“桑拿天”不同寻常的高温天气，通常是指让人感到闷热、湿度又大的天气.这种天气同时具备高温、高湿、能见度低的特征.从气象学上讲，“桑拿天”没有一个标准定义，根据往年气象资料归纳，一般当最高气温超过32 ℃、日平均湿度达到65%以上，就可以称为“桑拿天”.在湿热无风的环境里，人体的汗液无法正常排出，热量也散发不出来，所以觉得闷热难熬，像蒸桑拿一样，因而称之为“桑拿天”.统计结果表明，可以持续几天甚至一周的“桑拿天”可使人体耐力超过限度导致发病甚至死亡.近年来，高温高湿的“桑拿天”频繁发生在人口密集的大城市，已经带来了破坏性的影响^[1-6].除了对人体本身的影响外，还导致水电需求量急剧上升，造成供需矛盾，严重影响生活和生产.另外，高温高湿往往伴随着城市大气污染加剧.因此在全球变化背景下，对于该问题的研究引起了科学工作者的广泛关注^[7].

近年来，我国华北地区每年夏季都会出现闷热的“桑拿天”，如2005年8月15日，由于受副热带高压控制，并以东南风为主，大量的水汽被输送到了北京市上空，再加上超过30 ℃的高温，因此就形成了北京闷热潮湿的“桑拿”天气.2006年7月15日，由于台风“碧利斯”外围偏东气流的影响，大量海上水汽被输送到华北上空，加剧了北京市的空气湿度（夜间的最大相对湿度达到了90%以上），造成了北京的高温高湿天气.和中国南方部分地区夏季长期处于高温高湿的环境相比，华北地区气候相对较为干燥，人体对高温高湿天气预警性和环境适应性能力不足，从而造成的危害可能更大.因此，对华北地区这种突发性的高温高湿天气过程研究更有必要.

“桑拿天”的形成往往和大气环流背景及其局地的天气形势息息相关.Owen和Robert^[8]、Wolfson等^[9]对美国的高温高湿天气进行了中尺度数值模拟和分析，指出下沉运动、东风气流和暖平流共同作用导致了高温高湿过程的发生.Winston和Lance^[10]分析了1980年夏季美国南部大平原上持续性高温高湿期间的湿度调整.亦有研究表明^[11]，城市热岛也是城市高温、高湿天气形成的一个重要原因.然而，就目前的研究状况而言，如何选取合适的物理变量对“桑拿天”进行定性、定量的描述，进而对其预测预报还存在较大的不足.在McNulty ^[12-13]工作的基础上，Doswell^[14]、Johns和Doswell^[15]、Doswell等^[16]发展了IM方法.之后，Wetzel等^[17]将IM方法应用于中纬度冬季降水的业务分析和预报.他们将强迫上升和不稳定指标组合成一个新的参数PVQ作为降水潜势预报的一个因子，来系统地预测降水的持续时间、强度和冬季降水类型.那么可否借鉴降水预报中的IM方法，将其应用于桑拿天的研究呢？回顾过去对华北闷热天气的研究，也以某个地区的高温天气统计及其大气环流分析居多^[18-20]，动力分析较少；而且多用高温、高湿或环流形势等单个物理量来分析，可否将这些单个因子包含进IM方法，将IM方法拓展至桑拿天研究领域呢？

本研究将借鉴以往暴雨研究中的IM理论方法，将这些表征桑拿天特征的多个物理量综合起来，试图发展一个简单、使用方便的物理参数来表征桑拿天.其实，早在2005年，高守亭等^[21]就用结合了温度、湿度、涡度因子的广义湿位涡（GMPV）异常诊断了2002年7月30日-8月4日北京地区典型高温高湿天气过程，虽然作者没有明确说明，但其实这已是IM方法拓展至桑拿天的一个较好的应用.但在其研究中也指出，广义湿位涡异常的大值区还处于一个比较大的范围，利用广义湿位涡及其异常作为指数来判断高温高湿的发生会有空报的可能.因此本文第2节在包含温度、湿度、涡度因子的GMPV的基础上，将表征“桑拿天”特征的“高温、高湿、下沉气流”等因子包含进IM方法中，从理论上尝试性地引入几个适用于“桑拿天”的新的动力因子---热力螺旋度、水汽螺旋度以及湿热力螺旋度，并进行简单的分析.第3节利用这些动力因子，来动力识别2002年7月30日-8月4日、2009年7月7-9日的“桑拿天”过程.最后给出小结.

