近云颠簸——飞机颠簸的一种形成机制

——中国民航华北空管局气象中心 于洁 张强

大气湍流引起的飞机颠簸，是影响航空运输安全和经济效益的重要天气之一，巡航阶段在对流云内颠簸或近云颠簸（NCT）影响最严重，对飞机上的乘客和客舱服务人员造成的伤害也最大。近云颠簸的发生和发展与雷暴等强对流天气系统密切相关，由其引发的垂直风切变和重力波破碎惯性不稳定等原因有关，在形式上表现为风的急剧变化。由于飞行中无法通过目视或机载天气雷达，对其进行有效观测和准确识别，近云颠簸是目前航班运行管理上的一个薄弱环节，作为提升运行安全水平的重要一环，在未来航空业务发展规划上应引起足够的重视。

空中颠簸，是影响航空飞行安全的多种危害性天气因素之一，它能够引起飞机飞行高度和速度在短时间内的急剧变化，甚至导致飞机操纵困难，这不仅影响旅客乘坐飞机出行的舒适感，还有可能造成乘客和机组人员受伤，在极端情况下甚至引发飞行事故。根据美国国家大气研究中心（NCAR）的数据统计结果，每年约有65000架次航班遭遇中度颠簸，其中约5500架次遭遇严重颠簸。美国联邦航空管理局（FAA）统计数据表明，在1980—2008年，全美发生的空中颠簸有234 起造成了飞行事故，导致298人严重受伤，3人死亡；在2009—2021年，每百万乘机人员中约有30名乘客和116名机组人员，因飞机颠簸严重受伤。另外，根据2021年美国国家运输安全委员会调查报告，有相当数量受伤严重的乘客在飞机颠簸期间没有系好安全带，而且大多数是在卫生间或在过道走动。受伤的原因，有的是物品从行李箱中掉出砸到人的身上，绊倒或撞到座位或机舱侧面，还有餐车撞到人，报告指出机组人员也同样如此。最常发生的时间段，是在飞机着陆准备阶段或在飞行中途做机舱服务时，如提供餐食、饮料或收取垃圾等。空中颠簸除了影响飞行安全，还会为航空公司带来经济损失，如飞机结构受损、检查维修、航班延误、机组超时、飞行事故调查等产生的额外运营成本。据估算，美国航空公司每年因飞机颠簸造成的直接成本支出就达到2 亿美元，与飞机颠簸相关的间接损失，包括飞机延误和人员伤害等损失高达5亿美元。

我国也发生过数起飞机严重颠簸的不安全事件，有的甚至构成严重飞行事故征候。2012年5月10日14时左右，由广州白云机场飞往上海虹桥机场的南方航空CZ3525航班，机型波音777，在飞行中遭遇晴空颠簸，飞机急速下降时间长达数十秒。颠簸发生时，未系安全带的旅客和正在派餐的机组人员被抛起，头部撞上机舱顶，共造成11 名旅客和机组人员头颈部或面部受伤，其中两人发生骨折。2015年8月12日，海南航空成都飞往北京的HU7148航班，在下降到4200米左右高度时遇强颠簸，28名旅客和机组人员在颠簸中受伤，机上­目击者称没有系安全带的乘客“飞”了起来，多人撞上了机舱顶部，手机和随身物品在刹那间像悬浮在机舱内一样。2017年6月18日，中国东方航空MU774航班在飞行途中遭遇多次颠簸，导致20余人受伤，其中4人重伤。最近发生的一次是在2023年7月10日，国航上海飞往北京的CA1524航班，机型A330-300，在飞行过程中突遇严重晴空颠簸，一名旅客和一名乘务员受伤。飞机当时在北京终端管制区南部沧州、保定上空，事后数据分析表明，在航路东侧有对流云系发展。此次飞机颠簸事件也说明，在对流云系附近的气流变化迅速，在毫无准备情况下，飞机颠簸会导致机组人员和乘客受伤。

