超强台风“天兔”的大风对广州白云机场影响过程分析

郭智亮,吕爱民,高聪晖,谢文锋,陈淑敏

(1.中国民用航空中南地区空中交通管理局，广东 广州 510406；2.国家气象中心，北京 100081；3.福建省气象台，福建 福州 350000;4.中山大学大气科学学院，广东 广州 510275)

0 引言

热带气旋是地球上最具破坏性的天气事件和自然灾害之一，它生成于热带或副热带洋面上，是具有有组织的对流和确定的气旋性环流的非锋面性涡旋的统称。我国是世界上受热带气旋影响最严重的国家之一，热带气旋登陆十分频繁[1]。据统计,1949—2001年期间共有488个台风登陆我国，平均每年9.2个[2]，平均每年造成经济损失287亿和死亡人数472人[3]。台风引起的降雨已有诸多学者进行了研究[4,5]，陈联寿等[6]总结了影响台风雨强和降雨落区的影响因子。施春红等[7]、廖君钰等[8]分别对两例相似路径台风降水差异的成因进行分析，均发现海上水汽输送对雨强至关重要。据陈联寿等[9]统计，在台风所带来的所有灾害之中，风灾的危害仅次于台风暴雨引发的洪涝灾害，诸如船只翻沉、房屋倒塌以及巨浪狂涛等灾害均直接取决于台风大风。因此，研究台风大风的分布特征及其成因对减轻台风灾害是十分必要的，特别是在经济发达、人口稠密的沿海地区，这项工作尤为迫切。杨玉华等[10]对1949—2001 年在我国登陆台风引起的大风分布特征进行了统计分析；田辉等[11]则对华南和华东沿海登陆的暴雨和大风做了分析；钮学新等[12]、陈润珍等[13]利用数值模式来研究台风大风的预报方法。还有一些气象人员对台风大风个例进行了分析，寻找台风大风的成因和预报因子[14-20]，周雪松等[21]定量地分析了一个有非对称性结构台风个例，探讨登陆后结构的变化及其对风雨的影响机制。目前台风大风的研究主要集中在区域性总体特征的统计分析和数值理论计算方面，而对局地特征的研究较少。台风大风容易引发风切变及强烈的侧风，对航空器的起飞和降落带来安全隐患，台风造成的大风还会对停机坪未固定的航空器造成损坏，对机场的正常运行和航空飞行安全都有严重的影响。因此本文通过探讨正面袭击白云机场的台风“天兔”个例，分析台风大风对广州白云机场的影响以及保障措施，为以后保障白云机场在台风影响下的正常运行提供经验。

1 “天兔” 台风过程概况

2013年第19号热带气旋“天兔”(英文名：USAGI)于9月17日02时(北京时，下同)在菲律宾以东的西北太平洋洋面上生成，之后在副热带高压西南侧东南气流引导下以15～25 km/h的移动速度向西北方向移动(图1)。“天兔”生成后强度迅速加强，于9月18日08时加强为强热带风暴，18日20时加强为台风，19日14时加强为强台风，19日20时加强为超强台风，最强时中心最低气压值达915 hPa，近中心最大风速达60 m/s(图2)，以强台风级别于22日19时40分登陆广东汕尾，登陆后以20～25 km/h的速度继续向西北移动，强度迅速减弱，23日14时停编。

图1 1319号台风“天兔”16日18时—23日03时移动路径图(a)、中心最低气压(单位：hPa)和近中心最大风速(单位：m/s)序列图(b)Fig.1 Time series of the Typhoon "Usagi"(1319) track(a)、the minimum central pressures (solid red line, unit: hPa) and the maximum surface winds speed (solid blue line, unit: m/s)(b) from 1800 UTC 19 Sep to 0300 UTC 23 Sep 2013

中心结构对称紧凑，外围云系已经覆盖湖南、湖北、福建和台湾，随着台风西移，外围云区自东向西横扫华南地区。22日14时前后，汕头市澄海区莱芜站点记录到46.0 m/s的风；汕尾市甲东测站记录到70.4 m/s的阵风，至少4个站点记录到了17级及以上的阵风，10个站的最大2 min持续风在12级以上，同顶山雷达站记录到58.3 m/s的风。“天兔”台风登陆后维持偏西方向移动，中心先后经过惠州、深圳、东莞、广州4市。惠州多祝镇记录到最大阵风为45.4 m/s，经过东莞、深圳一带时，位于中心东北侧的龙门县记录得13级阵风。进入广州时，最大阵风为30.2 m/s，出现在萝岗区天麓湖。