据统计，华北超过40 ℃的高温天气多集中在6月下旬和7月^[20]，而华北“桑拿天”集中在7月中旬至8月上旬，并非夏季的最高温.只是由于“桑拿天”过程中较大的湿度，使得人们“感知到”比较热.可见，虽然“桑拿天”发生在夏季普遍高温的大环境之下，但靠单纯的温度来诊断“桑拿天”，有较大难度.由于“桑拿天”的高湿，水汽效应是一个必须考虑的因素.从已有的研究中，“桑拿天”多发生在下沉运动或相对稳定的环流背景下，因此本文在广义湿位涡（结合了温度、湿度、涡度）的基础上，结合桑拿天高温、高湿和其环流特征，尝试性地引入适用于“桑拿天”的热力螺旋度（TH，结合了温度、涡度、下沉运动）、水汽螺旋度（MH，结合了湿度、涡度、下沉运动），以及结合了温度、湿度、涡度、下沉运动等综合作用的湿热力螺旋度（MTH）等，并对比试图寻找简单有效、使用方便的物理参数来表征桑拿天，对“桑拿天”进行动力识别.它们的表达式分别为

(1)

(2)

(3)

这里T是温度，q是比湿，是广义位温^[22-24]，其余为气象常用符号.

既然O（ΔT）≪ O（T），O（Δθ^*）≪ O（θ^*），O（Δq）~O（q），这里T，θ^*和q的单位分别为K和kg/kg，则（1）式中，而（2）式中，（3）式中，，所以（1）-（3）式可简化为

(4)

(5)

(6)

上面（1）-（3）式是由螺旋度）的公式拓展而来.分别将温度、湿度拓展到螺旋度的概念中，以及将温湿效应一并融合到螺旋度中，就得到了以及这三种螺旋度的拓展形式.若分别称之为水汽（通量）涡度、热力涡度、湿热力涡度，则上面三种拓展形式只取垂直分量就变为 ））），分别称之为热力（垂直）螺旋度，水汽（垂直）螺旋度，湿热力（垂直）螺旋度，其物理意义明确，表示水汽（通量）涡度、热力涡度、湿热力涡度的垂直向上/向下输送状况.

这些拓展形式，将华北地区闷热的“桑拿天”过程中的高温、高湿、以及环流特征耦合进螺旋度中.以2002年7月的“桑拿天”过程为例^[21]，以下沉运动为主，对流层中层有稳定的副热带高压环流控制，对流层低层有弱的正涡度出现，因此垂直速度和垂直涡度的点积在“桑拿天”过程有强信号，可表征“桑拿天”的环流特征.再分别将“桑拿天”的高温、高湿、以及温湿结合效应耦合进可表征“桑拿天”环流特征的垂直螺旋度，引入适用于“桑拿天”的热力螺旋度、水汽螺旋度以及湿热力螺旋度，对“桑拿天”进行分析，以期寻找可对“桑拿天”进行较好的动力识别的物理量.下面将用实际“桑拿天”个例，对引入的物理量进行诊断.

2002年7月30日-8月4日华北“桑拿天”过程，受西伸的副高影响，华北气温较高（图 1a）；副高西北边缘的偏南气流将海洋上的暖湿空气输送到华北地区（图 1b），导致湿度较大，在（39°N，115°E）处有一湿度大值中心（图 1a）；从垂直速度分析，华北中低层基本被下沉气流控制（文献[21]中的图 5）. 2009年7月7-9日的另外一次华北“桑拿天”过程，对流层高层亦为反气旋型的暖性高压控制（图 1d），低层高温高湿（图 1c）.下面利用NCEP的1°× 1°资料，来计算热力螺旋度和水汽螺旋度，以及综合了温度和水汽的湿热力螺旋度在2002年7月30日-8月4日、2009年7月7-9日两次华北“桑拿天”过程中的分布，并与广义湿位涡进行对比分析.这里广义湿位涡的表达式为，其中α是比容，ζ_a是绝对涡度矢量^[21].