尽管造成数十人受伤的飞机颠簸并不常见，平均每年只发生几起，但却突显了飞机颠簸对航空安全构成的潜在危险，有时会引起网络舆论热议甚至冲上热搜，给航空运输系统造成不良社会影响。研究表明，气候变化可能会增加世界各地的飞机颠簸频次，特别是在中纬度地区。气候变化给航空运输业带来的代价是巨大的，其中之一，就是影响航班选取最优航路飞行。据估算，这一成本每年高达1600万美元，占比5%的航班被迫飞行次优航线，但也有航空公司通过采用飞机颠簸识别技术避免了15%的改航绕飞。除了全球每年数百人受伤外，飞机颠簸还间接增加了旅客的出行成本，给社会带来数千万美元的经济损失。目前，在航空飞行中，对飞机颠簸监测和预报的准确性远不能达到业界可接受的风险控制水平。出于这些原因考虑，通过先进的遥感技术获取大气湍流状态的能力，对飞机颠簸的认识至关重要，从而发展飞机颠簸告警、预测和预报等关键技术，并据此制定飞行规避程序两者相结合的方式，尽可能避免飞机在空中遭遇严重的颠簸。

通常所熟悉的晴空颠簸（CAT），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的晴空内的颠簸。雷暴积雨云，只是空气对流的可见部分，上升气流和下沉气流往往延伸到雷暴云之外，在下风向25至50公里处就可能遭遇严重的颠簸。飞机在雷暴附近的颠簸是由大气对流运动现象引发的，由其引起的湍流是通过大气强迫机制产生，根据湍流产生来源的不同可对其进行分类。近云颠簸的形成机制，主要是发展到对流层上部的对流活动增强了风切变，浮力变化导致云变形，以及由对流产生的大气波动传播现象等。

2.1大气湍流引起的飞机颠簸及其分类

影响航空飞行的大气湍流，是特殊尺度的大气涡流、涡旋等随机运动的现象，称之为航空湍流。航空湍流取决于飞行中遇到的大气涡流、涡流的大小和多少，以及飞机对这些乱流的响应。大气湍流运动，是由各种尺度的旋涡连续分布叠加而成，旋涡尺度大的可达数百米，最小尺度约为毫米量级。即使最小的旋涡尺度也比分子大得多，因此，湍流运动与分子的无规则运动有很大区别。尽管大气中存在从宏观到微观的大范围涡旋和涡流，但引起飞机颠簸的航空湍流，主要发生在约100米到1公里的尺度大小范围内；较大的涡旋只会引起飞行路径缓慢变化，而非常小的涡流会在飞机表面碰撞破碎或通过翼尖涡等耗散。在涡流尺寸的临界范围内，飞机对湍流的响应随其载荷、飞行高度和空速而变化。由于该尺度范围是大气湍流的一个子集，仅限于影响飞行中的飞机，因此，这些湍流尺度通常被称为“航空湍流”或“航空级湍流”。

在飞行途中遇到航空湍流，民航业内通常称为飞机颠簸。飞行中受到扰动气流相对运动引起飞机的颠簸，飞机颠簸现象涉及空气的随机运动，引起飞机颠簸气流每一点上的压强、速度、温度等物理特性等的随机涨落。飞机颠簸的严重程度，取决于气流速度或/和方向变化的速率。如强风通过不规则地形或障碍物，通常会产生显著的大气湍流，对飞行影响较为严重；在低空，大气湍流也可能是地面受太阳辐射加热，引起空气向上对流运动，但对飞行影响则较轻，此种情况称为低空颠簸，对起飞和降落阶段的飞行影响大。乘客对飞机颠簸严重程度的感觉，受到飞机型号和重量的影响，大型飞机中度颠簸可能在小型飞机上会显得严重一些。

飞机颠簸按照起因，可分为热力或动力原因，也可分为云内颠簸或云外颠簸。在云层之外，通常是众所周知的晴空颠簸（CAT），但并非完全无云，有些也是在非对流云系内。高空巡航阶段的飞机颠簸，由于高空急流、对流层顶附近存在温度、风速等变化而产生。在山地附近流动的空气可能会受地形影响，在山的背风坡下风方产生湍流，也就是山地波引起的飞机颠簸，这种情况可以在山脊的下风处形成，并传输到较远的距离，或者向上发展到较高高度，可能会对飞行产生比较剧烈的影响，对于较小的飞机可能会无法控制，导致俯仰或滚转到极端姿态。

