概念
悶熱天氣跟氣壓有密切的關係。一般地說，地面上高氣壓的地區往往是晴天，地面上低氣壓的地區往往是陰雨天。這裡所說的高氣壓和低氣壓是相對的，不是指大氣壓的絕對值。某地區的氣壓比周圍地區的氣壓高，就叫做高氣壓地區；某地區的氣壓比周圍地區的氣壓低，就叫做低氣壓地區。在同一水平面上，如果氣壓分布不均勻，空氣就要從高氣壓地區向低氣壓地區流動。因此某地區的氣壓高，該地區的空氣就在水平方向上向周圍地區流出。高氣壓地區上方的空氣就要下降。由於大氣壓隨高度的減小而增大，所以高處空氣下降時，它所受到的壓強增大，它的體積減小，溫度升高，空氣中的凝結物就蒸發消散。所以，高氣壓中心地區不利於雲雨的形成，常常是晴天。如果某地區的氣壓低，周圍地區的空氣就在水平方向上向該地區流入，結果使該地區的空氣上升，上升的空氣因所受的壓強減小而膨脹，溫度降低，空氣中的水汽凝結，所以，低氣壓中心地區常常是陰雨天。由於氣壓跟天氣有密切的關係，所以各氣象哨所每天都按統一規定的時刻觀測當地的大氣壓，報告給氣象中心，作為天氣預報的依據之一。
華北地區夏季高溫悶熱天氣特徵的分析
我國定義日最高溫度(T)超過35℃為高溫天氣、日最低溫度(T)超過25℃為悶熱天氣。高溫悶熱天氣是一種災害性天氣，可造成電力負荷持續升高、供水緊張，對工農業生產有很大影響。高溫悶熱會使人體不適，影響生理、心理健康，引發疾病甚至導致死亡。
在華北，特別是華北東部地區每年夏季都會出現高溫悶熱天氣，對華北地區高溫悶熱天氣的研究以某個地區的高溫天氣統計及其大氣環流分析居多。北京、石家莊和濟南夏季高溫日數在20世紀60～70年代初偏多；70～90年代初偏少；90年代後期高溫日數顯著偏多。他們認為在90年代後期，夏季西太平洋副熱帶高壓脊線位置偏北，副高控制華北地區，造成了華北地區高溫日數和高溫過程偏多。利用北京1940～1992年7月的逐日最低和最高氣溫資料，發現40年代以來夏季最高氣溫呈下降趨勢，而最低氣溫則緩慢增加。統計分析北京地區夏季高溫悶熱天氣的季節內分布特徵，指出高溫天氣主要集中在6月下旬和7月，而悶熱天氣約3/4以上集中在7月中旬至8月上旬。研究1999年夏季華北和北京持續性高溫酷暑天氣的環流特徵，對1999年6、7月華北的兩段高溫過程進行了模擬研究。探討河套高壓的形成機理及其與北京高溫天氣的聯繫，河套高壓所伴隨的晴空區輻射增溫和絕熱增溫有利於北京持續性高溫天氣的形成。華北其他地區夏季高溫及悶熱天氣的分析得出的主要結論基本上與北京一致。
近50年華北地區夏季高溫總日數的變化呈雙峰型，而最低氣溫則呈緩慢增加的特點，因此，需要進一步綜合分析近幾十年高溫和悶熱總日數的變化，研究形成高溫和悶熱天氣不同變化特點的大氣環流差異。華北地區高溫悶熱天氣的主要成因是受大陸高空暖高壓脊或西太平洋副熱帶高壓的控制，受不同性質的高壓脊控制，產生高溫天氣的特徵也會不同，有必要剖析這兩類高壓系統對華北地區夏季高溫影響的特點。此外，由於高溫悶熱天氣不僅與氣溫有關，還與濕度與風力大小有關，需要在高溫悶熱天氣分析中綜合考慮它們的影響。
研究首先利用華北地區北京、天津、石家莊、太原、濟南和青島1961～2004年夏季逐日最高和最低氣溫資料，分析夏季高溫與悶熱日數的變化特點及其大氣環流特徵，討論高溫和悶熱天氣出現年代際變化不同步的可能原因。然後，以北京高溫、悶熱天氣過程為主，對近幾十年的高溫悶熱天氣進行分型，並對每種天氣型選擇典型個例進行了具體分析。
華北地區高溫悶熱天氣的年代際與年際變化
