引言

随着生活水平的日益提高，人们对与生活息息相关的气象信息越来越重视，其中对人体舒适度指数的关注尤为突出，它不仅直接影响到人们的日常生活，而且还对生产、销售、交通运输等诸多领域亦产生影响。从20世纪90年代开始，国内不少学者对此展开了广泛研究，石春娥等^[1]、吴兑等^[2]、罗晓玲等^[3]和吴结晶等^[4]对人体舒适度指数的预报体系和方法进行了深入研究，针对江苏特有的地理环境，严明良等^[5]提出了环境气象指数和人体舒适度指数的7种设计方法。杨成芳等^[6]、李兴荣等^[7]、彭洁等^[8]和黄静^[9]对不同地区人体舒适度指数的气候特征进行了统计分析。不过对于异常舒适度指数，尤其是极端舒适度指数的研究，目前尚不多见，针对背景场的研究，揭示其对人体舒适度指数的影响，更鲜为报道。在实际业务工作中，气象工作者需要进一步改善人体舒适度指数的预报准确度，以便于更好地指导日常的气象服务，因此，凸显出异常舒适度指数背景场研究的必要性。

众所周知，冬、夏两季是季风建立后气候场相对稳定的季节，季节内的舒适度指数异常更能反映出背景场的特征，本文针对冬、夏季人体舒适度指数异常年份的背景场(大气环流和北太平洋海温场)进行分析研究，可为异常人体舒适度指数的变化现象提供一定的科学解释，也可为人体舒适度指数的中长期预测提供气候背景的科学依据，同时对江苏旅游气候资源优势的综合开发以及气象部门开展旅游气象服务也有一定的参考价值。

1 资料和研究方法 1.1 资料来源

(1) 气象常规资料：江苏省气候中心37个气象观测站1980－2009年日平均温度、日平均相对湿度和日平均风速。

(2) 环流场资料：同时段美国NCEP/NCAR再分析资料，月平均高度场和风场，水平分辨率2.5°×2.5°，垂直方向共12层(1000、925、850、700、600、500、400、300、250、200、150和100 hPa)。

(3) 海温资料：来自国家气候中心的太平洋(10°S~50°N、120°E~80°W)海平面温度(Sea Surface Temperature，SST)，水平分辨率5°×5° (共286个格点)，1980－2009年月平均值。根据计算需要，冬季为12月至次年2月，夏季为6－8月。

1.2 研究方法

人体舒适度指数(Comfort Index of Human Body，CIHB)主要是通过式(1)^[5]得出，该计算模型已经过多次试验和比较，并且已经作为预报模式应用于江苏的日常气象业务当中，经过检验准确度比较高，所以该计算模型总体较为成熟。文中所使用的研究方法是合成分析、t检验以及相关系数，并探讨了冬、夏季CIHB异常与相应海洋-大气背景场之间的可能联系。

$ \begin{array}{l} CIHB = \left( {1.8t + 32} \right) - 0.55\left( {1 - hu/100} \right) \times \\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\left( {1.8t - 26} \right) - 3.2\sqrt v \end{array} $

(1)

式中，t为温度(℃)，hu为湿度(%)，v为风速(m·s^-1)。

2 江苏地区人体舒适度指数年际变化特征

从1980－2009年江苏冬、春两季CIHB的历年变化(图 1)中，可以看出，在近30年中，冬季CIHB变化范围是32~41，呈现出了较为显著的上升趋势，说明冬季的寒冷程度总体上是缓解的，CIHB还存在着比较明显的年际变化，尤其是在21世纪，年际振荡的周期基本上是3~4年，个别年份出现了异常偏高或偏低值；夏季CIHB变化范围是70~74，与冬季相比，虽然夏季CIHB并不存在明显的变化趋势，但是依然有较为明显的年际变化，并且同样存在着CIHB异常偏高或偏低的年份，不过波动幅度要明显小于冬季。

在文献[10]中，通过通径分析得知：CIHB与温度(相对湿度和风速)之间是存在着显著的正(负)相关，其中温度对CIHB的正影响最大(温度的直接通径系数高达0.88)，而相对湿度和风速对CIHB的影响非常小(湿度和风速的直接通径系数分别只有-0.01、-0.05)，所以CIHB中真正起主导作用的还是气温。已有研究表明^[11]，在全球变暖的气候背景下，20世纪80年代中期以来，江苏地区的异常升温与全球气温的明显增暖是同步的，尤其是冬季，响应最为显著，因此，可以认为：近30年，江苏冬季CIHB的总体上升趋势与全球变暖也是基本同步的。而对于夏季，虽然7和9月CIHB存在弱的上升趋势，但整个夏季的增长趋势并不明显，因此，夏季CIHB的变化趋势与全球变暖的同步性较差，这主要是由于在北半球变暖的背景下，江苏夏季气温的变化趋势和年际振动的响应存在很大的不确定性^[12]。

