防止晴空颠簸伤人事件的系统化思考

防止晴空颠簸伤人事件的系统化思考

——上海航空 王谭

长期以来，空中颠簸一直是导致飞机乘客在非致命事故中受伤的主要导火索。飞行安全基金会Flight Safety Foundation在2022年度安全报告[1]中指出，2017年至2022年的六年间，五种高风险事故类型的发生数量占全球航空公司事故总数的56%。前几年，冲偏出跑道是最多发的事故。但从2021年起，与颠簸相关的事故发生数量激增，连续两年成为最多发的事故类型。如图一数据显示，2022年共发生22起与颠簸有关的民用航空事故，数量高于2021年全球新冠阴霾下航班低位运行的13起事故。在2017年至2021年的五年期间，共发生82起颠簸相关事故，平均每年16.4起。其中，发生次数最多的年份是2019年，共24起。而所有事故的发生，都对乘客和/或机组人员造成了严重伤害。

图一

美国国家运输安全委员会NTSB于2021年发布的安全调查报告NTSB/SS-21/01 PB2021-100927中如图二数据显示[2]，随着飞机设备的改进、气象预报准确性的提高、颠簸培训教育的开展，每百万飞行小时中非颠簸相关的事故发生率明显下降，但是颠簸相关的事故发生率却没有明显的改善趋势。

图二

近年来，国内航班中也频发颠簸事件，轻则造成旅客体验度不佳，重则造成飞行高度偏离，甚至引发颠簸伤人事件。中国民航在2013—2018年期间,运输航空报告颠簸事件共678起,其中颠簸伤人事件46起,旅客受伤145人,乘务员受伤66人。

晴空颠簸由于其发生频率较高，很难被准确预测，而且机组也无法通过目视来判断。中度及重度程度的颠簸，可能增加飞机结构疲劳度甚至导致结构损坏，造成旅客/机组伤亡以及影响机组正常操作，对高空飞行安全构成很大威胁。

安全是民航业的生命线。民航从业人员要深刻认识到民航安全工作的极端重要性，不断提高安全工作政治站位，坚持“人民至上、生命至上”，坚持系统观念，坚持安全隐患零容忍，扎实做好隐患排查治理，做好生产运行过程管理。本文将从晴空颠簸形成、气象情报、机组应对、数据分析、培训教育五个方面来阐述防止晴空颠簸伤人不安全事件的系统化思考与分享。

一、晴空颠簸的形成

晴空颠簸，是指在对流云体外遭遇的颠簸。晴空颠簸包括卷云内部、荚状云内部或附近的颠簸，以及某些情况下雷暴附近晴空内的颠簸。晴空颠簸不包含由雷暴、低高度逆温层、热效应或地形特征引起的颠簸。且晴空颠簸通常会发生在 7000米以上的高度。

1.高空急流附近是出现晴空颠簸的主要区域之一。2010年12月至2017年10月之间，有明确成因记录的3427份航空器颠簸报告中，高空急流导致的颠簸占比69.62%,是中国航空器颠簸事件的第一成因[3]。所以，理解高空气象图中的高空急流带，对于做好颠簸预防与处置有着至关重要的作用。

高空急流通常分成以下三类：极锋急流、副热带急流和极夜急流，如图三所示。[4]

（1）极锋急流（Polar Jet）：位于费雷尔环流（Ferrel Cell）与极地环流（Polar Cell）之间的一股由西流向东的气流。该急流的轴位置和分布高度随季节的变化而变化。冬季平均位于北纬40°至60°之间，夏季平均位置北移到北纬70°附近。极锋急流在冬季时最为强烈。极锋急流的高度会发生变化，但急流轴的高度通常位于9000米（30000英尺）左右。

（2）副热带急流，是连续的、环绕副热带的高空急流，它通常位于北纬20°至30°之间。副热带急流通常以三波形式环绕北半球，波脊分别位于亚洲东海岸、北美地区以及地中海东部地区。与极锋急流类似，副热带急流在冬季最为活跃。副热带急流轴高度在10700米（35000英尺）至13000米（45000 英尺）之间，高于极锋急流。