（1）華北地區夏季平均氣溫的變化
圖1 1951～ 2006 年夏季氣溫距平根據國家“九五”項目“我國短期氣候預測系統的研究”在華北地區均勻選取17個代表站(承德、北京、天津、石家莊、德州、邢台、安陽、煙臺、青島、濰坊、濟南、臨沂、荷澤、鄭州、長治、太原、臨汾)，將各站夏季氣溫距平進行算術平均作為華北區域平均的氣溫距平(圖1)。對於華北地區，20世紀50年代夏季平均氣溫以基本正常或偏低的年份居多，而60年代氣溫偏高的年份較多。70年代氣溫又以偏低年份居多，到了80年代至90年代初期氣溫在正常範圍內波動。自90年代中期以來氣溫表現出上升的趨勢，特別是1997～2002年夏季連續6年氣溫偏高。北京地區夏季平均氣溫的變化與華北地區基本一致，只是單站氣溫的變率更大而已，而且，從90年代中期開始氣溫顯著偏高的特點更明顯，1999～2006年夏季連續8年氣溫偏高。
（2）華北地區夏季最高和最低氣溫的變化
圖2 1960～2004年夏季(6～8月)高溫天氣日數(實線)和悶熱天氣日數按照T超過35℃為高溫天氣、T超過25℃為悶熱天氣的定義，對北京、天津、石家莊、濟南、青島和太原1960～2004年夏季高溫與悶熱日數進行統計。結果顯示：地處太行山以東、燕山以南的華北東部地區，在60～70年代初高溫發生的頻率較高，另一個高峰在90年代中後期(圖2)。北京高溫天氣發生頻率最高的年份在1965、1999和2000年，為20天以上(圖2a)天津的高溫日數與北京基本相當(圖2b)。石家莊與濟南的高溫日數一般比北京、天津多5～10天(圖2c、d)，雖然高溫日數的尖峰時段與北京、天津基本一致，但高溫天氣發生頻率最高的年份有所不同，其中1968和1997年的峰值更明顯(30天左右)。地處黃海之濱的青島夏季最高溫度很少能達到高溫標準。對悶熱天氣日數的統計表現出與高溫日數變化不同的特點：北京只有90年代中後期一個高峰。石家莊和濟南的悶熱天氣都呈現雙峰變化的特徵，而濟南的悶熱日數一般比石家莊多5～10天，雙峰的特點也更顯著。地處渤海之濱的天津悶熱日數在60年代比石家莊多10天左右，而90年代則少5天左右，年際變化突出。青島夏季悶熱天氣較多，年際變化也比較顯著，悶熱天氣發生頻率最高的年份依次在1967、1978和1994年。位於華北中西部的太原，夏季高溫日數在多數年份少於2天，90年代中後期達到5天左右的峰值，且鮮有悶熱天氣(圖2f)。
綜上所述，華北地區夏季高溫悶熱天氣的分析主要針對東部地區。此外，高溫和悶熱天氣在華北中北部80年代前很少同時發生，80年代以後高溫和悶熱天氣同時發生的機率顯著增加;在華北南部高溫和悶熱天氣同時發生的機率較大。夏季分月統計分析表明：華北地區高溫一般在6、7月，6、7月的高溫日數各占夏季總高溫日數的50%左右8月很少出現高溫天氣。與高溫天氣不同，華北的悶熱天氣主要集中在7、8月，6月很少出現。
華北地區高溫天氣的環流特徵
圖31981～2004年夏華北地區6站平均(a)高溫日數(b)悶熱天氣日數20世紀60與90年代持續3天的高溫天氣過程較多，而持續3天以上的悶熱天氣，除1981年的一次外，其他幾次均在90年代後期。將夏季歐亞中高緯500hPa高度場持續流型劃分為W、E、C型，其中C型的特點是烏拉爾山、貝加爾湖及鄂霍茨克海地區分別為長波槽、脊、槽。他們指出在60年代，C型過程出現的頻數最高，90年代為次高。這種夏季歐亞中高緯流型的年代際變化是形成華北地區高溫與悶熱天氣變化特點的主要原因。60年代，華北地區易受大陸高壓脊的控制。