2007—2020年威海机场4—9月平流低云的变化特征及影响因子分析

宋鹏鹏，赵传湖

（1.山东省机场管理集团威海国际机场，山东威海 264200；2.中国海洋大学海洋与大气学院，山东青岛 266100；3.海洋-大气相互作用与气候山东省高校重点实验室，山东青岛 266100）

0 引言

在地球大气中飞行的航空器一直受天气环境的影响，不利的天气条件会提高航空运行成本[1]。在历年中国《民航行业发展统计公报》公布的航班不正常原因分类统计中，天气原因都占据较大比例，其中2020 年为57.31%[2]。低云是影响飞机起降和低空飞行的重要因素，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极低，严重影响飞行安全[3]。

低云有锋面云、平流云和对流云等多种，本文重点关注云底高度在200 m 以下的平流低云。平流低云生消突然、变化快，有的低云过程可以持续较长时间，会对飞机起降和飞行安全造成严重影响[4-7]。平流低云的出现需要一定的气象要素条件，如较高的空气相对湿度、有利的风场、近地面大气存在逆温层等[1，8-9]，对沿海地区而言，海洋下垫面的水汽供应和海气热量交换过程也至关重要[10-11]。在实际工作中，判断局地气象要素、大气环流场、环境场对平流低云的形成及持续时长的影响以及平流低云的预报，仍具有较大的难度。

国内各机场出现平流低云的季节明显不同。海南美兰机场冬季出现低云、低能见度的频率最高[12]；2000 年以来上海浦东机场450 m 以下低云日呈上升趋势，低云日数在夏季最多、秋季最少[13]；虹桥机场6 月出现的低云日数最多，且具有显著的年际变化[14]；北京机场灾害性低云日以8月和7月最多，多伴随高湿、低能见度等天气条件，冷锋前和高压后等天气过程是产生灾害性低云的主要天气形势[15]；大连机场春季中4 月出现的灾害性低云日最多，并具有明显的年际变化特征[16]。

我国东部和南部沿海地区经常会出现平流低云，山东半岛存在平流低云日数的大值中心[17]，在北半球夏季时尤为显著。从全球范围来看，北半球春季和夏季从西北太平洋—中国近海容易形成海雾和低云等[18-21]，这与中国近海黑潮延伸体的海洋锋有密切关系[22]，来自低纬度洋面的暖湿气流的抬升作用有利于层状云的大量形成[23]。低云除了直接影响飞行外，还可以通过复杂的反馈过程影响区域及全球气候[24-26]。中国东部各地区平流低云的出现具有一定的规律性，这说明其季节演化与区域尺度背景场的季节变化有紧密联系。因此，机场平流低云的精确预报不仅需要更先进的探测手段、预报技术和更丰富的探测资料[6，27-28]，也需要更加深刻地认识有利于其产生的环流背景和下垫面条件。

威海机场（37.11°N，122.13°E）地处山东半岛东端，三面环海，距离海岸线29～35 km（见图1）。从威海机场气候概要可以得出，平流低云是影响4—9 月机场飞行的主要天气现象之一，对飞行安全威胁极大，但目前尚未有对该机场平流低云变化特征的系统研究。本文分析了威海机场2007—2020 年4—9 月的平流低云日数、时长等变化特征，揭示有利于平流低云产生的大气环流特征，探究平流低云年际和月、季变化的影响因素。研究结果旨在加深对平流低云的认识，提高其预报水平。

图1 山东半岛地形图Fig.1 The topographic map of Shandong Peninsula

1 资料与方法

1.1 资料

威海机场2007—2020 年4—9 月平流低云日数和时数的统计使用地面观测的逐小时资料，共13 a（因2014 年威海机场跑道修整停航，5—9 月资料缺失，故2014 年不在统计分析范围内）。采用2007—2020 年美国国家环境预报中心和国家大气研究中心（National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research，NECP/NCAR）的全球逐月大气环流再分析资料计算月平均的海平面气压场等，水平空间分辨率为2.5°×2.5°，垂直方向从1 000～10 hPa，共17 层等压面[29]。海表面温度（Sea Surface Temperature，SST）资料来自Hadley 中心的HadISST[30]，水平空间分辨率为1°×1°，所选资料长度为2007—2020 年。黑潮强弱的变化使用国家气候中心（网址：http://cmdp.ncccma.net/Monitoring/cn_index_130.php）提供的逐月黑潮区海温指数来表征。

1.2 平流低云的判断标准

根据威海机场飞机落地导航方式及飞行等级标准，一天内凡出现云量≥5成（8成为满天云）、云底高度在200 m 及以下且维持时间≥1 h 的平流低云，计为一个平流低云日（不含辐射雾抬升碎层云和降水生成的碎雨云）。本文主要以月、年为单位统计平流低云出现的日数和时数（总小时数）。

