2007—2020年威海機(jī)場4—9月平流低云的變化特征及影響因子分析

宋鵬鵬，趙傳湖

（1.山東省機(jī)場管理集團(tuán)威海國際機(jī)場，山東威海 264200；2.中國海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院，山東青島 266100；3.海洋-大氣相互作用與氣候山東省高校重點實驗室，山東青島 266100）

0 引言

在地球大氣中飛行的航空器一直受天氣環(huán)境的影響，不利的天氣條件會提高航空運行成本[1]。在歷年中國《民航行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報》公布的航班不正常原因分類統(tǒng)計中，天氣原因都占據(jù)較大比例，其中2020 年為57.31%[2]。低云是影響飛機(jī)起降和低空飛行的重要因素，由于低云云底高度很低，航空器一旦入云，在垂直高度上可操作性極低，嚴(yán)重影響飛行安全[3]。

低云有鋒面云、平流云和對流云等多種，本文重點關(guān)注云底高度在200 m 以下的平流低云。平流低云生消突然、變化快，有的低云過程可以持續(xù)較長時間，會對飛機(jī)起降和飛行安全造成嚴(yán)重影響[4-7]。平流低云的出現(xiàn)需要一定的氣象要素條件，如較高的空氣相對濕度、有利的風(fēng)場、近地面大氣存在逆溫層等[1，8-9]，對沿海地區(qū)而言，海洋下墊面的水汽供應(yīng)和海氣熱量交換過程也至關(guān)重要[10-11]。在實際工作中，判斷局地氣象要素、大氣環(huán)流場、環(huán)境場對平流低云的形成及持續(xù)時長的影響以及平流低云的預(yù)報，仍具有較大的難度。

國內(nèi)各機(jī)場出現(xiàn)平流低云的季節(jié)明顯不同。海南美蘭機(jī)場冬季出現(xiàn)低云、低能見度的頻率最高[12]；2000 年以來上海浦東機(jī)場450 m 以下低云日呈上升趨勢，低云日數(shù)在夏季最多、秋季最少[13]；虹橋機(jī)場6 月出現(xiàn)的低云日數(shù)最多，且具有顯著的年際變化[14]；北京機(jī)場災(zāi)害性低云日以8月和7月最多，多伴隨高濕、低能見度等天氣條件，冷鋒前和高壓后等天氣過程是產(chǎn)生災(zāi)害性低云的主要天氣形勢[15]；大連機(jī)場春季中4 月出現(xiàn)的災(zāi)害性低云日最多，并具有明顯的年際變化特征[16]。

我國東部和南部沿海地區(qū)經(jīng)常會出現(xiàn)平流低云，山東半島存在平流低云日數(shù)的大值中心[17]，在北半球夏季時尤為顯著。從全球范圍來看，北半球春季和夏季從西北太平洋—中國近海容易形成海霧和低云等[18-21]，這與中國近海黑潮延伸體的海洋鋒有密切關(guān)系[22]，來自低緯度洋面的暖濕氣流的抬升作用有利于層狀云的大量形成[23]。低云除了直接影響飛行外，還可以通過復(fù)雜的反饋過程影響區(qū)域及全球氣候[24-26]。中國東部各地區(qū)平流低云的出現(xiàn)具有一定的規(guī)律性，這說明其季節(jié)演化與區(qū)域尺度背景場的季節(jié)變化有緊密聯(lián)系。因此，機(jī)場平流低云的精確預(yù)報不僅需要更先進(jìn)的探測手段、預(yù)報技術(shù)和更豐富的探測資料[6，27-28]，也需要更加深刻地認(rèn)識有利于其產(chǎn)生的環(huán)流背景和下墊面條件。

威海機(jī)場（37.11°N，122.13°E）地處山東半島東端，三面環(huán)海，距離海岸線29～35 km（見圖1）。從威海機(jī)場氣候概要可以得出，平流低云是影響4—9 月機(jī)場飛行的主要天氣現(xiàn)象之一，對飛行安全威脅極大，但目前尚未有對該機(jī)場平流低云變化特征的系統(tǒng)研究。本文分析了威海機(jī)場2007—2020 年4—9 月的平流低云日數(shù)、時長等變化特征，揭示有利于平流低云產(chǎn)生的大氣環(huán)流特征，探究平流低云年際和月、季變化的影響因素。研究結(jié)果旨在加深對平流低云的認(rèn)識，提高其預(yù)報水平。

