晴空湍流，是指在沒有云層或山地等可見擾動(dòng)的情況下，由于大氣不穩(wěn)定性而產(chǎn)生的飛機(jī)顛簸現(xiàn)象。晴空湍流對(duì)飛行安全和舒適度都有一定的影響，有時(shí)甚至?xí)斐扇藛T傷亡或設(shè)備損壞。10日，國航一架從上海飛往北京的航班就遭遇了強(qiáng)烈的晴空湍流，導(dǎo)致多名乘客和機(jī)組人員受傷。這起事故引發(fā)了社會(huì)對(duì)晴空湍流的關(guān)注和討論，也讓我們思考如何預(yù)防和應(yīng)對(duì)這種隱形的飛行危機(jī)。

借著這個(gè)機(jī)會(huì)，我將向你介紹一篇最近發(fā)表在《地球物理研究快報(bào)》上的論文，它使用日本最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”來模擬晴空湍流。這種湍流是一種對(duì)航空安全有很大威脅的現(xiàn)象，它可以在沒有任何可見的云層或其他大氣擾動(dòng)的情況下發(fā)生。

晴空湍流是什么

我們都知道，飛機(jī)在飛行過程中會(huì)遇到各種各樣的氣象現(xiàn)象，比如云層、雷暴、雨雪等等。這些現(xiàn)象都會(huì)對(duì)飛機(jī)產(chǎn)生一定程度的影響，比如使飛機(jī)顛簸、偏離航線、降低能見度等等。但是，你可能不知道，即使在一個(gè)晴朗無云的天氣里，飛機(jī)也可能會(huì)突然遭遇到劇烈的顛簸。這就是我們所說的晴空湍流。

晴空湍流是一種發(fā)生在大氣層10公里內(nèi)的湍流現(xiàn)象，它不需要任何可見的觸發(fā)因素，比如云層或山脈。它主要是由于大氣中存在著不同方向或不同速度的風(fēng)流所引起的。當(dāng)這些風(fēng)流相互作用時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一些微小但強(qiáng)烈的渦旋，這些渦旋就會(huì)對(duì)飛過它們的飛機(jī)造成沖擊和擾動(dòng)。

晴空湍流對(duì)于飛行員來說是非常難以預(yù)測和避免的，因?yàn)樗鼪]有任何可見的標(biāo)志，比如云層或雷暴。因此，晴空湍流對(duì)于航空安全來說是一個(gè)很大的威脅。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年都有數(shù)百起因?yàn)榍缈胀牧鞫鴮?dǎo)致乘客和機(jī)組人員受傷或者飛機(jī)損壞的事件。

如何模擬晴空湍流

要想更好地理解和預(yù)測晴空湍流，我們就需要能夠模擬出它的產(chǎn)生和發(fā)展的過程。這就需要我們使用一種叫做計(jì)算流體力學(xué)的技術(shù)，用數(shù)學(xué)方程和計(jì)算機(jī)程序來描述和模擬流體的運(yùn)動(dòng)。其中，一種叫做大渦模擬（LES）的技術(shù)，是專門用來模擬湍流現(xiàn)象的。

LES的基本思想是，將湍流中的渦旋分為兩類：大渦和小渦。大渦是指那些尺度較大、能量較高、對(duì)流體運(yùn)動(dòng)有主要影響的渦旋，而小渦是指那些尺度較小、能量較低、對(duì)流體運(yùn)動(dòng)有次要影響的渦旋。LES的目標(biāo)是，直接模擬出大渦的運(yùn)動(dòng)，而對(duì)于小渦的運(yùn)動(dòng)，則使用一些經(jīng)驗(yàn)公式來近似。這樣，就可以減少計(jì)算量，同時(shí)保留湍流的主要特征。

但是，即使使用了LES技術(shù)，要模擬出晴空湍流仍然是非常困難的。因?yàn)榍缈胀牧靼l(fā)生在很大的空間范圍內(nèi)，而且涉及到很多不同尺度的物理過程。比如，晴空湍流可能受到地球自轉(zhuǎn)、地形、氣壓、溫度、濕度等因素的影響。要把這些因素都考慮進(jìn)去，就需要有很高的空間分辨率和很長的時(shí)間步長，這就需要有很強(qiáng)大的計(jì)算能力和很大的存儲(chǔ)空間。一般來說，我們使用的計(jì)算機(jī)是無法達(dá)到這樣的要求的。