當大陸暖高壓發展強盛時，在其上空出現空氣強烈下沉運動，空氣塊下沉(壓縮)引起絕熱增溫；另外，空氣的絕熱增溫會造成靜力穩定度加大抑制雲層發展，而高壓區的低空輻散會抑制水汽通量輻合和鋒生過程，使得增溫更為顯著。到了夜間，天空無雲的狀況使得輻射降溫很顯著，造成晝夜溫差很大。因而，華北出現高溫但不悶熱的天氣。90年代，夏季亞洲中高緯度地區出現類似於60年代的環流，華北地區常常受大陸高壓脊的控制；另一方面，1979年以來的衛星觀測顯示南北兩半球緯度在14°～45°之間對流層明顯變暖，與60年代相比，90年代西太平洋副熱帶高壓的影響明顯向北、向西擴展。盛夏西太平洋副高從海上伸向我國大陸，其北界(588dagpm線)可以到達35°以北地區，在這種情況下，地處副高西北邊緣的華北東部地區，雖受下沉氣流控制產生增溫，但因空氣濕度大、雲較多，不利於氣溫在日間升溫及夜間降溫，最高氣溫雖不是特別高，但最低氣溫多高於25℃。由此可見，90年代以來，夏季華北地區經常受到大陸高空暖高壓脊、西太平洋副熱帶高壓的共同影響，容易產生既高溫又悶熱的災害性天氣。鑒於NCEP/NCAR再分析資料可靠性分析，華北地區高溫天氣的環流分析採用NCEP/NCAR1981～2004年逐日和每6h一次的再分析資料。圖3是利用華北6站平均的1981～2004年夏季高溫和悶熱日數，回歸分析得到的同期500hPa高度距平場。高溫天氣的環流主要特徵是:在歐亞中高緯地區，存在顯著的正負相間的相關波列，歐洲中北部為正距平區，烏拉爾山地區與鄂霍茨克海西南地區為負距平區，貝加爾湖以南地區為正距平區，其中心位於(40°N，110°E)以北地區；40°N以南的西太平洋上，距平場呈現緯向正負相間的分布，表示西太平洋副高可能位置偏東(圖3a)。與悶熱天氣對應的500hPa高度距平場上，歐亞大陸40°N以北地區的相關波列並不清楚，中心位於(40°N，120°E)附近的正距平區範圍更大、強度更強；而40°N以南的西太平洋上，距平場出現北正南負的特點，表示西太平洋副高呈帶狀，位置偏北偏西(圖3b)。華北地區出現高溫悶熱混合型過程的環流，兼有高溫和悶熱環流的特點。由於有從高溫型演變為悶熱型的，也有由悶熱型轉化為高溫型的等等情況，過程之間的差異明顯。
研究結論
研究對華北地區近幾十年夏季的高溫與悶熱天氣做了統計分析和個例診斷，主要的結論如下：
(1)華北地區的高溫天氣在20世紀60和90年代出現兩個高峰期。高溫和悶熱天氣在華北中北部80年代前很少同時發生，80年代以後高溫和悶熱天氣同時發生的機率顯著增加；在華北南部高溫和悶熱天氣同時發生的機率還是比較大的。90年代中後期出現多次持續性高溫和悶熱並重的過程。
(2)夏季歐亞中高緯度環流與西太平洋副高的年代際變化，是造成近40年來華北高溫和悶熱日數變化不同步的主要原因。在20世紀60年代，華北地區易受大陸高壓脊的控制，氣溫具有白天升高而夜晚降低的特點，出現高溫但不悶熱的天氣。90年代，夏季亞洲中高緯出現類似於60年代的環流，同時，盛夏受西太平洋副高影響的區域明顯向北、向西擴展，華北地區受到大陸高壓脊、西太平洋副高的共同影響，容易產生既高溫又悶熱的天氣。
(3)典型高溫悶熱天氣過程的個例分析表明：不同類型的高溫天氣，其大氣環流在空間分布、垂直結構、以及濕度和大氣穩定度等方面存在明顯差異。高溫型一般多為大陸高壓控制，天氣乾熱；悶熱型一般多為副高影響;高溫悶熱型多受大陸高壓和副高的共同影響。
“城市乾島”對北京夏季高溫悶熱天氣的影響
