民用航空飛機(jī)晴空顛簸研究進(jìn)展

劉海文，游景超，武凱軍，孫艷玲，劉 剛

（1.中國(guó)民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院，天津 300300；2.成都信息工程大學(xué)管理學(xué)院，成都 610225；3.民航江西空管分局綜合業(yè)務(wù)部，南昌 330114）

飛機(jī)顛簸是指水平尺度介于100～1 000 m 之間的大氣湍流所導(dǎo)致飛機(jī)產(chǎn)生的顛簸，也被稱為飛機(jī)尺度湍流。關(guān)于晴空顛簸[1]的準(zhǔn)確定義為“在航空業(yè)務(wù)所有感興趣的自由大氣發(fā)生的大氣亂流，且該亂流與可見的大氣對(duì)流活動(dòng)無關(guān)”。文獻(xiàn)[1]認(rèn)為對(duì)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(jī)尾流渦旋所產(chǎn)生的湍流[6]均是導(dǎo)致飛機(jī)顛簸的根源。文獻(xiàn)[7]認(rèn)為發(fā)生在晴空湍流中的飛機(jī)顛簸，也稱為晴空顛簸。晴空湍流由于其發(fā)生時(shí)天氣良好，難以被飛行員發(fā)覺且又不易被衛(wèi)星和機(jī)載雷達(dá)所發(fā)現(xiàn)，因此，晴空湍流被認(rèn)為是飛機(jī)飛行過程中遇到的巨大災(zāi)害性天氣之一[1，8]。文獻(xiàn)[9-10]研究表明，飛機(jī)分別至少要花費(fèi)3%以上和1%的巡航時(shí)間在輕度晴空湍流區(qū)和中度晴空湍流區(qū)度過。晴空湍流不僅會(huì)給旅客造成傷害甚至死亡，還會(huì)造成飛機(jī)設(shè)備損壞，每年給航空公司帶來上千萬美元的經(jīng)濟(jì)損失[11-13]。隨著空中交通流量的持續(xù)增長(zhǎng)和全球氣候的變暖，飛機(jī)遭遇晴空湍流的概率正在顯著增加[14-15]，且被認(rèn)為將來還可能進(jìn)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(guān)，因此，本文重點(diǎn)針對(duì)高空急流-鋒區(qū)耦合系統(tǒng)產(chǎn)生的飛機(jī)晴空顛簸的研究進(jìn)行梳理，并就未來關(guān)于飛機(jī)顛簸研究的科學(xué)問題進(jìn)行探討和展望，可為中國(guó)開展飛機(jī)顛簸短期預(yù)報(bào)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(xiàn)的與對(duì)流云和雷暴無關(guān)的大氣湍流[20]。為了研究高空急流附近發(fā)生晴空湍流的原因，學(xué)者們建立了多種晴空湍流指數(shù)來表征晴空湍流[21]。如文獻(xiàn)[22]提出的埃爾羅德指數(shù)[（6]TI，turbulence index），就能夠預(yù)報(bào)出75%的晴空湍流[17]。針對(duì)TI 指數(shù)在無鋒時(shí)出現(xiàn)晴空湍流漏報(bào)比較多的問題，文獻(xiàn)[21]創(chuàng)建了修正指數(shù)DT（Idivergence-modified turbulence index）。事實(shí)上，表征晴空湍流的指數(shù)很多，如Colson-Panofsky 指數(shù)[23]、Brown 指數(shù)[24]、理查森數(shù)（Ri，Richardson number）[25]、渦旋耗散率（EDR，energy dissipation rate）指數(shù)[26]和等效垂直風(fēng)（DEVG，derived equivalent vertical gust）指數(shù)[27]等。還有學(xué)者利用21 個(gè)晴空湍流指數(shù)來分析全球氣候變暖對(duì)跨大西洋航線晴空湍流的影響[11，16-17]。這也從另一個(gè)方面說明晴空顛簸變化的復(fù)雜性。