（3）极夜急流，又称极地平流层急流，位于冬季北极圈附近的平流层，对我国上空的飞行活动无重大影响。

图三

2.高空急流、高空槽、山地波和垂直风切变造成晴空颠簸的解读[5]。

（1）如果急流轴的风速超过110海里/小时，如图四所示三个区域可能会出现强烈颠簸：急流轴上方倾斜的对流层顶附近（颠簸区1）、急流轴下方的急流锋内部（颠簸区2）以及急流轴低压（靠极地）一侧。

图四

（2）除了高空急流附近产生晴空颠簸以外，深的高空槽也是引发晴空颠簸的主要区域。如图五，晴空颠簸最常出现于高空槽底的上风面，尤其是在较强的温度平流区（冷暖空气的水平运动称为温度平流）的下风面处。另外，槽线处也有可能出现晴空颠簸，此处南、北向气流之间存在强烈的水平风切变（北半球高空槽前一般为西南风，高空槽后一般为西北风）。当高空槽后的强风区经过时，通常也会产生晴空颠簸。

图五

（3）山地波有时可向上伸展到整个对流层,甚至影响到平流层，如图六所示。如果急流带位于山地波的上风方或下风方，急流中的风切变和晴空颠簸会变得更为强烈。当穿越位于山区附近的强急流带时，很可能会遭遇到晴空颠簸。山地波会极大增强水平风切变和垂直风切变。

图六

（4）垂直风切变也会导致晴空颠簸。垂直切变每300米（1000英尺）大于5 海里/小时，有可能发生晴空颠簸。

二、气象情报

为了降低颠簸伤人事件的发生率，全球范围内各国民航局、各航司都在致力于提高颠簸报告、预警的准确性和及时性，建立信息平台，为航班生产提供运行决策基础。以下是全球范围内部分主流的气象情报及信息平台：

1.航路重要气象情报SIGMET。鉴于颠簸对航班运行产生的较大影响，现阶段航司通常使用航路重要气象情报SIGMET以及预告图来发布重要颠簸信息。SIGMET发布的天气现象，主要有雷暴、颠簸（包括晴空颠簸）、积冰、大面积沙尘、火山喷发及火山灰。

2.除了利用传统的SIGMET来提醒机组对应区域的各类天气状况外，航司还尝试利用颠簸指数SR以及EDR等数据进行航班运行中的颠簸运行控制。

（1）颠簸指数（SHEAR RATE，简称SR），是根据运行飞行计划制作时的大气预测数据，通过对比临近高度层的风向风速矢量，计算出的目标高度层的平均风量变化，即目标高度层的平均地速差，不适用于云中颠簸，该数值的单位是“节/1000 英尺”。这种计算方法把风的切变量平均分配到每个高度层，在实际情况下，不一定能够准确表明飞机将遭遇的颠簸强度，但高SR值意味着有相对高的概率遭遇中等或更强的颠簸。下图七所示为SR指数在飞行计划中的显示，我司航班运行中，当SR≥6时，签派将对机组进行重要提示。

图七

（2）EDR (Eddy Dissipation Rate )即涡旋耗散率，是衡量大气湍流强度的指标。已被国际民用航空组织作为测量飞机颠簸强度的计算指标，其范围值为0.00-1.00。在飞行的任何阶段，每当涡旋耗散率的立方根的峰值大于0.4时，都必须编制颠簸特殊空中报告。报告必须指观测开始前1分钟时段内的颠簸情况，平均值和峰值都必须予以观测，并且必须用涡旋耗散率的立方根来报告。特殊空中报告必须每分钟发布一次，直到涡旋耗散率的立方根的峰值降到0.4以下。

除数值较大的特殊空中报告外，对于较轻度颠簸事件通常有如下三种类型的报告：

l  类型1: 第1分钟的峰值EDR≥T1（0.18），6分钟后有一个报告产生；

l  类型2: 连续6分钟中有3分钟的峰值EDR≥T2（0.12），持续6分钟都可能有最近一分钟的EDR报告产生；

l  类型3: 连续6分钟中有4分钟的平均EDR≥T3（0.06）。持续6分钟都会有最近一分钟的EDR报告产生。

图八

A .虽然现阶段可以通过EDR观测预测出某区域的存在颠簸情况，但是数据的可靠性、准确性、实用度还存在进一步提升的空间，基于以下两点原因：

l  虽然EDR被用来表征颠簸程度，但仅属于观测，通过收集处理观测数据推测出某区域发生颠簸的可能性来实现预测，方法类似于大数据预测，就好像车载导航软件的交通状况数据集成，收集的数据越多，反馈的路况越准确。实现EDR数据采集，除了要获取算法以外，还需要进行数据处理和下传，国内多个航司虽然已在机上实施了部署，但由于数据量不够大以及航司间共享程度的边界，EDR报告以及预测的广度、准确度和实用度自然也会打折扣。在民航局层面开窗和共享各航司之间的数据，或尝试使用国际的EDR数据分享平台，对于提高获得颠簸数据的准确性和即时性至关重要。

