关于晴空湍流的一些回忆_风闻
李及李-李及李数据分析公司创始人-数据驱动，分析导向， 为航空和汽车竭尽全力。07-12 13:13
文 | 李瀚明一李及李
大自然把前几天某一班国航 CA1524 的乘客折腾得不轻：他们在飞行过程中经历过一次规模不小的晴空湍流（Clear Air Turbulence，简称CAT），由此而来的颠簸造成了不小的损失。不少媒体朋友因此来采访我，询问我这到底是什么现象。
我们先从最基本的物理学受力分析开始。我们（人）始终具有一个重力。在汽车和火车上，这个重力被路面支持着；在船舶上这个重力被水的浮力支持着；在飞机上这个重力被飞机的升力支持着。换言之，我们之所以不会往下掉，是因为有东西“托着”我们。
当“托着我们”的这一小块地面（或者水、空气）发生位移的时候，我们在很短的一个时间内就会经历一次位移——想象一下开车的时候遇到一个减速带（或一个坑）。熟悉驾驶汽车的司机都知道，如果以高速通过减速带，司机和乘客就会因为减速带而急剧颠簸一次。开船也是类似的，船会随着浪而上下颠簸。
飞机当然也是类似的。飞机遇到的颠簸可以分为两种：一种是垂直方向的风，一种是水平方向的风。垂直方向的风非常好理解——有风从下往上吹，飞机肯定要往上飞；由上往下吹，飞机肯定要往下飞。水平方向的风稍微复杂一些。飞机所受到的升力的大小取决于飞机的空速（相对空气的速度）。速度不够的时候，升力也不够；速度太大的时候，升力也太大。想象一幅被风吹开的国旗——当风减小的时候，国旗自然也就不再被吹开。
我们解释完了颠簸的基本原因，就知道如何处理这个问题。减少颠簸的解决方案大体可以分为单机和众包两种，但都遵循一个万变不离其宗的流程：计算前方路面、水面、空域的颠簸情况，并根据情况做出适当的反馈。
单机算法类似于不带高精地图，使用雷达的自动驾驶方案。例如，梅塞德斯奔驰的 Structural system of the Road Surface Scan (Weist, Missel et al. 2013) 使用双目摄像头构建前方大概 100 米左右路面的高低情况，从而调整悬架稳定车辆碾过减速带或坑洼时的姿态。这种单机算法当然好，但是缺点是成本实在太高了，到现在也至少要奔驰 S 级这种级别的车才能用上。
飞机也是同样的道理。由于飞机的飞行速度远快于汽车（至少 8 倍），加上空气中氮气、氧气等分子的密度不够，不足以形成摄像头或雷达所需的反射和散射面，所以飞机上探测前方空气的流速矢量，从而探测前方可能形成颠簸的湍流和风切变的难度和成本也是显著上升的。
大部分民航客机可以通过使用多普勒雷达分析空气中水滴的运动来探测含水的湍流或者风切变；但是晴空万里的情况，空气干燥，水滴的含量很少，多普勒雷达探测不到水，湍流和风切变也就探测不出来了。这也就是为什么晴空湍流和风切变难以预测，猝不及防的原因。
那么有没有什么相对低成本的解决方案呢？也不是没有。
我们假设一架飞机经历了晴空湍流。这架飞机的驾驶员操起对讲机在频道里大吼一声“我在 xx 位置、高度层 xx 遭遇了湍流，后面的同行朋友们小心点”。这种“吼一嗓子”的方法，专业术语称为 PIREP（Pilot Report，飞行员报告）。飞行员你一嗓子我一嗓子，航路上不同位置、不同时间、不同高度层的湍流情况就被绘制了出来。
这属于典型的众包算法——大家你一手我一手把情况探出来。我入行学艺最早的项目之一，就是在大学和航空公司之间协调，众包绘制北太平洋上空的湍流地图。由于旅客横过北太平洋时多在休息，因此晴空湍流可能会导致旅客措手不及；而我在大学任职的朋友又希望有足够多的数据帮助重建海洋上的空气流动情况。我和我的同事们为此做了三件微小的事情：
1. 说服了一群航空公司和空管加入进来。多谢航空公司之间的口口相传，这个计划发展到今天，有美国、加拿大、墨西哥、日本、韩国、新加坡和中国港台的航空公司参与，福冈、奥克兰和安克雷奇区管也加入进来。
2. 构建了能够自动完成 PIREP 程序的电子飞行包软件——通过平板电脑的加速度传感器探测垂直颠簸，并通过机上 Wi-Fi 和空地网络回传到中央数据库。我们以 SDK 的形式开发，这样各家航空公司可以将其集成到自己的电子飞行包里面去。我们甚至入选了「Apple 企业解决方案」的著名案例——联合航空公司的 SkyPath 电子飞行包软件就可以使用 iPad 的加速度传感器探测湍流。
3. 设计了根据 PIREP 数据倒推实际湍流情况的模型——通过流体力学专家和气象专家的专业知识，得以从海量的PIREP数据中重建空气在当时的具体情况。我们也可以将其和宏观气象数据结合，从而绘制洋上的颠簸地图。
这三件小事使得我们可以绘制一幅颠簸地图，并且通过电子飞行包警告同航路后方的飞机。这使得航路后方的飞机受益于前方飞机反馈的颠簸情况。由于北太平洋上几乎每时每刻都有飞机，因此一旦开始飞，对空气情况的重建是源源不断的。
哦，说到这个还有一件小事。这个事情能够帮助后面的飞机减少遭遇晴空湍流的概率，但是第一架飞机怎么办呢？那当然是让货机冲前头了（笑）。事实上，客运航空公司乐意为此支付一些费用——毕竟相比于赔偿旅客的医药费带来的声誉损失而言，赞助一下科学研究实在是太划算了。
封面是一架联合航空公司的飞机。联合航空公司及其星空联盟伙伴在跨太平洋市场上占据着第一的份额，也是这个研究计划最大的赞助商之一。