2 晴空顛簸的探測(cè)和計(jì)算方法

對(duì)于晴空顛簸的探測(cè)，機(jī)載設(shè)備發(fā)揮著重要的作用[1]，可用于對(duì)飛機(jī)顛簸進(jìn)行探測(cè)并提供預(yù)報(bào)，使機(jī)組可以提前采取相關(guān)措施應(yīng)對(duì)可能到來的顛簸。目前，EDR 被認(rèn)為是有效度量大氣湍流強(qiáng)度的物理量[26]。需要強(qiáng)調(diào)的是，要注意區(qū)分度量大氣湍流的物理量和飛機(jī)對(duì)大氣湍流響應(yīng)之間的差別。其中，最重要的差別是前者可以獨(dú)立地計(jì)算后者響應(yīng)的大氣湍流的強(qiáng)度，但反過來飛機(jī)顛簸未必一定存在著湍流。換句話說，度量大氣湍流強(qiáng)度能夠獨(dú)立地計(jì)算出飛機(jī)對(duì)顛簸的響應(yīng)程度，但是飛機(jī)響應(yīng)大氣湍流的原因是依賴于大氣作為一種強(qiáng)迫機(jī)制。

EDR 可以用大氣湍流的垂直加速度來計(jì)算[28]。關(guān)于飛機(jī)顛簸的探測(cè)技術(shù)有多種，如文獻(xiàn)[29]利用地基系統(tǒng)多普勒天氣雷達(dá)來對(duì)飛機(jī)顛簸進(jìn)行遙感探測(cè)。

最近，文獻(xiàn)[30]使用高分辨率探空儀對(duì)中國(guó)上空大氣湍流的時(shí)空特征進(jìn)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(cè)數(shù)據(jù)，其中包括78 8162 個(gè)探空剖面。采集數(shù)據(jù)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(duì)濕度、壓力和風(fēng)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(jìn)行插值，對(duì)原始探空數(shù)據(jù)重采樣。使用索普分析（Thorpe analysis）對(duì)重采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而測(cè)定自由大氣中的湍流耗散率。對(duì)于自由大氣中晴空湍流的計(jì)算，水蒸氣的影響可以忽略不計(jì)。

3 晴空湍流形成的天氣學(xué)條件

晴空湍流作為一種中小尺度災(zāi)害性天氣已被廣泛研究[22]。強(qiáng)的風(fēng)切變以及強(qiáng)的靜力不穩(wěn)定是晴空湍流形成的重要條件[1]。晴空湍流可以發(fā)生在行星波的槽、脊處，也可以發(fā)生在有高空急流的對(duì)流層頂附近，以及與高空槽、脊、閉合低壓和冷區(qū)相聯(lián)系的高空急流處[31]和對(duì)流層與平流層之間的過渡帶中[32]。對(duì)于晴空湍流發(fā)生的天氣形勢(shì)，文獻(xiàn)[33]給出了晴空湍流發(fā)生的概念模型，認(rèn)為高空槽的形變區(qū)、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(qū)都是晴空湍流發(fā)生的主要天氣形勢(shì)或系統(tǒng)。文獻(xiàn)[34]將影響中國(guó)的晴空湍流天氣形勢(shì)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(chǎn)生晴空湍流[31]。地面氣旋生成處和高空切斷低壓也可導(dǎo)致晴空湍流的發(fā)生[1]。至少有2/3 的晴空湍流發(fā)生在高空急流區(qū)附近[2]。急流的匯聚區(qū)域也是晴空湍流的發(fā)生區(qū)域[35]。大量研究[22，31，35-37]表明，晴空湍流主要發(fā)生在以下區(qū)域：①垂直風(fēng)切變處；②水平風(fēng)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(xù)處；⑥強(qiáng)的水平熱力梯度處。晴空湍流主要發(fā)生在高空急流和鋒區(qū)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(qū)以及兩股氣流匯聚處，急流出口區(qū)重力波活動(dòng)的關(guān)鍵區(qū)[40-41]以及高空槽上游的急流出口處[42]。除高空急流-鋒區(qū)外，晴空湍流的產(chǎn)生也常與強(qiáng)的非地轉(zhuǎn)流、慣性不穩(wěn)定和重力慣性波有關(guān)，尤其是在反氣旋環(huán)流發(fā)生切變一側(cè)以及高空急流強(qiáng)的彎曲處，也是晴空湍流的發(fā)生區(qū)域。此外，通過地轉(zhuǎn)適應(yīng)和慣性不穩(wěn)定機(jī)制，高空脊反氣旋性切變和彎曲處也是導(dǎo)致晴空湍流產(chǎn)生的重要原因之一[5，43-44]。

