高空中的气象“高速公路”：西风急流如何影响现代飞行？

学术科学 2024-11-11 08:25 北京

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大气中有各种天气现象，其中一种很少被大众关注，但很重要，那就是西风急流。

撰文 | 魏科

什么是西风急流？

西风急流是中纬度西风带对流层上层或平流层中一股强而窄的气流，一般水平宽度数百千米，垂直厚度数千米，长几千千米，弯弯曲曲自西向东围绕半球一圈，这支西风急流中还有些区域被称为西风急流核区，其中的西风气流可达100~150 m/s或以上，这个风速已经超过了地表最强的台风和龙卷的风速。

西风急流的形成与地球的自转和大气的热力差异有关。赤道地区受到太阳直射，空气较暖上升，到高空之后向两极运动，由于地球自转产生的科里奥利力，使得向两极运动的气流在北半球向右偏转，在南半球向左偏转。并进一步在热力和涡旋的驱动下，风速越来越大，从而在副热带地区形成西风急流，这就是副热带急流，另外南北温度差异导致气压差，也进一步加强了风速。

人类在上世纪20年代开始认识西风急流，并发展出了西风带中的Rossby波理论，成为大气动力学的基础理论和天气预报的理论依据。在第二次世界大战后期，日本利用西风急流，进行了大规模的远距离轰炸，他们制作并发射了约9300个携带炸弹和燃烧弹的气球，日本人称其为“風船爆弾”，也就是气球炸弹的意思。每个气球直径约10米，携带15千克高爆炸弹和燃烧弹，按照日本的估算，这些气球顺着西风急流可以在3天之内到达美国本土，可在美国本土引起大规模爆炸和森林火灾事件，从而导致恐慌。按照事后统计，大约300个气球飞到北美地区，但是由于战时美国的消息封锁，日本无法评估行动的效果，加之资源紧缺，最终草草结束了这一行动。尽管如此，这些气球还是造成了一些破坏和伤亡，但并未达到日本预期的战略效果。

图1. 二战中日本的“風船爆弾”，采用直径10米的氢气球，携带四个各重5千克的燃烧装置和一个重15千克的高爆炸弹，气球以沙袋作为压载系统。

西风急流对飞行的影响

西风急流对飞行有着显著的影响，它既可以是飞行员的朋友，也可以是麻烦制造者。当飞机顺着西风急流飞行时，实际速度会增加，从而缩短飞行时间和减少燃油消耗。2024年初，美国CBS新闻报道，有些顺风飞行的航班速度超过每小时800英里（1287.472千米/小时），远比商业航班通常以每小时500英里（804.67千米/小时）至600英里/小时（965.604千米/小时）的速度快得多^[1]，这使多趟飞机提前几十分钟到达。（1英里约等于1.60934千米）

当然，飞机飞过去还得飞回来，如果你在西风急流中飞，飞机的实际速度会降低，这会增加飞行时间并增加燃油消耗。但是最大的麻烦是西风急流内部的气流并不均匀，有时会形成强烈的湍流和风切变，这会导致飞机颠簸，给乘客带来不适，甚至对飞机结构造成损害。

所以，航空公司和飞行员需要根据西风急流的位置和强度来规划航线，以最大限度地利用顺风或避免逆风和颠簸区域。

西风急流与气候变化

西风急流的变化会对局地天气和气候造成显著的影响。一方面，西风强度会影响中纬度地区的极端天气，当西风急流比较强的时候，更容易把冷空气禁锢在高纬度和极区地区，中纬度冷空气活动较少，气温较为温和；而当西风急流变弱的时候，西风急流更容易发生波动，可能导致极地冷空气向南扩散，引发中纬度地区的寒潮和暴雪等极端天气事件。西风急流的存在就像一个旋转的陀螺，当陀螺旋转更快的时候就更稳定，而当陀螺旋转速度减慢时，就容易倒地。

另一方面，急流位置也会影响全球和局地气候，当北大西洋和欧洲地球西风急流向北移动时，会给欧洲带来温暖、暴风雨和潮湿的天气，但纬度偏南的地区缺乏降雨。但是当这一地区急流向南移动时，急流会径直穿过大西洋进入地中海地区，给这些南部地区带来了充足的暴雨。

在气候变化过程中，当全球温度升高的时候，热带地区向两极扩展，西风急流就随着向两极扩展，而当全球温度降低的时候，热带地区收缩，西风急流就向赤道移动。Micheal Mann在Fragile Moment这本书里写到，当古气候中温度降低，冰川分布更广的时候，扩张的冰盖驱动大气急流向赤道移动，使亚热带和热带地区降温并干旱化；反过来，当冰期结束进入间冰期时，全球升温使得大气急流向极地移动，很多亚热带地区温度降水开始增多植被开始恢复。

随着目前全球变暖愈演愈烈，极地地区的气温上升速度比低纬度地区快，这被称作“北极放大”现象，这会导致极地与赤道之间的温度差异减小。这种温度差异的减小可能会影响西风急流的强度和位置。一些研究表明，随着全球变暖的加剧，西风急流可能会变得更加不稳定，导致极端天气事件的频率和强度增加。例如，西风急流的波动可能会引发更频繁的极地气团南下，导致中纬度地区的严寒天气。同时，西风急流的变化也可能影响大气中的水汽输送，进而影响降水模态的分布。

另外，在航空安全方面，研究表明，在过去几十年，与西风急流相关的风切变持续增加，例如，在1979-2017年间，北大西洋地区高空急流的风切变强度增加了15%，这使得这一地区严重的晴空湍流时间和强度都有所增加^[2]。而随着全球变暖持续，这种情况会变得愈发严重，有气候模式模拟显示，当二氧化碳浓度增加一倍时，北大西洋冬季高空晴空湍流的中位数强度将继续增加10-40%，其中重度湍流增加达149%^{[3, 4]}，东亚地区也是晴空湍流频率增大趋势最显著的区域，这对航空业而言，可不是什么好事。

总的来说，西风急流是地球大气中一支强大的气流，对天气和气候有着重要的影响。随着全球变暖的加剧，西风急流的变化可能会对天气模态、极端天气事件以及航空飞行产生深远的影响。了解和研究西风急流，对于预测和应对气候变化带来的挑战至关重要。

参考文献

[1] https://www.cbsnews.com/news/flights-over-800-mph-high-winds-early-arrival/

Prosser M C, Williams P D, Marlton G J, et al. Evidence for Large Increases in Clear-Air Turbulence Over the Past Four Decades[J]. Geophysical Research Letters, 2023, 50(11): e2023GL103814

Williams P D, Joshi M M. Intensification of winter transatlantic aviation turbulence in response to climate change[J]. Nature Climate Change, 2013, 3(7): 644-648.

Williams P D. Increased light, moderate, and severe clear-air turbulence in response to climate change[J]. Advances in Atmospheric Sciences, 2017, 34(5): 576-586.