表征颠簸的几个参数总结！
前段时间网上传出上海航空的航班在空中遭遇严重颠簸，导致两名旅客和一名乘务员受伤的事，于是空中颠簸伤人这个话题又周期性地被推到了风口浪尖上。
其实在很早之前，这个公众号就发布过一篇关于颠簸的文章《盘一盘空中颠簸的那些事》，里面介绍了颠簸的形成原因、危害、预报方法和应对措施。
当时介绍的相对比较简单浅显，主要有两个原因。
一是像颠簸的形成原因和危害这些内容，只要对气象知识有点了解的人就知道大概是怎么一回事，而且大多数人还亲身体验过，虽说感受的颠簸强度不一定有那么剧烈，但也能想象到如果人跟杯子一样飞起来会是什么样子。
二是即使你对颠簸的形成原因和危害再怎么了解，它也解决不了实际问题，真正解决问题的还是在预报方法和应对措施上。
但不得不说，虽然这些年国内外航空公司在颠簸预报上投入了相当的精力，然而收效比较有限。
美国从2000年左右就开始对颠簸预报进行研究，推出了不少研究成果，也陆续在国内外一些公司投入应用，然而一直到现在20年过去了，颠簸伤人的事似乎没有太多改善。
FAA曾经对2002年至2017年之间，平均每年大概一千多万个航班进行颠簸伤人的统计，最后发现在这15年间，尽管颠簸预报技术在进步，但颠簸伤人的数量却在周期性变化，并没有直观的下降趋势。
周期性的变化大概可以理解为，当颠簸伤人频发时，会引起监管部门和航空公司的重视，采取一些预防性的措施来应对，从而在接下来的一段时间内会减少颠簸伤人事件的发生。
而从我个人主观感受来讲，相对于航空公司使用颠簸预报系统来说，局方推出一些预防措施和工作要求似乎确实在减少颠簸伤人方面效果更明显一些。
当然，这绝对不是说颠簸预报工作没有价值，换个角度来理解，就是我们虽然在颠簸预报方面做了很多工作，但是还没有达到量变引起质变的效果。
目前无论是国内还是国外的航空公司，在颠簸预报方面都有自己的参考指标。今天我们就来详细地聊一聊那些与颠簸有关的参数。
一、飞行员报告（PIREP）
飞行员会将飞机在空中遇到的实时天气情况（包括颠簸）报告给附近的空管单位，然后空管单位将这些信息汇总并发布出来供各运行单位参考，这就是飞行员报告，简称PIREP。
可以说，PIREP是最原始和最基本的空中颠簸报告手段。
通常情况下PIREP不用明语发布，而是跟气象报文一样有一定的编码规则。
在国外学过FAA执照的朋友应该对这个不陌生，因为PIREP是气象报文学习中必然会讲到的内容。
PIREP的查询也不费劲，在AWC网站上就能查到，使用起来很方便，如下图：
不过，上面所说的是PIREP在美国的应用情况，在国内就大不一样了。
相信大部分人应该没有见过国内的PIREP，甚至很多人认为国内就没有这个东西。
实际上，国内是有PIREP的，毕竟飞行员在空中遇到中度以上的颠簸时是有责任向空管报告的，这些报告的信息会被汇总发布在空管局的气象网站上。
与AWC网站上的PIREP不一样，国内的PIREP是以表单形式用汉字明语发布的。
最关键的是，空管局的气象网站并不对外开放，需要有账号才能登陆查看，所以国内的PIREP的应用范围基本上限制在了空管单位以内，航空公司得不到这个信息。
PIREP作为颠簸数据的来源之一，理论上它退可以作为航空公司预防颠簸的最基本手段之一，进可以成为各种颠簸预报系统的重要基础数据。
然而由于它在国内公开范围有限，即便是在空管单位内部，目前的应用效果也差强人意。
二、切变率（SR）
在Sabre公司的计算机飞行计划中有一个名为SR（Shear Rate）数值，很多公司把这项数值叫做颠簸指数，这是不准确的。
Sabre公司自己对SR的定义为：The value shown on the CFP as “SR” is the difference in groundspeed per 1000 feet above the cruise flight level.
