民用航空飛機晴空顛簸研究進展

劉海文，游景超，武凱軍，孫艷玲，劉 剛

（1.中國民航大學空中交通管理學院，天津 300300；2.成都信息工程大學管理學院，成都 610225；3.民航江西空管分局綜合業務部，南昌 330114）

飛機顛簸是指水平尺度介于100～1 000 m 之間的大氣湍流所導致飛機產生的顛簸，也被稱為飛機尺度湍流。關于晴空顛簸[1]的準確定義為“在航空業務所有感興趣的自由大氣發生的大氣亂流，且該亂流與可見的大氣對流活動無關”。文獻[1]認為對流湍流[2-4]、低空急流（LLT,low level jet）、山脈波湍流[5]、晴空湍流（CAT，clear-air turbulence）以及飛機尾流渦旋所產生的湍流[6]均是導致飛機顛簸的根源。文獻[7]認為發生在晴空湍流中的飛機顛簸，也稱為晴空顛簸。晴空湍流由于其發生時天氣良好，難以被飛行員發覺且又不易被衛星和機載雷達所發現，因此，晴空湍流被認為是飛機飛行過程中遇到的巨大災害性天氣之一[1，8]。文獻[9-10]研究表明，飛機分別至少要花費3%以上和1%的巡航時間在輕度晴空湍流區和中度晴空湍流區度過。晴空湍流不僅會給旅客造成傷害甚至死亡，還會造成飛機設備損壞，每年給航空公司帶來上千萬美元的經濟損失[11-13]。隨著空中交通流量的持續增長和全球氣候的變暖，飛機遭遇晴空湍流的概率正在顯著增加[14-15]，且被認為將來還可能進一步加劇[11,16-19]。

由于晴空顛簸主要與高空急流-鋒系密切相關，因此，本文重點針對高空急流-鋒區耦合系統產生的飛機晴空顛簸的研究進行梳理，并就未來關于飛機顛簸研究的科學問題進行探討和展望，可為中國開展飛機顛簸短期預報等方面研究提供借鑒。

1 晴空湍流的表征

晴空湍流是指距地面高度6 000 m 以上高空出現的與對流云和雷暴無關的大氣湍流[20]。為了研究高空急流附近發生晴空湍流的原因，學者們建立了多種晴空湍流指數來表征晴空湍流[21]。如文獻[22]提出的埃爾羅德指數[（6]TI，turbulence index），就能夠預報出75%的晴空湍流[17]。針對TI 指數在無鋒時出現晴空湍流漏報比較多的問題，文獻[21]創建了修正指數DT（Idivergence-modified turbulence index）。事實上，表征晴空湍流的指數很多，如Colson-Panofsky 指數[23]、Brown 指數[24]、理查森數（Ri，Richardson number）[25]、渦旋耗散率（EDR，energy dissipation rate）指數[26]和等效垂直風（DEVG，derived equivalent vertical gust）指數[27]等。還有學者利用21 個晴空湍流指數來分析全球氣候變暖對跨大西洋航線晴空湍流的影響[11，16-17]。這也從另一個方面說明晴空顛簸變化的復雜性。

2 晴空顛簸的探測和計算方法

對于晴空顛簸的探測，機載設備發揮著重要的作用[1]，可用于對飛機顛簸進行探測并提供預報，使機組可以提前采取相關措施應對可能到來的顛簸。目前，EDR 被認為是有效度量大氣湍流強度的物理量[26]。需要強調的是，要注意區分度量大氣湍流的物理量和飛機對大氣湍流響應之間的差別。其中，最重要的差別是前者可以獨立地計算后者響應的大氣湍流的強度，但反過來飛機顛簸未必一定存在著湍流。換句話說，度量大氣湍流強度能夠獨立地計算出飛機對顛簸的響應程度，但是飛機響應大氣湍流的原因是依賴于大氣作為一種強迫機制。