除大风外，“天兔”还带来了大范围强降水，从9月22日23时54分广东省雷达回波拼图可以看出(图略)，台风眼墙区和外围螺旋雨带区雷达回波普遍达到40 dBz，最强到60 dBz以上。从9月22日08时—23日08时24 h累积降水分布(图略)可以看出，福建中南部、珠三角以及广东东部都超过50 mm，其中广东汕尾到福建漳州沿海一带在100 mm以上，最大达242 mm。22日16—17时揭阳惠来县蜈蚣岭的1 h降水量达到188.5 mm，24 h降雨量达308.5 mm，惠州惠阳的鸡心石在20—21时也录到了110.0 mm的1 h降雨量。22日11时—23日11时梅州八乡24 h降雨量达352.0 mm，为“天兔”登陆过程中24 h降雨量最大值。同时有至少12个站出现了250 mm以上特大暴雨。

2 白云机场大风服务情况分析

图2为台风过境机场前后的2 min平均风向、风速时间序列图，从图中可以看出，台风眼到达白云机场前，白云机场以西北风为主，2 min平均风速为8～12 m/s，最大阵风为20 m/s；23日凌晨以后，台风眼逐渐靠近白云机场，机场的风力逐渐减小，23日04时39分—04时42分台风眼过境，白云机场的风速为0。台风眼过境后，白云机场风速逐渐增大至4～8 m/s，最大阵风为12 m/s。台风到达白云机场前后，地面风向变化为：西北风—静风—西南风—偏南风。

白云机场22日18时发布TAF报(Terminal Aerodrome Forecast，终端机场天气预报)，预报22日20时以后机场2 min平均风向为东北风，2 min平均风速为10 m/s，23日00时风速加大到15 m/s，阵风达25 m/s，23日03—04时，台风眼达到机场，机场短时静风，23日04时偏转为东风，风速为20 m/s，阵风30 m/s，23日08时以后风速减小为8 m/s，阵风15 m/s。

表1为实况和预报的2 min风速、2 min平均风向差异表。对比发现，对“天兔”的路径和移向移速预报准确，准确的预报出台风中心23日04时前后台风过境机场，预计大风影响广州白云国际机场时间(平均超过10 m/s，阵风超过17 m/s)为23日00—08时，也与实况基本一致。平均风向实况与预报对比发现，台风中心到达本场前，预报和实况均为西北风，台风眼到达本场后，预报本场东风，实况风向为西南风转偏南风。预报的平均风和阵风都比实况的偏大，尤其是台风眼过境后，预报23日00时以后风速为15 m/s,实况最大只有12 m/s，两者误差为3 m/s,台风眼达到本场后，实况风速减弱明显，最大风速为8 m/s,阵风12 m/s，而预报是台风眼达到本场后风速会迅速加大到20 m/s，阵风30 m/s，预报和实况出现明显的差异。下面根据台风“天兔”登陆前后探空资料、风廓线雷达和多普勒天气雷达特征，探讨台风的大风影响机场预报可以改进的地方。

图2 广州白云机场自观系统22日16时40分—00时40分世界时(UTC)2 min平均(注：2 min内平均值)风向、风速序列图Fig.2 Time series of 2-minutes-average wind speed(solid black line, unit: m/s) and wind direction (red solid triangle,unit:°) at Guang Zhou airport automatic observation system from 1640 UTC 22 Sep to 0040 UTC 23 Sep 2013

表1 TAF预报和自动观测系统2 min平均风速和风向差异对比表Tab.1 Comparison of 2-minutes-average wind direction and wind speed between TAF forecast and automatic observation system

3 大风资料分析

3.1 清远探空资料分析

从清远探空的风场时间序列图来看(图3)，台风“天兔”登陆前，受其外围环流影响，低层(925～700 hPa)为东北风，高层(200～100 hPa)为偏东风；台风登陆后，23日08时，清远站低层和高层(925～250 hPa)转为一致的东南风，但风速变化不明显。虽然探空资料可信度高，但由于清远探空站每日只探测3次，且时空分辨率不够高，未能将台风水平和垂直风场的结构详细展现出来。

图3 广东省清远站9月19—27日探空风场时间序列分布Fig.3 Time series of the sounding wind fields at Qing Yuan station from 19 Sep to 27 Sep

3.2 风廓线雷达风场资料

风廓线雷达是通过向高空发射不同方向的电磁波束，接收并处理这些因大气垂直结构不均匀而返回的电磁波束来进行高空风场探测的一种遥感设备。风廓线雷达利用多普勒效应能够探测其上空风向、风速等气象要素随高度的变化情况，具有探测时空分辨率高、自动化程度高等优点[22]。

自动观测探测到23日04时39分—04时42分本场为静风，此时台风眼恰好在本场。图4是广州白云机场风廓线雷达探测的垂直风场时间序列图(由于服务器故障，23日03时10分—04时20分数据丢失)。可见，在台风眼到达本场之前6 h，高层(4 000～5 000 m)为偏东风，低层(0～1 000 m)为西北风，100 m高度上风速在10～20 m/s之间。此时机场位于台风眼的西北侧，随着台风眼区经过本场继续东移，04时40分之后，机场处于台风的东南侧，高层(4 000～5 000 m)逐渐转为西南风，低层(0～1 000 m)逐渐转为偏南风，这与23日08时清远探空风场分布一致。风廓线雷达资料探测时空分辨率高、自动化程度高，但风廓线雷达在强降水时存在问题，且是单点探测，无法对大风进行提前预报。

