民用航空飞机晴空颠簸研究进展

刘海文，游景超，武凯军，孙艳玲，刘 刚

（1.中国民航大学空中交通管理学院，天津 300300；2.成都信息工程大学管理学院，成都 610225；3.民航江西空管分局综合业务部，南昌 330114）

飞机颠簸是指水平尺度介于100～1 000 m 之间的大气湍流所导致飞机产生的颠簸，也被称为飞机尺度湍流。关于晴空颠簸[1]的准确定义为“在航空业务所有感兴趣的自由大气发生的大气乱流，且该乱流与可见的大气对流活动无关”。文献[1]认为对流湍流[2-4]、低空急流（LLT,low level jet）、山脉波湍流[5]、晴空湍流（CAT，clear-air turbulence）以及飞机尾流涡旋所产生的湍流[6]均是导致飞机颠簸的根源。文献[7]认为发生在晴空湍流中的飞机颠簸，也称为晴空颠簸。晴空湍流由于其发生时天气良好，难以被飞行员发觉且又不易被卫星和机载雷达所发现，因此，晴空湍流被认为是飞机飞行过程中遇到的巨大灾害性天气之一[1，8]。文献[9-10]研究表明，飞机分别至少要花费3%以上和1%的巡航时间在轻度晴空湍流区和中度晴空湍流区度过。晴空湍流不仅会给旅客造成伤害甚至死亡，还会造成飞机设备损坏，每年给航空公司带来上千万美元的经济损失[11-13]。随着空中交通流量的持续增长和全球气候的变暖，飞机遭遇晴空湍流的概率正在显著增加[14-15]，且被认为将来还可能进一步加剧[11,16-19]。

由于晴空颠簸主要与高空急流-锋系密切相关，因此，本文重点针对高空急流-锋区耦合系统产生的飞机晴空颠簸的研究进行梳理，并就未来关于飞机颠簸研究的科学问题进行探讨和展望，可为中国开展飞机颠簸短期预报等方面研究提供借鉴。

1 晴空湍流的表征

晴空湍流是指距地面高度6 000 m 以上高空出现的与对流云和雷暴无关的大气湍流[20]。为了研究高空急流附近发生晴空湍流的原因，学者们建立了多种晴空湍流指数来表征晴空湍流[21]。如文献[22]提出的埃尔罗德指数[（6]TI，turbulence index），就能够预报出75%的晴空湍流[17]。针对TI 指数在无锋时出现晴空湍流漏报比较多的问题，文献[21]创建了修正指数DT（Idivergence-modified turbulence index）。事实上，表征晴空湍流的指数很多，如Colson-Panofsky 指数[23]、Brown 指数[24]、理查森数（Ri，Richardson number）[25]、涡旋耗散率（EDR，energy dissipation rate）指数[26]和等效垂直风（DEVG，derived equivalent vertical gust）指数[27]等。还有学者利用21 个晴空湍流指数来分析全球气候变暖对跨大西洋航线晴空湍流的影响[11，16-17]。这也从另一个方面说明晴空颠簸变化的复杂性。

2 晴空颠簸的探测和计算方法

对于晴空颠簸的探测，机载设备发挥着重要的作用[1]，可用于对飞机颠簸进行探测并提供预报，使机组可以提前采取相关措施应对可能到来的颠簸。目前，EDR 被认为是有效度量大气湍流强度的物理量[26]。需要强调的是，要注意区分度量大气湍流的物理量和飞机对大气湍流响应之间的差别。其中，最重要的差别是前者可以独立地计算后者响应的大气湍流的强度，但反过来飞机颠簸未必一定存在着湍流。换句话说，度量大气湍流强度能够独立地计算出飞机对颠簸的响应程度，但是飞机响应大气湍流的原因是依赖于大气作为一种强迫机制。