EDR 可以用大氣湍流的垂直加速度來計算[28]。關于飛機顛簸的探測技術有多種，如文獻[29]利用地基系統多普勒天氣雷達來對飛機顛簸進行遙感探測。

最近，文獻[30]使用高分辨率探空儀對中國上空大氣湍流的時空特征進行了估算。其使用了2011 年1月1 日至2018 年12 月31 日的高分辨率探測數據，其中包括78 8162 個探空剖面。采集數據所用的探空儀可以每天2 次的頻率，以1 s 間隔（垂直高度約5～8 m）提供溫度、相對濕度、壓力和風的剖面圖。由于探空氣球的垂直上升速度差異很大，為了獲得一致的湍流耗散率曲線，采用三次樣條插值法以等間距分辨率10 m進行插值，對原始探空數據重采樣。使用索普分析（Thorpe analysis）對重采樣的數據進行處理，從而測定自由大氣中的湍流耗散率。對于自由大氣中晴空湍流的計算，水蒸氣的影響可以忽略不計。

3 晴空湍流形成的天氣學條件

晴空湍流作為一種中小尺度災害性天氣已被廣泛研究[22]。強的風切變以及強的靜力不穩定是晴空湍流形成的重要條件[1]。晴空湍流可以發生在行星波的槽、脊處，也可以發生在有高空急流的對流層頂附近，以及與高空槽、脊、閉合低壓和冷區相聯系的高空急流處[31]和對流層與平流層之間的過渡帶中[32]。對于晴空湍流發生的天氣形勢，文獻[33]給出了晴空湍流發生的概念模型，認為高空槽的形變區、陡峭槽處、尖銳彎曲的高空脊以及向反方向伸展的高空槽區都是晴空湍流發生的主要天氣形勢或系統。文獻[34]將影響中國的晴空湍流天氣形勢分為高空急流型、高空槽型、切變線型和高空脊型4 種類型。研究表明，急流彎曲部分要比平直部分更容易產生晴空湍流[31]。地面氣旋生成處和高空切斷低壓也可導致晴空湍流的發生[1]。至少有2/3 的晴空湍流發生在高空急流區附近[2]。急流的匯聚區域也是晴空湍流的發生區域[35]。大量研究[22，31，35-37]表明，晴空湍流主要發生在以下區域：①垂直風切變處；②水平風切變處；③氣流的輻合處；④水平氣流的形變處；⑤垂直溫度遞減率不連續處；⑥強的水平熱力梯度處。晴空湍流主要發生在高空急流和鋒區附近[3，38-39]，包括高空急流核的上部和高空急流的下部[18，32]，高空急流入口區以及兩股氣流匯聚處，急流出口區重力波活動的關鍵區[40-41]以及高空槽上游的急流出口處[42]。除高空急流-鋒區外，晴空湍流的產生也常與強的非地轉流、慣性不穩定和重力慣性波有關，尤其是在反氣旋環流發生切變一側以及高空急流強的彎曲處，也是晴空湍流的發生區域。此外，通過地轉適應和慣性不穩定機制，高空脊反氣旋性切變和彎曲處也是導致晴空湍流產生的重要原因之一[5，43-44]。

當飛機穿越高空急流-鋒區時，在高空鋒區的上界和下界附近是產生飛機顛簸的潛在區域。平流層附近大氣非常穩定，但是在對流層頂附近大約2 000 ft（1 ft=0.304 8 m）的高度是飛機遭遇顛簸的潛在區域[1]。

4 高空急流-鋒區耦合區域晴空湍流產生機制

和地面鋒不同，高空鋒區常和高空急流耦合，從而形成高空急流-鋒區（jet-front）耦合系統[45-46]。高空急流-鋒區耦合系統是產生晴空湍流的主要區域[32，46-48]。在和高空風切變相聯系的高空急流-鋒區、山脈波以及非平衡反氣旋流這3 種形成晴空湍流的主要系統中，高空急流-鋒區耦合系統在所觀測到的晴空湍流中占主導地位[49-50]。因此，重點關注高空急流-鋒區耦合系統的晴空湍流產生機制很有意義。大氣動力學不穩定和對流性不穩定，以及伴隨有卷云出現的對流層和平流層之間的相互作用，使得晴空湍流常發生在對流折疊區域[51-52]。文獻[53-54]認為高空急流-鋒區耦合系統是重力波的重要來源。垂直風切不穩定理論是目前公認的形成晴空湍流的主要機制[55-56]。

大氣湍流的理論認為晴空湍流源于大氣中的切變層出現開爾文-亥姆霍茲不穩定性（KHI，Kelvin-Helmholtz instability）。在穩定層結大氣中，當垂直風切變超過臨界值就可以形成開爾文-亥姆霍茲（Kelvin-Helmholtz）波[56]。開爾文-亥姆霍茲波不穩定性被認為是晴空湍流產生的主要機制[32，57-61]。剪切層不穩定性和湍流破碎示意圖[62]如圖1 所示。其中，帶狀層代表相對較冷的高密度空氣，如在對流層頂上觀察到的那樣。文獻[63]還觀察到了在與湍流相關的區域附近，Kelvin-Helmholtz 波以類似于實驗室切變流觀察到的方式，形成、增長和破裂。

