǔn)洪水發(fā)生頻率低或沒(méi)有的地區(qū)，多數(shù)為密林區(qū)或植被條件好，而植被條件差，超標(biāo)頻率就高。巖性是洪水易發(fā)的又一重要影響因素，石灰?guī)r屬可溶性巖類(lèi)，漏水比較強(qiáng)烈，除暴雨外一般不易形成洪水，如介休龍鳳河流域，清漳河流域灰?guī)r區(qū)。風(fēng)化程度低的砂頁(yè)巖流域，一般植被較差，洪水易發(fā)程度較高，如榆社。第三系紅土和第四系黃土類(lèi)地區(qū)，因入滲能力較低，洪水易發(fā)程度較高，例如晉中的黃河流域。變質(zhì)巖地區(qū)，一般均有不同程度的風(fēng)化層，植被條件較好，洪水易發(fā)程度介于石灰?guī)r和風(fēng)化程度低的砂頁(yè)巖、第三系和第四系之間。風(fēng)化程度高的砂頁(yè)巖地區(qū)，一般植被較好，洪水易發(fā)程度與變質(zhì)巖類(lèi)地區(qū)相近。

5.2 地形地貌特征

地形地貌也是洪水易發(fā)程度的一個(gè)重要因素，地形陡峭、坡度大，洪水匯流快，徑流系數(shù)大，洪水易發(fā)程度高，如縱坡大于20‰的象峪河、烏馬河、龍鳳河、仁義河、交口河以及太行山東緣、太岳山兩側(cè)，反之易發(fā)程度低。山脈及走向同樣是致雨的重要因素，例如南部的太岳山和東部的太行山，一般情況下迎風(fēng)坡常處于槽前區(qū)，形成暴雨的水汽團(tuán)走向高空為西南風(fēng)，低空則以偏東風(fēng)為主，低層暖濕氣流常因地形抬升而加速凝聚，從而產(chǎn)生歷時(shí)長(zhǎng)、強(qiáng)度大的暴雨。耕地在夏季植被要好，也可以有效減少?gòu)搅鳎鸬较麥p洪峰的作用。

5.3 喇叭口地形

喇叭口地形是指上游開(kāi)口小地勢(shì)高、下游開(kāi)口大地勢(shì)低的地形，對(duì)于低空氣流有很明顯的輻合抬升作用。開(kāi)口朝向很關(guān)鍵，若是水汽輸入方向，則非常有利于暴雨的形成和發(fā)展，有時(shí)會(huì)反復(fù)性發(fā)作，出現(xiàn)大暴雨情形。1963年8月晉中東山特大暴雨和2021年7月鄭州特大暴雨喇叭口地形就起到了助推作用。晉中有三處此類(lèi)地形，榆社，背靠太岳山和太行山，開(kāi)口向南，處于暖濕氣流背風(fēng)坡，暴雨頻率最高；昔陽(yáng)，背靠太行山和系舟山，開(kāi)口向東，暴雨頻率第二；介休，背靠太岳山和呂梁山，開(kāi)口向北，暴雨頻率全區(qū)黃河流域最高，可見(jiàn)喇叭口地形對(duì)暴雨形成非常顯著。

5.4 城市擴(kuò)張易發(fā)洪澇

洪澇災(zāi)害已成為我國(guó)城市最主要的自然災(zāi)害，晉中地區(qū)也不例外，目前各縣城區(qū)中雨級(jí)別即能造成洪澇，尤以晉中市城區(qū)最為嚴(yán)重。洪是因建城區(qū)面積越來(lái)越大，結(jié)合周邊環(huán)境改造，造成城市匯流面積成倍增大、徑流系數(shù)高，出現(xiàn)強(qiáng)降雨造成峰高量大，水位急漲。澇是因雨水不能及時(shí)排出，造成城區(qū)積水，排水設(shè)施跟不上城市建設(shè)速度是主因，城市下游排洪能力受限也是一重要原因，其次還與城市的分洪、蓄洪、緩洪水利工程不足有關(guān)。

5.5 汾河流域洪水頻繁區(qū)