EDR 可以用大气湍流的垂直加速度来计算[28]。关于飞机颠簸的探测技术有多种，如文献[29]利用地基系统多普勒天气雷达来对飞机颠簸进行遥感探测。

最近，文献[30]使用高分辨率探空仪对中国上空大气湍流的时空特征进行了估算。其使用了2011 年1月1 日至2018 年12 月31 日的高分辨率探测数据，其中包括78 8162 个探空剖面。采集数据所用的探空仪可以每天2 次的频率，以1 s 间隔（垂直高度约5～8 m）提供温度、相对湿度、压力和风的剖面图。由于探空气球的垂直上升速度差异很大，为了获得一致的湍流耗散率曲线，采用三次样条插值法以等间距分辨率10 m进行插值，对原始探空数据重采样。使用索普分析（Thorpe analysis）对重采样的数据进行处理，从而测定自由大气中的湍流耗散率。对于自由大气中晴空湍流的计算，水蒸气的影响可以忽略不计。

3 晴空湍流形成的天气学条件

晴空湍流作为一种中小尺度灾害性天气已被广泛研究[22]。强的风切变以及强的静力不稳定是晴空湍流形成的重要条件[1]。晴空湍流可以发生在行星波的槽、脊处，也可以发生在有高空急流的对流层顶附近，以及与高空槽、脊、闭合低压和冷区相联系的高空急流处[31]和对流层与平流层之间的过渡带中[32]。对于晴空湍流发生的天气形势，文献[33]给出了晴空湍流发生的概念模型，认为高空槽的形变区、陡峭槽处、尖锐弯曲的高空脊以及向反方向伸展的高空槽区都是晴空湍流发生的主要天气形势或系统。文献[34]将影响中国的晴空湍流天气形势分为高空急流型、高空槽型、切变线型和高空脊型4 种类型。研究表明，急流弯曲部分要比平直部分更容易产生晴空湍流[31]。地面气旋生成处和高空切断低压也可导致晴空湍流的发生[1]。至少有2/3 的晴空湍流发生在高空急流区附近[2]。急流的汇聚区域也是晴空湍流的发生区域[35]。大量研究[22，31，35-37]表明，晴空湍流主要发生在以下区域：①垂直风切变处；②水平风切变处；③气流的辐合处；④水平气流的形变处；⑤垂直温度递减率不连续处；⑥强的水平热力梯度处。晴空湍流主要发生在高空急流和锋区附近[3，38-39]，包括高空急流核的上部和高空急流的下部[18，32]，高空急流入口区以及两股气流汇聚处，急流出口区重力波活动的关键区[40-41]以及高空槽上游的急流出口处[42]。除高空急流-锋区外，晴空湍流的产生也常与强的非地转流、惯性不稳定和重力惯性波有关，尤其是在反气旋环流发生切变一侧以及高空急流强的弯曲处，也是晴空湍流的发生区域。此外，通过地转适应和惯性不稳定机制，高空脊反气旋性切变和弯曲处也是导致晴空湍流产生的重要原因之一[5，43-44]。

当飞机穿越高空急流-锋区时，在高空锋区的上界和下界附近是产生飞机颠簸的潜在区域。平流层附近大气非常稳定，但是在对流层顶附近大约2 000 ft（1 ft=0.304 8 m）的高度是飞机遭遇颠簸的潜在区域[1]。

4 高空急流-锋区耦合区域晴空湍流产生机制

和地面锋不同，高空锋区常和高空急流耦合，从而形成高空急流-锋区（jet-front）耦合系统[45-46]。高空急流-锋区耦合系统是产生晴空湍流的主要区域[32，46-48]。在和高空风切变相联系的高空急流-锋区、山脉波以及非平衡反气旋流这3 种形成晴空湍流的主要系统中，高空急流-锋区耦合系统在所观测到的晴空湍流中占主导地位[49-50]。因此，重点关注高空急流-锋区耦合系统的晴空湍流产生机制很有意义。大气动力学不稳定和对流性不稳定，以及伴随有卷云出现的对流层和平流层之间的相互作用，使得晴空湍流常发生在对流折叠区域[51-52]。文献[53-54]认为高空急流-锋区耦合系统是重力波的重要来源。垂直风切不稳定理论是目前公认的形成晴空湍流的主要机制[55-56]。

大气湍流的理论认为晴空湍流源于大气中的切变层出现开尔文-亥姆霍兹不稳定性（KHI，Kelvin-Helmholtz instability）。在稳定层结大气中，当垂直风切变超过临界值就可以形成开尔文-亥姆霍兹（Kelvin-Helmholtz）波[56]。开尔文-亥姆霍兹波不稳定性被认为是晴空湍流产生的主要机制[32，57-61]。剪切层不稳定性和湍流破碎示意图[62]如图1 所示。其中，带状层代表相对较冷的高密度空气，如在对流层顶上观察到的那样。文献[63]还观察到了在与湍流相关的区域附近，Kelvin-Helmholtz 波以类似于实验室切变流观察到的方式，形成、增长和破裂。