圖1 剪切層不穩定性和湍流破碎示意圖Fig.1 Schematic diagram of the shear layer instability and turbulence break-up

KHI 和Ri 偏小時的梯度有關[18]，因此高空急流核上部和下部存在強的垂直風切變是導致KHI 發生的主要原因。有證據表明，局地非平衡流導致的風切變和大氣穩定度的減少引起的慣性重力波也能在高空急流區域形成晴空湍流[57-59]。此外，觀測和數值試驗研究表明，重力波破碎以及慣性重力波也是晴空湍流形成的重要根源之一[43，64]。

5 飛機顛簸的數值模擬

大多數飛機顛簸的數值模擬是針對觀測到的顛簸事件來進行模擬[1]。飛機顛簸事件的資料可來源于飛行員報告（PIREPs，pilot reports）以及EDR 報告[65-66]。數值模式可分為兩類：①直接數值模擬（DNS，direct numerical simulation），這類模式的特點是針對湍流直接計算；②大渦模擬模式，為了解決1 000 km 大尺度湍流和影響飛機顛簸的幾百米尺度湍流問題，模式多采用嵌套方案[1]。

文獻[67]利用WRF（weather research and forecasting）模式對印度航班在2018 年4 月19 日遭到的晴空顛簸進行了數值模擬，分析了幾種參數化方案對晴空顛簸的模擬能力。

國內也有不少學者對飛機顛簸進行了數值模擬。文獻[68]使用MM5（mesoscale model 5）中尺度非靜力模式對2006 年1 月2 日華北地區的一次飛機顛簸事件進行了數值模擬，結果表明，使用該模式結果計算的L-P 湍流指數對顛簸區范圍及強度的判斷具有很好的指示意義。文獻[69]利用民航飛機上自動獲取并下傳的AMDAR（aircraft meteorological data relay）資料，對南海周邊海域高空越洋航線上306 個晴空顛簸案例進行了數值模擬，發現晴空顛簸的診斷對于診斷指數閾值的選取十分敏感。文獻[48]的模擬結果表明，強的垂直風切變導致Ri 減小，引起開爾文波不穩定，使得飛機顛簸發生。飛機顛簸數值模擬結果表明，對于大幅度的晴空湍流事件，常常是由幾種不穩定機制之間相互作用的結果，很難區分每種不穩定機制對于飛機顛簸的效果；對于同樣的初始條件，使用不同的數值模式和不同的參數化方案，可以得到顯著不同的結果[1]。

6 晴空顛簸的氣候學研究

文獻[70]基于1979—2019 年高時空分辨率的歐洲中期天氣預報中心（ECMWF，European Center for Medium-Range Weather Forecasts）再分析資料ERA5，對北半球中高空晴空湍流的時空分布進行了氣候學研究。研究結果表明，1979 年以來，中高水平的潛在晴空湍流在冬季出現的頻率較高，其中包括東亞、東太平洋和西北大西洋地區。此外，這些地區晴空湍流發生的頻率還隨時間的推移在逐漸增加，其主要原因是低緯度地區的變暖導致了大氣溫度梯度的增加。就東亞地區而言，夏季潛在的晴空湍流發生頻率較低，與冬季相比變化不顯著。研究結果還表明，在垂直風切變強的地區，潛在的晴空湍流的發生頻率較高。

文獻[15]基于1958—2001 年ECMWF 再分析資料ERA40，計算了理查森數（Ri）、負的布倫特-維薩（Brunt-Vaisala）平方（N2）、負的位渦（PV，potentialvorticity）和經驗性湍流指數TI。研究結果表明，1958—2001 年期間以上所有顛簸指數在北大西洋、美國和歐洲地區都有明顯增長的趨勢，其中TI 增長了大約70%，Ri 增長了90%，N2增長了40%，PV 增長了60%。

