晴空湍流，是指在沒有云層或山地等可見擾動的情況下，由于大氣不穩定性而產生的飛機顛簸現象。晴空湍流對飛行安全和舒適度都有一定的影響，有時甚至會造成人員傷亡或設備損壞。10日，國航一架從上海飛往北京的航班就遭遇了強烈的晴空湍流，導致多名乘客和機組人員受傷。這起事故引發了社會對晴空湍流的關注和討論，也讓我們思考如何預防和應對這種隱形的飛行危機。

借著這個機會，我將向你介紹一篇最近發表在《地球物理研究快報》上的論文，它使用日本最快的超級計算機“富岳”來模擬晴空湍流。這種湍流是一種對航空安全有很大威脅的現象，它可以在沒有任何可見的云層或其他大氣擾動的情況下發生。

晴空湍流是什么

我們都知道，飛機在飛行過程中會遇到各種各樣的氣象現象，比如云層、雷暴、雨雪等等。這些現象都會對飛機產生一定程度的影響，比如使飛機顛簸、偏離航線、降低能見度等等。但是，你可能不知道，即使在一個晴朗無云的天氣里，飛機也可能會突然遭遇到劇烈的顛簸。這就是我們所說的晴空湍流。

晴空湍流是一種發生在大氣層10公里內的湍流現象，它不需要任何可見的觸發因素，比如云層或山脈。它主要是由于大氣中存在著不同方向或不同速度的風流所引起的。當這些風流相互作用時，就會產生一些微小但強烈的渦旋，這些渦旋就會對飛過它們的飛機造成沖擊和擾動。

晴空湍流對于飛行員來說是非常難以預測和避免的，因為它沒有任何可見的標志，比如云層或雷暴。因此，晴空湍流對于航空安全來說是一個很大的威脅。據統計，每年都有數百起因為晴空湍流而導致乘客和機組人員受傷或者飛機損壞的事件。

如何模擬晴空湍流

要想更好地理解和預測晴空湍流，我們就需要能夠模擬出它的產生和發展的過程。這就需要我們使用一種叫做計算流體力學的技術，用數學方程和計算機程序來描述和模擬流體的運動。其中，一種叫做大渦模擬（LES）的技術，是專門用來模擬湍流現象的。

LES的基本思想是，將湍流中的渦旋分為兩類：大渦和小渦。大渦是指那些尺度較大、能量較高、對流體運動有主要影響的渦旋，而小渦是指那些尺度較小、能量較低、對流體運動有次要影響的渦旋。LES的目標是，直接模擬出大渦的運動，而對于小渦的運動，則使用一些經驗公式來近似。這樣，就可以減少計算量，同時保留湍流的主要特征。

但是，即使使用了LES技術，要模擬出晴空湍流仍然是非常困難的。因為晴空湍流發生在很大的空間范圍內，而且涉及到很多不同尺度的物理過程。比如，晴空湍流可能受到地球自轉、地形、氣壓、溫度、濕度等因素的影響。要把這些因素都考慮進去，就需要有很高的空間分辨率和很長的時間步長，這就需要有很強大的計算能力和很大的存儲空間。一般來說，我們使用的計算機是無法達到這樣的要求的。

使用超級計算機

為了解決這個問題，論文的作者使用了日本最快的超級計算機“富岳”來進行模擬。富岳是一臺擁有超過700萬個處理器核心和超過5000萬GB的內存的高性能計算系統，它可以達到每秒約500億億次的浮點運算速度。使用富岳，論文的作者可以進行非常高分辨率和長時間步長的LES模擬。

論文的作者選擇了一個發生在2020年12月30日東京上空的晴空湍流事件作為模擬對象。這一天，由于低壓系統和附近山脈的影響，東京上空出現了強烈的風切變和大氣不穩定性，導致了多架飛機遭遇到晴空湍流。論文的作者使用了一個叫做SCALE-LES的區域數值天氣預報模型來進行模擬。他們設置了不同的水平分辨率（從2.8公里到35米）和垂直分辨率（從100米到10米），并且模擬了從2020年12月29日18時到2020年12月30日18時這24小時內發生在東京上空約200公里×200公里范圍內的大氣運動。

模擬結果

論文的作者發現，他們的模擬結果可以很好地再現真實飛機遭遇湍流的位置和強度。他們還發現，湍流主要是由一種叫做Kelvin-Helmholtz不穩定波的崩潰所引起的。這種不穩定波是在兩層風速不同的空氣之間形成的，當上層的空氣以更快的速度流過下層的空氣時，就會在界面處產生一些波狀的擾動。當這些擾動增長到一定程度時，就會發生波峰和波谷的翻轉，形成一些類似水滴的渦旋。這些渦旋就是湍流的源頭，它們會對飛過它們的飛機造成沖擊和擾動。

論文的作者發現，當他們使用更高的分辨率（35米）時，他們可以直接模擬出這些不穩定波和它們的崩潰過程。而當他們使用較低的分辨率（2.8公里）時，他們只能模擬出一些平滑的風場，沒有明顯的渦旋結構。這說明，要想準確地模擬晴空湍流，就需要有足夠高的分辨率來捕捉到這些微小但強烈的渦旋。

論文的作者還發現，當他們使用更高的分辨率時，他們模擬出的湍流對飛機的影響也更大。他們使用了一個叫做FlightGear的開源飛行模擬器，來模擬一個虛擬飛機在他們模擬出的風場中飛行。他們比較了虛擬飛機和真實飛機在同一時間、同一位置、同一高度、同一航向上遭遇湍流時的數據，比如飛機的姿態、速度、加速度等。他們發現，當他們使用35米分辨率時，虛擬飛機和真實飛機的數據非常接近，說明他們模擬出的湍流是合理和真實的。而當他們使用2.8公里分辨率時，虛擬飛機和真實飛機的數據差異很大，說明他們模擬出的湍流是不準確和不真實的。

當然，這篇論文還有一些局限性和不足之處。比如，它只模擬了一個特定時間、特定地點、特定條件下發生的晴空湍流事件，并不能代表所有可能發生的晴空湍流情況。比如，它只使用了一個區域數值天氣預報模型，并沒有考慮全球尺度或者更細微尺度上可能存在的其他影響因素。