2 威海机场平流低云的时间变化特征

2.1 年际变化

平流低云是威海机场一种重要的常见天气现象。在2007—2020 年间共出现517 个平流低云日，年平均为39.8 d。平流低云日数存在显著的年际变化（见图2a），2011 年最多，为60 d，2015 年最少，仅有19 d。13 a间威海机场出现平流低云的总时数为1958 h，年均时数为150.6 h；2011 年最多，为290 h，2015 年最少，为58 h。平流低云日数和时数的年际变化具有较好的一致性。

图2 威海机场2007—2020年低云日数和时数Fig.2 Days and hours of advection low clouds from April to September during 2007—2020

2.2 月、季变化

威海机场4—9 月多年平均的平流低云日数的逐月变化呈现出单峰结构。从图3a可以看出，平流低云一般从4月开始出现，该月的多年平均为5.2 d；5—7月平流低云日数逐月增多，7月达到最多；之后逐渐减少，9月年均仅有3.4 d。7月平流低云出现日数最多，2007—2020 年的7 月共出现149 个平流低云日，年均为11.5 d，占4—9 月平流低云总日数的30.9%。4—9 月平流低云出现时数也呈单峰结构，7月所占比例高达33.6%，这说明7 月平流低云过程的出现次数较多、持续时间较长。

图3 2007—2020年4—9月平均逐月平流低云日数和时数Fig.3 Averaged monthly advection low cloud days and hours from April to September during 2007—2020

2007—2020 年威海机场逐年4—9 月平流低云日数和时数的变化也有明显的差异（见图2b 和图2c）。2008 年和2013 年呈现出典型的单峰结构，而2007 年、2017 年和2020 年表现出双峰结构。平流低云总体在7 月较多，但也有不同，如2009 年6 月、2011 年6 月和2020 年8 月为当年最多，也存在2010年8月、2012年9月和2018年9月等低云日数为0的情况。这表明平流低云的月变化除了受到季节转化的原因，还可能受到区域大气环流场和中国近海SST年际变化等的影响。

2.3 平流低云出现时的天气现象与主导风向

当威海机场出现平流低云时，常伴随有轻雾（航空气象中是指能见度在5 000～1 000 m 的雾）、平流雾、毛毛雨，这3种天气现象的出现频率分别为44.3%、35.1%和9.3%。13 a里除静风和风向不定的观测记录之外，超过1 m/s的风共计出现1 586时次，其中各个角度的风向所占时次见图4。由图可见西南风是平流低云出现时的主风向，在180°～220°内该风向时次占50.0%；另外，也有较少的情况是伴随东南风和东北风，这两种风向在0°～40°和90°～130°分别占比9.6%和12.0%。

图4 2007—2020年各方位（以30°为间隔）出现的平流低云时数（单位：h）Fig.4 Hours of the advection low cloud in all directions(at 30°intervals)from 2007 to 2020(unit：h)

3 4—9月平均大气环流

3.1 海平面气压场和风场

威海机场平流低云的出现表现出显著的随季节变化的特征，当威海机场处在稳定的东高西低天气形势下时，容易形成平流低云（见图5）。这种形势在4—5月由入海大陆高压变性为主导，而在6—8月则由海上的副热带高压与大陆低压共同形成。入海变性高压产生的平流低云占比约为26.6%，西太平洋副热带高压北进与我国大陆上的低压共同作用形成的平流低云占比约为64.9%。在此情况下，威海机场受明显的偏南流场控制，地面风向大都在90°～220°，风速为2～8 m/s。从月平均来看，只有在9 月时才有以偏北风形成的平流低云，此时华北地区为高压控制。

图5 2007—2020年4—9月平均海平面气压场（等值线，单位：hPa）和风场（风矢，单位：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 低层水汽输送

水汽输送的强弱也是影响平流低云形成的重要条件。结合图5 和图6 可知，4 月主要是位于黄海、东海上空的入海高压后部的偏南风为低云的形成输送水汽，这种输送主要在大气底层，到925 hPa层上已经非常弱；5—8 月大气低层逐渐形成了系统性的低纬—中纬的水汽输送通道，7 月持续的夏季风给黄海海域、山东半岛地区带来大量水汽，为威海机场平流低云的形成提供了充足的水汽条件，8月来自低纬的水汽输送已经减弱，平流低云的日数也开始减少，充足的水汽输送使得夏季为威海机场平流低云出现的盛期，约占总日数的64.9%；9 月来自东北方向的水汽输送对平流低云的形成也有贡献，约占平流低云总日数的8.5%。

图6 2007—2020年4—9月平均925 hPa等压面上的水汽通量（箭矢，单位：g/（s·hPa·cm））和等高线（单位：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 威海机场平流低云与西北太平洋海温的联系

威海机场平流低云大多是由黄海上的海雾平流引起，当威海近海的海雾平流到场站时，受到地形抬升的作用而易形成平流低云。王彬华[31]曾定义气海温差条件为0～2 ℃时为平流冷却雾形成的重要条件；王鑫等[32]也指出黄海海表面气海温差越接近1.5 ℃时越容易生成海雾。沿122.5°E 多年平均的4—9 月的SST 及其随纬度的变化图表明（见图7a），满足平流冷却雾和平流低云形成的气海温差条件的区域随季节而北移。东海海洋锋的存在和强度对海雾和低云的形成有重要作用，它们易形成于海洋锋的冷海水一侧[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，东海海洋锋强度逐步减弱，8 月达到最弱，9月时略有加强（见图7b）。