通常在中、低空有云的情况下，有些飞机颠簸可能是雷暴等对流活动引起，特别是在雷暴积雨云内或者云团附近，这种情况成为对流引起的颠簸。在积雨云之外的飞机颠簸通常不能被机载设备探测到，但其影响较为严重，这种情况称之近云颠簸（NCT）。

航空方面，还有一种特殊情况引起的飞机颠簸，在飞机起降时，当一架飞机跟随或穿越另一架飞机后部时，有时可能会遇到非常局部但很严重的尾流涡流。这种湍流是由前一架飞机产生的翼尖后缘涡流引起的，在机场附近或高空均有可能出现，一般情况下这种现象是很短暂的。

2.2 近云颠簸及其成因

在大气对流层，飞机颠簸最常发生的几个位置，通常是大气近地面边界层、对流云及附近、大气对流层上部的西风带高空急流核周围和对流层顶附近等。大气湍流的发生，需具备一定的动力学和热力学条件，其动力学条件是空气层中具有明显的风速切变，热力学条件是空气层须具有一定的不稳定性，其中最有利的条件是上层空气温度大幅低于下层的对流条件。在航路的任何位置都可会遇到晴空颠簸，持续多日大范围的飞行员空中晴空颠簸事件报告，通常与锋面天气系统和高空急流大气斜压区不规则大气运动有关。

与雷暴等强对流天气相关的飞机颠簸称为对流引发的颠簸，可分为云中颠簸和云外颠簸两类，飞机云外颠簸称之为近云颠簸。两者的产生机制有所不同，发生在对流云内的飞机颠簸，其出现与对流上升气流内的潮湿不稳定性和湍流混合有关，而近云颠簸可能由空气对流运动和剪切不稳定性、对流诱导和重力波的传播等引起。中尺度对流重力波可以产生形成小尺度湍流，也可以通过主导气流的动量输送扰动大气环境风场，从而产生飞机颠簸。与飞行员通过监视天气雷达回波或浏览卫星图像，识别并避免积雨云中颠簸不同，在飞行中机载天气雷达很难检测到近云颠簸，大气湍流的空间范围可以延伸到远离云体边界的地方。

雷暴云体周围空气乱流，最典型的一个例子就是飞行员最熟悉的一种危险天气现象——微下击暴流，在对流发展旺盛阶段，雷暴云体核心区的冷空气向下快速运动，甚至会抵达地面，飞行穿过这个自上而下的辅散风场，降落阶段会依次遇到顶风、顺风风向的快速逆转，这可能导致飞行操纵无法在瞬间做出反应调整好飞行姿态。它的高度低、范围小，一般小于4公里，持续时间短，峰值一般持续2-5分钟，空气产生强烈的下沉辅散，空气向下流动速度会达到几十米每秒。

在对流云外但由对流云系发展引起的飞机颠簸，是一种影响飞行的重要天气现象，尽管近云颠簸通常比对流风暴核心内的飞机颠簸偏弱，但它可以说更危险，因为它不可见，而且随着雷暴发展变化，而且是机载或地面常规天气雷达无法准确识别。目前，对于近云颠簸起因的理论研究还不够完善，在飞行中仍依赖于飞行员经验判断和试验来避开最危险的区域。

2.3 近云颠簸与强对流天气

飞机颠簸除了增加飞行员工作量之外，同样会影响空中交通管制员的工作负荷，在飞行中遇到明显飞机颠簸时，飞行员通常会寻求偏离航路或改变高度以避开颠簸的飞行高度层，这就会影响空域容量和通行效率。在巡航阶段遭遇严重飞机颠簸并引起航空事故，通常与特殊天气系统密切相关。考虑到全球航空运输量增加并将继续增长，认识、了解大气湍流状况并准确预测飞机颠簸的发生，以最大限度地减少与大气湍流相关的危害和损失，已成为航空气象业务和研究的一个重要工作任务。