l  EDR是与航空器无关的对颠簸的量度，EDR指数与颠簸感受之间的关系是航空器类型、质量、海拔高度、航空器结构和空速的函数。机型不同、载量不同或空速不同时，感受到的颠簸情况也不同。后续飞机再经过此区域仍会遇到颠簸的可能性有多高，存在一定的不确定性。

B .为了进一步提升EDR数据的可靠性和适用性，IATA、各国民航局及研究单位都在改善数据收集、算法改进及平台建立等方面做出努力。

l  为解决空中颠簸等级划分标准不能准确反映不同机型的颠簸情况，导致机组难以准确采取应对措施的问题，中国民航局于2022年在国际民航组织ICAO第41届会议上向大会技术委员会提出工作文件[7]，提出应针对不同机型制定空中颠簸应用标准，提出通过建立EDR与G载荷的转换关系，将预报的气象颠簸转换为机组感受的数据应用建议。

l  国际航空运输协会IATA在2020年推出飞行颠簸项目（Turbulence Aware）[8]，提供全球实时颠簸数据覆盖、风与温度、历史数据文件、日均超7000架次飞机及超51000次的颠簸报告等多项信息数据，供参与项目的航司使用，如图九所示。2023年2月，民航局胡振江副局长在与IATA的会晤中，支持中国民航相关单位和国际航协探讨在飞行颠簸项目上的合作。

图九

l  在过去的几年里，美国民航局FAA资助美国国家大气研究中心NCAR和其他机构，开发了一个颠簸实时预报和预测系统—图像化颠簸指南Graphical Turbulence Guidance，简称GTG。该系统基于计算机算法和飞机实时数据相结合来预测空中颠簸，可以预测长达12小时的空中颠簸情况。其主要原理为：使用天气数据预测模型计算颠簸，然后对其进行加权和组合。组合的相对权重被动态优化，与最新可用的颠簸观测结果（实时EDR数据和飞行员报告PIREP）相校对。该程序允许算法将由于个体数据性能和测试各种阈值的不确定性而导致的预测误差降至最低。现阶段正迭代至GTG4，其专注于开发关于“对流诱导颠簸”的更好预测，并将使用更高分辨率和更快刷新率的模型。

l  日本气象厅（JMA）的一项研发成果,名为颠簸指数（TB index）[9]，该算法把各种表征气流变化的指数都综合到计算里，侧重于对大气变化规律的计算，可以脱离机载设备在地面进行观测和计算，力求及时和精确地显示颠簸的位置和程度，目前这些指数已经多达15种。

表十

三、机组应对

航司基于所拥有的平台数据、气象信息，综合判断颠簸对航路和所选飞行高度的影响，通过预警平台发布信息，并在制作运行飞行计划时，飞行签派员、气象人员和飞行机组共同决策、认真分析天气形势、拟定飞行方案，必要时也可采用延误、取消航班等措施，采用各种方法避免飞机进入这些区域，以提高飞行安全裕度。但在实际运行中，机组还是会遇到预期及非预期的颠簸，所以机组应从航前准备开始，周全分析与评估颠簸相关的信息与风险，加强客舱沟通以及熟知颠簸处置的预案。

1.机组航前准备阶段，机组应认真研究航路的气象情况，确定是否存在高空急流、锋面、颠簸区和雷雨区，了解航路各点的颠簸指数，并制定相应预案。

全体机组航前协同时，机组应主动将天气情况向客舱机组简介，除了航路及目的地天气状况，还应针对可能造成颠簸的气象情况，如高空急流、锋面、雷雨等加以说明，机长应将预计颠簸的时间、强度和持续时间，期间服务流程的中止和恢复以及信号灯使用等相关信息进行告知，以便客舱机组做好空中颠簸处置的心理和组织准备。

