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飞行中的隐秘威胁:晴空湍流

发布时间:2024年06月14日 来源:中国气象报社

编者按:5月21日,新加坡航空公司SQ321航班在飞行过程中因严重气流颠簸,紧急备降泰国曼谷素万那普国际机场。突发情况致一名乘客遇难,数十人受伤并被送往医院接受治疗。乘客回忆称,在遭遇气流颠簸时,机舱内人员和物品被抛起或翻倒,令人猝不及防。航空专家初步判定是飞机遭遇了晴空湍流,这种湍流往往隐藏在看似平静无云的晴空之中,对飞行安全会构成潜在威胁。

今天,我们就围绕晴空湍流——这个难解的专业术语及其背后的科学及影响与应对展开交流。

专家顾问:

中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室研究员 郭建平

中国民航大学副教授 庄子波

中国民用航空中南地区空中交通管理局气象中心首席预报员 钟加杰

中国民用航空中南地区空中交通管理局气象中心高级工程师 陈春元

晴空颠簸因何起?

大涡里面套小涡,大涡给小涡以速度,小涡里面有更小的涡,直至被粘性耗散。英国科学家路易斯·理查森曾这样描述湍流。

湍流,这股自然界的神秘力量,承载着大气中热量、动量和物质的传输与交换,由不同尺度大小的湍涡相互叠加形成。

而晴空湍流(Clear Air Turbulence,简称CAT),是指在对流层上层或平流层下层,没有明显对流活动时,由大气不规则的流动所引起的现象。

晴空湍流的形成过程复杂,主要源于大气中不同速度、方向或温度的气流相遇,其形成机制也较复杂。

首先是由高空急流导致的。庄子波介绍,高空急流是自西向东流动的强劲气流,在流动过程中,可能会因地球自转、地形地貌等多种因素而产生波动和剪切,从而形成湍流。

其次,山脉阻挡也是重要因素,当大量空气气流撞击山脉时,会因前行路径受阻而被迫上升。由于这种空气块的密度较大,当其上升至高层密度相对低的大气层位时,会因错位而下降。这种物理升降作用连续发生时,便会产生气流振荡,形成湍流。

大气温度差异的作用同样不容忽视,它会导致空气密度变化,进而引发气流的垂直运动。当冷暖气流相遇时,它们之间的相互作用会产生湍流。此外,太阳辐射热力作用、山地波向上伸展,以及垂直风切变等都可能单独或共同作用,形成更强烈的晴空湍流。

晴空湍流的强弱受到热力、动力等诸多因素影响。气流速度差异是关键因素之一,当速度不同的气流相遇时,速度差异越大,产生的湍流越强烈。因此,高空急流等高速气流区域易出现强烈的晴空湍流。其次,当气流方向发生急剧变化时,会形成剪切力,进而引发湍流。地形地貌对气流的阻碍作用也会引发湍流,特别是在山脉附近和峡谷地区,由于地形复杂多变,气流易受到干扰而形成湍流。此外,大气温度差异导致的气流垂直运动,以及冷暖气流的相互作用,也是产生湍流的重要因素。

郭建平团队的研究结果表明,晴空湍流在我国各地的高空都有可能出现,但具体频率和强度因地理位置和季节变化而有所不同。受太阳辐射影响,我国南方比北方更易出现晴空湍流;受云雨影响,晴空湍流在冬季比夏季多发。

郭建平分析,高海拔地区空气稀薄,太阳辐射热力作用明显,由于高空急流和大气垂直运动的影响,使晴空湍流更易出现。例如,青藏高原、天山山脉等地区都是晴空湍流的高发区。植被覆盖较少的西北地区,出现晴空湍流的次数也较东南地区高。山脉对气流的阻碍作用也易引发晴空湍流,在我国,如秦岭、太行山、武夷山等山脉附近都是晴空湍流的高发区。同时,云层较少的地区,如夏季的华北平原和长江中下游地区,由于天气晴朗、云层较少,也易出现晴空湍流。

航空飞行受到哪些隐秘挑战?