为了便于进一步探讨CIHB值出现异常偏高和偏低的物理原因，文中挑选出典型年进行合成分析，(1) 冬季：CIHB偏高年有5年(1999、2002、2004、2007和2009年)，CIHB均在39~40，对照表 1可知，这几年冬季的人体感觉是处于偏冷的状态，相对于冬季平均状态，冷的感觉有所减弱；偏低年有7年(1980－1986年)，CIHB都位于35.5以下，即体感较冷，为近30年冬季最冷期。(2) 夏季：CIHB偏高年有4年(1990、1994、1998和2006年)，CIHB是73~74，即体感偏热明显，相对夏季平均状态，热的感觉有所加重；偏低年有4年(1980、1982、1989和1999年)，CIHB是在70附近，即体感舒适，相对夏季平均状态，体感舒适的程度有所提升。

3 江苏冬、夏季CIHB异常年份的物理背景

冬、夏季CIHB的异常除了与全球变暖有关外，是该地区大气环流形势场异常直接影响的结果。因为大气环流形势场反映了大气运动的基本状态，是各种不同尺度的天气系统发生、发展和移动的背景条件，并制约和孕育着较小规模的气流运动^[13]。同时北太平洋的海温变化会对大气环流产生影响，并且这种影响除了不断向下游传播以外，也将在后期某一段时期内向上游传播一段距离，因此海气相互作用也会对CIHB造成影响。所以，为了深入研究引起江苏冬、夏季CIHB年际异常的基本背景，以下将通过合成分析和遥相关，分别对冬、夏季CIHB异常偏高和偏低的大气环流形势场与北太平洋海温场的基本特征进行详细的讨论。

3.1 冬、夏季CIHB异常偏高、偏低年的高度场特征

对江苏而言，西风槽与西太平洋副热带高压和南亚高压是冬、夏两季天气变化的主要影响系统，图 2和3给出了江苏冬、夏季CIHB偏高年和偏低年的500 hPa合成图以及差值场。比较图 2a与2b可以发现：冬季，CIHB偏低年的东亚大槽要深于偏高年，意味着偏低年的500 hPa形势场更有利于槽后冷空气的南下，即CIHB偏低年东亚冬季风要强于偏低年，差值场(图 2c)中也可以看到，中纬度整个欧亚大陆，CIHB偏高年的500 hPa位势高度要明显大于偏低年，江苏上空大致高出了45 gpm，在100 hPa高度场(图略)上具有同样的分布特征。由于冷空气的强弱会直接影响到气温的高低，而气温又是CIHB的主要影响因子，所以，冬季东亚大槽的深浅对CIHB的高低起着至关重要的作用。

夏季，CIHB偏低年(图 3b)，副热带高压588线西伸脊点位于132°E，584线位于江浙交界处；CIHB偏高年(图 3a)，588线西伸脊点位于128°E，较偏低年明显偏西，584线穿过江苏中部，从差值场(图 3c)上也可以清晰看到，偏高年的副高势力明显要强于偏低年，但是差值幅度要明显小于冬季，这也就为夏季CIHB波动幅度小于冬季提供了一种解释。在100 hPa高度场(图略)上，CIHB偏高年(偏低年)，南亚高压的中心高于1684 dagpm(1680 dagpm)，1672 dagpm线的东伸脊点位于134°E(130°E)，南亚高压120°E的脊线位置位于30°N(28°N)。因此，夏季，CIHB偏高年较偏低年，副高偏西、偏强，南亚高压偏东、偏北、偏强，这意味着偏高年的夏季风要强于偏低年。

