晴空湍流:看不见的飞行危机 VS 高分辨率的计算模拟

nicholas2888

晴空湍流，是指在没有云层或山地等可见扰动的情况下，由于大气不稳定性而产生的飞机颠簸现象。晴空湍流对飞行安全和舒适度都有一定的影响，有时甚至会造成人员伤亡或设备损坏。10日，国航一架从上海飞往北京的航班就遭遇了强烈的晴空湍流，导致多名乘客和机组人员受伤。这起事故引发了社会对晴空湍流的关注和讨论，也让我们思考如何预防和应对这种隐形的飞行危机。

借着这个机会，我将向你介绍一篇最近发表在《地球物理研究快报》上的论文，它使用日本最快的超级计算机“富岳”来模拟晴空湍流。这种湍流是一种对航空安全有很大威胁的现象，它可以在没有任何可见的云层或其他大气扰动的情况下发生。

晴空湍流是什么

我们都知道，飞机在飞行过程中会遇到各种各样的气象现象，比如云层、雷暴、雨雪等等。这些现象都会对飞机产生一定程度的影响，比如使飞机颠簸、偏离航线、降低能见度等等。但是，你可能不知道，即使在一个晴朗无云的天气里，飞机也可能会突然遭遇到剧烈的颠簸。这就是我们所说的晴空湍流。

晴空湍流是一种发生在大气层10公里内的湍流现象，它不需要任何可见的触发因素，比如云层或山脉。它主要是由于大气中存在着不同方向或不同速度的风流所引起的。当这些风流相互作用时，就会产生一些微小但强烈的涡旋，这些涡旋就会对飞过它们的飞机造成冲击和扰动。

晴空湍流对于飞行员来说是非常难以预测和避免的，因为它没有任何可见的标志，比如云层或雷暴。因此，晴空湍流对于航空安全来说是一个很大的威胁。据统计，每年都有数百起因为晴空湍流而导致乘客和机组人员受伤或者飞机损坏的事件。

如何模拟晴空湍流

要想更好地理解和预测晴空湍流，我们就需要能够模拟出它的产生和发展的过程。这就需要我们使用一种叫做计算流体力学的技术，用数学方程和计算机程序来描述和模拟流体的运动。其中，一种叫做大涡模拟（LES）的技术，是专门用来模拟湍流现象的。
LES的基本思想是，将湍流中的涡旋分为两类：大涡和小涡。大涡是指那些尺度较大、能量较高、对流体运动有主要影响的涡旋，而小涡是指那些尺度较小、能量较低、对流体运动有次要影响的涡旋。LES的目标是，直接模拟出大涡的运动，而对于小涡的运动，则使用一些经验公式来近似。这样，就可以减少计算量，同时保留湍流的主要特征。但是，即使使用了LES技术，要模拟出晴空湍流仍然是非常困难的。因为晴空湍流发生在很大的空间范围内，而且涉及到很多不同尺度的物理过程。比如，晴空湍流可能受到地球自转、地形、气压、温度、湿度等因素的影响。要把这些因素都考虑进去，就需要有很高的空间分辨率和很长的时间步长，这就需要有很强大的计算能力和很大的存储空间。一般来说，我们使用的计算机是无法达到这样的要求的。使用超级计算机为了解决这个问题，论文的作者使用了日本最快的超级计算机“富岳”来进行模拟。富岳是一台拥有超过700万个处理器核心和超过5000万GB的内存的高性能计算系统，它可以达到每秒约500亿亿次的浮点运算速度。使用富岳，论文的作者可以进行非常高分辨率和长时间步长的LES模拟。论文的作者选择了一个发生在2020年12月30日东京上空的晴空湍流事件作为模拟对象。这一天，由于低压系统和附近山脉的影响，东京上空出现了强烈的风切变和大气不稳定性，导致了多架飞机遭遇到晴空湍流。论文的作者使用了一个叫做SCALE-LES的区域数值天气预报模型来进行模拟。他们设置了不同的水平分辨率（从2.8公里到35米）和垂直分辨率（从100米到10米），并且模拟了从2020年12月29日18时到2020年12月30日18时这24小时内发生在东京上空约200公里×200公里范围内的大气运动。模拟结果如何论文的作者发现，他们的模拟结果可以很好地再现真实飞机遭遇湍流的位置和强度。他们还发现，湍流主要是由一种叫做Kelvin-Helmholtz不稳定波的崩溃所引起的。这种不稳定波是在两层风速不同的空气之间形成的，当上层的空气以更快的速度流过下层的空气时，就会在界面处产生一些波状的扰动。当这些扰动增长到一定程度时，就会发生波峰和波谷的翻转，形成一些类似水滴的涡旋。这些涡旋就是湍流的源头，它们会对飞过它们的飞机造成冲击和扰动。论文的作者发现，当他们使用更高的分辨率（35米）时，他们可以直接模拟出这些不稳定波和它们的崩溃过程。而当他们使用较低的分辨率（2.8公里）时，他们只能模拟出一些平滑的风场，没有明显的涡旋结构。这说明，要想准确地模拟晴空湍流，就需要有足够高的分辨率来捕捉到这些微小但强烈的涡旋。论文的作者还发现，当他们使用更高的分辨率时，他们模拟出的湍流对飞机的影响也更大。他们使用了一个叫做flightgear的开源飞行模拟器，来模拟一个虚拟飞机在他们模拟出的风场中飞行。他们比较了虚拟飞机和真实飞机在同一时间、同一位置、同一高度、同一航向上遭遇湍流时的数据，比如飞机的姿态、速度、加速度等。他们发现，当他们使用35米分辨率时，虚拟飞机和真实飞机的数据非常接近，说明他们模拟出的湍流是合理和真实的。而当他们使用2.8公里分辨率时，虚拟飞机和真实飞机的数据差异很大，说明他们模拟出的湍流是不准确和不真实的。
当然，这篇论文还有一些局限性和不足之处。比如，它只模拟了一个特定时间、特定地点、特定条件下发生的晴空湍流事件，并不能代表所有可能发生的晴空湍流情况。比如，它只使用了一个区域数值天气预报模型，并没有考虑全球尺度或者更细微尺度上可能存在的其他影响因素。