當(dāng)飛機(jī)穿越高空急流-鋒區(qū)時(shí)，在高空鋒區(qū)的上界和下界附近是產(chǎn)生飛機(jī)顛簸的潛在區(qū)域。平流層附近大氣非常穩(wěn)定，但是在對(duì)流層頂附近大約2 000 ft（1 ft=0.304 8 m）的高度是飛機(jī)遭遇顛簸的潛在區(qū)域[1]。

4 高空急流-鋒區(qū)耦合區(qū)域晴空湍流產(chǎn)生機(jī)制

和地面鋒不同，高空鋒區(qū)常和高空急流耦合，從而形成高空急流-鋒區(qū)（jet-front）耦合系統(tǒng)[45-46]。高空急流-鋒區(qū)耦合系統(tǒng)是產(chǎn)生晴空湍流的主要區(qū)域[32，46-48]。在和高空風(fēng)切變相聯(lián)系的高空急流-鋒區(qū)、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(tǒng)中，高空急流-鋒區(qū)耦合系統(tǒng)在所觀測(cè)到的晴空湍流中占主導(dǎo)地位[49-50]。因此，重點(diǎn)關(guān)注高空急流-鋒區(qū)耦合系統(tǒng)的晴空湍流產(chǎn)生機(jī)制很有意義。大氣動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定和對(duì)流性不穩(wěn)定，以及伴隨有卷云出現(xiàn)的對(duì)流層和平流層之間的相互作用，使得晴空湍流常發(fā)生在對(duì)流折疊區(qū)域[51-52]。文獻(xiàn)[53-54]認(rèn)為高空急流-鋒區(qū)耦合系統(tǒng)是重力波的重要來源。垂直風(fēng)切不穩(wěn)定理論是目前公認(rèn)的形成晴空湍流的主要機(jī)制[55-56]。

大氣湍流的理論認(rèn)為晴空湍流源于大氣中的切變層出現(xiàn)開爾文-亥姆霍茲不穩(wěn)定性（KHI，Kelvin-Helmholtz instability）。在穩(wěn)定層結(jié)大氣中，當(dāng)垂直風(fēng)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(wěn)定性被認(rèn)為是晴空湍流產(chǎn)生的主要機(jī)制[32，57-61]。剪切層不穩(wěn)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(duì)較冷的高密度空氣，如在對(duì)流層頂上觀察到的那樣。文獻(xiàn)[63]還觀察到了在與湍流相關(guān)的區(qū)域附近，Kelvin-Helmholtz 波以類似于實(shí)驗(yàn)室切變流觀察到的方式，形成、增長(zhǎng)和破裂。

圖1 剪切層不穩(wěn)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(shí)的梯度有關(guān)[18]，因此高空急流核上部和下部存在強(qiáng)的垂直風(fēng)切變是導(dǎo)致KHI 發(fā)生的主要原因。有證據(jù)表明，局地非平衡流導(dǎo)致的風(fēng)切變和大氣穩(wěn)定度的減少引起的慣性重力波也能在高空急流區(qū)域形成晴空湍流[57-59]。此外，觀測(cè)和數(shù)值試驗(yàn)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(jī)顛簸的數(shù)值模擬

大多數(shù)飛機(jī)顛簸的數(shù)值模擬是針對(duì)觀測(cè)到的顛簸事件來進(jìn)行模擬[1]。飛機(jī)顛簸事件的資料可來源于飛行員報(bào)告（PIREPs，pilot reports）以及EDR 報(bào)告[65-66]。數(shù)值模式可分為兩類：①直接數(shù)值模擬（DNS，direct numerical simulation），這類模式的特點(diǎn)是針對(duì)湍流直接計(jì)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(jī)顛簸的幾百米尺度湍流問題，模式多采用嵌套方案[1]。

