引言

海陆风是因海洋和陆地受热不均匀而在海岸附近形成的白天由海洋吹向陆地(称为海风)，夜间由陆地吹向海洋(称为陆风)的一种有日变化的风系^[1-4]。海风从海面向陆地推进过程中，风向风速突然发生变化引发的低空风切变对航空飞行会产生显著影响^[5-6]。航空气象学中的低空风切变(Low-Level Wind Shear, LLWS)是指高度500 m以下的大气中风向风速突然发生变化的天气现象^[7-9], 主要影响飞机起飞和着陆，严重低空风切变能够改变飞行航迹、影响仪表准确性及飞机稳定性和操作性，甚至引起飞行事故。据世界民航组织统计，1964—1983年，低空风切变至少造成28架大型运输机出现飞行事故，导致超过500人死亡和超过200人受伤^[7]。国内外许多学者对低空风切变时空分布、形成原因、预警技术及历史个例做了大量研究^[10-16]。海风锋是引起沿海机场低空风切变的重要原因之一，海风锋型低空风切变是海陆风环流影响机场运行的关键因素^{[7, 17-18]}。

青岛流亭机场(简称青岛机场)位于山东半岛东南部、青岛市北部, 跑道方向是171°~351°。机场距离胶州湾约5 km，距离青岛南部沿海约30 km。青岛海岸线曲折，三面环海，西为胶州湾，东、南为黄海，海洋对青岛天气、气候有着重要影响^[19-23]，海陆风现象是海洋影响天气的重要体现。目前已经有大量关于青岛海陆风形成机理、建立时间、影响区域、出现频率、发展强度等特征的研究成果^[24-33]，但研究区域主要集中在青岛南部沿岸，鲜有关于青岛机场海陆风现象及对飞行影响的研究^[34]。

理论研究和实际观测均已证实，海风环流强于陆风环流^{[24, 29]}，本文利用2008—2016年逐时地面风场观测资料分析青岛机场海风特征及对飞行的影响，为飞机起飞着陆过程中如何降低其对飞行造成的影响提出合理建议。

1 青岛机场海风特征分析 1.1 影响胶州湾东北沿岸的海风环流

如图 1所示，A为青岛机场(位于胶州湾东北沿岸)，J为胶州湾，Q为青岛南部沿海，Y为黄海(此处仅指青岛南部近海且不包含胶州湾，下同)。常志清等^[29]通过数值模拟研究发现有两支影响胶州湾东北沿岸的海风环流，一支产生于黄海与陆地之间^[24-28]，称为“南支海风环流”，简称“南支环流”。研究表明，该支环流一年四季均可发生^[25]，7—8月表现最为明显，建立时间一般在10：00—12：00(北京时间，下同)，维持6~9 h，发生概率为30%~35%^[26-27]。另一支环流产生于胶州湾与胶州湾东北沿岸之间^{[24, 29-30]}，称为“西支海风环流”，简称“西支环流”。西支环流大多出现在5—10月，发生频率为10%~25%，海风强度4~6 m/s；冬季西支海风很弱，出现次数也很少^[29]。

数值模拟结果表明，两支海风环流在合适的气象条件下都可向内陆推进一定区域^[24]，但是否影响机场还有待实况数据进一步验证。海风环流的强度、厚度与水体大小、水陆温差等因素密切相关^[35]，胶州湾是黄海伸入山东半岛南部的一个半封闭海湾，水体面积远小于黄海，且夏季胶州湾海温高于黄海海温^[36-37]，因此，西支环流强度、厚度一般弱于南支环流^[28]。

1.2 基于观测数据的海风特征分析

目前关于胶州湾东北沿岸海陆风现象的研究主要为个例分析或数值模拟^{[24, 28-30]}, 海风环流建立时间、强度及环流间相互作用还缺乏实况数据的统计验证。理论研究和实际观测已经证实，对于非均一下垫面(例如山地或沿海)，地面风向日变化受地形热力状况影响显著^[38]，在沿海地区，海陆风是造成地面风向日变化的主要原因^[39-40]，因此本文根据风向日变化规律研究影响机场的海风特征。