航空气象学中,晴空颠簸一般是指6千米以上、与对流云无关的颠簸。

高空飞行时,尽管机舱外天气晴朗,飞机有时也会出现上下摇晃,甚至剧烈抖动等情况。这是因为飞机在高空遭遇了晴空湍流,从而导致颠簸。

晴空湍流最主要的特征是不可预见性和突发性。庄子波说,与常见的由云层或风暴引起的湍流不同,晴空湍流如同穿了隐形衣,难以被肉眼或光学仪器直接观察到,给飞行员带来极大挑战。

此外,由于湍流各个尺度之间伴随着剧烈的能量交换和较大的风切变,飞机遭遇湍流时易引起飞机空速和迎角的显著变化,造成飞机升力发生突变,导致飞机突然爬升或骤降。

晴空湍流对飞机的影响体现在多个方面。它可能会使飞机在空中出现不规则晃动,不仅影响乘客的舒适感,还会对飞行员的操作产生干扰,增加飞行事故风险。在重度湍流中,飞机会剧烈颠簸,其姿态和高度会在短时间内难以控制,危及飞行安全。

此外,晴空湍流会影响飞机的飞行性能,包括飞行速度、高度和稳定性等,还会增加飞行成本。为避开湍流,飞行员可能被迫改变航路或飞行高度层,导致飞机无法在最佳巡航高度飞行,不仅增加油耗,还可能引发飞机维修、旅客伤亡、诉讼等意外情况,从而增加航空公司的运营成本。根据国际航空运输协会(IATA)统计,飞机遭遇强湍流以后,即使没有明显损伤,也需停飞进行维护检查,产生额外的停飞成本。

晴空湍流也易对低空飞行器和无人机等造成影响。郭建平表示,如无人机、人工影响天气飞机上搭载的精密仪器或设备,都易因颠簸出现故障或损坏。

庄子波分析,飞机的翼载荷和飞行速度是影响飞机颠簸的主要因素。飞机的翼载荷是飞机单位机翼面积上承受的飞机重量,对于某一机型的飞机,可理解为飞机的重量,飞机重量越大,受到垂直阵风冲击后产生的加速度会越小,飞机的颠簸相对较弱。反之,翼载荷小的飞机,对于外界同样的湍流强度,其颠簸就较强。而飞机处于高速飞行时(大于600千米/小时),飞行速度越大,同样的大气湍流的扰动对飞机的迎角和空速影响越小,附加升力变化越小,飞机振幅和振动周期缩短,飞行高度变化较小,常常只是抖动;低速飞行时,飞行速度越大,意味着单位时间内遇到的湍流频率越高,飞行员可能感受到更频繁的颠簸。

飞行员报告(PIREPs)是了解、研究、预报晴空颠簸的重要数据源。根据我们分析的2017年至2023PIREPs中的飞机颠簸数据来看,晴空颠簸呈逐年增加的趋势。据庄子波介绍,我国东部地区的颠簸频率最高,可能与东部航班数量多有关,四川、新疆和琼州海峡等地区也报告了较高的颠簸遭遇频率。强颠簸随着高度的提升呈增加趋势,同时也呈现一定的季节特征,即春冬季较多,夏秋季较少。同时他表示,PIREPs可能有一定偏差,存在飞行员遭遇却没有报告的情况,或报告的位置有偏差,以及报告的颠簸强度有一定的主观因素等。

如何捕捉,提前防范?

晴空湍流因其在晴朗天气下的隐蔽性,难以被飞行员察觉,同时也不易被卫星和天气雷达所捕捉,被认为是飞行过程中可能遭遇的重大气象灾害之一。面对晴空湍流带来的诸多不利影响,如何提前采取措施躲开它呢?