IPCC第四次報告指出，隨著全球變暖程度的加劇，極端天氣和氣候事件發生的幾率將增加。這裡明確指明極端天氣事件包括夏季高溫悶熱天氣。高溫悶熱天氣也稱為熱浪，是夏季災害性天氣之一，對人們的工作、生活和健康都有很大影響。
每年夏季，北京或多或少都會有幾天高溫天氣(最高氣溫≥35℃)。鑒於所處的地理位置及其氣候背景，北京地區不能算是受高溫天氣影響最嚴重的城市。但是，隨著城市規模的擴大，北京的“城市熱島”強度表現出逐年增強的趨勢。另外，與二十世紀七八十年代相比，北京的“城市熱島”強度在夏季最強且整天存在，即使在“城市熱島”強度弱的午後，其平均強度也有2℃左右。這勢必增加北京城區遭受夏季高溫天氣的可能性。據《北京城市總體規劃(2004~2020年)》預測，未來10a，北京中心城區占地面積將約500km 擴展到1080km 。因此，在全球變暖的背景下，研究過去時代北京城區夏季高溫天氣的變化規律，對預測未來北京城區夏季高溫悶熱天氣事件的演變趨勢有重要意義。
研究利用氣溫、相對濕度、西太平洋副熱帶高壓活動的歷史資料，研究了北京城區夏季高溫悶熱天氣的變化規律，並指出了城市化對高溫悶熱天氣的可能影響。
北京夏季高溫悶熱天氣的年代際變化
氣象上的高溫一般是指日最高氣溫≥35℃，但人體的熱感覺還與相對濕度有關，因此，本文的高溫悶熱天氣是以溫-濕指數經驗公式 T= T-0.55(1- H)( T-58)(℉)的計算結果為標準的，其中 T(℉)=(9/5)× T(℃)+32為幹球溫度， H為相對濕度(%)。北京氣象台直接利用有效溫度 T，建立了北京地區人體舒適度指數範圍和感覺程度之間的關係。當 T等於80或81時，為悶熱天氣；當 T等於82或83時，為重悶熱天氣；當 T≥84時為極悶熱天氣。據此，給出了1940~2000年北京逐年高溫悶熱天氣日曆表。根據文獻 的北京高溫悶熱天氣日曆表和氣溫資料，圖4給出了北京年代高溫悶熱天氣日數、持續3d以上高溫悶熱天氣過程次數和年代氣溫的變化。這裡之所以給出持續3d以上高溫悶熱天氣過程次數的年代變化，是因為持續的高溫悶熱天氣對人們的工作、生活和健康都有更大的影響，因而更值得關注。
圖4 北京高溫悶熱天氣日數、持續3d以上次數和氣溫年代變化從圖4(c)可以看出，20世紀40~70年代，北京地區的氣溫逐年代下降，70~90年代逐年代上升，高溫悶熱天氣日數(圖4(a))或高溫悶熱天氣過程(圖4(b))也表現出同樣的演變規律和趨勢。研究指出，在全球變暖的背景下，中國華北地區的高溫悶熱天氣將表現出增多的趨勢；在全球變暖的背景下，區域極端氣溫出現的機率將呈增加的趨勢。但值得注意的是，雖然20世紀90年代北京地區的年代平均氣溫比40年代高1℃左右，但高溫悶熱天氣日數卻是在40年代最多。這一點從圖4(b)持續3d以上的高溫悶熱天氣過程次數的年代變化看得更加明顯。以上結果表明，在20世紀70年代以來全球變暖的背景下，北京夏季高溫悶熱天氣日數表現出增加的趨勢；但從40年代與90年代的比較來看，北京夏季高溫悶熱天氣日數增加的程度與年代溫度增加的程度並不呈線性關聯。
北京悶熱天氣與西太平洋副熱帶高壓活動