在各类引起飞机颠簸发生，如高空急流、锋区和山地波等的天气中，湿对流是主要来源之一。美国学者研究表明，大多数严重的飞机颠簸，横向距离深对流不到100公里，占比86%，利用闪电定位数据确定的强对流活动区域，与中等到严重飞机颠簸事件位置比较匹配。前几年在大西洋东北部和欧洲地区研究发现近11%的中等到严重的飞机颠簸，发生在对流云附近。韩国气象科学家研究表明，11%的中等到强度的飞机颠簸与对流天气有关，分别有11%和7%的轻度到严重飞机颠簸与韩国东部的强对流天气有关。当飞机横向接近雷暴时，遇到飞机颠簸的风险会增加，距雷暴70公里处，中等到严重的飞机颠簸的风险几乎达到平均值的两倍。

雷暴等强对流天气引起的飞机颠簸，对航空运行构成严重威胁，也是航空气象部门业务发展的一个巨大挑战。强对流天气引起飞机颠簸的大气湍流，其生成和传播发生在10到1000米之间尺度上，因此最好使用高分辨率探测设备和数值天气模型进行分析，但是高分辨率设备和模型的计算成本相对较高，这限制了其在航空气象业务上的应用。

大气湍流有很宽的尺度谱，公认的大气湍流尺度时间尺度从0.001～0.1小时，跨越了三个量级，如果把日变化和天气系统的变化考虑在内，谱区将更宽。大气湍流随空气流动飘移扩散的过程中，飘移的距离越远，大尺度湍流的影响越大。大气湍流在空间三个方向，顺风、横风和垂直方向的尺度和强度都不同，说明它是非各向同性的。在一般情况下，它的垂直分量比水平方向的两个分量要小。在大气边界层中，湍流主要受地面的状态限制。在高空晴空湍流区里，湍流区的垂直范围几十米到几百米，一般小于水平范围几公里到几百公里。在对流云内情况不同，一块发展旺盛的浓积云，垂直厚度往往超过它的水平范围，垂直脉动速度有时高达每秒几米甚至几十米。大气湍流的非各向同性还反映在湍流扩散系数的数值上。大气从强稳定层结到不稳定层结，垂直湍流扩散系数和横向湍流扩散系数也大不相同。

3.1 近云颠簸对飞行报告和探测

飞行中对大气湍流直接探测的一种技术，是在飞机前部安装激光雷达，对大气湍流特性探测通常是在流场或温度场中直接测量其起伏。利用多普勒激光雷达，在测风过程中对径向风速分量的起伏进行分析，可以获得风速起伏的能谱密度。目前飞，机上使用的天气雷达无法探测大气湍流，而对于晴空颠簸，激光雷达能够接收大气分子和气溶胶粒子的回波，感知大气湍流。这项技术可以为飞行员提供大气湍流状况告警，使他们能够有时间改变航向或者调整高度，或者发布“系安全带”标志警告提示，以便乘客和机组人员意识到即将到来的危险。但是据测算，在飞机上安装激光雷达技术成本高，现阶段还不经济。气象卫星遥感技术可用于避免某些类型的湍流，特别是与对流天气相关的大气湍流。新一代气象卫星具有更高时间和空间分辨率，对其开展研发应用有助于提升民航对大气湍流的识别。

传统的大气湍流观测手段，包括气象卫星、多普勒雷达、激光雷达等。随着全球航班量的逐步增长，以及航班覆盖范围的不断扩大，直接利用民航飞机对大气湍流进行观测也已实现。现在，航空气象业务上最常见的两种方式是话音方式航空器空中报告（PIREP）和全球航空器气象资料交换计划飞机报数据（AMDAR）。