汾河流域?qū)偕轿鞔蠓秶樗l繁區(qū)，約占山西省的1/4，汾河從上游到下游，大洪水出現(xiàn)的概率呈遞增趨勢(shì)。汾河是山西第一大河，全長(zhǎng)713 km，流域面積40 096 km2，其中晉中處于汾河中游，境內(nèi)長(zhǎng)度有124 km，流域面積9 189 km2，占晉中國(guó)土面積56%，是晉中洪水最嚴(yán)重的河流之一。歷史上汾河晉中段遷徙最多、變化最大，河勢(shì)走向最不穩(wěn)定的一段，據(jù)歷史文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)1464-1948年485年間發(fā)生大洪水138 次，發(fā)生頻率28.5%，1949-2020年72年間發(fā)生大洪水14 次，發(fā)生頻率19.4%，超標(biāo)準(zhǔn)洪水發(fā)生頻率41%。

5.6 海河流域洪水頻繁區(qū)

海河流域?qū)偕轿鞔蠓秶樗l繁區(qū)，約占山西省的1/3，海河流域在晉中有三條大河：松溪河、清漳河和濁漳河，境內(nèi)長(zhǎng)度390 km，流域面積7 153 km2，占晉中國(guó)土面積44%，是晉中洪水最嚴(yán)重的河流之一，超標(biāo)準(zhǔn)洪水發(fā)生頻率57%，高于汾河流域。據(jù)歷史文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)1662-1949年287年間發(fā)生大洪水23 次，發(fā)生頻率8.0%，1949-2020年72年間發(fā)生大洪水17 次，發(fā)生頻率23.6%。分析兩時(shí)間段變化大的原因有：①歷史上海河流域晉中人口稀疏，文獻(xiàn)對(duì)洪水記載存在疏漏；②海河流域晉中東段多處灰?guī)r區(qū)，下滲量大，新中國(guó)以后人類(lèi)活動(dòng)對(duì)地表進(jìn)行改造，如耕地、坡耕地、城鄉(xiāng)建設(shè)、交通建設(shè)等，降低了灰?guī)r區(qū)下滲量，加大了洪水頻率。

5.7 暴雨時(shí)空分布

暴雨在晉中地區(qū)時(shí)空分布不均勻，夏季暴雨多，7、8月份占到80.5%；東西部差異大，東部山區(qū)暴雨次數(shù)比西部平川多46%，大暴雨主要集中在太行山區(qū)昔陽(yáng)、和順、左權(quán)和太岳山南的榆社。山勢(shì)走向同樣影響了暴雨的時(shí)程分配特點(diǎn)，雨區(qū)分布與山脈走向一致，受太行山和太岳山的阻擋，東南和西南氣流在輸入過(guò)程中被高山阻擋抬升，產(chǎn)生強(qiáng)度大、歷時(shí)短的暴雨，暴雨集中在整個(gè)降雨過(guò)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 暴雨天氣系統(tǒng)

晉中地區(qū)暴雨天氣主要有氣旋雨、地形雨、臺(tái)風(fēng)雨和熱雷雨四種類(lèi)型。①氣旋雨，全區(qū)主要為低渦暴雨、西風(fēng)槽暴雨、切變線暴雨和副熱帶高壓后部暴雨，多為歷時(shí)短的暴雨，但也有大范圍持續(xù)強(qiáng)降雨。②地形雨，在東部太行山很常見(jiàn)，降水量幾乎與等高線增高呈正比，其次山區(qū)小氣候產(chǎn)生的谷風(fēng)環(huán)流午后到傍晚之間也常會(huì)引發(fā)暴雨。③臺(tái)風(fēng)雨也會(huì)給全區(qū)帶來(lái)大范圍的連陰雨和大暴雨。④雷雨，一般由積雨云發(fā)展而來(lái)，主要出現(xiàn)在夏季午后或傍晚時(shí)分，變化劇烈、范圍小，降雨強(qiáng)度大，在晉中非常常見(jiàn)。

5.9 暴雨環(huán)流特征

晉中地處黃土高原東緣，暴雨成因復(fù)雜，類(lèi)型多樣。500 hPa 環(huán)流場(chǎng)上主要有海上副高型、副高控制型、移動(dòng)性副高型、江淮東西向切變形、東北低槽型、東亞阻塞高壓型。700 hPa 環(huán)流場(chǎng)上主要有豎切變、橫切變、高壓后部、高壓后部橫切變、西南渦、西北渦、臺(tái)風(fēng)等。地面形勢(shì)主要有冷鋒、導(dǎo)槽、暖鋒、高壓后部底部、氣旋等。全區(qū)暴雨500 hPa 環(huán)流場(chǎng)海上副高型占63%，副高控制型占20%，700 hPa 環(huán)流場(chǎng)上汾河流域主要是橫切變，其次是豎切變和西北渦，海河流域主要是豎切變；地面形成主要以冷鋒為主。