图 1

Fig. 1

图 1 2002年8月3日12时925hPa的（a）温度（K）和相对湿度（阴影，%），（b）流场；2009年7月8日06时925hPa的（c）温度（K）和相对湿度（阴影，%），（d）200hPa流场 Fig. 1 (a) The temperature (K) and relative humidity (shaded, %), (b) The streamline field at 925 hPa at 12 UTC 3 August 2002; (c) The temperature (K) and relative humidity (shaded, %) at 925 hPa, (d) The streamline field at 200 hPa at 06 UTC 8 July 2009

图 2和图 3为2002年7月30日-8月4日华北“桑拿天”过程中TH，MH，MTH，GMPV的垂直分布.虽然此次华北地区“桑拿天”过程有较高的TH（图 2a和3a），但除了华北地区的对流层低层，900hPa以下的39°N-42°N之间有一异常的TH大值中心维持（图 2a和3a），在其它地区的对流层中高层也有分布，比如2002年7月29日06时位于（50°N，250hPa）以及（51°N，700hPa）的极值中心（图 2a），2002年8月3日12时位于（51°N，300hPa）的极值中心（图 3a）.MH的异常大值区相对集中在北京及其周边的华北地区的对流层低层，位于800hPa以下，39°N-42°N之间，并维持（图 2b和3b）.而结合了温、湿效应的MTH（图 2c和3c）和GMPV（图 2d和3d），其中MTH与TH的分布相似，其异常大值区涵盖的范围远大于华北“桑拿天”爆发的范围，不如MH对华北“桑拿天”的动力识别效果好. GMPV只在700hPa的对流层低层有异常极值，在这一点上，要优胜于其余物理量，但其在低层的极值范围偏大（图 3d），其极值位于39°N以南，在北京周边地区（39°N-42°N）出现“桑拿天”的空报（图 3d），甚至出现华北桑拿天的漏报（图 2d）.图 4是2002年8月3日12时TH、MH、MTH和GMPV在975hPa层上的分布.较之整层分布，TH、MH以及MTH在对流层低层对华北“桑拿天”的指示性较好，空报率远远小于GMPV.不同于以往垂直螺旋度及其拓展形式对暴雨的诊断^[25]，首先，强降水与桑拿天的环流形势场非常不同.强降水一般有强对流，而桑拿天往往伴随稳定的垂直下沉运动.因此，垂直螺旋度的符号在两种不同天气类型中取决于垂直运动与涡度的配置.暴雨区的对流层低层对应垂直上升运动和气旋性涡旋，因此垂直螺旋度为负值^[25]；而在本文桑拿天的研究中，由于对流层中低层的下沉运动和弱涡旋性涡度（图略），导致正的垂直运动和正的涡度，其点积的拓展形式（热力螺旋度、水汽螺旋度）亦为正.当然，除了从垂直水汽螺旋度（热力、湿热力螺旋度等）的符号来判断，结合区别于暴雨的环流形势（降水伴随强对流，桑拿天往往伴随稳定的下沉气流）来预报桑拿天，可能更为可靠.

图 2

Fig. 2

图 2 2002年7月29日06时（a）TH (10-3 Pa·m3·K·kg-1·s-2)，（b）MH (10-8 Pa·m3·kg-1·s-2)，（c）MTH (10-3 Pa·m3·K·kg-1·s-2)，（d）GMPV (10-7 Pa·m3·K·kg-1·s-2)沿着116.5°E的经向剖面图 Fig. 2 The meridional-vertical sections along 116.5°E of (a) TH (10-3 Pa·m3·K·kg-1·s-2), (b) MH (10-8 Pa·m3·kg-1·s-2), (c) MTH (10-3 Pa·m3·K·kg-1·s-2), (d) GMPV (10-7 Pa·m3·K·kg-1·s-2) at 06 UTC 29 July 2002

图 3

Fig. 3

图 3 同图 2, 但是为2002年8月3日12时 Fig. 3 The same as Fig. 2, but at 12 UTC 3 August 2002

图 4

Fig. 4

图 4 2002年8月3日12时（a）TH (10-3 Pa·m3·K·kg-1·s-2)，（b）MH (10-8 Pa·m3·kg-1·s-2)，（c）MTH (10-3 Pa·m3·K·kg-1·s-2)，（d）GMPV (10-7 Pa·m3·K·kg-1·s-2)在975 hPa层上的分布 Fig. 4 The distributions of (a) TH (10-3 Pa·m3·K·kg-1·s-2), (b) MH (10-8 Pa·m3·kg-1·s-2), (c) MTH (10-3 Pa·m3·K·kg-1·s-2), (d) GMPV (10-7 Pa·m3·K·kg-1·s-2) at 975 hPa level at 12 UTC 3 August 2002