對于以上所有顛簸指數而言，北美東、西海岸在冬季發生晴空湍流的頻率較高。與喜馬拉雅山脈、中歐、中國東部以及北大西洋和北太平洋的西部地區相比，其他地區發生晴空湍流的頻率有局部最大值；湍流指數TI、Ri 和PV 具有冬季最大值和夏季最小值的季節特點。對于N2，季節變化則不太明顯，并且在夏季發生的頻率減?。▽τ贜2則只有輕微減?。┎⑾虮币苿?；同時分析結果還表明，不同指數的空間氣候學模態存在顯著差異，N2發生頻率最高的地區是陸地，且與急流位置關系不大，然而TI、PV 和R（i在較小程度上）則與急流有關；同時研究還表明晴空湍流的年際變化非常顯著，且晴空湍流與北大西洋濤動（NAO，North Atlantic oscillation）的兩個階段以及太平洋/北美氣流型（Pacific/North American flow pattern）都有相關性；TI 和PV 的年際變化與NAO 相關的急流位置變化一致，而Ri 和N2則不受急流位置的影響。

文獻[71]利用1979—2020 年歐洲中期天氣預報中心再分析資料ERA5 對中國對流層中晴空湍流發生的時空特征及其機制進行研究。研究結果表明：在250～300 hPa 和200～225 hPa，冬季和春季晴空湍流發生頻率最高，晴空湍流在夏季和秋季發生的頻率相對較少；從冬季到夏季，潛在的晴空湍流高強度中心逐漸向北和向東移動，并與大氣的上升運動相伴隨；在1979—2020 年期間，中國大部分地區潛在的晴空湍流在冬季呈明顯的增加趨勢，而在夏季則呈明顯的減少趨勢，在晴空湍流發生頻率較高的地區也是如此；東亞副熱帶西風急流的時空分布與高原地區潛在的晴空湍流發生具有較強的相關關系。

7 全球氣候變暖導致晴空顛簸的變化

最近，文獻[72]利用CMIP5（coupled model intercomparison project phase 5）耦合模式對晴空湍流未來變化趨勢進行了預估。結果顯示，東亞地區所有季節中均存在湍流強度越強、湍流頻率增幅越大的特征。其中，各強度湍流增幅冬季最大，其次為春季和秋季，夏季則最小。從不同高度對比來看，200 hPa 和250 hPa 各強度湍流增幅普遍大于300 hPa，且在夏季和秋季增幅隨高度降低而減小，春季和冬季則在250 hPa 上增幅最大，300 hPa 上增幅最小。就中國不同的區域而言，緯度越高的區域晴空湍流發生的頻率增幅越大，且北方地區各高度上還存在增幅“東高西低”的分布特征，南方地區則在250 hPa 和300 hPa 上為“西高東低”的分布特征。未來東亞中緯度地區垂直風切變作用增強可能是引起晴空湍流增多的重要原因之一。

文獻[11]認為，人類活動導致的氣候變化使得民用飛機巡航高度上的急流區域垂直風切變變強，這將增加產生晴空湍流的剪切不穩定性。同時，利用氣候模式研究得出了冬季跨大西洋地區飛機航線隨著氣候的變暖，未來中等到嚴重的晴空顛簸將顯著增多。同時，在當前二氧化碳排放量相對于工業革命前增加2倍后，21 個晴空顛簸指數中的大多數都顯示出不同程度增加趨勢。同時，氣候變化將導致21 世紀中葉跨大西洋航班的湍流程度增加。具體而言，在冬季的50°N～75°N 和10°W～60°W 跨大西洋航路巡航高度上，大多數晴空湍流顯示出湍流強度中值增加10%～40%，中度及以上大氣湍流發生的頻率增加40%～170%。

文獻[17]基于RCP8.5 排放情景，詳細分析了晴空顛簸的分布和強度變化。研究結果表明，未來氣候變化可能會導致晴空顛簸強度的增加。這主要是由于氣候變化加劇了對流層頂急流（tropopause jet）的強度和位置變化，進而導致了晴空顛簸的增強。所有這些研究結果表明，人類活動導致的氣候變暖將導致大氣湍流頻率和強度的增加。

8 飛機顛簸短期天氣預報

為了發展晴空湍流的自動化預報工具，文獻[73]提出了晴空湍流集成預報算法（ITFA，integrated turbulence forecasting algorithm），并于2003 年3 月更名為圖形湍流指導（GTG，graphical turbulence guidance）系統。GTG 是將幾個不同的晴空湍流指數加權組合后對晴空湍流進行預報，其效果要好于任何一個晴空湍流指數[1,10]?，F在GTG 已發展到了GTG3 版本[74]。