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

國(guó)內(nèi)也有不少學(xué)者對(duì)飛機(jī)顛簸進(jìn)行了數(shù)值模擬。文獻(xiàn)[68]使用MM5（mesoscale model 5）中尺度非靜力模式對(duì)2006 年1 月2 日華北地區(qū)的一次飛機(jī)顛簸事件進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，使用該模式結(jié)果計(jì)算的L-P 湍流指數(shù)對(duì)顛簸區(qū)范圍及強(qiáng)度的判斷具有很好的指示意義。文獻(xiàn)[69]利用民航飛機(jī)上自動(dòng)獲取并下傳的AMDAR（aircraft meteorological data relay）資料，對(duì)南海周邊海域高空越洋航線上306 個(gè)晴空顛簸案例進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)晴空顛簸的診斷對(duì)于診斷指數(shù)閾值的選取十分敏感。文獻(xiàn)[48]的模擬結(jié)果表明，強(qiáng)的垂直風(fēng)切變導(dǎo)致Ri 減小，引起開爾文波不穩(wěn)定，使得飛機(jī)顛簸發(fā)生。飛機(jī)顛簸數(shù)值模擬結(jié)果表明，對(duì)于大幅度的晴空湍流事件，常常是由幾種不穩(wěn)定機(jī)制之間相互作用的結(jié)果，很難區(qū)分每種不穩(wěn)定機(jī)制對(duì)于飛機(jī)顛簸的效果；對(duì)于同樣的初始條件，使用不同的數(shù)值模式和不同的參數(shù)化方案，可以得到顯著不同的結(jié)果[1]。

6 晴空顛簸的氣候?qū)W研究

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

文獻(xiàn)[15]基于1958—2001 年ECMWF 再分析資料ERA40，計(jì)算了理查森數(shù)（Ri）、負(fù)的布倫特-維薩（Brunt-Vaisala）平方（N2）、負(fù)的位渦（PV，potentialvorticity）和經(jīng)驗(yàn)性湍流指數(shù)TI。研究結(jié)果表明，1958—2001 年期間以上所有顛簸指數(shù)在北大西洋、美國(guó)和歐洲地區(qū)都有明顯增長(zhǎng)的趨勢(shì)，其中TI 增長(zhǎng)了大約70%，Ri 增長(zhǎng)了90%，N2增長(zhǎng)了40%，PV 增長(zhǎng)了60%。

對(duì)于以上所有顛簸指數(shù)而言，北美東、西海岸在冬季發(fā)生晴空湍流的頻率較高。與喜馬拉雅山脈、中歐、中國(guó)東部以及北大西洋和北太平洋的西部地區(qū)相比，其他地區(qū)發(fā)生晴空湍流的頻率有局部最大值；湍流指數(shù)TI、Ri 和PV 具有冬季最大值和夏季最小值的季節(jié)特點(diǎn)。對(duì)于N2，季節(jié)變化則不太明顯，并且在夏季發(fā)生的頻率減小（對(duì)于N2則只有輕微減?。┎⑾虮币苿?dòng)；同時(shí)分析結(jié)果還表明，不同指數(shù)的空間氣候?qū)W模態(tài)存在顯著差異，N2發(fā)生頻率最高的地區(qū)是陸地，且與急流位置關(guān)系不大，然而TI、PV 和R（i在較小程度上）則與急流有關(guān)；同時(shí)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(dòng)（NAO，North Atlantic oscillation）的兩個(gè)階段以及太平洋/北美氣流型（Pacific/North American flow pattern）都有相關(guān)性；TI 和PV 的年際變化與NAO 相關(guān)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(xiàn)[71]利用1979—2020 年歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心再分析資料ERA5 對(duì)中國(guó)對(duì)流層中晴空湍流發(fā)生的時(shí)空特征及其機(jī)制進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明：在250～300 hPa 和200～225 hPa，冬季和春季晴空湍流發(fā)生頻率最高，晴空湍流在夏季和秋季發(fā)生的頻率相對(duì)較少；從冬季到夏季，潛在的晴空湍流高強(qiáng)度中心逐漸向北和向東移動(dòng)，并與大氣的上升運(yùn)動(dòng)相伴隨；在1979—2020 年期間，中國(guó)大部分地區(qū)潛在的晴空湍流在冬季呈明顯的增加趨勢(shì)，而在夏季則呈明顯的減少趨勢(shì)，在晴空湍流發(fā)生頻率較高的地區(qū)也是如此；東亞副熱帶西風(fēng)急流的時(shí)空分布與高原地區(qū)潛在的晴空湍流發(fā)生具有較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系。

7 全球氣候變暖導(dǎo)致晴空顛簸的變化

最近，文獻(xiàn)[72]利用CMIP5（coupled model intercomparison project phase 5）耦合模式對(duì)晴空湍流未來變化趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)估。結(jié)果顯示，東亞地區(qū)所有季節(jié)中均存在湍流強(qiáng)度越強(qiáng)、湍流頻率增幅越大的特征。其中，各強(qiáng)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(duì)比來看，200 hPa 和250 hPa 各強(qiáng)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(guó)不同的區(qū)域而言，緯度越高的區(qū)域晴空湍流發(fā)生的頻率增幅越大，且北方地區(qū)各高度上還存在增幅“東高西低”的分布特征，南方地區(qū)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(qū)垂直風(fēng)切變作用增強(qiáng)可能是引起晴空湍流增多的重要原因之一。

