超強臺風“天兔”的大風對廣州白云機場影響過程分析

郭智亮,呂愛民,高聰暉,謝文鋒,陳淑敏

(1.中國民用航空中南地區空中交通管理局，廣東 廣州 510406；2.國家氣象中心，北京 100081；3.福建省氣象臺，福建 福州 350000;4.中山大學大氣科學學院，廣東 廣州 510275)

0 引言

熱帶氣旋是地球上最具破壞性的天氣事件和自然災害之一，它生成于熱帶或副熱帶洋面上，是具有有組織的對流和確定的氣旋性環流的非鋒面性渦旋的統稱。我國是世界上受熱帶氣旋影響最嚴重的國家之一，熱帶氣旋登陸十分頻繁[1]。據統計,1949—2001年期間共有488個臺風登陸我國，平均每年9.2個[2]，平均每年造成經濟損失287億和死亡人數472人[3]。臺風引起的降雨已有諸多學者進行了研究[4,5]，陳聯壽等[6]總結了影響臺風雨強和降雨落區的影響因子。施春紅等[7]、廖君鈺等[8]分別對兩例相似路徑臺風降水差異的成因進行分析，均發現海上水汽輸送對雨強至關重要。據陳聯壽等[9]統計，在臺風所帶來的所有災害之中，風災的危害僅次于臺風暴雨引發的洪澇災害，諸如船只翻沉、房屋倒塌以及巨浪狂濤等災害均直接取決于臺風大風。因此，研究臺風大風的分布特征及其成因對減輕臺風災害是十分必要的，特別是在經濟發達、人口稠密的沿海地區，這項工作尤為迫切。楊玉華等[10]對1949—2001 年在我國登陸臺風引起的大風分布特征進行了統計分析；田輝等[11]則對華南和華東沿海登陸的暴雨和大風做了分析；鈕學新等[12]、陳潤珍等[13]利用數值模式來研究臺風大風的預報方法。還有一些氣象人員對臺風大風個例進行了分析，尋找臺風大風的成因和預報因子[14-20]，周雪松等[21]定量地分析了一個有非對稱性結構臺風個例，探討登陸后結構的變化及其對風雨的影響機制。目前臺風大風的研究主要集中在區域性總體特征的統計分析和數值理論計算方面，而對局地特征的研究較少。臺風大風容易引發風切變及強烈的側風，對航空器的起飛和降落帶來安全隱患，臺風造成的大風還會對停機坪未固定的航空器造成損壞，對機場的正常運行和航空飛行安全都有嚴重的影響。因此本文通過探討正面襲擊白云機場的臺風“天兔”個例，分析臺風大風對廣州白云機場的影響以及保障措施，為以后保障白云機場在臺風影響下的正常運行提供經驗。

1 “天兔” 臺風過程概況

2013年第19號熱帶氣旋“天兔”(英文名：USAGI)于9月17日02時(北京時，下同)在菲律賓以東的西北太平洋洋面上生成，之后在副熱帶高壓西南側東南氣流引導下以15～25 km/h的移動速度向西北方向移動(圖1)。“天兔”生成后強度迅速加強，于9月18日08時加強為強熱帶風暴，18日20時加強為臺風，19日14時加強為強臺風，19日20時加強為超強臺風，最強時中心最低氣壓值達915 hPa，近中心最大風速達60 m/s(圖2)，以強臺風級別于22日19時40分登陸廣東汕尾，登陸后以20～25 km/h的速度繼續向西北移動，強度迅速減弱，23日14時停編。

圖1 1319號臺風“天兔”16日18時—23日03時移動路徑圖(a)、中心最低氣壓(單位：hPa)和近中心最大風速(單位：m/s)序列圖(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

中心結構對稱緊湊，外圍云系已經覆蓋湖南、湖北、福建和臺灣，隨著臺風西移，外圍云區自東向西橫掃華南地區。22日14時前后，汕頭市澄海區萊蕪站點記錄到46.0 m/s的風；汕尾市甲東測站記錄到70.4 m/s的陣風，至少4個站點記錄到了17級及以上的陣風，10個站的最大2 min持續風在12級以上，同頂山雷達站記錄到58.3 m/s的風。“天兔”臺風登陸后維持偏西方向移動，中心先后經過惠州、深圳、東莞、廣州4市。惠州多祝鎮記錄到最大陣風為45.4 m/s，經過東莞、深圳一帶時，位于中心東北側的龍門縣記錄得13級陣風。進入廣州時，最大陣風為30.2 m/s，出現在蘿崗區天麓湖。