研究指出，夏季歐亞中高緯度環流與西太平洋副熱帶高壓的年代變化是造成1960~2000年間華北高溫悶熱天氣日數年代際變化的主要原因。20世紀60年代，華北地區易受大陸高壓脊的控制，氣溫具有白天高而夜晚低的特點，出現高溫但不悶熱的天氣；20世紀90年代，夏季亞洲中高緯度出現了類似60年代的環流形勢，盛夏受西太平洋副熱帶高壓影響的區域明顯向北、向西擴展，使華北地區受大陸高壓脊和西太平洋副熱帶高壓的共同影響，容易產生既高溫又悶熱的天氣。在個例分析的基礎上，衛捷等人進一步指出，高溫天氣一般為大陸高壓控制，悶熱天氣一般為副熱帶高壓控制，高溫悶熱天氣多受大陸高壓和副熱帶高壓的共同影響。20世紀90年代後期華北地區高溫悶熱天氣日數顯著偏多的原因是，夏季西太平洋副熱帶高壓脊線位置偏北，副熱帶高壓控制華北地區。研究也表明，夏季西太平洋副熱帶高壓的強度及位置與亞洲某些區域的地面溫度有明顯的關係，即副熱帶高壓越強、西伸經度越小，這些區域的地面溫度越高。以上這些研究都表明，華北地區包括北京地區夏季高溫悶熱天氣與西太平洋副熱帶高壓的活動有著密切的關係。
由於副熱帶高壓活動對我國天氣的重大影響，特別是對夏季天氣的重大影響，我國大氣科學家對副熱帶高壓進行了廣泛的研究。對夏季西太平洋副熱帶高壓的東、西偏移變化的研究指出，20世紀70年代以來副熱帶高壓東西偏移的年際變率明顯變大，這可能是最近20多年我國氣候異常頻發的原因。對西太平洋副熱帶高壓脊線年際變化的研究指出，西太平洋副熱帶高壓脊線年際變化呈現出一定的周期性，而這種周期在20世紀70年代中期發生了明顯的突變。這些研究表明，20世紀70年代以來，西太平洋的副熱帶高壓活動發生了系統性的變化。由於表征副熱帶高壓活動的特徵量所用資料的變更對研究副熱帶高壓活動有重大影響，對1880~2000年間的西太平洋副熱帶高壓活動指數進行了重建和模擬。利用重建的西太平洋副熱帶高壓活動指數，圖2給出了北京年代高溫悶熱天氣日數與副熱帶高壓強度指數和西界指數的相關分析。
圖5 高溫悶熱天氣日數與副熱帶高壓強度和西界指數的相關關係由圖5可見，北京地區年代高溫悶熱天氣日數與副熱帶高壓強度和西界的相關性較好，與北界的相關性較差，即高溫悶熱天氣日數與副熱帶高壓強度指數呈正相關(副熱帶高壓強度越強，北京地區高溫悶熱天氣日數越多)，與副熱帶高壓西界指數呈負相關(副熱帶高壓脊點越向西伸，北京地區高溫悶熱天氣日數越多)。20世紀70年代是北京地區高溫悶熱天氣的轉折點，也是副熱帶高壓活動的轉折點。單從20世紀40年代與90年代副熱帶高壓強度、西界指數的比較來看，90年代的副熱帶高壓強度更強，90年代的副熱帶高壓西界更深入大陸，因而90年代的高溫悶熱天氣日數應比40年代多才更合乎道理；另外，與20世紀70年代相比，90年代以來北京的“城市熱島”強度在夏季最強且整天存在，即使在“城市熱島”強度最弱的午後，其平均強度也有2℃左右。從以上兩點(即90年代的副熱帶高壓活動規律和北京夏季“城市熱島”的現狀)來看，都應當是90年代北京的高溫悶熱天氣日數比40年代多，但實際情況並非如此。這促使我們從北京地區城市化發展方面來尋找上述現象的原因。
“城市乾島”效應與高溫悶熱天氣
為了對20世紀90年代的高溫悶熱天氣日數比40年代少的現象給出合理的解釋，我們考察了北京城市化發展及其城市化效應，特別是城市的“乾島”效應。由前文的經驗公式可以看到，人體舒適度指數對溫度偏微分為0.45+ H，對相對濕度的偏微分為0.55 T。由此可見，在高溫情況下，人體舒適度對相對濕度的變化更敏感，而對溫度變化的反應要相對弱一些。因此在高溫天氣形勢下，相對濕度的變化對形成高溫悶熱天氣過程起著至關重要的作用。利用1961~2000年的資料，研究了北京城市化進程對北京城市氣候的影響。