引 言

近百年来全球和中国的气候正经历一次以变暖为主要特征的显著变化^[1-3]，在气候变暖的背景下，京津冀的气温变化特征也引起了人们的关注，近年来京津冀地区夏季高温天气有上升趋势，高温日数增多，高温强度也有所增大。高温不仅影响人民群众的日常生活, 而且还由于需水量和用电量增加，给水利、电力、交通运输、工矿企业等部门的生产活动造成很大影响，同时高温也加重了夏季少雨的京津冀地区旱情的发展，导致严重的伏旱，给农业生产带来很大危害。

对华北地区高温天气的研究，以某个地区的高温天气统计及其大气环流分析或对某一年的高温天气气候特征进行分析居多^[4-9]。卫捷等^[4]通过分析北京、天津、石家庄、太原、济南和青岛六市44年的逐日最高气温，指出华北地区的高温天气在20世纪60年代和90年代出现两个高峰期，夏季欧亚中高纬度环流与西太平洋副高的年代际变化是造成华北高温的主要原因；张尚印等^[5]认为北京、天津、石家庄和济南20世纪90年代后期高温日数和高温过程偏多，原因是副热带高压基线位置偏北，副高控制这一地区；谢庄等^[6]研究了1999年夏季华北和北京持续性高温酷暑天气的环流特征；赵世林、连志鸾等^[7-8]对石家庄市高温闷热天气进行了气候特征分析, 给出了发生高温天气的典型环流场；王迎春等^[9]统计分析了北京夏季高温天气和闷热天气的逐月、旬、候的分布及持续时间。

以上研究都侧重于大城市高温天气的特征分析，不能全面反映整个地区的高温天气变化特征，成因分析也只限于高温天气出现同期的大气环流特征，要对高温天气进行提前预测，有必要对出现高温天气的前期环流特征进行分析研究。本文利用京津冀地区全部165个气象观测站点逐日的最高气温资料，对这一地区的高温天气发生频率和强度及年代际变化趋势进行了详细的分析，比较和分析了高温天气出现的同期和前期大气环流特征，对京津冀高温天气和同期旱涝特征进行了相关分析，探讨了预测高温天气的方法和手段。

1 资料和方法

气温资料来自于北京市、天津市以及河北省气候中心，选取京津冀境内165个气象观测站点资料，为保持资料样本长度一致，便于统计分析，资料年代选取1961年1月至2007年12月。我国定义日最高气温(T_max)超过35℃为高温天气^[4-5,9]，因此规定凡是测站每天的极端最高气温达到35℃及以上就记为一个高温站次，为区分高温天气出现的不同程度，达到37℃及以上记为一个强高温站次^[8]，达到40℃及以上记为一个极端高温站次。高空环流资料采用NCEP/NCAP1°×1°500hPa格点资料。

统计方法利用线性趋势变化、突变检验、小波分析、相关分析、t检验等数理统计方法^[10]。

2 京津冀高温天气历史演变特征 2.1 时间分布

首先统计1961年以来各测站出现大于35℃、大于37℃、大于40℃的高温站次数(图 1)，47年来共出现大于35℃的站次总数为70464，平均每年出现1500站次；大于37℃的站次总数为21071，平均每年448站次；大于40℃站次总数为1966次，平均每年42站次。从图 1可以看出4—9月份都可能出现高温天气和强高温天气，但绝大部分的高温天气都出现在6、7月份。大于35℃的高温站次数有84%出现在6、7月份，这与文献[4]中用北京、天津、石家庄三市单站资料分析的结论略有差别；大于37℃的强高温站次和大于40℃极端高温站次有90%以上出现在6、7月份。可以看出，6、7月份是京津冀高温天气出现最多的月份。

高温天气年际、年代际变化差异很大，有的年份明显偏多，有的年份明显偏少，图 2给出高温天气逐年出现站次的历史变化曲线。从图 2可以看出，高温天气出现具有阶段性，1966—1 972年、1997—2007年是高温天气出现的两个高峰期，1961—1965年、1973—1996年为高温天气偏少阶段。年际差异也较大，以大于37℃的站次为例，高温偏多年份1972年达到1600站次，1995年只有46站次，相差近35倍。

规定每年高温出现站次大于历年平均值为高温天气偏多年，小于历年平均值为高温天气偏少年。从历史上看京津冀高温天气偏多偏少的阶段性明显, 20世纪90年代后期以来高温天气有增加的趋势，这种变化是否是一种突变?采用Mann-Kendal方法^[10]进行了突变检测, 结果表明，1997年有一个突变点，说明20世纪90年代后期以来高温天气确实有增加的趋势，但整个历史序列突变检测未能通过显著性检验。

2.2 空间分布

图 3是根据1961—2007年京津冀165个测站每年出现的高温次数(35℃)和强高温次数(37℃)资料所绘制的年平均次数分布图。从图上可以看出，无论高温出现站次或强高温出现次数都呈现明显的南多北少分布，河北省北部地区出现高温几率较小；河北省南部地区出现高温的几率逐渐增多，邢台、衡水和石家庄南部以及沧州西南部出现高温的几率最大，高温天气年平均出现几率在12次以上，强高温天气年平均出现几率也在4次以上。