话音方式航空器空中报告，是民用航空器在飞行中遇到颠簸、积冰、风切变等危险天气时的语音报告，是目前民航气象得到空中特殊天气观测的一个主要手段，也一种典型的飞机观测资料。一旦在飞行过程中遇到危险天气，飞行员将通过语音方式将这些特殊天气的发生时间、地点、高度、强度等内容通报给管制人员，再由管制员向气象部门转发。不足之处在于，这种资料具有较强的主观性，飞机的颠簸的严重程度感知不仅取决于空气扰动强度，还取决于飞机机型，大型飞机中度颠簸可能对小型飞机显得要严重一些。因此，话音方式航空器空中报告应提及飞机类型，以帮助评估与同一区域内其他飞行的相关性。对话音方式航空器空中报告的长期统计，可以得到飞机颠簸的地理分布情况，对业务也有很大意义，但在研究中数据质量良莠不齐，比如位置会有一定的偏差，据估算误差中值会达到50 公里左右，另外，在飞行中几乎不可能准确确定报告位置相对于云边界的位置，使其不可用于近云颠簸研究。虽然大多数飞机遭遇颠簸不会造成人员伤害，但还是需要其他探测手段用来补充识别近云颠簸的发生。

3.2 近云颠簸的度量

近年来，航空公司开始直接利用机载观测设备采集大气湍流数据。20世纪90年代，世界气象组织（WMO）提出了全球航空器气象资料交换计划（AMDAR），该计划中就包含了针对大气湍流的观测。由于AMDAR 资料具有较高时空分辨率，同时还能够为海洋和内陆缺乏探空站的地区提供有效观测补充，因此在全球多领域得到了广泛应用。近云颠簸可以使用这种原位飞机颠簸测量来识别，现在国内一些加装气象设备航班的商业航空公司已在使用。这些自动化报告的水平和时间精度分别约为10公里和1分钟，因此非常适合近云颠簸的天气分析和统计研究。部分航空公司的航班上，对飞机颠簸测量和处理系统提供涡旋耗散率（EDR）报告，这是一种与飞机尺寸大小无关的大气湍流指标，并且包括巡航过程中的平均值和峰值。在全球航空器气象资料交换计划（AMDAR）资料中，垂直加速度（AVAR）、涡旋耗散率（EDR）和等效垂直阵风（DEVG）是三种用于表征大气湍流强度的变量，其中等效垂直阵风以实际观测到的飞机垂直加速度大小作为湍流强度度量，并考虑了飞机质量、飞行速度、机型参数等因素的影响。但也有研究指出，等效垂直阵风并不是一个真正意义上的大气湍流强度度量，其在湍流诊断和预报中的应用效果不如涡旋耗散率。

表1 飞机颠簸等级和大气湍流（g：重力加速度）

航空气象业务上对飞机颠簸的预报方法，主要是利用传统天气图的定性预报和数值预报的定量预报。定性预报主要根据天气形势，结合地形、水汽、大气稳定度的分析定性判断颠簸区范围。如高空急流区、锋面系统、高空槽、高空低涡和切变线等，都是引起飞机颠簸的天气系统，可以通过判断天气系统的方式，对飞机颠簸进行定性的预报。定量预报包括了颠簸指数预报和判据预报两种。近几十年来，随着对飞机颠簸产生机制的研究以及数值天气预报的发展，包含不同物理量的多种飞机颠簸指数不断提出，利用数值天气模式计算并输出颠簸指数，以此定量诊断飞机颠簸的预报方法得到了广泛的运用。相比而言，传统的大尺度天气形势分析方法已经无法满足航空业务的精细化需求，在航空气象业务上对飞机颠簸的预报技术改进也几乎是停滞不前，一个原因则是基础科学研究没有完全了解飞机颠簸的产生机制和机理。随着大量飞机观测数据下传业务持续开展，以及数值天气预报模式预报能力的提高，对飞机颠簸预报取得一些进展。但是对于雷暴附近的近云颠簸，却未得到充分的考虑。

4.1 飞机颠簸的预报

目前，对于飞机颠簸的预报方法多数基于数值模式预报，来获得可能产生湍流的大尺度湍流特征信息，航空气象部门通过计算 Ellord 指数、Dutton 指数、Brown 指数和理查森数Ri等表征大气不稳定的指数，作为颠簸预报结果，根据不同阈值划分为飞机颠簸等级预报。由于不同指数代表的大尺度环流特征不同，为了降低因单一指数诊断能力差异导致的颠簸预报误差，美国航空气象部门参照多指数诊断能力评估结果，选取表现较好的指数赋予权重，建立了一套针对北美地区飞机颠簸的集成预报算法，即为图形化飞机颠簸指导产品（GTG）。该算法可以将预报的飞机颠簸强度和发生区域范围，以可视化方式呈现，切实满足了航空用户对于飞机颠簸的实际需求。