文獻(xiàn)[11]認(rèn)為，人類活動(dòng)導(dǎo)致的氣候變化使得民用飛機(jī)巡航高度上的急流區(qū)域垂直風(fēng)切變變強(qiáng)，這將增加產(chǎn)生晴空湍流的剪切不穩(wěn)定性。同時(shí)，利用氣候模式研究得出了冬季跨大西洋地區(qū)飛機(jī)航線隨著氣候的變暖，未來中等到嚴(yán)重的晴空顛簸將顯著增多。同時(shí)，在當(dāng)前二氧化碳排放量相對(duì)于工業(yè)革命前增加2倍后，21 個(gè)晴空顛簸指數(shù)中的大多數(shù)都顯示出不同程度增加趨勢(shì)。同時(shí)，氣候變化將導(dǎo)致21 世紀(jì)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(shù)晴空湍流顯示出湍流強(qiáng)度中值增加10%～40%，中度及以上大氣湍流發(fā)生的頻率增加40%～170%。

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

8 飛機(jī)顛簸短期天氣預(yù)報(bào)

為了發(fā)展晴空湍流的自動(dòng)化預(yù)報(bào)工具，文獻(xiàn)[73]提出了晴空湍流集成預(yù)報(bào)算法（ITFA，integrated turbulence forecasting algorithm），并于2003 年3 月更名為圖形湍流指導(dǎo)（GTG，graphical turbulence guidance）系統(tǒng)。GTG 是將幾個(gè)不同的晴空湍流指數(shù)加權(quán)組合后對(duì)晴空湍流進(jìn)行預(yù)報(bào)，其效果要好于任何一個(gè)晴空湍流指數(shù)[1,10]?，F(xiàn)在GTG 已發(fā)展到了GTG3 版本[74]。

隨著對(duì)飛機(jī)顛簸機(jī)理認(rèn)識(shí)的深化和晴空湍流精細(xì)化的探測(cè)，飛機(jī)顛簸的預(yù)報(bào)能力有了很大提高[5]。美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（NOAA，National Oceanic and Atmospheric Administration）的全球集合預(yù)報(bào)指導(dǎo)產(chǎn)品的示例圖如圖2 所示[1]。圖2 中為12 h 的集合預(yù)報(bào)產(chǎn)品，不同顏色代表集合預(yù)報(bào)產(chǎn)品預(yù)測(cè)出現(xiàn)中度或嚴(yán)重湍流的概率。

圖2 美國(guó)NOAA 全球集合預(yù)報(bào)后處理指導(dǎo)產(chǎn)品示例圖Fig.2 Example of NOAA′s global ensemble forecast system(GEFS)post-processed guidance product

