關於晴空湍流的一些回憶_風聞
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
大自然把前幾天某一班國航 CA1524 的乘客折騰得不輕：他們在飛行過程中經歷過一次規模不小的晴空湍流（Clear Air Turbulence，簡稱CAT），由此而來的顛簸造成了不小的損失。不少媒體朋友因此來採訪我，詢問我這到底是什麼現象。
我們先從最基本的物理學受力分析開始。我們（人）始終具有一個重力。在汽車和火車上，這個重力被路面支持着；在船舶上這個重力被水的浮力支持着；在飛機上這個重力被飛機的升力支持着。換言之，我們之所以不會往下掉，是因為有東西“託着”我們。
當“託着我們”的這一小塊地面（或者水、空氣）發生位移的時候，我們在很短的一個時間內就會經歷一次位移——想象一下開車的時候遇到一個減速帶（或一個坑）。熟悉駕駛汽車的司機都知道，如果以高速通過減速帶，司機和乘客就會因為減速帶而急劇顛簸一次。開船也是類似的，船會隨着浪而上下顛簸。
飛機當然也是類似的。飛機遇到的顛簸可以分為兩種：一種是垂直方向的風，一種是水平方向的風。垂直方向的風非常好理解——有風從下往上吹，飛機肯定要往上飛；由上往下吹，飛機肯定要往下飛。水平方向的風稍微複雜一些。飛機所受到的升力的大小取決於飛機的空速（相對空氣的速度）。速度不夠的時候，升力也不夠；速度太大的時候，升力也太大。想象一幅被風吹開的國旗——當風減小的時候，國旗自然也就不再被吹開。
我們解釋完了顛簸的基本原因，就知道如何處理這個問題。減少顛簸的解決方案大體可以分為單機和眾包兩種，但都遵循一個萬變不離其宗的流程：計算前方路面、水面、空域的顛簸情況，並根據情況做出適當的反饋。
單機算法類似於不帶高精地圖，使用雷達的自動駕駛方案。例如，梅塞德斯奔馳的 Structural system of the Road Surface Scan (Weist, Missel et al. 2013) 使用雙目攝像頭構建前方大概 100 米左右路面的高低情況，從而調整懸架穩定車輛碾過減速帶或坑窪時的姿態。這種單機算法當然好，但是缺點是成本實在太高了，到現在也至少要奔馳 S 級這種級別的車才能用上。
飛機也是同樣的道理。由於飛機的飛行速度遠快於汽車（至少 8 倍），加上空氣中氮氣、氧氣等分子的密度不夠，不足以形成攝像頭或雷達所需的反射和散射面，所以飛機上探測前方空氣的流速矢量，從而探測前方可能形成顛簸的湍流和風切變的難度和成本也是顯著上升的。
大部分民航客機可以通過使用多普勒雷達分析空氣中水滴的運動來探測含水的湍流或者風切變；但是晴空萬里的情況，空氣乾燥，水滴的含量很少，多普勒雷達探測不到水，湍流和風切變也就探測不出來了。這也就是為什麼晴空湍流和風切變難以預測，猝不及防的原因。
那麼有沒有什麼相對低成本的解決方案呢？也不是沒有。
我們假設一架飛機經歷了晴空湍流。這架飛機的駕駛員操起對講機在頻道里大吼一聲“我在 xx 位置、高度層 xx 遭遇了湍流，後面的同行朋友們小心點”。這種“吼一嗓子”的方法，專業術語稱為 PIREP（Pilot Report，飛行員報告）。飛行員你一嗓子我一嗓子，航路上不同位置、不同時間、不同高度層的湍流情況就被繪製了出來。
這屬於典型的眾包算法——大家你一手我一手把情況探出來。我入行學藝最早的項目之一，就是在大學和航空公司之間協調，眾包繪製北太平洋上空的湍流地圖。由於旅客橫過北太平洋時多在休息，因此晴空湍流可能會導致旅客措手不及；而我在大學任職的朋友又希望有足夠多的數據幫助重建海洋上的空氣流動情況。我和我的同事們為此做了三件微小的事情：
1. 説服了一羣航空公司和空管加入進來。多謝航空公司之間的口口相傳，這個計劃發展到今天，有美國、加拿大、墨西哥、日本、韓國、新加坡和中國港台的航空公司參與，福岡、奧克蘭和安克雷奇區管也加入進來。
2. 構建了能夠自動完成 PIREP 程序的電子飛行包軟件——通過平板電腦的加速度傳感器探測垂直顛簸，並通過機上 Wi-Fi 和空地網絡回傳到中央數據庫。我們以 SDK 的形式開發，這樣各家航空公司可以將其集成到自己的電子飛行包裏面去。我們甚至入選了「Apple 企業解決方案」的著名案例——聯合航空公司的 SkyPath 電子飛行包軟件就可以使用 iPad 的加速度傳感器探測湍流。
3. 設計了根據 PIREP 數據倒推實際湍流情況的模型——通過流體力學專家和氣象專家的專業知識，得以從海量的PIREP數據中重建空氣在當時的具體情況。我們也可以將其和宏觀氣象數據結合，從而繪製洋上的顛簸地圖。
這三件小事使得我們可以繪製一幅顛簸地圖，並且通過電子飛行包警告同航路後方的飛機。這使得航路後方的飛機受益於前方飛機反饋的顛簸情況。由於北太平洋上幾乎每時每刻都有飛機，因此一旦開始飛，對空氣情況的重建是源源不斷的。
哦，説到這個還有一件小事。這個事情能夠幫助後面的飛機減少遭遇晴空湍流的概率，但是第一架飛機怎麼辦呢？那當然是讓貨機衝前頭了（笑）。事實上，客運航空公司樂意為此支付一些費用——畢竟相比於賠償旅客的醫藥費帶來的聲譽損失而言，贊助一下科學研究實在是太划算了。
封面是一架聯合航空公司的飛機。聯合航空公司及其星空聯盟夥伴在跨太平洋市場上佔據着第一的份額，也是這個研究計劃最大的贊助商之一。