也就是说SR值其实是飞机在巡航高度以上每1000英尺表现出的地速差。
不过这是理论上的计算方法，在实际运行中，我们很难直接获取不同高度的地速，因此有一种替代计算方法可以得出近似的结果。
由于地速是空速与风速的矢量和，所以在空速一定的情况下，SR可以大概理解为每千英尺间的风速差。
因此使用不同高度层间风速的矢量差除以高度差可以得出SR的近似结果。
为了避免不必要的麻烦，这里我就不用实际运行数据来举例了，网上有现成的例子，大家可以看一下：
（图片源自“东航飞行上上签”微信公众号）
但是，这个SR值顶多只能表示飞机遇到颠簸的概率大小，并不能直接表征颠簸的强度。
举个例子，假如飞机在稳定气团中飞行，但它上面的高度层有急流，此时计算出来的SR值就会比较大，而飞机并不会遭遇颠簸。
三、最大风切变指数（MXSH）
MXSH跟SR类似，只不过SR是Sabre飞行计划中的参数，而MXSH是Jetplan飞行计划中的参数。
Jetplan对MXSH的定义如下：
JetPlan calculates wind shear based on a formula that samples wind velocity and direction two thousand feet above and two thousand feet below the current cruise altitude. Presently, JetPlan does not make use of any ICAO tables to assign a relative intensity to shear.
与SR的定义略有不同，MXSH是用飞机巡航高度上下各两千英尺处的风速来计算每千英尺的风速差。
它还有个计算公式：
如果仔细观察的话，你会发现这个公式跟前面说的SR近似算法如出一辙。
也就是说，MXSH和SR都是直接或间接表征飞机巡航高度附近风垂直变化的参数，这个参数也可以理解为垂直风切变（Vertical Wind Shear）。
而垂直风切变仅仅是产生晴空颠簸的众多因素之一，也就是说通常情况下，垂直风切变的值越大，遇到晴空颠簸和强颠簸气流的可能性越大。
用Jetplan自己的话说：There is little aviation criteria for relating wind shear values to a probable turbulence threshold. No criteria is defined for relating wind shear values to the occurrence of light, moderate, or severe.
因此也就间接说明，MXSH跟SR的情况一样，它也只能表示飞机遇到颠簸的概率大小，并不能直接表征颠簸的强度。
同样的道理举个例子，假如飞机在急流中飞行，但它上下的高度层是静风，那么此时MXSH值为0，而飞机却大概率会遭遇颠簸。
四、涡旋耗散率（EDR）
前面介绍的SR和MXSH都是计算机飞行计划中的参数，而这些飞行计划产品都是美国公司研发的，他们很清楚这些参数是不能直接表征颠簸强度的。
所以美国很早就开始研究能针对性预报颠簸的产品了，他们定义的真正能表征颠簸强度的参数叫涡旋耗散率（EDR - Eddy Dissipation Rate）。
相信大家应该对这个不陌生，这几年国内航空公司推出的颠簸预报产品主要也是以EDR值为核心。
EDR的基本原理其实并不复杂，它主要是综合了两种算法：
一是利用机载传感器测量飞机的垂直加速度，从而计算出颠簸对飞机产生的影响；二是基于各类气象信息计算风在垂直方向上的分量。
然后通过建模将这两种算法的计算结果与EDR值一一对应起来。
EDR之所以能作为表征颠簸强度的参数，其中一个重要原因就是它考虑了飞机在垂直方向上的加速度。