胶州湾和黄海分别位于机场西南和东南方向，故分析西南风(180°~200°和210°~230°两个风向段)和东南风(120°~140°和150°~170°两个风向段)频率日变化规律，资料为2008年1月—2016年12月机场风场逐时观测数据。如图 2所示，210°~230°风向段于日出之后出现频率迅速增多，春、夏季于12：00、秋、冬季于13：00达到极大值，除冬季之外，频率日峰值为15%左右。该风向段频率日较差(频率日极大值与日极小值之差)呈现一定的季节性变化，数值在9%~14%之间(表 1)，夏、秋季频率日变化略强于冬季和春季。180°~200°风向段出现频率虽明显多于210°~230°风向段，但日变化较为和缓(图 2)，除秋季外，其他季节风向频率日较差均小于等于7%(表 1)，日变化幅度较小。

东南风日变化规律为：150°~170°风向段频率从中午开始增多，日落后1~2 h达到极大值，夜间缓慢减少(图 2)。频率日较差季节性差异显著，夏季为25.7%，春、秋季数值接近，分别为18.4%和16.4%，冬季只有8.3%(表 1)。120°~140°风向段频率日较差很小(图 2，表 1)，没有明显日变化规律。

西南风和东南风日变化规律反映了西支海风和南支海风的基本特征：上午西南风频率增多，表明西支环流一般上午开始影响机场，海风方向为210°~230°。研究指出，海风环流一般在下午至傍晚发展到最强阶段^[1-2]，但青岛机场西南风频率中午开始降低，同时东南风频率显著增加，表明机场下午存在南支海风取代西支海风的过程。南支海风方向为150°~170°，于傍晚达到最强。夜间，海陆温差减弱，南支环流逐渐减弱消失。

如表 1所示，夏季210°~230°与150°~170°风向段频率日较差高于其他季节，表明两支海风夏季最强，春、秋季次之，冬季最弱。夏季150°~170°风向段频率日较差高达25.7%，冬季仅为8.3%，而210°~230°风向段频率日较差在各季节差异相对较小，表明南支海风强度的季节性差异强于西支海风。

2 海风对青岛机场飞行的影响

海风从海面向陆地推进过程中抬升陆地上较暖空气层形成的锋面称为海风锋，海风锋是一种中尺度浅薄冷锋，可造成所经过地区温度降低、露点升高、风向转为向岸风^{[7, 35, 38]}。在适当气象条件下海风锋可引发低空风切变、颠簸及局地对流，其中海风锋型低空风切变对飞行的影响最为显著^[7]。

相对飞行方向，低空风切变分为顺风切变、逆风切变、侧风切变及垂直风切变等四类。大气中水平风矢量按飞行方向可分解为顺风(飞行方向与风向相同)/逆风(飞行方向与风向相反)和左/右侧风，飞行中顺风/逆风逐渐增大为顺风/逆风切变；侧风出现变化为侧风切变；垂直气流发生变化称为垂直风的切变^[7]。一般海风锋附近风速较大，锋后风速逐渐减小^[27]，无强烈垂直气流^{[27, 29]}，因此海风锋造成的低空风切变主要体现为顺风、逆风或侧风切变。

2.1 海风锋型低空风切变模型

本文以机场地面突然转为向岸风或向岸风显著增大作为海风锋开始影响机场的特征指标，向岸风风速逐渐减小趋于稳定，表示海风锋已经过境。在西支海风和南支海风的共同作用下可引起以下三种类型低空风切变。

1) 西支海风锋引起的侧风切变(图 3a)。西支海风锋过境时，风向突然转变为西南风，跑道侧风分量显著增大。飞机由北向南起飞和着陆易引起右侧风切变；反之易引起左侧风切变。

2) 两支海风环流相互作用引起的侧风切变(图 3b)。黄海距离机场较远，南支海风影响机场的时间晚于西支海风。南支海风锋到达机场后，两支环流相互作用，机场近地面交替出现西南风或东南风，飞机受到左侧风和右侧风交替影响进而引起侧风切变。

3) 南支海风引起的顺风切变(图 3c)。南支海风完全取代西支海风后，风向稳定为东南风。一般海风风速于海风锋处最大，锋后逐渐减小^[27]，因此，飞机由南向北起飞和着陆时，顺风逐渐增大，易引起顺风切变；反之，飞机由北向南起飞和着陆时，海风(逆风)逐渐减小，也会引起顺风切变。