2.飞行运行期间，机组必须考量以下方面：

（1）正确使用气象雷达，确保飞机与雷雨云或积雨云的间隔距离符合规章规定的距离，通过气象雷达的回波来综合判断天气所带来的风险。注意守听空中其他飞机报告和ATC通讯，获取存在的颠簸信息。

（2）飞行中应避开中度程度颠簸，在所有可能的条件下避开严重颠簸，如果无法避开，遵照机组操作手册中的相关颠簸程序执行。

（3）在轻到中度颠簸中飞行时，除非性能达不到要求，可以保持自动驾驶和/或自动油门接通。在遭遇重度颠簸时，按程序核实偏航阻尼器接通，设置发动机起动电门飞行位，接通驾驶盘CWS方式，脱开自动油门按需设置推力。在颠簸减轻，飞机状态稳定后，尽早接通自动设备。

（4）机组在监控自动驾驶在颠簸条件下操作时，应避免在其不满足性能之前，人为干扰自动驾驶工作，也应避免无意识地紧握驾驶杆/盘，这些行为均可能导致自动驾驶在外力作用下断开。B737NG飞机维护手册AMM中描述：当在驾驶杆上施加超过21磅的杆力，或在驾驶盘上施加超过10磅的盘力，会造成飞机自动驾驶CMD方式降级为驾驶盘CWS方式或根据FCC版本差异，直接断开变成指引FD方式。

（5）机组应理解，飞机在巡航时驾驶杆移动相应的俯仰反应比起飞或着陆中速度小一些时的反应敏感得多。在巡航颠簸期间的人工飞行过程中，使用姿态仪作为主要仪表，保持机翼水平并柔和控制姿态。在强烈的垂直气流中，会出现明显的高度变化。操纵量不可过猛或过大，防止造成飞机结构或者客舱人员的受伤，同时也可以减小由于高度变化造成对其他航空器的威胁。

（6）实际飞行中，常常遭遇突发性的颠簸，无论是在晴空中飞行还是穿越气团。按照现有的机载设备能力，机组要对颠簸强度进行准确地预判，存在一定难度。因此，在进入颠簸之前，做好预想预防，可以有效避免惊吓效应造成的技术动作变形。机组良好的协同配合和情景意识十分重要，PF应关注飞机姿态、速度、下降率和推力等基本飞行参数的变化情况，尤其应熟悉不同巡航高度的正常平飞姿态。PM应重点关注周遭环境，通过ATC联络寻求适合的航径或巡航高度，同时，在机动飞行中监控飞机各系统的工作情况，避免超过极限的操作。

3.飞行中遇到严重颠簸，机组须填写飞行记录本以便机务部门执行维护程序。

四、数据分析

在颠簸测算、预警和处置的系统工程中，数据分析是至关重要的一环，为各类信息、图像化展示、决策平台提供准确的数据源，做好事前管理；还可通过QAR数据分析、模拟机验证、模拟机还原等方式，协助调查不安全事件以及提供后续训练的支撑，做好事后管理。下面我们来了解几种国际主流及国内数据分析的方法及思路：

1.原位（In Situ）EDR算法[10]。EDR是单位时间流体微团通过分子粘性力将脉动动能转化为热能的湍流动能的耗散。在气象科学界中，有着很高的声誉的美国大气研究中心NCAR，在FAA的要求和资助下，综合和改进了前人的算法，推出了原位EDR算法，这是一种基于垂直风的最大似然算法，在概念上可以认为它有三个基本组成部分——垂直风计算、最大似然EDR估计，以及集成到前两者中的质量控制QC算法。其主要的算法，是将飞机的左右迎角α1和α2、真空速VT、坡度φ、姿态θ和惯性垂直速度Z(  。)，通过算法包每分钟输出平均和峰值EDR以及相关的质量控制度量。气压高度Z，和垂直加速度Z(。。)不用于这个算法，而是用于调整。

根据输入来计算垂直风，由于气流影响，原始迎角传感器测量值有偏差，因此行业中的标准做法，是使用线性模型来进行校准，飞机制造商可以提供校准系数，但NCAR使用了自己的经验数据进行校准。其中垂直风的计算结果来自于真空速VT、校准的迎角αb、姿态θ、坡度φ和惯性垂直速度Z(  。)：