郭建平指出,受垂直观测手段不足的限制,晴空湍流的监测和预报仍是世界难题。此外,晴空湍流发生和影响的范围有限,生消过程极为迅速、难以监测,因此具有隐蔽性、突变性和局地性强等特点,目前尚缺乏对晴空湍流全天候近实时的监测预警能力。

尽管捕捉晴空湍流充满挑战,但现代科技还是提供了一些监测和预报的手段。晴空湍流虽属小尺度天气现象,但与高空急流等大尺度运动关系紧密。因此,在单个晴空湍流事件研究中,卫星图像具有覆盖面广的优势,能很好地提供晴空湍流周围的大尺度天气形势。然而,郭建平表示,由于卫星图像时空分辨率较低,难以捕捉小尺度运动,仅依靠应用卫星影像研究晴空湍流相对受限,需结合飞机观测、数值模式输出、高分辨率探空等多种资料,才能提高对晴空湍流的数值预报能力。

气象雷达探测通过向空中发射电磁波,检测来自云雨滴、雪或冰晶等微小物质的回波强度来监测天气的变化。强降水对雷达的反射能力很强,因此利用气象雷达探测强对流天气非常有效,还可以通过探测云、水等的回波测出云区存在的湍流。然而,晴空湍流由于空气透度较大、区域水汽较少,难以被气象雷达准确监测。

郭建平表示,湍流发生的尺度小,不同大小的湍涡彼此之间会发生碰撞,产生相互影响。就像两个人吐的烟圈相碰撞,想要预测其轨迹非常困难。传统的湍流探测手段以地面、塔基观测方式为主,难以探测从地面到云附近的信息。风廓线雷达以其全天候连续观测、自动化等优势,可实时提供水平风风向、风速、垂直速度、折射率结构常数等要素,在晴空风场观测中发挥着重要作用。

近年来,我国已经在全国范围内广泛部署风廓线雷达,特别是在京津冀、长江三角洲等大城市群地区,构建了密集的风廓线雷达中尺度观测网。郭建平介绍,风廓线雷达能够实时探测大气中的三维风场,并通过监测气流速度和方向的变化间接推断出湍流的存在。

对于民航客机而言,庄子波认为可基于探测和数值预报两个途径,提前防范晴空湍流。前者可通过机载天气雷达监测晴空湍流,但由于目前机载天气雷达的探测体制和探测原理,使得晴空条件下回波载体较少,捕捉晴空湍流依旧存在难度。不过,我国民航客机航路相对固定,可利用飞机自身开展监测,实现颠簸预警信息实时共享。把同时运行在我国空域内的飞机看成一个传感器网络,任何一架飞机感知到颠簸后,可将其感知到的颠簸位置、高度及强度等信息与其他飞机或地面空管部门共享,以实现航路上对晴空颠簸的监测和预警。庄子波认为,这是目前最可行且成本最低的应对晴空湍流的方式之一。

对于晴空颠簸预报,庄子波表示,其核心是观测数据的利用。机载快速存取记录器(QAR)气象数据及PIREPs记录了颠簸的特征信息,可为预报产品提供危险天气的样本库,同时为数值预报产品的验证评估提供参照,是不可多得的颠簸预警预报资料。

晴空湍流虽然难以捕捉,但通过不断深入的研究,我们理解和监测它的能力也在不断提升。相信未来我们能够更有效地应对晴空湍流带来的挑战,确保航空安全和飞行效率。

全球变暖,加剧飞机颠簸风险?

近年来,有研究表明,受全球变暖影响,晴空湍流正在大幅度增加。2023年英国雷丁大学学者发布在《地球物理研究快报》的一项研究发现,1979年至2020年北大西洋上空的重度及以上的晴空湍流增加了50%以上。晴空湍流增加最明显的区域为中纬度地区,包括北大西洋上空和美国上空(世界上最繁忙的航线之一)。

研究人员发现,晴空湍流的增加可能是气候变化对大气高层风速影响所致。北大西洋上空出现的重度及以上晴空湍流的持续时间从1979年的17.7小时增加到2020年的27.4小时,增加了近一倍;中度及以上晴空湍流出现的时间从70.0小时增加到96.1小时,增加了37%;轻度及以上晴空湍流持续时间从466.5小时增加到546.8小时,增加了17%

