乘坐的飞机为什么越来越颠？高空急流和热穹之下的天空

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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