图1 剪切层不稳定性和湍流破碎示意图Fig.1 Schematic diagram of the shear layer instability and turbulence break-up

KHI 和Ri 偏小时的梯度有关[18]，因此高空急流核上部和下部存在强的垂直风切变是导致KHI 发生的主要原因。有证据表明，局地非平衡流导致的风切变和大气稳定度的减少引起的惯性重力波也能在高空急流区域形成晴空湍流[57-59]。此外，观测和数值试验研究表明，重力波破碎以及惯性重力波也是晴空湍流形成的重要根源之一[43，64]。

5 飞机颠簸的数值模拟

大多数飞机颠簸的数值模拟是针对观测到的颠簸事件来进行模拟[1]。飞机颠簸事件的资料可来源于飞行员报告（PIREPs，pilot reports）以及EDR 报告[65-66]。数值模式可分为两类：①直接数值模拟（DNS，direct numerical simulation），这类模式的特点是针对湍流直接计算；②大涡模拟模式，为了解决1 000 km 大尺度湍流和影响飞机颠簸的几百米尺度湍流问题，模式多采用嵌套方案[1]。

文献[67]利用WRF（weather research and forecasting）模式对印度航班在2018 年4 月19 日遭到的晴空颠簸进行了数值模拟，分析了几种参数化方案对晴空颠簸的模拟能力。

国内也有不少学者对飞机颠簸进行了数值模拟。文献[68]使用MM5（mesoscale model 5）中尺度非静力模式对2006 年1 月2 日华北地区的一次飞机颠簸事件进行了数值模拟，结果表明，使用该模式结果计算的L-P 湍流指数对颠簸区范围及强度的判断具有很好的指示意义。文献[69]利用民航飞机上自动获取并下传的AMDAR（aircraft meteorological data relay）资料，对南海周边海域高空越洋航线上306 个晴空颠簸案例进行了数值模拟，发现晴空颠簸的诊断对于诊断指数阈值的选取十分敏感。文献[48]的模拟结果表明，强的垂直风切变导致Ri 减小，引起开尔文波不稳定，使得飞机颠簸发生。飞机颠簸数值模拟结果表明，对于大幅度的晴空湍流事件，常常是由几种不稳定机制之间相互作用的结果，很难区分每种不稳定机制对于飞机颠簸的效果；对于同样的初始条件，使用不同的数值模式和不同的参数化方案，可以得到显著不同的结果[1]。

6 晴空颠簸的气候学研究

文献[70]基于1979—2019 年高时空分辨率的欧洲中期天气预报中心（ECMWF，European Center for Medium-Range Weather Forecasts）再分析资料ERA5，对北半球中高空晴空湍流的时空分布进行了气候学研究。研究结果表明，1979 年以来，中高水平的潜在晴空湍流在冬季出现的频率较高，其中包括东亚、东太平洋和西北大西洋地区。此外，这些地区晴空湍流发生的频率还随时间的推移在逐渐增加，其主要原因是低纬度地区的变暖导致了大气温度梯度的增加。就东亚地区而言，夏季潜在的晴空湍流发生频率较低，与冬季相比变化不显著。研究结果还表明，在垂直风切变强的地区，潜在的晴空湍流的发生频率较高。

文献[15]基于1958—2001 年ECMWF 再分析资料ERA40，计算了理查森数（Ri）、负的布伦特-维萨（Brunt-Vaisala）平方（N2）、负的位涡（PV，potentialvorticity）和经验性湍流指数TI。研究结果表明，1958—2001 年期间以上所有颠簸指数在北大西洋、美国和欧洲地区都有明显增长的趋势，其中TI 增长了大约70%，Ri 增长了90%，N2增长了40%，PV 增长了60%。