ω=VT（cosθ sinαb  cosφ-cosαb sinθ）-Z(  。)

在计算出的垂直风基础上，NCAR通过线性去趋势进行经验风力功率谱计算，使用伪最大似然法获得修正因数，获得每分钟内的涡旋耗散率以及其立方根（EDR值），以平均及峰值数值展现。该算法经过仔细测试，表现出了非常好的统计性能的模拟。

2.波音公司运动学一致性分析（KinCon）。该分析是根据物理定律对飞行测试或飞行数据记录器（FDR）中测量和记录的飞机动态数据进行运动学校正的过程。

关于垂直风的计算，是在KinCon过程结束时计算的。飞行员的驾驶杆输入和垂直风计算之间没有直接的相关性，但间接地，控制杆的输入改变了迎角、俯仰姿态和高度。垂直风速计算与飞机机动无关，但迎角用于计算风速，所以在估算迎角时考虑俯仰姿态变化率的因素，必须对迎角传感器进行校准，校准迎角传感器受到局部自由气流流动的影响。要做到这一点，根据惯性推导的俯仰角、坡度和飞行航径角的测量值计算“实际”迎角，这些测量值基于真空速和爬升率。尽管这个计算的迎角没有考虑到风或阵风，但目标是通过观察多次机动来平均风和阵风的影响，从而实现准确的校准。执行校准的一般过程是确保校准与惯性推导的迎角相匹配。选择稳态条件以确保惯性导出数据的质量。

计算出的垂直风分量更准确地反映了遇到的实际垂直风，代表了波音公司对实际风的最佳估计，为事故和事件调查提供了准确的飞机运动信息及垂直风数据。

鉴于商业知识产权原因，波音并未提供Kinkon算法中垂直风的具体公式，但从算法逻辑描述来看，其主要的底层算法逻辑和NCAR关于垂直风的计算一致。

3.国内科研人员及专家也在尝试以科学的算法，获得大气中的颠簸情况，例如关联EDR数据与垂直加速度，垂直风来展示颠簸情况。例如针对飞机舵面与姿态相关性的定量描述，基于EDR颠簸实报的应用条件分析，计算Pearson相关系数，用于判定伤人原因是机组操纵还是天气原因。从数据的前端分析到后端的判定都开展了多项分析研究，各方的调查与研究均致力于保证和提升民航运行的飞行安全。

4.除了数据分析以外，国内民航训练单位有模拟机QAR数据还原能力，将机载QAR数据导入模拟机，可实现飞机状态以及各项基本参数的再现，便于了解数据段内飞机状态的变化。模拟机数据还原的底层算法逻辑，基于上文所述的垂直风算法，利用QAR数据还原出垂直风，在模拟机中进行体现，便于协助事件分析及调查，同时典型案例也可成为EBT循证训练的训练场景。

5.以上全球及国内科研单位所研究的数据分析及研究，可以估算颠簸以及垂直风的数据，但颠簸伤人事件是由众多的因素造成的。一方面，除了估算的天气数据，还需要考虑飞机重量/重心/配平状态等参数，考虑垂直风对飞机产生的具体影响，这些均未在以上所有算法中考量；另一方面，机组颠簸处置正常操作也可能造成颠簸伤人，加上个体操纵能力差异，对高度偏离以及空中冲突的担忧，客舱管理等这些人的因素，很难通过数据进行量化以及计算，而且这些人的因素在颠簸不利条件下至关重要。

为了将天气推测数据、飞机参数和人的因素融合，笔者设想利用模拟机实例数据还原，或预设颠簸及垂直风切变条件下进行多技术级别人员、多轮次、无预期的盲测，利用海量数据建立不利天气条件、自动驾驶/机组输入、飞机参数变化、客舱位移加速度等方面的模拟数据模型，实现人-机-环的深度结合，并根据盲测的总体情况制定可接受的能力标准，来辅助颠簸伤人不安全事件中人因比例的界定。基于此思路建立的评判标准，随着数据量的增加和算法迭代，可更准确的界定颠簸伤人事件中人因与天气的比例，比纯粹的数据分析更加的贴合实际。