除大風外，“天兔”還帶來了大范圍強降水，從9月22日23時54分廣東省雷達回波拼圖可以看出(圖略)，臺風眼墻區和外圍螺旋雨帶區雷達回波普遍達到40 dBz，最強到60 dBz以上。從9月22日08時—23日08時24 h累積降水分布(圖略)可以看出，福建中南部、珠三角以及廣東東部都超過50 mm，其中廣東汕尾到福建漳州沿海一帶在100 mm以上，最大達242 mm。22日16—17時揭陽惠來縣蜈蚣嶺的1 h降水量達到188.5 mm，24 h降雨量達308.5 mm，惠州惠陽的雞心石在20—21時也錄到了110.0 mm的1 h降雨量。22日11時—23日11時梅州八鄉24 h降雨量達352.0 mm，為“天兔”登陸過程中24 h降雨量最大值。同時有至少12個站出現了250 mm以上特大暴雨。

2 白云機場大風服務情況分析

圖2為臺風過境機場前后的2 min平均風向、風速時間序列圖，從圖中可以看出，臺風眼到達白云機場前，白云機場以西北風為主，2 min平均風速為8～12 m/s，最大陣風為20 m/s；23日凌晨以后，臺風眼逐漸靠近白云機場，機場的風力逐漸減小，23日04時39分—04時42分臺風眼過境，白云機場的風速為0。臺風眼過境后，白云機場風速逐漸增大至4～8 m/s，最大陣風為12 m/s。臺風到達白云機場前后，地面風向變化為：西北風—靜風—西南風—偏南風。

白云機場22日18時發布TAF報(Terminal Aerodrome Forecast，終端機場天氣預報)，預報22日20時以后機場2 min平均風向為東北風，2 min平均風速為10 m/s，23日00時風速加大到15 m/s，陣風達25 m/s，23日03—04時，臺風眼達到機場，機場短時靜風，23日04時偏轉為東風，風速為20 m/s，陣風30 m/s，23日08時以后風速減小為8 m/s，陣風15 m/s。

表1為實況和預報的2 min風速、2 min平均風向差異表。對比發現，對“天兔”的路徑和移向移速預報準確，準確的預報出臺風中心23日04時前后臺風過境機場，預計大風影響廣州白云國際機場時間(平均超過10 m/s，陣風超過17 m/s)為23日00—08時，也與實況基本一致。平均風向實況與預報對比發現，臺風中心到達本場前，預報和實況均為西北風，臺風眼到達本場后，預報本場東風，實況風向為西南風轉偏南風。預報的平均風和陣風都比實況的偏大，尤其是臺風眼過境后，預報23日00時以后風速為15 m/s,實況最大只有12 m/s，兩者誤差為3 m/s,臺風眼達到本場后，實況風速減弱明顯，最大風速為8 m/s,陣風12 m/s，而預報是臺風眼達到本場后風速會迅速加大到20 m/s，陣風30 m/s，預報和實況出現明顯的差異。下面根據臺風“天兔”登陸前后探空資料、風廓線雷達和多普勒天氣雷達特征，探討臺風的大風影響機場預報可以改進的地方。

圖2 廣州白云機場自觀系統22日16時40分—00時40分世界時(UTC)2 min平均(注：2 min內平均值)風向、風速序列圖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預報和自動觀測系統2 min平均風速和風向差異對比表Tab.1 Comparison of 2-minutes-average wind direction and wind speed between TAF forecast and automatic observation system

3 大風資料分析

3.1 清遠探空資料分析

從清遠探空的風場時間序列圖來看(圖3)，臺風“天兔”登陸前，受其外圍環流影響，低層(925～700 hPa)為東北風，高層(200～100 hPa)為偏東風；臺風登陸后，23日08時，清遠站低層和高層(925～250 hPa)轉為一致的東南風，但風速變化不明顯。雖然探空資料可信度高，但由于清遠探空站每日只探測3次，且時空分辨率不夠高，未能將臺風水平和垂直風場的結構詳細展現出來。

圖3 廣東省清遠站9月19—27日探空風場時間序列分布Fig.3 Time series of the sounding wind fields at Qing Yuan station from 19 Sep to 27 Sep

3.2 風廓線雷達風場資料

風廓線雷達是通過向高空發射不同方向的電磁波束，接收并處理這些因大氣垂直結構不均勻而返回的電磁波束來進行高空風場探測的一種遙感設備。風廓線雷達利用多普勒效應能夠探測其上空風向、風速等氣象要素隨高度的變化情況，具有探測時空分辨率高、自動化程度高等優點[22]。

自動觀測探測到23日04時39分—04時42分本場為靜風，此時臺風眼恰好在本場。圖4是廣州白云機場風廓線雷達探測的垂直風場時間序列圖(由于服務器故障，23日03時10分—04時20分數據丟失)。可見，在臺風眼到達本場之前6 h，高層(4 000～5 000 m)為偏東風，低層(0～1 000 m)為西北風，100 m高度上風速在10～20 m/s之間。此時機場位于臺風眼的西北側，隨著臺風眼區經過本場繼續東移，04時40分之后，機場處于臺風的東南側，高層(4 000～5 000 m)逐漸轉為西南風，低層(0～1 000 m)逐漸轉為偏南風，這與23日08時清遠探空風場分布一致。風廓線雷達資料探測時空分辨率高、自動化程度高，但風廓線雷達在強降水時存在問題，且是單點探測，無法對大風進行提前預報。