世界区域预报中心（WAFC）每日定时下发的颠簸预报产品，也可以在业务中直接使用。数值预报的发展为飞机颠簸的预报提供了更加有效的方法，除了利用模式输出计算颠簸指数，各种数值天气预报数据在航空气象服务中广泛的应用。世界区域预报中心制作的航空气象产品，是航空气象运用最广泛的预报产品之一，其中包含了飞机颠簸等重要天气的预报产品。在业务上也可以使用WAFS 数据生成可视化产品，并用于业务指导。此外，还有区域预报、重要气象情报（SIGMET）和低空气象情报（AIRMET）等飞行气象情报可以使用。

图2 世界区域预报中心华盛顿发布的重要天气预告图

(黄色虚线为颠簸区)

由于不同的颠簸指数，是基于大气湍流不同的形成机制，它们之间基本相互独立。美国、日本等在近十年来，将多种颠簸预报算法集成，得到预报效果更好的颠簸集合预报产品。随着机载探测设备的发展，飞机颠簸实况数据样本增多，基于涡旋耗散率的预报产品，也能够更为真实地直接表征大气的湍流或者颠簸状态，并直接评估预报效果，减少之前颠簸指数受机型差异和主观实况等因素带来的影响，通过计算多个颠簸指数，并利用统计方法得到基于涡旋耗散率的颠簸集合预报产品，在业务上得到广泛参考应用。在我国，由于对以涡旋耗散率为单位的机载实况数据的应用与研究还较少，基于涡旋耗散率研发的颠簸预报算法尚在起步阶段，目前该预报的准确率还在试验运行阶段，也受到探测资料和数据算法的局限，仍存在一定提升空间。

4.2 卫星雷达反演技术和数值天气预报技术

避开对流云引起的飞机颠簸，通常依靠机载雷达回波判断，但因积雨云周边的上拽气流和下拽气流影响的位置可能会与雷达显示的位置会不一致，导致飞机在雷暴附近飞行时，可能会受到异常强烈的垂直和水平的阵风湍流影响，并由此在建议的安全区域遭遇强烈颠簸。虽然大部分航班能够避开对流云系中心，但仍有很多飞机在飞行过程中受到对流天气的影响。准确分析对流云附近强对流风场信息对飞行十分有益，最常用的还是采用诊断分析，例如天气形势结合理查逊系数。但是理查逊系数只能反映出风的垂直切变和大气层结与颠簸的关系，却不能反映出风的水平切变和温度梯度与飞机颠簸之间的关联。且由于多数情况下，飞机遇到对流云均采取了避让措施，所能获取对流云体附近颠簸实例较少。因此分析飞机颠簸与气象因子之间的关系，并以此研究适合飞机颠簸数据样本较少情况下的颠簸预报方法，对民航安全具有一定的意义。

图3 7月10日雷雨引起的近云颠簸

（黑三角为CA1524颠簸位置）

对流诱发飞机颠簸，在对流云中普遍存在；对流上升气流、下沉气流、特殊的云状特征，如乳状云和砧状云都是已知的危险区域。对于这些飞机颠簸判断，通过视觉识别或天气雷达和气象卫星图像遥感来避免多云空气，通常也是有效的。云砧就是强烈发展的雷暴云的顶部，呈砧状结构。是由于雷暴中强烈上升气流到达对流层顶后，受到对流层顶风温变化而不能继续上升，从而向四周快速扩散，形成云砧。对流层顶温度很低，上升气流中凝结的水汽以冰晶形式存在，冰晶随风扩散，所以云砧看上去是白色透光的。如果高空的水平风小，对流较弱的话，一般云是不会有云砧。