他們根據氣象站周邊的城市化程度和距城市中心的距離，將北京地區的標準氣象站分為城區站和郊區站，研究了“城市熱島”和“城市乾島”的年代變化，指出北京的“城市熱島”強度在逐年增加，“城市乾島”效應也在逐年加強，特別是20世紀90年代，夏季城區的相對濕度比60年代小了10%，而郊區的相對濕度卻基本保持不變。作為對鄭思軼等人結論的補充和印證，我們分析了北京地區霞雲嶺、佛爺頂山區氣象站夏季相對濕度的年代變化，結果表明兩站的相對濕度並沒有隨年代發生系統性的變化。這說明，在20世紀70~90年代間，北京的背景相對濕度並沒有發生系統性的變化，進而可以得出這樣的結論，北京城區夏季相對濕度的減少主要是由城市化發展所導致的“城市乾島”效應造成的。
這裡需要說明的是，研究分析的資料來自北京觀象台氣象站，即北京標準氣象站(站號54511)。在分析的數據時間段內，北京觀象台氣象站的位置有幾次變遷：解放前(1949年)北京觀象台氣象站在二環路外的動物園附近，50年代至1981年在四環路和五環路之間的南苑附近，1981~1997年在西三環路邊的北京氣象局車道溝附近，1997年在南苑附近。從北京的城市化進程來看，北京觀象台氣象站一直處於城市的邊緣，受城市的影響是不能忽略的(特別是20世紀的80年代和90年代)。另外，除北京觀象台氣象站以外，北京市的其他氣象台站幾乎都是解放後建立的，在50年代以前並沒有可供比較的其他台站。將北京地區的氣象站分為城區站和郊區站，其結果可以抵消一部分氣象站遷移的影響，因而研究引用他們的結果印證我們的推論是合理的。作為補充，我們對比了20世紀40年代和90年代高溫悶熱天氣時的濕度因素和氣溫因素。圖3給出了高溫悶熱天氣時的日均氣溫、日最高氣溫和日均相對濕度的年代距平變化曲線。
圖6 北京悶熱天氣時日均氣溫、最高氣溫和相對濕度的年代均值變化從圖6可以看出，20世紀40年代高溫悶熱天氣時的最高氣溫與90年代基本相當，都約為34.3℃；40年代高溫悶熱天氣時的日均氣溫比90年代低0.4℃；40年代高溫悶熱天氣時的日均相對濕度比90年代高5%。由此可以看出，20世紀40年代與90年代高溫悶熱天氣的差異，即40年代高溫悶熱天氣時的相對濕度較高，而90年代高溫悶熱天氣時的溫度較高。造成90年代的高溫既有全球變暖的因素，也有“城市熱島”效應的因素，但由於城市化的“乾島”效應以及高溫時人體舒適度對相對濕度的高敏感性，90年代高溫悶熱天氣時的人體舒適度有所改善，高溫悶熱天氣日數有所減少。以上的分析說明，全球變暖確有使北京高溫悶熱天氣增多的可能性，但“城市乾島”效應也有對衝掉一部分由於增溫而增加高溫悶熱天氣的可能性。
研究結論
利用北京60a(1940~2000年)的氣溫和相對濕度資料以及西太平洋副熱帶高壓活動資料，研究了北京夏季高溫悶熱天氣日數的年代變化，主要結果如下：
（1）北京夏季高溫悶熱天氣日數在20世紀40年代最多，70年代最少，從80年代開始又逐漸增多。
（2）北京夏季高溫悶熱天氣日數的年代變化與西太平洋副熱帶高壓的活動相關聯，特別是與副熱帶高壓活動強度指數和西界指數緊密相關，即副熱帶高壓強度越強，西界的東經經度越小，北京夏季發生高溫悶熱天氣的可能性就越高。
（3）20世紀80年代以來，北京夏季高溫悶熱天氣日數的增多與全球變暖呈同步趨勢，但北京“城市乾島”對此的緩解作用也不可忽視。這可能是90年代的氣溫明顯高於40年代，但90年代的高溫悶熱天氣日數卻少於40年代的原因之一。以上只是針對北京這一特大城市得出的結論，對於中小城市或不同氣候背景下的特大城市，以上結論是否成立，值得進一步研究。
