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乔善勋/文
近年来,飞机遭遇颠簸的情况似乎越来越频繁,且强度也越来越大。这不仅给乘客带来身体上的不适,也引发了人们对飞行安全的担忧。接二连三的颠簸事故也加剧了人们对飞行安全的担忧:2024年5月,短短5天内就发生了两起严重的飞机颠簸事故。5月21日,新加坡航空一架波音777客机在由伦敦飞往新加坡途中遭遇剧烈颠簸,造成1人死亡、70余人受伤。5月26日,卡塔尔航空一架波音787客机在由多哈飞往都柏林途中遭遇颠簸,造成12人受伤。
湍流是指空气在流动过程中出现的局部不规则运动,包括局部升降、涡旋等。它主要由大气中不同方向或不同速度的气流相互作用引起。常见的原因包括高空急流、山脉波、飞机尾流涡旋和雷暴天气等。它是导致飞机颠簸的重要原因之一。其中,晴空湍流(CAT)是最为危险的一种。它通常发生在6千米以上高空,与对流云无关,且没有明显的天气预兆,因此飞行员和雷达难以提前发现。晴空湍流可能导致飞机失控,造成人员伤亡等严重后果。
图、极地急流和副热带急流示意图
高空急流(Jet stream)是导致晴空湍流的重要原因之一。它是一种地球大气中狭窄而强劲的风带,主要呈西向东分布,位于距离地面数千米的高空。高空急流的宽度通常为几百公里,风速可达每小时数百公里,对航空运输有着重要影响。
高空急流的形成主要源于地球南北两极温差的差异。由于太阳辐射的差异,赤道地区吸收的太阳辐射较多,而两极地区吸收的太阳辐射较少。因此,赤道地区的大气温度较高,而两极地区的大气温度较低。温暖的空气密度较小,会上升到高空;寒冷的空气密度较大,会下降到低空。在大气中空气由高压流向低压形成风。当温暖气团和寒冷气团在高空相遇时,就会形成高空急流。
高空急流与湍流密切相关。高空急流中的风速切变越大,晴空湍流发生的可能性就越高。飞机穿越高空急流时,遭遇颠簸的风险会增加。《自然气候变化》杂志刊登的一项研究表明,全球气温每升高1℃,高空急流的风速将加快2%,其中最快风速可能比平均风速高出2.5倍。
图、高空急流的可视化图像
高空急流是一种自然现象,自古以来就客观存在,对天气和气候有着重要影响。对其认识和研究经历了漫长的过程。
19世纪中叶,美国气象学家埃利亚斯·卢米斯(Elias Loomis)在研究美国大型风暴的移动规律时,提出了一种假说:在高空可能存在一股强大的西向东气流,并对风暴的移动产生影响。这是人类历史上首次提出高空气流的概念。
1883年,印度尼西亚喀拉喀托火山爆发,喷射出大量火山灰和气体,形成高空云层并向全球扩散。气象学家在追踪云层轨迹时发现,它们通常沿着西风带方向从西向东移动,由此推测高空可能存在一股强劲的风带。
20世纪初,日本气象学家大石和三郎(Wasaburo Oishi)利用气象气球观测到了高空急流的存在。他将气球释放到高空,并通过跟踪气球的移动轨迹,发现了高空急流的强劲风速和西向东移动方向。这一发现为高空急流的研究奠定了基础。
第二次世界大战期间,从美军基地起飞的B-29轰炸机飞行员发现,在发动机正常工作且没有机械故障的情况下,飞机仪表显示的地速增加了193公里/小时,接近724公里/小时。起初,他们以为是飞机仪表出现故障,但经过仔细检查后发现仪表工作正常。后来,他们发现这可能是由于飞机穿越了高空急流导致的。高空急流的强劲风速使飞机飞行速度加快,但同时也导致了轰炸精度的大幅下降。
图、副热带和极地急流纬度剖面图
地球每24小时自转一圈,但自转速度并不均匀。赤道附近的地区自转速度更快,而远离赤道的地区自转速度越慢。想象地球是一个巨大的旋转球体,赤道位于地球的最宽处,周长约4万公里。这意味着在一次自转中,赤道上的一个点会移动4万公里。随着纬度的增加,地球的周长会逐渐缩小,最终在两极降为0。自转速度也相应地从赤道的1670公里/小时下降到两极的0。
地球自转速度随纬度变化的现象,对全球大气环流模式产生了重大影响。它使北半球的运动物体向右偏转,南半球的运动物体向左偏转。这种偏转力被称为科里奥利力(Coriolis effect),与气压梯度和温度差异共同驱动了各种大气环流模式。
南北纬30°(副热带急流)和南北纬50°~60°(极地急流)附近是地球温度变化最大的区域,也是高层大气风力最强的区域。在副热带地区,盛夏时地面受热强烈,空气上升形成低压,而冬季则因地面辐射散热强烈,空气冷却下降形成高压。在极地地区,冬季由于太阳辐射弱,地面温度极低,形成高压。夏季由于太阳辐射增强,地面温度回升,形成低压。这种温度变化的差异导致了空气压强的差异,从而形成大范围的气压梯度力。随着温差加剧,风的强度也会增大。因此,在这些区域形成了强烈的风带,也就是副热带急流和极地急流。
图、罗斯贝波:北半球急流在北极涡流周围蜿蜒发展(a和b),最后分离出冷空气(c),其中橙色为暖气团;粉色为急流;蓝色为冷气团