五、培训教育

系统的、完善的、有成效的理论培训，是保证各专业人员正确获取和分析颠簸信息，正确处置颠簸的前提。

1.为了提升飞行人员的理论培训质量，除了传统的文字、图文的课件，可视化训练可以极大的提升培训效果。在模拟机上演示具体场景及科目，经过后期的加工，可以更直观的展示颠簸、超速处置的标准程序，以及非标准程序造成的不利影响。

2.公司正持续向数据驱动和趋势研判发展，建立EBT数据分析框架，开展人、机、环多维分析，形成支撑训练正向输入。在现有实证基础上，从行业分析报告、航空安全报告、事件调查分析、事故或征候调查报告等材料中，进行较为系统的训练需求分析，使模拟机训练科目设置做到量体裁衣，综合设置具体复训的公共课程以及专项训练课程。基于数据分析持续提升，有效减少和避免“黑天鹅”和“灰犀牛”事件的发生。在训练需求分析TNA训练科目的等级矩阵中，不利天气归为A类，每半年的模拟机复训需要对此进行训练。

3.为提升模拟机训练质量，除了全员完成相关的培训以外，对模拟机教员进行提前性的模拟机科目培训和研讨，并优先安排技术骨干对模拟机教员实施复训，可以进一步保证和提升训练质量的准确性和统一性。并根据模拟机训练表单的反馈，及时发现存在的问题，并完成能力提升训练及后续训练科目的针对性改进。

六、总结

本文回顾了颠簸伤人事件的现状，着重在晴空颠簸的形成、气象情报、机组应对、数据分析和培训教育五个方面进行了阐述。对于国内外的颠簸预报平台、主流颠簸推测算法、垂直风算法、不安全事件定性等研究报告进行了查询与比较。综合各方面的信息资源和研究成果，更加深刻的体会到防止晴空颠簸伤人是一个庞大的系统化工程，该工程不仅需要各航司对于公司内部的气象预报、运行监控、循证训练等方面投入大量的资源和精力；还需要各航司之间打开颠簸数据独享壁垒，提高颠簸预测的准确性和即时性；也需要监管和支持单位加强国际交流，开发更完备和准确的天气预警平台，建立人-机-环的事件全面分析数据模型，为各航司提供坚实的法规与系统支持。

通过各方统筹管理、各尽其职、协同配合，相信颠簸伤人的事件发生率会有长足的改善。深入践行习总书记关于坚持“人民至上、生命至上”，坚持系统观念，坚持安全隐患零容忍，扎实做好隐患排查治理，做好生产运行过程管理的指示批示精神，确保航空运行绝对安全、确保人民生命绝对安全，实现中国民航从民航大国向民航强国的迈进。

参考文献：

[1] Flight Safety Foundation，2022 Safety Report, March 2023;

[2] NTSB，Preventing Turbulence-Related Injuries in Air Carrier Operations Conducted Under Title 14 Code of Federal Regulations Part 121，August 10,2021;

[3] 胡壮、阿利曼、朱思礼等,《中国航空器颠簸报告分析》,《中国民航飞行学院学报》2019年3期;

[4] FAA AC00-30C, Clear Air Turbulence Avoidance, March 2016;

[5] 中国民用航空局飞行标准司 AC-91-FS-2014-20,航空器驾驶员指南-雷暴、晴空颠簸和低空风切变,2014年3月;

[6] Arlene Laing，Matthew S. Wandishin，Joan E. Hart，Melissa A. Petty，Assessment of Graphical Turbulence Guidance, Global (GTG-G)  Part 1，NOAA Technical Memorandum OAR GSD-60,March 2018;

[7] ICAO大会—第41届会议技术委员会,议程项目31：航空安全与空中航行标准化-制定空中颠簸应用标准的建议,2022年8月;

[8] IATA Turbulence Aware, www.iata.org/en/services/statistics/safety-data/turbulence-platform/;

[9] Atsushi Kudo,DEVELOPMENT OF JMA'S NEW TURBULENCE INDEX,Numerical Prediction Division, Japan Meteorological Agency;

[10]Gregory Meymaris,Robert Sharman,Larry Cornman,Wiebke Deierling,The NCAR In Situ Turbulence Detection Algorithm,June 2019.

——本文源自《飞行员》杂志2023年第5期 总第121期