再看另一“桑拿天”个例.图 5和图 6为2009年7月华北“桑拿天”过程中TH，MH，MTH，GMPV的垂直分布和对流层低层的水平分布.的确，GMPV只在700hPa的对流层低层有异常极值，在这一点上，与2002年个例相似，要优胜于TH以及MTH，但其在低层的极值范围亦偏大（图 5d），其极值位于40°N以南，在北京周边地区（39°N-42°N）也出现了“桑拿天”的空报.虽然此次华北地区“桑拿天”过程，在整个对流层均有零散分布的较高的TH、MTH异常（图 5a和5c），比如（42°N，300hPa）以及（36°N，350hPa）的极值中心，但华北地区的对流层低层，800hPa以下的39°N-43°N之间有一异常的TH、MTH大值中心维持.MH以2.0为阈值的异常大值区也相对集中在北京及其周边的华北地区的对流层低层，位于850 hPa以下的39°N-43°N之间（图 5b）.975hPa高度层的水平分布图上（图 6），TH、MH以及MTH在北京外围也存在一定的空报现象，但其极值仍然位于北京周边，其在对流层低层对华北“桑拿天”的空报率仍远小于GMPV.

图 5

Fig. 5

图 5 同图 2，但是为2009年7月8日06时 Fig. 5 The same as Fig. 2, but at 06 UTC 8 July 2009

图 6

Fig. 6

图 6 同图 4, 但是为2009年7月8日06时 Fig. 6 The same as Fig. 4, but at 06 UTC 8 July 2009

对比TH、MH以及MTH的分布，TH和MTH分布相似，比较（4）-（6）式，MTH与TH量级一致，而且均忽略了水汽q的水平变化（）项；虽然MTH中的θ^*中有水汽因子q，但是（MTH/TH）=θ^*/T，而O（θ^*）=O（T）=300K，即O（θ^*）/O（T）=1，θ^*中水汽对温度的修正的量级远远小于温度本身的量级，所以MTH与TH的分布相似.而MH包含水汽的水平梯度项，对水汽分布变化的响应更为灵敏.可见在“桑拿天”发生的夏季普遍高温的大环境之下，包含了水汽水平变化项的MH，更能反映桑拿天区别于其它高温地区的潮湿闷热的特征.

可见在“桑拿天”发生的夏季普遍高温的大环境之下，湿度起着决定性作用.虽然温度未必最高，但在相对高温的大环境下大的湿度使得人们感觉到异常闷热.虽然GMPV对暴雨、桑拿天等，是一个较好的诊断量，但MH尤其在对流层低层，一定程度上改善了GMPV对华北桑拿天的空报现象.可见，对流层低层的MH是对华北“桑拿天”进行动力识别的有效工具.

从MH的定义，MH与大气环流特征和水汽分布有关，在分析时段内，稳定的反气旋性环流的西侧边缘气流带来海洋大量的水汽输送，集中在北京及周边的华北地区，增大了该地区的相对湿度；加上副热带高压中的下沉增温，低层空气高温高湿，因此出现了MH的异常.

本文分析了2002年、2009年的两次华北强“桑拿天”过程，并尝试性地将提出的热力螺旋度和水汽螺旋度，以及结合了温度和湿度的湿热力螺旋度等参数，用于桑拿天过程的分析.下一步要用更多的个例来检验和对比各个参数的诊断效果.MH包含了大气的环流特征以及水汽的综合作用，相对于常用的温度、湿度等物理量来说，它能在一定程度上反映风场和水汽场的相互作用，从而体现出大气变化的综合结果.通过推导MH的倾向方程，来计算MH的倾向，依据MH倾向的强弱，就可以预测未来短期华北地区高温高湿的“桑拿天”的发生及强弱趋势.这也是我们下一步要做的工作.

本文结合温度、湿度和环流特征，尝试性地引入适用于“桑拿天”的热力螺旋度、水汽螺旋度、湿热力螺旋度，来对“桑拿天”进行动力识别.选取2002年7月30日-8月4日、2009年7月7-9日华北地区的两次强“桑拿天”过程，来计算热力螺旋度和水汽螺旋度，以及综合了温度和水汽的湿热力螺旋度在此次“桑拿天”的分布，并与广义位涡进行对比分析.诊断分析表明，MH的异常大值区相对集中在北京及其周边地区的华北地区的对流层低层，并维持.而TH的异常大值区涵盖的范围远大于我们要研究的华北地区“桑拿天”的爆发范围.即使结合了温、湿效应的MTH和GMPV的异常大值区，其涵盖的范围亦逊于MH对“桑拿天”的动力识别.可见，在华北“桑拿天”爆发的夏季普遍高温的大环境下，湿度是一个决定性因素.结合了环流特征与湿度效应的MH，是对“桑拿天”进行动力识别的一个有效因子.未来将用更多的个例对MH的诊断效果进行验证，并推导其倾向方程，以期对“桑拿天”进行预报.