5.10 洪澇年環(huán)流形勢(shì)

晉中處于亞洲大陸中緯度大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，冬季多風(fēng)少雨、盛行西北風(fēng)，夏季高溫多雨、盛行東南風(fēng)。從大氣環(huán)流形勢(shì)來(lái)看，晉中地區(qū)澇年夏季一般太平洋副高偏北偏西，強(qiáng)盛持久，暖濕氣流源源不斷輸送至北方，南下低渦交餒，形成多雨的局面。從500 hPa 環(huán)流場(chǎng)上分析［11］，1950年代東亞大槽發(fā)展深厚東亞大片負(fù)距平，亞洲大陸西部為正距平，峰區(qū)位于西伯利亞西，大陸高壓脊北伸較強(qiáng)，是西風(fēng)帶經(jīng)向環(huán)流發(fā)展的典型形勢(shì)，這種環(huán)流背景下北方冷氣團(tuán)和南方暖濕氣流頻繁交餒，造成晉中地區(qū)低溫多雨的局面。1960年代東亞大槽東移，負(fù)區(qū)在大陸沿岸及洋面上，正區(qū)覆蓋整個(gè)亞洲大陸，峰區(qū)位于西伯利亞?wèn)|山西正北方，也是西風(fēng)帶經(jīng)向環(huán)流發(fā)展的形勢(shì)，這種環(huán)流背景下利于北方寒潮南下山西和南方暖濕氣流頻繁交餒，形成低溫多雨的局面。1970年代東亞大槽和大陸高壓脊均偏弱，東亞距平分布與前兩個(gè)年代正好相反，經(jīng)向環(huán)流明顯衰退，多平直的西風(fēng)環(huán)流，造成高溫少雨的局面。1980-2009年根據(jù)楊哲等［12］對(duì)北半球月均環(huán)流渦動(dòng)分析，北半球渦度擬能整體呈減弱趨勢(shì)，減弱的區(qū)域主要位于北太平洋以及極地地區(qū)，12.5～50°N 為北半球渦動(dòng)擬能減弱的關(guān)鍵區(qū)域，這一區(qū)域正是西風(fēng)急流所在區(qū)域，在全球增暖背景下，對(duì)流層大氣經(jīng)向溫度梯度減小，副熱帶西風(fēng)急流強(qiáng)度呈明顯減弱趨勢(shì)，急流的變化與北半球渦度擬能變化有顯著的正相關(guān)關(guān)系，造成晉中地區(qū)降水減少，1980年代降水較上一年代減少了7%，1990年代副熱帶高壓中心更加偏南，太平洋暖濕氣流和孟加拉灣水汽無(wú)法輸送到晉中上空，降水較上一年代大減11%，1997年?yáng)|部超強(qiáng)厄爾尼諾的出現(xiàn)，晉中發(fā)生特大旱，1997年夏至2001年夏，17個(gè)季度出現(xiàn)15個(gè)干旱，歷史記錄描述為百年罕見(jiàn)大旱災(zāi)。2000年代副高中心向中部靠攏，降水較上一年代提高了9%，但仍處于較低水平。2010年代以來(lái)副高中心北移，西風(fēng)帶經(jīng)向環(huán)流發(fā)展，冷空氣強(qiáng)盛，7月、9月降水大幅上漲，降水較上一年代提高了9%，2020年受拉尼娜現(xiàn)象和臺(tái)風(fēng)影響，8月降水為1958年建站以來(lái)最大值，年降水為近32年來(lái)的最大值。總體來(lái)看，西風(fēng)帶經(jīng)向環(huán)流發(fā)展、副高中心偏西偏北與晉中地區(qū)降水呈正向關(guān)系。

5.11 太陽(yáng)黑子活動(dòng)