对于以上所有颠簸指数而言，北美东、西海岸在冬季发生晴空湍流的频率较高。与喜马拉雅山脉、中欧、中国东部以及北大西洋和北太平洋的西部地区相比，其他地区发生晴空湍流的频率有局部最大值；湍流指数TI、Ri 和PV 具有冬季最大值和夏季最小值的季节特点。对于N2，季节变化则不太明显，并且在夏季发生的频率减小（对于N2则只有轻微减小）并向北移动；同时分析结果还表明，不同指数的空间气候学模态存在显著差异，N2发生频率最高的地区是陆地，且与急流位置关系不大，然而TI、PV 和R（i在较小程度上）则与急流有关；同时研究还表明晴空湍流的年际变化非常显著，且晴空湍流与北大西洋涛动（NAO，North Atlantic oscillation）的两个阶段以及太平洋/北美气流型（Pacific/North American flow pattern）都有相关性；TI 和PV 的年际变化与NAO 相关的急流位置变化一致，而Ri 和N2则不受急流位置的影响。

文献[71]利用1979—2020 年欧洲中期天气预报中心再分析资料ERA5 对中国对流层中晴空湍流发生的时空特征及其机制进行研究。研究结果表明：在250～300 hPa 和200～225 hPa，冬季和春季晴空湍流发生频率最高，晴空湍流在夏季和秋季发生的频率相对较少；从冬季到夏季，潜在的晴空湍流高强度中心逐渐向北和向东移动，并与大气的上升运动相伴随；在1979—2020 年期间，中国大部分地区潜在的晴空湍流在冬季呈明显的增加趋势，而在夏季则呈明显的减少趋势，在晴空湍流发生频率较高的地区也是如此；东亚副热带西风急流的时空分布与高原地区潜在的晴空湍流发生具有较强的相关关系。

7 全球气候变暖导致晴空颠簸的变化

最近，文献[72]利用CMIP5（coupled model intercomparison project phase 5）耦合模式对晴空湍流未来变化趋势进行了预估。结果显示，东亚地区所有季节中均存在湍流强度越强、湍流频率增幅越大的特征。其中，各强度湍流增幅冬季最大，其次为春季和秋季，夏季则最小。从不同高度对比来看，200 hPa 和250 hPa 各强度湍流增幅普遍大于300 hPa，且在夏季和秋季增幅随高度降低而减小，春季和冬季则在250 hPa 上增幅最大，300 hPa 上增幅最小。就中国不同的区域而言，纬度越高的区域晴空湍流发生的频率增幅越大，且北方地区各高度上还存在增幅“东高西低”的分布特征，南方地区则在250 hPa 和300 hPa 上为“西高东低”的分布特征。未来东亚中纬度地区垂直风切变作用增强可能是引起晴空湍流增多的重要原因之一。

文献[11]认为，人类活动导致的气候变化使得民用飞机巡航高度上的急流区域垂直风切变变强，这将增加产生晴空湍流的剪切不稳定性。同时，利用气候模式研究得出了冬季跨大西洋地区飞机航线随着气候的变暖，未来中等到严重的晴空颠簸将显著增多。同时，在当前二氧化碳排放量相对于工业革命前增加2倍后，21 个晴空颠簸指数中的大多数都显示出不同程度增加趋势。同时，气候变化将导致21 世纪中叶跨大西洋航班的湍流程度增加。具体而言，在冬季的50°N～75°N 和10°W～60°W 跨大西洋航路巡航高度上，大多数晴空湍流显示出湍流强度中值增加10%～40%，中度及以上大气湍流发生的频率增加40%～170%。

文献[17]基于RCP8.5 排放情景，详细分析了晴空颠簸的分布和强度变化。研究结果表明，未来气候变化可能会导致晴空颠簸强度的增加。这主要是由于气候变化加剧了对流层顶急流（tropopause jet）的强度和位置变化，进而导致了晴空颠簸的增强。所有这些研究结果表明，人类活动导致的气候变暖将导致大气湍流频率和强度的增加。

8 飞机颠簸短期天气预报

为了发展晴空湍流的自动化预报工具，文献[73]提出了晴空湍流集成预报算法（ITFA，integrated turbulence forecasting algorithm），并于2003 年3 月更名为图形湍流指导（GTG，graphical turbulence guidance）系统。GTG 是将几个不同的晴空湍流指数加权组合后对晴空湍流进行预报，其效果要好于任何一个晴空湍流指数[1,10]。现在GTG 已发展到了GTG3 版本[74]。