图4 CA1524飞机严重颠簸的大气波动垂直剖面图

（垂直速度）

对于近云颠簸预报，可以参考使用包括卫星云图、多普勒气象雷达、风廓线仪、闪电定位仪等观测工具在内的现代观测系统，对中小尺度天气进行观测监视，通过大数据作外推，将基于涡旋耗散率的飞机颠簸报告与天气雷达和气象卫星图像相结合，已经证实，在近云颠簸遭遇的频率较高与活跃的雷暴区域具有较好的使用价值。天气雷达反射率因子通常用于观测历史及现在的水汽值，可以得到对流云的移动方向以及雷达回波的形状的判断；还有径向速度图可以用来分析气流辐散、辐合和观测气旋及切变线的高精度数据。雷达垂直风廓线图可用来观测风切变等会影响对流系统的天气要素。激光雷达的湍流捕捉效果较好，但是出于经济及飞机动力等考量，目前只在地面观测平台以及专门用于科学探究的航空器上配置。数值天气预报模式是创建于大气动力学基础上，有赖于对气流的运动痕迹物理本质的分析和研究，以大气动力学和热力学基本方程为根基，结合现实的大气状况，应用数值运算方法，以此外推将来可能的空气状态。此外，分析天气监测到的中气旋、龙卷风、阵风锋、空气冷暖锋和地形等，也是飞机颠簸的其他手段。

4.3 航空运行中近云颠簸的处置策略

中国民用航空局飞行标准司发布《航空器驾驶员指南-雷暴、晴空颠簸和低空风切变》咨询通告，为航空人员提供通用指南。在所有的雷暴中都可能隐藏有危害性的湍流，较严重的湍流可能会对飞机造成损害。云中最强的湍流，往往存在于上升和下冲气流之间。即使在云的外部，距强雷暴云顶上千米左右（数千英尺）或者横向距云体30公里外，仍然可能遇到切变及湍流。此外，在距砧状云30公里甚至更远的地方，都可能会遇到晴空颠簸；对于雷达回波的绕飞，值得注意的是，虽然冰雹会形成雷达回波，但在距云体数公里之外亦可能遭遇冰雹；另外，在距离回波边界30公里（20英里）外，也可能遭遇危险的颠簸；即使能清楚地看到雷暴云的另一侧，也不要在雷暴云下方飞过；雷暴云下的湍流和风切变会造成极大的危害；不要在雷暴的砧状云下方飞过，该处存在严重的晴空颠簸等。

针对近云颠簸，美国联邦航空管理局（FAA）出台了雷暴飞行建议指南，相关指南如“要横向避免任何被确定为严重或产生强烈雷达回波的雷暴至少20英里”和“在已知或疑似严重雷暴的顶部保持至少1000英尺的高度”等内容。然而研究表明，在距离回波顶部3.6公里垂直距离内观察到大量中等到严重的飞机颠簸报告。在卫星反演的云顶高度以上3.6公里的距离内，也存在轻度或更严重的飞机颠簸可能性更高。在美国联邦航空管理局指南不包括垂直分离，这些指南可以在一定程度上帮助减少遇到近云颠簸的风险。近些年，利用多源气象高分辨率探测数据分析也表明，这些建议仍不足以完全防止与对流周围近云颠簸。

以上建议指南，都提及雷暴周围的区域飞行是危险的。新的研究成果也表明，由对流天气引起的飞机颠簸，会发生在指南所定义的区域之外，这也说明指南是不够的，这些指导建议没有反映目前对相关近云颠簸的认识理解，应予以更新。飞机颠簸距离中尺度对流系统、多体雷暴群、飑线雷暴、超级单体雷暴或强对流单体数百公里，在对流云体上方几公里处。每种情况都会有出超过联邦航空管理局指南规定的最小分离距离的飞机颠簸。近云颠簸案例还说明了当前的研究和业务能力，这些应有助于完善航空运行指南和改进飞机颠簸业务作系统。

图5 积云周围容易发生严重颠簸的位置

除了这些经验指南外，现代高精度探测技术和数值天气预报在帮助避免飞机颠簸方面也发挥着重要作用。最先进的卫星和雷达技术以及对流可分辨模型可以提供对流发展的趋势，可以在一定程度上，对近云颠簸区域大气状况图像化、数字化显示。由于大气湍流尺度小，飞机颠簸的可预测性很低，最终还需要预报和业务上系统性的长期规划发展计划实施。雷暴、晴空颠簸以及低空风切变，对航空安全构成极大的危害。航空人员须了解相关知识，掌握相应技术，从而在遭遇上述天气时最大程度的规避风险，保证飞行安全。