圖4 9月22日22時—23日10時廣州白云機場垂直風廓線時間序列圖Fig.4 Time series of the vertical wind profile at Guang Zhou airport from 1 400 UTC 22 Sep to 0200 UTC 23 Sep

在正面襲擊白云機場前后4 h時間內，地面和機場上空的風速曲線出現“V”型波動，即隨著臺風眼區逼近機場時風速減小，經過3 min靜風后，風速重新增大(圖5)。白云機場地面風向轉變過程為：西北風—靜風—西南風—偏南風。從圖4風廓線時間序列圖來看，在22日22時00分—23日01時20分期間， 1 000～3 000 m高度上有最大風速區，最大風速為35～40 m/s，即最強風出現在臺風眼區西北側80～100 km的1 000～3 000 m高度上，但在臺風眼過境后其東南側對應高度上卻沒有出現大風區，風速僅為20～25 m/s，說明“天兔”登陸后風場的不對稱性迅速加強，中心西北側風明顯強于東南側，從而導致臺風眼經過本場后，風速沒有明顯增大。與典型臺風低空風場結構[17]對比，“天兔”在影響白云機場時風力大小不對稱結構明顯，其西側風明顯強于東側風。

圖5 9月22日22時—23日10時廣州白云機場風速垂直分布的時間序列圖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 多普勒天氣雷達資料分析

圖6和圖7分別為9月23日03時50分、05時13分廣州白云機場多普勒天氣雷達回波強度和徑向速度圖。23日03時50分，臺風中心位于白云機場的東南側，白云機場盛行西北風，多普勒雷達徑向速度圖上出現了明顯的速度模糊區，風速最大值為35～40 m/s，這與垂直風廓線資料(圖4)臺風西北側1 000～3 000 m高度上最大風度分布一致，即多普勒雷達和風廓線雷達對風場描述結果統一；23日05時13分，臺風中心在本場西北側，多普勒徑向雷達速度表現出明顯的氣旋特征(圖7b)，也可以看到中心西北側的風速比東南側的風速明顯要大(圖7a)，這也與風廓線探測到的風速分布基本一致。多普勒天氣雷達也反映臺風風場的水平和垂直精細特征。

圖6 9月23日03時50分多普勒雷達回波強度(a，單位：dBz)徑向速度(b，單位：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

圖7 9月23日05時13分多普勒雷達回波強度(a，單位：dBz)與徑向速度(b，單位：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 結論與討論

1319號臺風“天兔”正面襲擊廣州白云機場,通過探討臺風“天兔”大風對廣州白云機場的影響，得出以下結論：

①對此次臺風的移動路徑預報準確，預報臺風中心于23日03—04時過境白云機場，實況臺風眼經過白云機場時間為23日04時39—42分，兩者時間相差不到1 h。

②預計大風影響廣州白云國際機場時間(平均超過10 m/s，陣風超過17 m/s)為23日00—08時，與實況影響機場的時間段基本一致。

③對比臺風“天兔”影響機場的平均風向和平均風速的實況和預報發現，臺風眼過境機場前，預報和實況是一致的西北風，預報風速為15 m/s，實況最大只有12 m/s，兩者誤差為3 m/s，預報的風速略大于實況。臺風眼過境機場后，風向出現了偏差，預報機場風向為偏東風，實況為東南風轉南風，預報的風速大小出現了偏差，預報是臺風眼達到本場后風速會迅速加大到20 m/s，陣風30 m/s，實況最大風速為8 m/s,陣風12 m/s。

④通過分析發現風廓線雷達和多普勒天氣雷達風場資料可以很好的反映臺風水平和垂直風場的特征，二者對風場分布描述基本一致，風速最大值接近，且與清遠探空風場分布協調一致。雷達資料分析表明臺風登陸后不對稱性明顯加強，即臺風中心西北側風速比東南側明顯大很多，這使得臺風眼過境本場后，風速沒有明顯增大，風力的非對稱結構加強是造成臺風眼過境機場后風速大小預報偏差的主要原因。

對比探空資料、風廓線雷達和多普勒天氣雷達風場資料發現，三者各有優缺點，探空風場資料時間間隔太大，但資料可信度高。風廓線雷達在強降水時存在問題，而多普勒雷達只有在降水時可用，三者是否協調一致？這是未來可以改進的地方。臺風大風預報方面，可利用上游的風廓線雷達和多普勒天氣雷達資料，更清晰地識別臺風風場的水平和垂直精細結構，提前預報臺風風向風速對機場的影響，做好保障準備工作。