随着对飞机颠簸机理认识的深化和晴空湍流精细化的探测，飞机颠簸的预报能力有了很大提高[5]。美国国家海洋和大气管理局（NOAA，National Oceanic and Atmospheric Administration）的全球集合预报指导产品的示例图如图2 所示[1]。图2 中为12 h 的集合预报产品，不同颜色代表集合预报产品预测出现中度或严重湍流的概率。

图2 美国NOAA 全球集合预报后处理指导产品示例图Fig.2 Example of NOAA′s global ensemble forecast system(GEFS)post-processed guidance product

对于飞机颠簸的预报，一种方法是通过计算模拟次网格尺度的湍流扰动动能，可以得到比较好的预报效果[75-76]，尤其是对于2～3 km 高分辨率格点的数值预报，预报效果更好[65，77]；另一种方法是通过计算物理量的梯度，对晴空湍流进行潜势预报[15，22，78]。对于飞机颠簸的数值预报，主要通过对数值预报模式预报结果进行处理[10，37，47，56，61，79-80]，然后形成各种各样的飞机颠簸指数[81-82]，从本质上说，属于动力降尺度天气预报。为了进一步解决各种不同原因导致的飞机颠簸，通过综合各种颠簸指数来对飞机颠簸进行预报[4，10，83]。近年来，出现的全球湍流指导产品就是将多个颠簸指数综合应用，然后再形成一个新颠簸指数用于颠簸的预报[74]。研究结果表明，使用多指数结合的颠簸指数预报，其效果要好于任何单一飞机颠簸指数的预报。针对数值预报和诊断技术固有的不确定性[84]，飞机颠簸的概率预报也开始开展[8，18]。文献[74]根据数值预报结果，给出了每种飞机颠簸指数的概率分布预报结果。目前，国际民航组织（ICAO，International Civil Aviation Organization）和世界气象组织（WMO，World Meteorological Organization）已经要求世界区域预报系统（WAFS，World Area Forecast System）更新目前的飞机颠簸预报产品，以提供基于湍流动能耗散率的更加规范的飞机颠簸预报产品。文献[18]详细地介绍了下一代WAFS关于全球航路的确定性预报和概率预报产品，该模式预报的区域设置为水平分辨率为0.5° × 0.5°，这显然对飞机尺度的颠簸预报具有重要意义。文献[85]对多模式的飞机颠簸预报结果进行了评估，表明飞机颠簸预报也开始进入集合预报的新阶段。

9 研究方向展望

晴空湍流被认为是飞机飞行过程中遇到的巨大灾害性天气之一[8]，虽然国内外对晴空颠簸进行了大量的研究，但是未来关于飞机颠簸的研究，仍然有以下几个方面值得关注。

（1）中国在晴空颠簸研究方面仍面临挑战，因为飞机晴空颠簸实况数据难以获取。解决这个问题需要有关部门为科研人员提供相关实况数据，以确保国际上晴空颠簸相关的研究结论在中国地区的适用性。

（2）影响中国飞机颠簸的高空急流-锋区耦合系统涉及多种天气形势，飞机颠簸的中尺度条件和特征以及其时空演变规律还有待进一步研究确定。

（3）需要建立一种或多种飞机颠簸指数，用以量化描述影响中国飞机颠簸的因素，并进一步研究飞机颠簸的潜在机理或机制。

（4）通过优化或改进中尺度数值模式中次网格尺度的显式或参数化方案，可以提高中国基于飞机尺度颠簸的定点、定量短时和临近预报的准确率。

10 结语

综上所述，本文回顾了国内外相关飞机颠簸的研究成果，发现相比于国外对飞机颠簸的研究，国内关于飞机颠簸的研究成果还相对较少，除了少数高水平研究成果以外，大多数研究成果还达不到国外同行的研究水平。一方面的原因可能是飞机颠簸在国内并不是热门研究方向；另一方面是相关机构和院校的重视度还不够。国外在飞机颠簸方面的研究早于中国，具有先发优势，很多衡量飞机颠簸程度的诊断指数都是由国外研究者建立的。因此，中国业内学者应携起手来，在飞机颠簸理论机制研究和实际预报应用方面做出更大贡献。