對(duì)于飛機(jī)顛簸的預(yù)報(bào)，一種方法是通過計(jì)算模擬次網(wǎng)格尺度的湍流擾動(dòng)動(dòng)能，可以得到比較好的預(yù)報(bào)效果[75-76]，尤其是對(duì)于2～3 km 高分辨率格點(diǎn)的數(shù)值預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)效果更好[65，77]；另一種方法是通過計(jì)算物理量的梯度，對(duì)晴空湍流進(jìn)行潛勢(shì)預(yù)報(bào)[15，22，78]。對(duì)于飛機(jī)顛簸的數(shù)值預(yù)報(bào)，主要通過對(duì)數(shù)值預(yù)報(bào)模式預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行處理[10，37，47，56，61，79-80]，然后形成各種各樣的飛機(jī)顛簸指數(shù)[81-82]，從本質(zhì)上說，屬于動(dòng)力降尺度天氣預(yù)報(bào)。為了進(jìn)一步解決各種不同原因?qū)е碌娘w機(jī)顛簸，通過綜合各種顛簸指數(shù)來對(duì)飛機(jī)顛簸進(jìn)行預(yù)報(bào)[4，10，83]。近年來，出現(xiàn)的全球湍流指導(dǎo)產(chǎn)品就是將多個(gè)顛簸指數(shù)綜合應(yīng)用，然后再形成一個(gè)新顛簸指數(shù)用于顛簸的預(yù)報(bào)[74]。研究結(jié)果表明，使用多指數(shù)結(jié)合的顛簸指數(shù)預(yù)報(bào)，其效果要好于任何單一飛機(jī)顛簸指數(shù)的預(yù)報(bào)。針對(duì)數(shù)值預(yù)報(bào)和診斷技術(shù)固有的不確定性[84]，飛機(jī)顛簸的概率預(yù)報(bào)也開始開展[8，18]。文獻(xiàn)[74]根據(jù)數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果，給出了每種飛機(jī)顛簸指數(shù)的概率分布預(yù)報(bào)結(jié)果。目前，國(guó)際民航組織（ICAO，International Civil Aviation Organization）和世界氣象組織（WMO，World Meteorological Organization）已經(jīng)要求世界區(qū)域預(yù)報(bào)系統(tǒng)（WAFS，World Area Forecast System）更新目前的飛機(jī)顛簸預(yù)報(bào)產(chǎn)品，以提供基于湍流動(dòng)能耗散率的更加規(guī)范的飛機(jī)顛簸預(yù)報(bào)產(chǎn)品。文獻(xiàn)[18]詳細(xì)地介紹了下一代WAFS關(guān)于全球航路的確定性預(yù)報(bào)和概率預(yù)報(bào)產(chǎn)品，該模式預(yù)報(bào)的區(qū)域設(shè)置為水平分辨率為0.5° × 0.5°，這顯然對(duì)飛機(jī)尺度的顛簸預(yù)報(bào)具有重要意義。文獻(xiàn)[85]對(duì)多模式的飛機(jī)顛簸預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行了評(píng)估，表明飛機(jī)顛簸預(yù)報(bào)也開始進(jìn)入集合預(yù)報(bào)的新階段。

9 研究方向展望

晴空湍流被認(rèn)為是飛機(jī)飛行過程中遇到的巨大災(zāi)害性天氣之一[8]，雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)晴空顛簸進(jìn)行了大量的研究，但是未來關(guān)于飛機(jī)顛簸的研究，仍然有以下幾個(gè)方面值得關(guān)注。

（1）中國(guó)在晴空顛簸研究方面仍面臨挑戰(zhàn)，因?yàn)轱w機(jī)晴空顛簸實(shí)況數(shù)據(jù)難以獲取。解決這個(gè)問題需要有關(guān)部門為科研人員提供相關(guān)實(shí)況數(shù)據(jù)，以確保國(guó)際上晴空顛簸相關(guān)的研究結(jié)論在中國(guó)地區(qū)的適用性。

（2）影響中國(guó)飛機(jī)顛簸的高空急流-鋒區(qū)耦合系統(tǒng)涉及多種天氣形勢(shì)，飛機(jī)顛簸的中尺度條件和特征以及其時(shí)空演變規(guī)律還有待進(jìn)一步研究確定。

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

（4）通過優(yōu)化或改進(jìn)中尺度數(shù)值模式中次網(wǎng)格尺度的顯式或參數(shù)化方案，可以提高中國(guó)基于飛機(jī)尺度顛簸的定點(diǎn)、定量短時(shí)和臨近預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率。

10 結(jié)語

綜上所述，本文回顧了國(guó)內(nèi)外相關(guān)飛機(jī)顛簸的研究成果，發(fā)現(xiàn)相比于國(guó)外對(duì)飛機(jī)顛簸的研究，國(guó)內(nèi)關(guān)于飛機(jī)顛簸的研究成果還相對(duì)較少，除了少數(shù)高水平研究成果以外，大多數(shù)研究成果還達(dá)不到國(guó)外同行的研究水平。一方面的原因可能是飛機(jī)顛簸在國(guó)內(nèi)并不是熱門研究方向；另一方面是相關(guān)機(jī)構(gòu)和院校的重視度還不夠。國(guó)外在飛機(jī)顛簸方面的研究早于中國(guó)，具有先發(fā)優(yōu)勢(shì)，很多衡量飛機(jī)顛簸程度的診斷指數(shù)都是由國(guó)外研究者建立的。因此，中國(guó)業(yè)內(nèi)學(xué)者應(yīng)攜起手來，在飛機(jī)顛簸理論機(jī)制研究和實(shí)際預(yù)報(bào)應(yīng)用方面做出更大貢獻(xiàn)。