图4 9月22日22时—23日10时广州白云机场垂直风廓线时间序列图Fig.4 Time series of the vertical wind profile at Guang Zhou airport from 1 400 UTC 22 Sep to 0200 UTC 23 Sep

在正面袭击白云机场前后4 h时间内，地面和机场上空的风速曲线出现“V”型波动，即随着台风眼区逼近机场时风速减小，经过3 min静风后，风速重新增大(图5)。白云机场地面风向转变过程为：西北风—静风—西南风—偏南风。从图4风廓线时间序列图来看，在22日22时00分—23日01时20分期间， 1 000～3 000 m高度上有最大风速区，最大风速为35～40 m/s，即最强风出现在台风眼区西北侧80～100 km的1 000～3 000 m高度上，但在台风眼过境后其东南侧对应高度上却没有出现大风区，风速仅为20～25 m/s，说明“天兔”登陆后风场的不对称性迅速加强，中心西北侧风明显强于东南侧，从而导致台风眼经过本场后，风速没有明显增大。与典型台风低空风场结构[17]对比，“天兔”在影响白云机场时风力大小不对称结构明显，其西侧风明显强于东侧风。

图5 9月22日22时—23日10时广州白云机场风速垂直分布的时间序列图Fig.5 Time series of the vertical distribution of wind speed at Guang Zhou airport from 1 400 UTC 22 Sep to 0200 UTC 23 Sep

3.3 多普勒天气雷达资料分析

图6和图7分别为9月23日03时50分、05时13分广州白云机场多普勒天气雷达回波强度和径向速度图。23日03时50分，台风中心位于白云机场的东南侧，白云机场盛行西北风，多普勒雷达径向速度图上出现了明显的速度模糊区，风速最大值为35～40 m/s，这与垂直风廓线资料(图4)台风西北侧1 000～3 000 m高度上最大风度分布一致，即多普勒雷达和风廓线雷达对风场描述结果统一；23日05时13分，台风中心在本场西北侧，多普勒径向雷达速度表现出明显的气旋特征(图7b)，也可以看到中心西北侧的风速比东南侧的风速明显要大(图7a)，这也与风廓线探测到的风速分布基本一致。多普勒天气雷达也反映台风风场的水平和垂直精细特征。

图6 9月23日03时50分多普勒雷达回波强度(a，单位：dBz)径向速度(b，单位：m/s)分布Fig.6 The Doppler radar reflectivity (a, unit: dBz) and radial velocity (b, unit: m/s) at 1750 UTC 22 Sep 2013

图7 9月23日05时13分多普勒雷达回波强度(a，单位：dBz)与径向速度(b，单位：m/s)分布Fig.7 The Doppler radar reflectivity (a, unit: dBz) and radial velocity (b, unit: m/s) at 2113 UTC 22 Sep 2013

4 结论与讨论

1319号台风“天兔”正面袭击广州白云机场,通过探讨台风“天兔”大风对广州白云机场的影响，得出以下结论：

①对此次台风的移动路径预报准确，预报台风中心于23日03—04时过境白云机场，实况台风眼经过白云机场时间为23日04时39—42分，两者时间相差不到1 h。

②预计大风影响广州白云国际机场时间(平均超过10 m/s，阵风超过17 m/s)为23日00—08时，与实况影响机场的时间段基本一致。

③对比台风“天兔”影响机场的平均风向和平均风速的实况和预报发现，台风眼过境机场前，预报和实况是一致的西北风，预报风速为15 m/s，实况最大只有12 m/s，两者误差为3 m/s，预报的风速略大于实况。台风眼过境机场后，风向出现了偏差，预报机场风向为偏东风，实况为东南风转南风，预报的风速大小出现了偏差，预报是台风眼达到本场后风速会迅速加大到20 m/s，阵风30 m/s，实况最大风速为8 m/s,阵风12 m/s。

④通过分析发现风廓线雷达和多普勒天气雷达风场资料可以很好的反映台风水平和垂直风场的特征，二者对风场分布描述基本一致，风速最大值接近，且与清远探空风场分布协调一致。雷达资料分析表明台风登陆后不对称性明显加强，即台风中心西北侧风速比东南侧明显大很多，这使得台风眼过境本场后，风速没有明显增大，风力的非对称结构加强是造成台风眼过境机场后风速大小预报偏差的主要原因。

对比探空资料、风廓线雷达和多普勒天气雷达风场资料发现，三者各有优缺点，探空风场资料时间间隔太大，但资料可信度高。风廓线雷达在强降水时存在问题，而多普勒雷达只有在降水时可用，三者是否协调一致？这是未来可以改进的地方。台风大风预报方面，可利用上游的风廓线雷达和多普勒天气雷达资料，更清晰地识别台风风场的水平和垂直精细结构，提前预报台风风向风速对机场的影响，做好保障准备工作。