2.2 海风锋型低空风切变季节及日变化规律

海风锋型低空风切变发生概率与海风环流强度及发生频率密切相关，因此，夏季发生海风锋型低空风切变的概率相对最大，春、秋季次之，冬季各风向段频率变率基本小于2%(图 4a)，发生海风锋型低空风切变概率很低。

海风锋型低空风切变日变化规律判断条件如下。

1) 条件A。210°~230°风向段频率变率(1 h频率变化)最大的时段，对应西支海风锋最可能过境时段，易出现西支海风锋引起的侧风切变。

2) 条件B。210°~230°风向段频率变率＜0且150°~170°风向段频率变率＞0，最初一段时间(一般1 h)，易出现两支环流相互作用引起的侧风切变。

3) 条件C。150°~170°风向段频率变率极大值，对应南支海风完全取代西支海风的最可能时段，易出现南支海风引起的顺风切变。

如图 4b所示，210°~230°风向段频率变率于09：00达到峰值，08：00和10：00为次峰值，因此春季满足条件A的时段大致为08：00—10：00，同理满足条件B与条件C的时段分别为12：00—13：00及16：00—17：00。夏、秋季以相同方式分析得出(图 4c、d)，具体数值见表 2所示。三类海风锋型低空风切变最可能出现时段大致为08：00—11：00、12：00—15：00及15：00—17：00，具体时间在不同季节略有差异。

2.3 海风锋型低空风切变应对建议

随着青岛机场航班量迅速增加^[41]，飞机遭遇海风锋型低空风切变的几率随之上升。青岛机场受到两支海风环流共同影响导致低空风切变，是区别于其他机场的显著特点。航空用户可以根据海风锋型低空风切变形成机理，按照各季节最可能发生时段制定预警方案：上午(春季08：00—10：00，夏、秋季09：00—11：00)，风向突然转为西南风或西南风风速突然增大时，易出现西南侧风引起的低空风切变；中午及午后(春、夏季12：00—13：00，秋季14：00—15：00)，当地面交替出现西南风和东南风时，易出现左右侧风引起的低空风切变；下午(夏季15：00—17：00，春、秋季16：00—17：00)，地面风稳定为东南风后，起飞着陆时可能遭遇顺风切变。

需要指出的是，低空风切变的发生通常具有突发性和不确定性，且维持时间很短，对于低空风切变的探测还是一个难题^[7]，目前还没有可靠连续的探测数据，飞行员报告风切变有时也有一定的主观性^[15]。本文依据机场多年地面风场数据统计得出的海风锋型低空风切变季节及日变化规律，是统计上最可能发生的时间。另外，由于缺乏有效的低空风场探测数据，本文分析结果仅限于近地面低空风切变，对于空中情况未来还有待于利用实际探测数据进行进一步验证。

3 结论

利用2008—2016年青岛机场地面风场逐时观测数据，通过统计4个风向段(180°~200°、210°~230°、120°~140°和150°~170°)在不同季节出现频率日变化规律及频率日较差，分析了影响机场的海风特征，结论如下：

1) 有两支海风环流影响青岛机场，分别为产生于胶州湾的西支海风环流和产生于黄海的南支海风环流。

2) 西支海风风向为210°~230°，一般上午影响机场，午后最强，下午消失。

3) 南支海风风向为150°~170°，午后影响机场，下午取代西支环流，傍晚发展至最强，夜间逐渐减弱消失。

4) 西支环流与南支环流夏季最强，春、秋季次之，冬季最弱，南支环流强度的季节变化强于西支环流。

5) 海风对青岛机场飞行的影响主要体现在两支海风引起的三种类型低空风切变，分别为西支海风锋引起的侧风切变、两支海风环流相互作用引起的侧风切变以及南支海风引起的顺风切变。

6) 三种海风锋型低空风切变季节及日变化规律为：夏季出现概率最大，春、秋季次之，冬季几乎不会发生；一天中最可能出现时段分别为08：00—11：00、12：00—15：00和15：00—17：00，具体发生时段在各季节略有差异。