晴空湍流簡述

馬洪瑞

摘 要：晴空顛簸由于不伴隨天氣現(xiàn)象的發(fā)生且出現(xiàn)在對流層上層6000米以上的高空，嚴(yán)重威脅飛行安全。本文主要簡述了晴空湍流的形成機(jī)制，國內(nèi)外的部分研究進(jìn)展，這對了解和研究晴空湍流有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星資料；晴空湍流；濕度梯度

大氣湍流是大氣中一種不規(guī)則的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。它與大氣邊界層關(guān)系密切，如溫度，密度的不連續(xù)層，風(fēng)切變層等。飛機(jī)在飛行中遇到大氣湍流會(huì)產(chǎn)生飛機(jī)顛簸。輕度顛簸會(huì)使乘客感到不適，嚴(yán)重的飛機(jī)顛簸會(huì)導(dǎo)致人員受傷，飛機(jī)失控，甚至機(jī)毀人亡。

航空氣象學(xué)中把6000米以上與對流云無關(guān)的湍流叫做晴空湍流，它不包括對流性不穩(wěn)定邊界層及深厚對流有關(guān)的湍流[ 1 ]。由于晴空湍流不會(huì)伴隨天氣現(xiàn)象的發(fā)生且尺度小，難以預(yù)測，故對飛機(jī)飛行造成巨大威脅。

研究表明，二氧化碳濃度的增加會(huì)導(dǎo)致晴空湍流總體強(qiáng)度的增加，到2050年，晴空湍流的總體強(qiáng)度會(huì)增強(qiáng)10%～40%，在巡航高度上發(fā)生的頻率也會(huì)提高40%～170%。

切變不穩(wěn)定理論是目前公認(rèn)的晴空湍流的形成機(jī)制。在大氣層結(jié)穩(wěn)定的情況下，垂直風(fēng)切變會(huì)產(chǎn)生重力波。隨著風(fēng)速的增大，振幅也不斷增大，重力波不穩(wěn)定，當(dāng)振幅增大到某一臨界值時(shí)，波形破碎，平均動(dòng)能向湍能轉(zhuǎn)化，氣流由層流狀轉(zhuǎn)化為湍流狀態(tài)，形成晴空湍流。

1 國外晴空湍流研究進(jìn)展

自上個(gè)世紀(jì)60年代以來，國外很多學(xué)者對大氣湍流的形成機(jī)制，預(yù)報(bào)算法進(jìn)行了大量的研究。

Richardson提出了判斷湍流強(qiáng)弱的理查森數(shù)，理查森數(shù)越小湍流越強(qiáng)，相應(yīng)的顛簸也越強(qiáng)。

Ellrod[ 2 ]利用鋒生強(qiáng)度公式推到了大氣湍流指數(shù)，亦稱Ellrod指數(shù)，其值越高對流強(qiáng)度越高，顛簸強(qiáng)度越大，Ellord在顛簸較弱情況下與實(shí)際情況有一定的偏差。Ellord給出了晴空顛簸的定義，根據(jù)鋒生強(qiáng)度公式推導(dǎo)出了大氣湍流指數(shù)，根據(jù)NCEP的數(shù)據(jù)模擬結(jié)果研究了美國上空飛機(jī)顛簸指數(shù)的氣候分布。

Wimmers A J [ 3 ]提出了用衛(wèi)星資料對對流層頂斷裂處的大氣湍流進(jìn)行識別和監(jiān)測，該算法基于濕度梯度理論在水汽圖像上確定出易產(chǎn)生大氣湍流的區(qū)域。

2 國內(nèi)大氣湍流研究進(jìn)展

國內(nèi)主要相關(guān)的研究起步較晚，朱志愚研究了高空急流層溫度平流與飛機(jī)顛簸的關(guān)系，表明高空急流溫度平流的不均勻激發(fā)了急流附近等溫線密集區(qū)邊緣的大氣湍流，易造成飛機(jī)顛簸。王永忠對大氣湍流與重力波穩(wěn)定度對飛機(jī)顛簸的影響進(jìn)行了一系列的研究，他提出了利用風(fēng)資料判斷飛機(jī)顛簸的指標(biāo)M，分析了一維邊界層重力波的垂直運(yùn)動(dòng)與飛機(jī)顛簸的關(guān)系。