太陽(yáng)是地球主要外部能量來(lái)源，太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)地球的大氣環(huán)流層擾動(dòng)非常大，進(jìn)而影響到降水的變化［13］，通過(guò)1958-2020年晉中降水距平與太陽(yáng)黑子相對(duì)數(shù)對(duì)比見(jiàn)圖7，可以看到太陽(yáng)黑子變化與晉中地區(qū)降水并不相對(duì)應(yīng)，但有一定的規(guī)律。①極小年前后年際降水變化大，變化率29.7%，極小年前1～2年降水較多，易發(fā)洪澇災(zāi)害，全區(qū)大范圍暴雨多數(shù)發(fā)生在這個(gè)時(shí)期，極小年及后一年降水減幅大，易出現(xiàn)較大干旱，隨后大幅回升，說(shuō)明極小年前后天氣變化大，旱澇災(zāi)害頻繁，多為欠收年。②極大年前后年際降水變化小，降水平均變化率16.8%，遠(yuǎn)低于極小年，極大年前1～2年降水偏多，易發(fā)洪澇，極大年及后一年降水偏少，但整體降水量相對(duì)正常變化小，多為豐收年。③極大年向極小年過(guò)程中降水豐枯交錯(cuò)，極小年向極大年過(guò)程中降水偏多。

圖7 晉中地區(qū)1958-2020年降水距平與太陽(yáng)黑子相對(duì)數(shù)對(duì)比圖Fig.7 Comparison of precipitation anomaly and relative number of sunspots in Jinzhong Area from 1958 to 2020

5.12 厄爾尼諾/拉尼娜現(xiàn)象

厄爾尼諾/拉尼娜現(xiàn)象是發(fā)生在熱帶中東太平洋海溫異常現(xiàn)象，對(duì)晉中地區(qū)降水影響甚大，將nino3.4 區(qū)溫度異常指數(shù)（SST）分為4 個(gè)區(qū)，定義高于0.5 ℃為厄爾尼諾區(qū)，低于0.5 ℃為拉尼娜區(qū)，選取1958-2020年SST 與晉中單月降水進(jìn)行對(duì)比，如圖8和表3可知：①在厄爾尼諾區(qū)，降水春季微豐，夏秋季大枯，分別降幅達(dá)16.44%、10.09%；在拉尼娜區(qū)，降水春季偏枯，降幅7.59%，夏秋兩季偏豐，增幅9.64%、6.11%，可見(jiàn)厄爾尼諾和拉尼娜對(duì)晉中降水影響完全相反，而厄爾尼諾對(duì)夏秋兩季降水影響更大。②在［0，0.5）區(qū)間，春季降水偏豐，增幅12.02%，夏秋季微枯；在（-0.5，0）區(qū)間，降水春季大枯，降幅達(dá)12.32%，夏季秋季偏豐，增幅5.2%、6.34%。③春季，厄爾尼諾區(qū)為正效應(yīng)，其余區(qū)間為負(fù)效應(yīng)；夏秋兩季，SST大于零為負(fù)效應(yīng)，SST小于零為正效應(yīng)。這與李芬等［14］研究1958-2013年厄爾尼諾/拉尼娜對(duì)山西季節(jié)旱澇響應(yīng)變化是一致的。

表3 太平洋溫度異常對(duì)晉中地區(qū)降水影響Tab.3 Influence of Pacific temperature anomaly on Precipitation in Jinzhong Area

圖8 1958-2020年晉中地區(qū)降水距平與太平洋溫度異常關(guān)系Fig.8 Relationship between precipitation anomaly and Pacific temperature anomaly in Jinzhong region from 1958 to 2020

5.13 小 結(jié)

隨著全球氣溫升高，氣候系統(tǒng)的熱動(dòng)力條件、能量收支和水循環(huán)均發(fā)生了巨大變化，水汽含量增加，極端降雨的發(fā)生將越來(lái)越多［15］，最新學(xué)者對(duì)中國(guó)暴雨過(guò)程的研究顯示，1961-2016年暴雨覆蓋范圍、綜合強(qiáng)度和暴雨期均呈顯著延長(zhǎng)趨勢(shì)［16，17］，北方雖不明顯，但是隨著2020年拉尼娜的到來(lái)，雨帶明顯北移，2020年8月266.4 mm 降水量打破晉中地區(qū)建站以來(lái)單月歷史記錄，2021年“7·20 鄭州特大暴雨”打破建站以來(lái)60年的歷史記錄和“10·5 山西暴雨”晉中地區(qū)4日降水193.4 mm 為歷史10月最高，從全球來(lái)講2021年極端高溫與極端干旱也同時(shí)并存。對(duì)于嚴(yán)重缺水的北方來(lái)說(shuō)不僅要做好防洪減災(zāi)提高對(duì)暴雨洪水的防御標(biāo)準(zhǔn)，更要做好引洪補(bǔ)枯、豐枯調(diào)劑和雨水資源化等措施，通過(guò)水利工程讓洪澇變?yōu)臑閷殹⒃旄Ｈ祟?lèi)。