圖1 山東半島地形圖Fig.1 The topographic map of Shandong Peninsula

1 資料與方法

1.1 資料

威海機(jī)場2007—2020 年4—9 月平流低云日數(shù)和時數(shù)的統(tǒng)計使用地面觀測的逐小時資料，共13 a（因2014 年威海機(jī)場跑道修整停航，5—9 月資料缺失，故2014 年不在統(tǒng)計分析范圍內(nèi)）。采用2007—2020 年美國國家環(huán)境預(yù)報中心和國家大氣研究中心（National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research，NECP/NCAR）的全球逐月大氣環(huán)流再分析資料計算月平均的海平面氣壓場等，水平空間分辨率為2.5°×2.5°，垂直方向從1 000～10 hPa，共17 層等壓面[29]。海表面溫度（Sea Surface Temperature，SST）資料來自Hadley 中心的HadISST[30]，水平空間分辨率為1°×1°，所選資料長度為2007—2020 年。黑潮強(qiáng)弱的變化使用國家氣候中心（網(wǎng)址：http://cmdp.ncccma.net/Monitoring/cn_index_130.php）提供的逐月黑潮區(qū)海溫指數(shù)來表征。

1.2 平流低云的判斷標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)威海機(jī)場飛機(jī)落地導(dǎo)航方式及飛行等級標(biāo)準(zhǔn)，一天內(nèi)凡出現(xiàn)云量≥5成（8成為滿天云）、云底高度在200 m 及以下且維持時間≥1 h 的平流低云，計為一個平流低云日（不含輻射霧抬升碎層云和降水生成的碎雨云）。本文主要以月、年為單位統(tǒng)計平流低云出現(xiàn)的日數(shù)和時數(shù)（總小時數(shù)）。

2 威海機(jī)場平流低云的時間變化特征

2.1 年際變化

平流低云是威海機(jī)場一種重要的常見天氣現(xiàn)象。在2007—2020 年間共出現(xiàn)517 個平流低云日，年平均為39.8 d。平流低云日數(shù)存在顯著的年際變化（見圖2a），2011 年最多，為60 d，2015 年最少，僅有19 d。13 a間威海機(jī)場出現(xiàn)平流低云的總時數(shù)為1958 h，年均時數(shù)為150.6 h；2011 年最多，為290 h，2015 年最少，為58 h。平流低云日數(shù)和時數(shù)的年際變化具有較好的一致性。

圖2 威海機(jī)場2007—2020年低云日數(shù)和時數(shù)Fig.2 Days and hours of advection low clouds from April to September during 2007—2020

2.2 月、季變化

威海機(jī)場4—9 月多年平均的平流低云日數(shù)的逐月變化呈現(xiàn)出單峰結(jié)構(gòu)。從圖3a可以看出，平流低云一般從4月開始出現(xiàn)，該月的多年平均為5.2 d；5—7月平流低云日數(shù)逐月增多，7月達(dá)到最多；之后逐漸減少，9月年均僅有3.4 d。7月平流低云出現(xiàn)日數(shù)最多，2007—2020 年的7 月共出現(xiàn)149 個平流低云日，年均為11.5 d，占4—9 月平流低云總?cè)諗?shù)的30.9%。4—9 月平流低云出現(xiàn)時數(shù)也呈單峰結(jié)構(gòu)，7月所占比例高達(dá)33.6%，這說明7 月平流低云過程的出現(xiàn)次數(shù)較多、持續(xù)時間較長。

圖3 2007—2020年4—9月平均逐月平流低云日數(shù)和時數(shù)Fig.3 Averaged monthly advection low cloud days and hours from April to September during 2007—2020