沈強(qiáng)[ 4 ]利用T213模式系統(tǒng)的預(yù)報(bào)產(chǎn)品，計(jì)算多個(gè)湍流指數(shù)，對2005-2006年北京地區(qū)12個(gè)顛簸個(gè)例進(jìn)行了研究，鋒生指數(shù)和水平溫度梯度指數(shù)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率達(dá)到75%。

黃儀方[ 5 ]利用衛(wèi)星資料，提出急流卷云，波狀卷云和地形卷云會(huì)形成中度到嚴(yán)重的飛機(jī)顛簸。

吳炎成[ 6 ]利用2002年-2011年AMDAR資料，對中國周邊海域越洋飛行飛機(jī)顛簸的時(shí)空分布進(jìn)行了分析。研究指出，南海比西太平洋更容易發(fā)生重度以上的飛機(jī)顛簸；對流層頂和邊界層頂容易發(fā)生嚴(yán)重的顛簸，隨著風(fēng)速的增大，發(fā)生顛簸的概率也增大。

李萍[ 7 ]利用2005-2008年中國大陸34例中度以上的飛機(jī)顛簸報(bào)告，研究分析了中國大陸晴空顛簸的特點(diǎn)。

李躍春[ 8 ]對2009年10月發(fā)生在拉薩航路的兩例晴空顛簸事件利用WRF模式進(jìn)行了數(shù)值模擬預(yù)報(bào)。WRF模式計(jì)算得到的L_P顛簸指數(shù)能夠確定飛機(jī)顛簸發(fā)生的區(qū)域，高度和強(qiáng)度，具有一定的預(yù)報(bào)指導(dǎo)意義。

3 總結(jié)

一定強(qiáng)度的大氣湍流活動(dòng)容易引起強(qiáng)烈飛機(jī)顛簸，嚴(yán)重威脅到航空飛行安全，晴空顛簸由于不伴隨天氣現(xiàn)象的發(fā)生且出現(xiàn)在對流層上層6000米以上的高空，嚴(yán)重威脅飛行安全。本文主要簡述了晴空湍流的形成機(jī)制，國內(nèi)外的研究進(jìn)展，這對了解和研究晴空湍流有一定的參考意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 段煉.晴空顛簸預(yù)報(bào)方法[J].中國名航飛行學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，

16（6）：1.

[2] Ellrod.G.P.An index for clear air turbulence based on horizontal deformation and vertical.Third International Conference on Aviation Weather Systems.American Meteorology Society：339-344.

[3] A J Wimmers， J L Moody. A fixed-layer estimation of upper tropospheric specific humidity from the GOES water vapor channel： Parameterization and validation of the alterd brightness temperature produc. Journal Of Geophysical Research，2001：106-107.

[4] 沈強(qiáng)，白潔，王洪芳.大氣湍流及其診斷預(yù)報(bào)方法研究.航空氣象，2009，3（1）：1.

[5] 黃儀方.衛(wèi)星云圖上的卷云云型和飛機(jī)顛簸.四川氣象，2002：1-5.

[6] 吳炎成，周林等.基于AMDAR資料應(yīng)用于中國周邊海域飛機(jī)顛簸的統(tǒng)計(jì)分析.氣象科學(xué)[J].2014，34（1）：1.

[7] 李萍，胡家美，曹正.我國晴空顛簸特點(diǎn)及其各種預(yù)報(bào)結(jié)果分析.氣象研究與應(yīng)用，2009，30（3）：24-27，32.

[8] 李躍春，楊晶鐵，徐海，孟慶磊.拉薩航路一次顛簸過程的成因分析和數(shù)值模擬.高原山地氣象研究，2011，1-2.