3.2 冬、夏季CIHB异常偏高、偏低年的风场特征

形势场分析可知，在冬、夏季CIHB出现异常偏高和偏低时，冬、夏季的季风环流也表现出了明显的差异，可由风场的分析给出更为直接的证实(图 4和5)。从纬向风异常的分布特征来看(图 4a)，在冬季，北半球中高纬度20°E~180°范围内(下同)绝大部分地区是正值，对应CIHB偏高年的西风分量要大于偏低年，在低纬地区，尤其是太平洋上空为大片的负值，对应CIHB偏高年的东风分量要大于偏低年，而对于江苏上空，CIHB偏高年的西风分量比偏低年要小0.4 m·s^-1左右。从经向风异常的分布特征来看(图 4b)，冬季，在北半球，无论是陆地还是海洋基本上都是以正值为主，对于江苏，CIHB偏高年的北风分量比偏低年要小1.0~1.2 m·s^-1。由此可见，冬季，CIHB偏高年的西北风强度明显要弱于偏低年，尤其是北风分量差异最为明显。

夏季，从纬向风异常的分布特征来看(图 5a)，北半球高纬是以负值为主，即CIHB偏高年高纬的西风分量小于偏低年，中低纬是以正值为主，说明CIHB偏高年与偏低年各地的东西风差异较大，对于江苏上空，CIHB偏高年西风分量比偏低年平均要大1.0 m·s^-1。从经向风的差值场上来看，全区是以正值为主，说明各地在CIHB偏高年与偏低年，南北风差异较大，对于江苏，CIHB偏高年南风分量比偏低年平均要大1.5~1.8 m·s^-1。所以，夏季，CIHB偏高年的西南风强度明显要强于偏低年，尤其是南风分量差异最为明显。

与冬、夏两季CIHB异常有关的经向风和纬向风的异常，清楚地反映出了CIHB偏高年与偏低年，江苏地区冬季风和夏季风活动的显著差异：冬季, CIHB偏高年(偏低年)冬季风的活动明显偏弱(偏强)，不利于(利于)冷空气东移南下；夏季，CIHB偏高年(偏低年)夏季风的活动明显偏强(偏弱)，暖湿气流强盛(较弱)。东亚冬、夏季风环流的异常特征在图 4c和5c所给出的风矢量差值场中也可以得到直接的反映，不难发现，夏季，江苏以及以东地区存在明显的反气旋性环流，江苏位于其西部，东南风要明显强于冬季，所以在CIHB异常年份里，夏季的季风环流差异要大于冬季，经向分量的差异要大于纬向。

3.3 冬、夏季CIHB异常偏高、偏低年的垂直环流特征

为了进一步分析CIHB偏高年与偏低年江苏上空垂直环流的差异性，本文分别沿30°~36°N纬度带、116°~122°E经度带做垂直剖面图。

冬季，CIHB偏高年与偏低年，江苏上空都是盛行下沉运动(图略)，但从垂直环流的差值场来看(图 6a和6b)，无论是纬圈环流还是经圈环流，都是盛行上升运动，由此可见，CIHB偏高年的下沉支要弱于偏低年，即意味着冷空气向下入侵的势力要弱于CIHB偏低年。对于夏季，CIHB偏高年与偏低年，在30°~36°N的范围内，经圈方向的垂直环流均为上升运动(图略)，但从两者的差值场上看(图 7b)，江苏上空存在弱的向北的下沉运动，说明CIHB偏高年的经圈环流弱于偏低年；对于纬圈方向的垂直环流，江苏东西部存在着差异，其中有一个顺时针方向的小型环流，即江苏东部低层为下沉气流，西部各层都是上升气流(图略)，对于两者的差值场同样如此(图 7a)，即东西部的垂直运动也并不一致，600 hPa以下有一个逆时针方向的环流，江苏东部为上升运动，西部是下沉运动，说明CIHB偏高年江苏东西部的垂直运动均弱于偏低年。

因此，CIHB偏高年较偏低年，冬季下沉运动偏弱；夏季，经圈方向的上升运动偏弱，纬圈方向东西部垂直运动存在差异、但同样偏弱，不利于夏季对流活动的发生。

3.4 冬、夏季CIHB与北太平洋海温场的关联

从20世纪60年代以来，气象学家对海气关系就进行了广泛而深入的研究，认为海洋是使长期天气过程发生异常的主要能源之一，潘华盛等^[14]研究指出：黑潮海域冬季与春季的连续加热，对我国东北地区夏季温度影响很大，尤其是冬季黑潮海域的加热关系更明显。还有研究指出^[15-18]，SST异常对东亚冬季风的年际异常具有非常重要的影响，因此，为了进一步揭示CIHB异常年份中SST与东亚冬季风的联系，图 8给出了CIHB偏高年与偏低年的冬季海温差。冬季，北太平洋中西部为大片的正值区，说明CIHB偏高年的海温高于偏低年，尤其是在我国东部近海的黑潮区，偏暖幅度最为明显，暖中心超过了1.2℃。出现如此明显的暖水区，主要是由于CIHB偏高年的东亚大槽浅于偏低年，冷空气势力偏弱，同时西太平洋副高较强，其西侧的偏南风又削弱了冬季风的南侵，使得冷涌活动减少，因而在CIHB偏高年，中西太平洋的海温要比偏低年高。对于夏季海温差(图略)在我国近海海区同样是正值区，但偏暖幅度要小于冬季，至于其物理原因有待进一步研究。