当我们乘坐飞机时，颠簸给我们最直观的感受就是在垂直方向上有加速度的变化。
EDR作为表征颠簸强度的一个数值，它只是颠簸预报的一部分，而美国是通过一个叫GTG的系统来实现颠簸预报的。
GTG英文全称是Graphical Turbulence Guidance，目前已经开发到第二代了，所以叫现在GTG2。
GTG除了使用EDR作为参考数值以外，还综合了PIREP、气象报告和预报、历史统计等多方面数据，然后经过加权算法计算来实现对颠簸的预报。
这些年国内的一些公司也陆续推出了颠簸预报产品，但其核心参数主要是以EDR为主，甚至还没有把PIREP等数据考虑进去，并且EDR的算法也是从国外共享过来的，因此与GTG还是有一定的差距。但总得来说，起码比使用SR和MXSH来预报颠簸要准确的多。
五、颠簸指数（TBindex）
估计很多人没有听说过这个，这是日本气象厅（JMA）的一项研发成果。
日本搞这个研究最初的原因是因为JMA所负责的福冈情报区是世界上颠簸最频发的区域之一。
最开始他们以垂直风切变（VWS）来作为预报颠簸的参考指数，后来发现这个指数过于简单，使用效果并不好，于是开始把各种能表征气流变化的指数都综合到计算里。
先是加入了水平风切变（HWS）和一个非常重要的能表征湍流情况的指数：开尔文-亥姆霍兹不稳定性（KH）。
尤其是后者，它是湍流产生的主要原因之一。
后来，由于引起颠簸的原因多种多样，为了将这些原因都能够考虑进去，JMA在算法中引入了更多的参考指数。
目前这些指数已经多达15种，除了前面介绍的4种，还包括：埃洛德指数（TI1，TI2）、达顿经验指数（DI）、理查德森数值（Ri）、斜风切变（SWS）、对流云湍流指数（CONV）、山地波湍流指数（MTW1）、山地波在垂直方向上的湍流指数（MTW2）、中层云底湍流指数（BASETB）、横向云带指数（TRAV），最后还有日本人发明的两个指数宫吉指数（TPI、TSI）。
总之，JMA应该是“穷尽”了一切办法把能引起颠簸的因素都考虑了进去，这也的确是日本人能干出来的事。
于是，颠簸指数（TBindex）应运而生，它就是由上面这些指数通过逻辑回归算法计算之后得出来的一个综合数值。
TBindex最直接的目的就是用来表征颠簸强度的，我们从它简单直观的名字上也能看出来。
在研究TBindex的过程中，JMA没有闭门造车，他们起步比GTG稍晚，所以一直拿GTG作为比较的标杆。在最新的研究中，JMA称他们对颠簸预报计算的精确度已经超过了GTG。
结束语
本文中介绍的五个与颠簸相关的参数，SR和MXSH并不是真正意义上表征颠簸强度的参数，而PIREP作为最原始的颠簸信息获取手段，其所能提供的颠簸数据应用潜力也十分有限。
如果把EDR和TBindex对颠簸预报研究的推进比作开汽车的话，PIREP顶多算匍匐前进，所以未来颠簸预报应该是EDR和TBindex的天下。
EDR与TBindex最主要的区别在于EDR是基于机载测量数据进行计算的，甚至计算过程也是在飞机上完成的，只是将最后的计算结果传给地面。而TBindex由于更侧重于对大气变化规律的计算，是可以脱离机载设备在地面进行观测和计算的。
所以通过EDR预报颠簸的机制本质上跟PIREP类似，都是“前人栽树，后人乘凉”，想要观测一个区域的颠簸情况，必须得有飞机从那里飞过，并将EDR计算结果回传才行。
而TBindex则对使用机载设备还是地面设备收集数据没有特殊的要求，只要能够得到必需的大气参数，就能对颠簸做出预报，而且它在时效性方面也有很大的优势。
之前在网上看到介绍EDR的优点之一是独立于飞机，其实我觉得TBindex才是真正意义上的独立于飞机。
但由于TBindex目前在系统应用方面几乎没有什么建树，只是在日本发布SIGMET中使用，所以应用范围和知名度远比不上EDR，但我个人很看好TBindex。