隨著對飛機顛簸機理認識的深化和晴空湍流精細化的探測，飛機顛簸的預報能力有了很大提高[5]。美國國家海洋和大氣管理局（NOAA，National Oceanic and Atmospheric Administration）的全球集合預報指導產品的示例圖如圖2 所示[1]。圖2 中為12 h 的集合預報產品，不同顏色代表集合預報產品預測出現中度或嚴重湍流的概率。

圖2 美國NOAA 全球集合預報后處理指導產品示例圖Fig.2 Example of NOAA′s global ensemble forecast system(GEFS)post-processed guidance product

對于飛機顛簸的預報，一種方法是通過計算模擬次網格尺度的湍流擾動動能，可以得到比較好的預報效果[75-76]，尤其是對于2～3 km 高分辨率格點的數值預報，預報效果更好[65，77]；另一種方法是通過計算物理量的梯度，對晴空湍流進行潛勢預報[15，22，78]。對于飛機顛簸的數值預報，主要通過對數值預報模式預報結果進行處理[10，37，47，56，61，79-80]，然后形成各種各樣的飛機顛簸指數[81-82]，從本質上說，屬于動力降尺度天氣預報。為了進一步解決各種不同原因導致的飛機顛簸，通過綜合各種顛簸指數來對飛機顛簸進行預報[4，10，83]。近年來，出現的全球湍流指導產品就是將多個顛簸指數綜合應用，然后再形成一個新顛簸指數用于顛簸的預報[74]。研究結果表明，使用多指數結合的顛簸指數預報，其效果要好于任何單一飛機顛簸指數的預報。針對數值預報和診斷技術固有的不確定性[84]，飛機顛簸的概率預報也開始開展[8，18]。文獻[74]根據數值預報結果，給出了每種飛機顛簸指數的概率分布預報結果。目前，國際民航組織（ICAO，International Civil Aviation Organization）和世界氣象組織（WMO，World Meteorological Organization）已經要求世界區域預報系統（WAFS，World Area Forecast System）更新目前的飛機顛簸預報產品，以提供基于湍流動能耗散率的更加規范的飛機顛簸預報產品。文獻[18]詳細地介紹了下一代WAFS關于全球航路的確定性預報和概率預報產品，該模式預報的區域設置為水平分辨率為0.5° × 0.5°，這顯然對飛機尺度的顛簸預報具有重要意義。文獻[85]對多模式的飛機顛簸預報結果進行了評估，表明飛機顛簸預報也開始進入集合預報的新階段。

9 研究方向展望

晴空湍流被認為是飛機飛行過程中遇到的巨大災害性天氣之一[8]，雖然國內外對晴空顛簸進行了大量的研究，但是未來關于飛機顛簸的研究，仍然有以下幾個方面值得關注。

（1）中國在晴空顛簸研究方面仍面臨挑戰，因為飛機晴空顛簸實況數據難以獲取。解決這個問題需要有關部門為科研人員提供相關實況數據，以確保國際上晴空顛簸相關的研究結論在中國地區的適用性。

（2）影響中國飛機顛簸的高空急流-鋒區耦合系統涉及多種天氣形勢，飛機顛簸的中尺度條件和特征以及其時空演變規律還有待進一步研究確定。

（3）需要建立一種或多種飛機顛簸指數，用以量化描述影響中國飛機顛簸的因素，并進一步研究飛機顛簸的潛在機理或機制。

（4）通過優化或改進中尺度數值模式中次網格尺度的顯式或參數化方案，可以提高中國基于飛機尺度顛簸的定點、定量短時和臨近預報的準確率。

10 結語

綜上所述，本文回顧了國內外相關飛機顛簸的研究成果，發現相比于國外對飛機顛簸的研究，國內關于飛機顛簸的研究成果還相對較少，除了少數高水平研究成果以外，大多數研究成果還達不到國外同行的研究水平。一方面的原因可能是飛機顛簸在國內并不是熱門研究方向；另一方面是相關機構和院校的重視度還不夠。國外在飛機顛簸方面的研究早于中國，具有先發優勢，很多衡量飛機顛簸程度的診斷指數都是由國外研究者建立的。因此，中國業內學者應攜起手來，在飛機顛簸理論機制研究和實際預報應用方面做出更大貢獻。