海洋对我国气候异常的影响不仅存在同期效应，还存在后延效应，有时这种后延效应还相当关键^[19-23]。东亚环流季节性突变和前期太平洋海温异常有相当的联系，后者至少是制约东亚环流演变的一个重要因子，因此，为了能更好地了解江苏近30年CIHB与北太平洋海温之间的关联，计算了1980－2009年冬、夏季CIHB与上年1－12月以及当年1－11月太平洋海温的相关系数，由于篇幅受限，所以文中仅给出具有代表性的4个月的相关系数分布(图 9)。通过相关分析，可以发现，从上年1月一直到当年11月，西太平洋海温与冬季CIHB都是以正相关为主，其中暖池区的正相关最强，上年2月、5月以及当年2月(图 9a、9b和9c)的正相关中心均超过了0.55，从当年1月开始，20°N附近的东太平洋区域开始出现负相关，并且区域逐步扩大，当年2月(图 9c)的负值中心小于-0.45，到了当年11月(图 9d)，两者的相关性明显减小，这意味着冬季CIHB与前期的海温相关性要好于同期。对于夏季(图略)，CIHB与上年的海温相关性总体较差，没有明显的高相关海区，到了当年7月，10°N附近海区存在较明显的正相关。海温场与江苏CIHB关联的可能机制是：当海温发生剧烈变化时，热带和副热带地区环流也发生相应的调整来适应风场和温度场，而这种调整会影响到中纬度大气环流的变化，从而影响中纬地区的气候。

4 小结与讨论

在全球气候变暖的背景下，近30年江苏冬、夏季CIHB存在一定的演变规律，并伴随着异常偏高和偏低的状况，为了进一步揭示引起江苏冬、夏季CIHB出现异常的背景场特征，文中利用美国NCEP/NCAR的再分析资料中的高度场、三维风场以及北太平洋海温资料，通过合成和遥相关法，详细分析了当江苏冬、夏季CIHB出现异常偏高和偏低时，大气环流与北太平洋海温场的基本特征，并阐述了北太平洋海温场引起CIHB异常的可能机制，结论如下：

(1) 1980－2009年，江苏冬、夏季CIHB均存在显著的年际变化，尤其是冬季CIHB的总体上升趋势与全球变暖基本同步，夏季由于气温的变化趋势和年际振动对全球变暖的响应存在很大的不确定性，所以同步性较差，但冬、夏两季均存在CIHB异常偏高和偏低的极端情形。

(2) 从高度场来看，冬季，CIHB偏低年的东亚大槽要深于偏高年，即500 hPa形势场更有利于槽后冷空气的南下；夏季，CIHB偏高年较偏低年，副高偏西、偏强，南亚高压偏东、偏北、偏强。

(3) 从水平风场来看，江苏地区，CIHB偏高年较偏低年，冬季风明显偏弱，尤其是北风分量偏弱最为明显，因此，不利于冷空气东移南下；夏季风明显偏强，尤其是南风分量偏强显著，所以暖湿气流强盛。

(4) 从垂直环流来看，冬季，CIHB偏高年的下沉支要弱于偏低年，即冷空气向下入侵的势力要弱于CIHB偏低年；夏季，CIHB偏高年较偏低年，经圈方向的上升运动偏弱，纬圈方向东西部垂直运动存在差异、但同样偏弱，不利于夏季对流活动的发生。

(5) 从海温场来看，冬季，CIHB偏高年中西太平洋的海温高于偏低年，尤其是在我国东部近海的黑潮区，偏暖幅度最为明显，无论是超前相关还是同期相关，西太平洋海温与冬季CIHB都是以正相关为主，其中暖池区的正相关最强。北太平洋海温场与江苏CIHB关联的可能机制是当海温发生剧烈变化时，热带和副热带地区环流也发生相应的调整来适应风场和温度场，这种调整会影响到中纬度大气环流的变化，从而影响中纬地区的气候。