高空急流长约1600~4800千米,厚约1.6~4.8千米,风速超过90千米/小时,最大记录达到398千米/小时。高空急流会剧烈地横向漂移,并在高度上发生变化。高空急流形成的位置位于对流层顶的断裂附近,处于极地环流、费雷尔环流和哈德利环流之间的过渡处。
高空急流如同一条空中河流,在气象图上以一条线表示最强风的位置。 这条“河流”的中心风速最强,向两侧逐渐减弱。因此,高空急流也被称为“空气之河”。
在高空急流周围的过渡区域,由于风速变化剧烈,存在大量风切变,因此容易产生晴空湍流。 在风暴和锋面上方的晴空区域也可能存在严重的湍流。这些湍流并非静止不动,而是会随着大气运动而不断移动和变化,难以预测。
气象雷达通过发射无线电波并接收反射信号来探测大气中的物体。 雷达波可以被雨滴、冰晶等物体散射,因此可以有效探测降水、雷暴等天气现象。然而,晴空湍流中没有水滴或冰晶等散射雷达波的物体,因此飞机气象雷达无法探测到晴空湍流。
图、急流和山脉是导致晴空湍流的常见原因,在流动的空气中,空气会沿着一个方向平稳流动,当动荡发生时,空气会向各个方向发展形成湍流
图、亚洲区域湍流示意图,黄色虚线区域可能在35000英尺~42000英尺之间发生湍流,红色区域可能出现风暴。
二战前后,螺旋桨飞机普遍用于民航,由于巡航高度较低,很少遭遇高空急流。然而,1958年喷气客机时代到来,客机巡航高度大幅提升,进入高空急流频发区域。这给飞行员带来了巨大挑战,因为晴空湍流的位置和强度难以预测,只能被动应对。高空湍流会导致飞机出现剧烈颠簸,飞机结构有可能遭到损坏,严重威胁乘客和机组人员安全,也可能造成飞机结构损坏。据统计,在美国每年会因此损失5亿美元。
1997年12月28日,由美国联合航空公司运营的UA826航班从日本东京成田国际机场飞往美国夏威夷檀香山国际机场。该航班载有393人,包括389名乘客和4名机组人员。飞机在起飞约2小时后,在9500米高度巡航时遭遇强烈颠簸,机上人员和物品被抛来抛去,撞击在客舱四周,造成1人死亡、129人受伤,其中11名乘客重伤。该架波音747客机因受损严重而提前退役。
图、美联航UA826号航班被砸坏的天花板
据研究数据,北大西洋上空的严重晴空湍流时间从1979年的17.7小时增长了55%至2020年的27.4小时。中度晴空湍流时间增长了37%至96.1小时,轻度晴空湍流时间增长了17%至546.8小时。晴空湍流具有突发性,往往令机组人员措手不及,是造成中度甚至重度伤害的主要原因。据美国联邦航空管理局(FAA)统计,2009年至2021年间,146名乘客和机组人员因湍流而遭受严重伤害。
天气预报和飞行员报告能够帮助飞行员避开湍流区域,但二者都存在局限性。例如,天气预报只能预测大范围的湍流可能性,无法精确定位和预测湍流的强度。此外,飞行员报告的湍流位置也可能存在偏差,有时误差可达几十英里。
科研人员和航空机构为了解决传统方法的预报精度不足问题,正在研发和应用多种新技术来提高晴空湍流预报的准确性。例如,美国国家大气研究中心的科研人员研发了一种名为“湍流监测算法”的新技术。该技术利用约1000架商用客机的机载传感器,通过收集飞机飞行过程中产生的速度、风速、气压、横滚角等数据,生成更加精细的局部大气湍流信息。并将这些数据反馈给国家气象部门,用于改进湍流预报模型,从而提高湍流预报的准确性。
晴空湍流不仅会造成安全隐患和乘客不适,还会对飞机性能和能耗造成负面影响。例如,为了避让湍流,飞机需要改变航线和高度,这会导致飞行距离增加,燃油消耗增加。据统计,美国航空公司每年因避让湍流而改变航线和高度,导致额外消耗约1.6亿加仑燃油,经济损失高达1亿美元。
气候变化将使湍流问题更加严峻。英国雷丁大学一项研究表明,预计到2050至2080年,北美和北大西洋地区的晴空湍流将分别增加113%和181%,这主要源于气候变化导致的高空急流变化。这将给航空业带来更大的运营成本压力和安全挑战。
未来几十年内服役的飞机,需要考虑改进飞机设计,使其能够更好地应对未来更加剧烈的湍流。例如,可以加强机身结构,提高抗湍流能力;研发新的传感器和预警系统,帮助飞行员提前识别和避开湍流;探索新的飞行控制技术,减轻湍流造成的颠簸。
预防湍流伤害最有效的方法是系好安全带。然而,传统做法是飞机达到巡航高度后就会关闭安全带指示灯。这使得空乘人员在巡航阶段起身工作时面临更大的伤害风险,因此他们是飞机上最易受伤的人群之一。
人们害怕飞行,主要原因之一是缺乏掌控感。置身于封闭的机舱内,面对未知的天气状况,人们难免会感到焦虑和不安。资深乘务员和作家希瑟·普尔建议,为了获得更舒适的飞行体验,可以采取以下措施:选择白天早些时候的航班;选择机舱内尽可能靠前的位置。
过往的事故教训告诉我们,即使安全带指示灯熄灭,也应系好安全带。希望这些信息能够帮助大家缓解飞行焦虑,拥有更舒适的飞行体验。返回搜狐,查看更多
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快照生成时间:2024-08-17 20:45:01
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