2.3 周期分析

图 4是逐年大于37℃高温天气出现站次数Morlet小波分析，图 4a是Morlet小波实部分布情况，系数的大小代表某一尺度波动振幅的大小，反映了它所对应时段的时间尺度的周期性是否明显，小波系数为负值, 表示该阶段高温天气出现站次比多年平均少；小波系数为正值, 表示该阶段高温天气出现站次比多年平均多，正负中心过渡的地方为气候发生转折的时期。从图上定性分析高温天气出现站次变化存在4年和15年的周期。为进一步定量地分析变化的主要周期，对不同尺度的小波功率谱进行分析(图 4b)，谱值越大，周期越显著，从图上可以看到，4年和15年处有两个明显的谱峰，4年周期谱表现非常突出，15年周期谱值比较突出。

3 高温天气与降水的相关分析

因为高温天气大多出现在6、7月份，利用每年6、7月份出现的高温天气站次数与同期降水量作相关分析，结果发现两者之间存在明显的反相关关系(表 1)，从表中可以看出，大于35℃和大于37℃站次数与6、7月份降水量的相关系数都通过了α=0.01的显著性水平检验，大于40℃的站次数与6、7月份降水的相关系数也通过了α=0.05的显著性水平检验。

表明干旱年份容易出现高温天气，多雨年份一般不易出现高温天气。图 5给出逐年大于37℃高温天气出现次数距平和同期降水量距平的历史演变曲线，图中可以看出，高温天气出现偏多的年份都是典型干旱年份，如：1968、1972、1997、2000、2002、2005年都是京津冀典型的干旱少雨年份。高温天气出现较少的年份大多是降水偏多的年份，如1964、1973、1977、1990、1995年。

4 京津冀高温天气偏多年的环流特征

大范围的天气气候异常是某种状态的异常大气环流型持续发展的结果，大范围高温天气的出现和维持必定和特定大气环流异常联系在一起^[12-14]，6、7月份的持续高温和干旱少雨是同步出现的。本文从47年中分别选取京津冀6、7月份高温天气偏多年(1968、1972、1997、2000、2002、2005年)和高温天气偏少年(1964、1973、1977、1990、1995年)，采用合成分析与相关分析法，对这两种相反天气气候特征的大气环流形势场进行分析。

4.1 500hPa环流分析

图 6给出高温天气偏多年和偏少年的500hPa平均环流，从图 6a可以看出，高温天气偏多年份北半球极涡呈偶极型分布，中心强度偏弱，在乌拉尔山附近为一深槽，贝加尔湖为弱高压脊，华北上空处于高压控制之下，容易出现高温天气。高温天气偏少年份北半球极涡呈单极型分布，中心强度偏强，在乌拉尔山附近为一弱高压脊，贝加尔湖为一低槽，呈现东高西低的分布。使得冷槽中不断有冷空气分裂南下，与暖湿空气在京津冀上空交绥，形成有利于多雨的大气环流形势，在这种形势下华北气温一般偏低。利用差值T检验^[10]对高温天气偏多年和偏少年所对应的500hPa的高度场进行差值显著性检验，计算结果证明两者之间的差异是显著的。

以上分析说明京津冀高温天气偏多年和偏少年所对应的同期大气环流是有显著差异的，我们更关心的是这两种不同气候的前期环流是否存在显著差异。因此我们考察了高温天气偏多、偏少年春冬季的高空环流特征，发现2—3月份的500hPa环流差异最为显著。图 7为高温天气偏多年和偏少年2—3月份的500hPa环流距平差值图，从图中可以看出，极地为大范围的正值中心，欧亚地区为大范围的负值中心，说明2—3月份500hPa高度距平场上，当北半球极涡偏弱，欧亚地区尤其是北欧地区为较强的负值中心时，有利于当年6—7月份气温偏高。

4.2 高温天气与500hPa环流特征量的关系

为考察500hPa环流特征量与高温天气的关系, 对逐年的高温天气出现站次数与逐月(1—8月)环流特征量(副高强度、面积指数，亚洲经向、纬向环流指数，欧亚经向、纬向环流指数)进行相关统计分析，计算结果表明(表 2)，前期和同期的副高面积和强度指数和高温天气出现站次呈负相关，5月份的相关系数为-0.31和-0.34，通过了α=0.05的显著性水平检验；纬向环流指数和高温天气出现站次呈正相关，3月份的亚洲纬向环流和高温天气出现站次的相关系数为0.35, 也通过了α=0.05的显著性水平检验；经向环流指数和高温天气出现站次呈负相关，但各月的相关系数都没有通过显著性检验。通过分析环流特征量和高温出现站次的关系就可以得出:当副高强度偏强、面积偏大时不易出现高温天气，盛行纬向环流时容易出现高温天气，盛行经向环流时不容易出现高温天气。

5 小结

京津冀地区高温天气在4—9月都可以出现，但主要集中在6、7月份，大于37℃的强高温天气和大于40℃的极端高温天气90%以上都出现在这一时段。邢台、衡水和石家庄南部以及沧州西南部出现高温天气的几率最大，高温天气年平均出现几率在12次以上，强高温天气年平均出现几率也在4次以上。高温天气和同期降水量成反相关关系；干旱年份高温天气出现较多，降水偏多年份高温天气出现较少。高温天气出现站次数的年际、年代际变化很大，存在4年、15年的周期变化趋势，1997年以来京津冀地区高温天气出现次数有增多趋势。高温天气偏多和偏少的年份，北半球500hPa环流形势存在明显的差异, 这种差异不仅存在于同期，前期也有明显的反映。