图7 2007—2020年4—9月沿122.5°E的平均海表面温度与近地面（sigma 995）气温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

图8 进一步揭示了气海温差、水汽通量与平流低云日数的定量关系。对威海近海气海温差而言，较小的气海温差正值常对应于平流低云日数的大值，但也存在较小的负气海温差对应平流低云日数的大值[31]。图8a 和图8c 的结果显示，气海温差在-1～2℃时有利于平流低云的形成，三次多项式拟合曲线可以较好地表现平流低云日数和气海温差的非线性关系，并通过0.05 显著水平的F 检验。这其中，6—7 月容易出现持续时间较长的平流低云事件，此时气海温差多在0～1℃。每年水汽输送最大月的平流低云日数也较多，除2015 年外都在10 d以上。图8d 显示水汽输送强弱与平流低云日数呈非线性关系，水汽通量在0～2 g/（s·hPa·cm）时平流低云日数较少，水汽通量大于2 g/（s·hPa·cm）时，其数值越大平流低云日数增长越快，水汽通量与平流低云日数的拟合方程通过了0.01 显著水平的F 检验。

图8 逐月低云日数与气海温差和水汽通量拟合曲线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与黑潮区SST 的高低即黑潮的强弱有密切关系。如图9 所示，标准化的平流低云日数与黑潮区海温指数的年际变化具有很好的一致性，两者的相关系数为0.81，通过了0.01水平的显著性检验。黑潮区海温高对应于平流低云日数的正异常，反之为平流低云日数的负异常。这进一步凸显了中国近海下垫面条件和偏南气流的暖湿输送在平流低云形成中的重要作用，偏南风在经过SST 较高的低纬度海洋表面时吸收了大量的热量和水汽，向北输送到具有较冷下垫面的黄海和山东半岛上空，促使威海机场形成平流低云。

图9 标准化的2007—2020年4—9月平流低云日数与黑潮区海温指数Fig.9 Standardized advection low cloud days and Kuroshio SST index from April to September during 2007—2020

5 结论

利用威海机场2007—2020 年4—9 月逐小时观测资料，分析了机场200 m 以下平流低云的年际变化和逐月变化特征，通过分析月平均的大气环流和水汽输送条件，揭示其可能影响因素。结论如下：

①平流低云是威海机场春夏季重要的天气现象。2007—2020 年4—9 月共出现517 个平流低云日，年平均为39.8 d；平流低云的总时数为1958 h，年均时数为150.6 h。平流低云日数和时数存在显著的年际变化，2011 年最多，为60 d，290 h；2015 年最少，仅有19 d，58 h。

②威海机场平流低云具有明显的季节变化特征。平流低云从4 月开始逐月增多，7 月达到峰值，8—9 月又逐渐减少，基本呈现单峰结构。平流低云日数和时数的季节变化也存在年际差异，2007年、2017 年和2020 年表现出双峰结构，而2009 年6月、2011年6月和2020年8月为当年最多，还存在少数低云日数为0的月份。

③平流低云出现时常伴有轻雾和平流雾，两者出现频率合计为79.4%；西南风是平流低云出现时的主风向，在1 586 个存在主风向的平流低云时数中，仅180°～220°的风向占比已为50.0%。

④地面天气图上稳定的东高西低天气形势有利于威海机场平流低云的出现。4—5 月黄海—朝鲜半岛上空的入海变性高压、6—8 月北进的西太平洋副热带高压与我国大陆上的低压，共同形成这种稳定的形势，前者产生的平流低云约占26.6%，后者约占64.9%。在此形势下，山东半岛南部的暖湿平流是盛夏威海机场产生平流低云的重要条件。副热带高压控制山东半岛时也是威海机场产生平流低云最多的时期。

⑤威海机场平流低云形成的机制为：4—5 月入海变性高压后部或6—8 月西太平洋副热带高压西侧的偏南气流，将西北太平洋低纬洋面上的高温、高湿的空气向北输送，这支暖湿空气向北移动到较冷的黄海海面时，上暖下冷的结构有利于大气层结稳定，大气向海洋放热而降温，有利于气流在山东半岛南侧登陆时形成低云并维持。另外，年际尺度上黑潮的强弱对威海机场的平流低云有较好的指示意义。

本文分析了威海机场平流低云的变化特征及其形成条件和影响因素，有助于系统认识这种影响飞机起降和低空飞行的重要天气现象，为气象保障业务的精确开展提供帮助。需要指出的是，本文是从气候角度诊断平流低云形成的有利背景，为了更深入了解平流低云的变化特征，需要进一步筛选产生平流低云的典型过程，在对这些过程进行合成分析的基础上，总结出有利于平流低云产生的天气形势。另外，本文尝试探讨平流低云日数与气海温差、水汽输送等重要条件的定量关系，但需要更多的观测资料进行验证，以期为平流低云的预报提供依据，这将是下一步的工作。