使用超級(jí)計(jì)算機(jī)

為了解決這個(gè)問題，論文的作者使用了日本最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”來進(jìn)行模擬。富岳是一臺(tái)擁有超過700萬個(gè)處理器核心和超過5000萬GB的內(nèi)存的高性能計(jì)算系統(tǒng)，它可以達(dá)到每秒約500億億次的浮點(diǎn)運(yùn)算速度。使用富岳，論文的作者可以進(jìn)行非常高分辨率和長時(shí)間步長的LES模擬。

論文的作者選擇了一個(gè)發(fā)生在2020年12月30日東京上空的晴空湍流事件作為模擬對(duì)象。這一天，由于低壓系統(tǒng)和附近山脈的影響，東京上空出現(xiàn)了強(qiáng)烈的風(fēng)切變和大氣不穩(wěn)定性，導(dǎo)致了多架飛機(jī)遭遇到晴空湍流。論文的作者使用了一個(gè)叫做SCALE-LES的區(qū)域數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模型來進(jìn)行模擬。他們設(shè)置了不同的水平分辨率（從2.8公里到35米）和垂直分辨率（從100米到10米），并且模擬了從2020年12月29日18時(shí)到2020年12月30日18時(shí)這24小時(shí)內(nèi)發(fā)生在東京上空約200公里×200公里范圍內(nèi)的大氣運(yùn)動(dòng)。

模擬結(jié)果

論文的作者發(fā)現(xiàn)，他們的模擬結(jié)果可以很好地再現(xiàn)真實(shí)飛機(jī)遭遇湍流的位置和強(qiáng)度。他們還發(fā)現(xiàn)，湍流主要是由一種叫做Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定波的崩潰所引起的。這種不穩(wěn)定波是在兩層風(fēng)速不同的空氣之間形成的，當(dāng)上層的空氣以更快的速度流過下層的空氣時(shí)，就會(huì)在界面處產(chǎn)生一些波狀的擾動(dòng)。當(dāng)這些擾動(dòng)增長到一定程度時(shí)，就會(huì)發(fā)生波峰和波谷的翻轉(zhuǎn)，形成一些類似水滴的渦旋。這些渦旋就是湍流的源頭，它們會(huì)對(duì)飛過它們的飛機(jī)造成沖擊和擾動(dòng)。

論文的作者發(fā)現(xiàn)，當(dāng)他們使用更高的分辨率（35米）時(shí)，他們可以直接模擬出這些不穩(wěn)定波和它們的崩潰過程。而當(dāng)他們使用較低的分辨率（2.8公里）時(shí)，他們只能模擬出一些平滑的風(fēng)場，沒有明顯的渦旋結(jié)構(gòu)。這說明，要想準(zhǔn)確地模擬晴空湍流，就需要有足夠高的分辨率來捕捉到這些微小但強(qiáng)烈的渦旋。

論文的作者還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)他們使用更高的分辨率時(shí)，他們模擬出的湍流對(duì)飛機(jī)的影響也更大。他們使用了一個(gè)叫做FlightGear的開源飛行模擬器，來模擬一個(gè)虛擬飛機(jī)在他們模擬出的風(fēng)場中飛行。他們比較了虛擬飛機(jī)和真實(shí)飛機(jī)在同一時(shí)間、同一位置、同一高度、同一航向上遭遇湍流時(shí)的數(shù)據(jù)，比如飛機(jī)的姿態(tài)、速度、加速度等。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)他們使用35米分辨率時(shí)，虛擬飛機(jī)和真實(shí)飛機(jī)的數(shù)據(jù)非常接近，說明他們模擬出的湍流是合理和真實(shí)的。而當(dāng)他們使用2.8公里分辨率時(shí)，虛擬飛機(jī)和真實(shí)飛機(jī)的數(shù)據(jù)差異很大，說明他們模擬出的湍流是不準(zhǔn)確和不真實(shí)的。

當(dāng)然，這篇論文還有一些局限性和不足之處。比如，它只模擬了一個(gè)特定時(shí)間、特定地點(diǎn)、特定條件下發(fā)生的晴空湍流事件，并不能代表所有可能發(fā)生的晴空湍流情況。比如，它只使用了一個(gè)區(qū)域數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模型，并沒有考慮全球尺度或者更細(xì)微尺度上可能存在的其他影響因素。