2007—2020 年威海機(jī)場逐年4—9 月平流低云日數(shù)和時數(shù)的變化也有明顯的差異（見圖2b 和圖2c）。2008 年和2013 年呈現(xiàn)出典型的單峰結(jié)構(gòu)，而2007 年、2017 年和2020 年表現(xiàn)出雙峰結(jié)構(gòu)。平流低云總體在7 月較多，但也有不同，如2009 年6 月、2011 年6 月和2020 年8 月為當(dāng)年最多，也存在2010年8月、2012年9月和2018年9月等低云日數(shù)為0的情況。這表明平流低云的月變化除了受到季節(jié)轉(zhuǎn)化的原因，還可能受到區(qū)域大氣環(huán)流場和中國近海SST年際變化等的影響。

2.3 平流低云出現(xiàn)時的天氣現(xiàn)象與主導(dǎo)風(fēng)向

當(dāng)威海機(jī)場出現(xiàn)平流低云時，常伴隨有輕霧（航空氣象中是指能見度在5 000～1 000 m 的霧）、平流霧、毛毛雨，這3種天氣現(xiàn)象的出現(xiàn)頻率分別為44.3%、35.1%和9.3%。13 a里除靜風(fēng)和風(fēng)向不定的觀測記錄之外，超過1 m/s的風(fēng)共計出現(xiàn)1 586時次，其中各個角度的風(fēng)向所占時次見圖4。由圖可見西南風(fēng)是平流低云出現(xiàn)時的主風(fēng)向，在180°～220°內(nèi)該風(fēng)向時次占50.0%；另外，也有較少的情況是伴隨東南風(fēng)和東北風(fēng)，這兩種風(fēng)向在0°～40°和90°～130°分別占比9.6%和12.0%。

圖4 2007—2020年各方位（以30°為間隔）出現(xiàn)的平流低云時數(shù)（單位：h）Fig.4 Hours of the advection low cloud in all directions(at 30°intervals)from 2007 to 2020(unit：h)

3 4—9月平均大氣環(huán)流

3.1 海平面氣壓場和風(fēng)場

威海機(jī)場平流低云的出現(xiàn)表現(xiàn)出顯著的隨季節(jié)變化的特征，當(dāng)威海機(jī)場處在穩(wěn)定的東高西低天氣形勢下時，容易形成平流低云（見圖5）。這種形勢在4—5月由入海大陸高壓變性為主導(dǎo)，而在6—8月則由海上的副熱帶高壓與大陸低壓共同形成。入海變性高壓產(chǎn)生的平流低云占比約為26.6%，西太平洋副熱帶高壓北進(jìn)與我國大陸上的低壓共同作用形成的平流低云占比約為64.9%。在此情況下，威海機(jī)場受明顯的偏南流場控制，地面風(fēng)向大都在90°～220°，風(fēng)速為2～8 m/s。從月平均來看，只有在9 月時才有以偏北風(fēng)形成的平流低云，此時華北地區(qū)為高壓控制。

圖5 2007—2020年4—9月平均海平面氣壓場（等值線，單位：hPa）和風(fēng)場（風(fēng)矢，單位：m/s）Fig.5 Averaged sea level pressure field(contour line,unit:hPa)and wind field (wind arrow,unit:m/s)from April to September of 2007 to 2020

3.2 低層水汽輸送

水汽輸送的強(qiáng)弱也是影響平流低云形成的重要條件。結(jié)合圖5 和圖6 可知，4 月主要是位于黃海、東海上空的入海高壓后部的偏南風(fēng)為低云的形成輸送水汽，這種輸送主要在大氣底層，到925 hPa層上已經(jīng)非常弱；5—8 月大氣低層逐漸形成了系統(tǒng)性的低緯—中緯的水汽輸送通道，7 月持續(xù)的夏季風(fēng)給黃海海域、山東半島地區(qū)帶來大量水汽，為威海機(jī)場平流低云的形成提供了充足的水汽條件，8月來自低緯的水汽輸送已經(jīng)減弱，平流低云的日數(shù)也開始減少，充足的水汽輸送使得夏季為威海機(jī)場平流低云出現(xiàn)的盛期，約占總?cè)諗?shù)的64.9%；9 月來自東北方向的水汽輸送對平流低云的形成也有貢獻(xiàn)，約占平流低云總?cè)諗?shù)的8.5%。