研究同时发现,美国、欧洲、中东和南大西洋上空的其他繁忙航线中出现的湍流也显著增加,自1979年以来,美国大陆上空重度及以上的晴空湍流增加了41%。湍流每年会给美国航空业造成1.5亿至5亿美元的损失。该研究称,除非采取大规模减排行动,否则未来可能出现更多湍流。

对于上述观点,陈春元表示赞同。全球变暖影响了高海拔地区的风向和风速,使得大气流动更加不稳定,从而增加了晴空湍流的发生频率和强度。

郭建平表示,在全球变暖背景下,青藏高原等高纬度地区的晴空湍流发生频次较平原地区更高,出现晴空湍流的概率将越来越大。

据悉,郭建平团队借助我国120个高空气球观测反演得到一套长时间序列的湍流廓线数据集,长期趋势分析结果表明,我国大部分地区飞机巡航高度的湍流呈明显的增强趋势,这主要由全球变暖导致的垂直风切变增强所致。

然而,这并非全球变暖影响晴空湍流的全貌。借助中国气象局大气垂直观测数据和多套再分析资料反演得到的湍流趋势呈现出很大的空间非均一性,因此,不能说从南到北、从东到西,陆地、海洋、高山、冰川上空的晴空湍流都在增加。尽管其增强区域占比超过50%,但并非全部地区都在增强,还受下垫面、云雨和多尺度环流等影响。郭建平认为,未来还需对此展开进一步研究。


晴空湍流造成 这些飞行事故

近年来,因晴空湍流导致的航空飞行事故时有发生。

案例一:

2024年5月21日新加坡航空SQ321航班在从伦敦飞往新加坡的途中,飞行到缅甸上空时遭遇晴空湍流,导致飞机急速下降,最终在泰国曼谷素万那普国际机场紧急着陆。

该飞机载有211名乘客和18名机组人员,事件导致一名乘客死亡,数十人受伤并被送往当地医院接受治疗。新加坡交通部公布的初步调查结果显示,该航班在飞越缅甸南部时遇到气流对流活动,致其重力急剧变化,飞行高度在4.6秒内突然下降54米,机舱内未系好安全带的乘客被抛向空中后快速摔下。

案例二:

2023年7月10日,中国国际航空公司CA1524航班在从上海飞往北京过程中突遇晴空湍流。猛烈的下坠将工作中的空乘人员和部分乘客甩向天花板,客舱顶部的标示牌受损,杂物散落一地。

飞机剧烈颠簸过程中有一名旅客和一名空乘人员受伤,飞机正常落地后,两名伤者被送往医院治疗。

案例三:

2023年3月1日,一架由美国飞往德国的航班,起飞90分钟后,在11300米的高空突遇晴空湍流。飞机出现严重颠簸,并坠落了大约305米。

当时,机舱内的餐饮服务刚进行到一半,仍有人在舱内走动。最终,这架载有172名旅客的飞机上,有7人受伤。

案例四:

2018年10月18日,阿根廷航空公司一架空客A330客机在从美国迈阿密飞往阿根廷布宜诺斯艾利斯途中遭遇晴空湍流。

飞机载有192名乘客,晴空湍流使得飞机急速升降,短时间内飞机高度在-700英尺(213米)到+1500英尺(457米)之间变化。剧烈颠簸使得机舱乱作一团,机舱装饰顶板豁开,内部结构清晰可见,同时造成15名乘客受伤。


如何应对 突如其来的颠簸呢?

作为乘客来说,应听从乘务员的安全指令,停止使用卫生间,快速回到座位,立刻系好安全带。如果离座位较远,乘客应立即蹲下,抓住旁边的固定物体,如座椅护手等;如果正在使用卫生间,需要立即抓住马桶旁辅助手柄。

钟加杰表示,飞行过程中,应时刻系紧安全带,以最大限度减少剧烈颠簸时受伤的可能。有研究显示,大多数在湍流中受伤的乘客和空乘人员当时都没有系安全带。因此,飞行过程中应系好安全带,尽量避免受到冲击。

(作者:罗澜 孙玉萍 于震宇 责任编辑:曹锐怡)