大气湍流引起的飞机颠簸，是影响航空运输安全和经济效益的重要天气之一，巡航阶段在对流云内颠簸或近云颠簸影响最严重，对飞机上的乘客和客舱服务人员造成的伤害也最大。近云颠簸是一种复杂的大气湍流现象，它的发生发展主要取决于对流云体的特征、所处的大气环境、大气垂直结构以及大气环流和重力波对环境风场的扰动。通过近几年对几起严重飞机颠簸事件的分析，我们才刚刚了解、认识到近云颠簸，关于近云颠簸背后的大气动力学，有诸多基本问题有待解决。包括近云颠簸的特征，近云颠簸在时间和空间上如何变化的，近云颠簸与强对流天气系统组织及其强度关系，是什么过程导致雷暴云砧附近的危险性增强，雷暴周围的大气中飞机颠簸的流场和发展机制是什么，从观测到云的特征、大气环境和近云颠簸之间的关系对飞行员和航空预报员的作用，近云颠簸的气候学特征是什么，为了进一步认识近云颠簸，很有必要对这些问题开展进一步的研究。这些基础工作应为制定飞机颠簸运行指南提供基本框架依据。虽然此项内容在航空业务上，是一个很迫切的难题具有很大的挑战性，但也有取得进步的机会，对这一领域的基础工作目前相对非常有限，世界上只有极少数科学家积极参与飞机颠簸的机理机制研究。希望通过本文能激发国内相关人员对这个课题的更多兴趣，民航管理部门也应安排适当的资源投入，鼓励研究此项具有挑战性的难题。随着飞行数据量的日益积累以及更先进的大数据分析建模能力持续提升，这项亟需解决的业务问题在将来是可以得到一定程度的发展。

在业务上的现有一些气象高分辨率数据，已经包含了大量关于对流天气和大气湍流的信息，但是这些数据还没有被充分挖掘出来用于飞机颠簸预报业务。国内外的一些专注于开发适合对流可分辨模型的飞机颠簸诊断产品，给我们提供宝贵的经验，在业务上可以充分利用其建模的先进技术，这些都以可用于补充确定性预报的不足，并促进飞机颠簸诊断因子的业务应用。航空运行部门应持续改进飞机颠簸操作指南和业务集成系统，从而避免在雷暴附近连续发生严重飞机颠簸不安全事件，这项工作的开展也具有相当的难度。如美国联邦航空管理局出台的一些简单规则指南，是快速评估飞行安全必要的措施。但现行指导方针的简单性，限制了其使用的有效性，因为它没有涵盖所有的重要情况，需要在运行中不断细化指导方针，包括不断改进从业人员对近云颠簸的认知理解，如云上的风切变和稳定性、低理查森数的中尺度区域、重力波导现象和风暴高空外流，都应被视为改进指南的一部分内容。还有了解雷暴天气的强度和组织等气象特征，以及积云发展的生命周期在不同阶段飞机颠簸的变化。应该制定这样的一个指导方针，加强这一领域的工作并为支持这些变化提供关键的证据。

新的飞机颠簸业务指南，可能会对飞行员、空中交通管制员和航空预报员等，在业务上产生一些压力，其中包括风切变、气团稳定性和其他更复杂的机理机制，如大气湍流机制理论。但是，建立一种综合的理论和经验的业务处置流程方法，利用业务分析、天气模型、经验预报方法和规避指南以及气象卫星图像，在较短时间内可以会取得一定的成效。这些业务信息也可用于构建随时间变化的危险天气预告图形和数据产品，并纳入未来更加自动化、智能化的空中交通程序系统之中，或者在下一代航空运输系统建设中予以充分考虑。如果把这些方法与协同工作中获得的危险信息相结合，形成更加科学的决策过程，那么在避免飞机颠簸和提高航空飞行安全方面取得进展的意义，将是巨大的。

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