圖6 2007—2020年4—9月平均925 hPa等壓面上的水汽通量（箭矢，單位：g/（s·hPa·cm））和等高線（單位：gpm）Fig.6 Water vapor flux(arrow，unit:g/(s·hPa·cm))and geopotential height(unit:gpm)on 925 hPa level from April to September of 2007 to 2020

4 威海機(jī)場平流低云與西北太平洋海溫的聯(lián)系

威海機(jī)場平流低云大多是由黃海上的海霧平流引起，當(dāng)威海近海的海霧平流到場站時，受到地形抬升的作用而易形成平流低云。王彬華[31]曾定義氣海溫差條件為0～2 ℃時為平流冷卻霧形成的重要條件；王鑫等[32]也指出黃海海表面氣海溫差越接近1.5 ℃時越容易生成海霧。沿122.5°E 多年平均的4—9 月的SST 及其隨緯度的變化圖表明（見圖7a），滿足平流冷卻霧和平流低云形成的氣海溫差條件的區(qū)域隨季節(jié)而北移。東海海洋鋒的存在和強(qiáng)度對海霧和低云的形成有重要作用，它們易形成于海洋鋒的冷海水一側(cè)[18]。4—6月，沿122.5°E的SST梯度大值中心位于27°～28°N 附近，之后移至30°N以北；4—8 月，東海海洋鋒強(qiáng)度逐步減弱，8 月達(dá)到最弱，9月時略有加強(qiáng)（見圖7b）。

圖7 2007—2020年4—9月沿122.5°E的平均海表面溫度與近地面（sigma 995）氣溫Fig.7 Averaged sea surface temperature and air temperature near the surface(sigma 995)along 122.5°E from April to September during 2007—2020

圖8 進(jìn)一步揭示了氣海溫差、水汽通量與平流低云日數(shù)的定量關(guān)系。對威海近海氣海溫差而言，較小的氣海溫差正值常對應(yīng)于平流低云日數(shù)的大值，但也存在較小的負(fù)氣海溫差對應(yīng)平流低云日數(shù)的大值[31]。圖8a 和圖8c 的結(jié)果顯示，氣海溫差在-1～2℃時有利于平流低云的形成，三次多項式擬合曲線可以較好地表現(xiàn)平流低云日數(shù)和氣海溫差的非線性關(guān)系，并通過0.05 顯著水平的F 檢驗。這其中，6—7 月容易出現(xiàn)持續(xù)時間較長的平流低云事件，此時氣海溫差多在0～1℃。每年水汽輸送最大月的平流低云日數(shù)也較多，除2015 年外都在10 d以上。圖8d 顯示水汽輸送強(qiáng)弱與平流低云日數(shù)呈非線性關(guān)系，水汽通量在0～2 g/（s·hPa·cm）時平流低云日數(shù)較少，水汽通量大于2 g/（s·hPa·cm）時，其數(shù)值越大平流低云日數(shù)增長越快，水汽通量與平流低云日數(shù)的擬合方程通過了0.01 顯著水平的F 檢驗。

圖8 逐月低云日數(shù)與氣海溫差和水汽通量擬合曲線Fig.8 Fitting curves of monthly low cloud days and the differences of air sea temperature minus sea surface temperature and water vapor flux

平流低云的形成可能與黑潮區(qū)SST 的高低即黑潮的強(qiáng)弱有密切關(guān)系。如圖9 所示，標(biāo)準(zhǔn)化的平流低云日數(shù)與黑潮區(qū)海溫指數(shù)的年際變化具有很好的一致性，兩者的相關(guān)系數(shù)為0.81，通過了0.01水平的顯著性檢驗。黑潮區(qū)海溫高對應(yīng)于平流低云日數(shù)的正異常，反之為平流低云日數(shù)的負(fù)異常。這進(jìn)一步凸顯了中國近海下墊面條件和偏南氣流的暖濕輸送在平流低云形成中的重要作用，偏南風(fēng)在經(jīng)過SST 較高的低緯度海洋表面時吸收了大量的熱量和水汽，向北輸送到具有較冷下墊面的黃海和山東半島上空，促使威海機(jī)場形成平流低云。

圖9 標(biāo)準(zhǔn)化的2007—2020年4—9月平流低云日數(shù)與黑潮區(qū)海溫指數(shù)Fig.9 Standardized advection low cloud days and Kuroshio SST index from April to September during 2007—2020

5 結(jié)論

利用威海機(jī)場2007—2020 年4—9 月逐小時觀測資料，分析了機(jī)場200 m 以下平流低云的年際變化和逐月變化特征，通過分析月平均的大氣環(huán)流和水汽輸送條件，揭示其可能影響因素。結(jié)論如下：

①平流低云是威海機(jī)場春夏季重要的天氣現(xiàn)象。2007—2020 年4—9 月共出現(xiàn)517 個平流低云日，年平均為39.8 d；平流低云的總時數(shù)為1958 h，年均時數(shù)為150.6 h。平流低云日數(shù)和時數(shù)存在顯著的年際變化，2011 年最多，為60 d，290 h；2015 年最少，僅有19 d，58 h。

②威海機(jī)場平流低云具有明顯的季節(jié)變化特征。平流低云從4 月開始逐月增多，7 月達(dá)到峰值，8—9 月又逐漸減少，基本呈現(xiàn)單峰結(jié)構(gòu)。平流低云日數(shù)和時數(shù)的季節(jié)變化也存在年際差異，2007年、2017 年和2020 年表現(xiàn)出雙峰結(jié)構(gòu)，而2009 年6月、2011年6月和2020年8月為當(dāng)年最多，還存在少數(shù)低云日數(shù)為0的月份。

③平流低云出現(xiàn)時常伴有輕霧和平流霧，兩者出現(xiàn)頻率合計為79.4%；西南風(fēng)是平流低云出現(xiàn)時的主風(fēng)向，在1 586 個存在主風(fēng)向的平流低云時數(shù)中，僅180°～220°的風(fēng)向占比已為50.0%。

④地面天氣圖上穩(wěn)定的東高西低天氣形勢有利于威海機(jī)場平流低云的出現(xiàn)。4—5 月黃?！r半島上空的入海變性高壓、6—8 月北進(jìn)的西太平洋副熱帶高壓與我國大陸上的低壓，共同形成這種穩(wěn)定的形勢，前者產(chǎn)生的平流低云約占26.6%，后者約占64.9%。在此形勢下，山東半島南部的暖濕平流是盛夏威海機(jī)場產(chǎn)生平流低云的重要條件。副熱帶高壓控制山東半島時也是威海機(jī)場產(chǎn)生平流低云最多的時期。

⑤威海機(jī)場平流低云形成的機(jī)制為：4—5 月入海變性高壓后部或6—8 月西太平洋副熱帶高壓西側(cè)的偏南氣流，將西北太平洋低緯洋面上的高溫、高濕的空氣向北輸送，這支暖濕空氣向北移動到較冷的黃海海面時，上暖下冷的結(jié)構(gòu)有利于大氣層結(jié)穩(wěn)定，大氣向海洋放熱而降溫，有利于氣流在山東半島南側(cè)登陸時形成低云并維持。另外，年際尺度上黑潮的強(qiáng)弱對威海機(jī)場的平流低云有較好的指示意義。

本文分析了威海機(jī)場平流低云的變化特征及其形成條件和影響因素，有助于系統(tǒng)認(rèn)識這種影響飛機(jī)起降和低空飛行的重要天氣現(xiàn)象，為氣象保障業(yè)務(wù)的精確開展提供幫助。需要指出的是，本文是從氣候角度診斷平流低云形成的有利背景，為了更深入了解平流低云的變化特征，需要進(jìn)一步篩選產(chǎn)生平流低云的典型過程，在對這些過程進(jìn)行合成分析的基礎(chǔ)上，總結(jié)出有利于平流低云產(chǎn)生的天氣形勢。另外，本文嘗試探討平流低云日數(shù)與氣海溫差、水汽輸送等重要條件的定量關(guān)系，但需要更多的觀測資料進(jìn)行驗證，以期為平流低云的預(yù)報提供依據(jù)，這將是下一步的工作。