钱维宏 北京大学物理学院

飞机起降阶段的剧烈颠簸，总伴随着座舱内旅客的紧张反应 —— 急促的吸气声、对广播安抚的关注，甚至不自觉地惊呼。人们紧握扶手，凝望舷窗外忽远忽近的云层，难免生出疑惑：这架钢铁巨鸟何以被无形的大气 “操控”，在天际间剧烈摇晃？为何攀升至万米高空后，这份颠簸又会悄然消散？这一现象的背后，蕴藏着边界层大气运动的深层规律，而边界层大气中气流的正交碰撞，正是解锁飞机颠簸之谜的核心密码。

一、大气分层：颠簸与宁静的分界线

要理解飞机颠簸，首先要认清我们头顶的大气垂直结构。地球大气在垂直方向上有清晰划分：10 千米以下的对流层是极端 “天气舞台”，而以上的平流层则是 “高空静土”。对流层集中了地球 80% 的大气质量和几乎全部水汽，这里的气流运动充满活力 —— 地表受热不均导致暖空气上升、冷空气下沉，形成持续的大尺度垂直对流。更关键的是，对流层底部 2-3 千米的厚度被称为大气边界层，它直接与地表接触，而地表的地形起伏、热力差异，让这片厚度层成为气流运动的 “混乱地带”。

平流层则截然不同，这里的气流以水平平流为主，大气稳定、垂直运动微弱，就像一片平静的 “空中湖泊”。这也是为什么飞机进入巡航高度后，总能保持平稳飞行 —— 脱离了对流层的 “漩涡”，进入了平流层的 “安全区”。但起飞和降落阶段，飞机必须穿越对流层底部的大气边界层，而这里正是正交碰撞现象的高发区。

二、正交碰撞：颠簸产生的 “动力引擎”

大气边界层的地表界面并非均匀平整，山脉、建筑物等障碍物，以及地表热力分布的差异，会让原本平稳的水平气流发生 “分流”。这些分裂后的小股气流会朝着不同方向运动，最终在特定区域相遇、碰撞 —— 天气学上将这种不同方向气流的汇合称为切变线，而碰撞的角度直接决定了能量集中与释放的强度 [1]。

根据正交碰撞理论，气流碰撞可分为追尾碰撞、迎面碰撞和正交碰撞等多种碰撞形式，其中正交碰撞的能量密度最大 [2]。当两股气流呈 90 度左右的角度交汇时，它们的运动矢量会发生 “差乘效应”，生成一个垂直于原气流平面的新矢量力 —— 这种力被称为 “上拽力” 或 “下拽力”，正是引发空气垂直运动的直接动力。简单来说，正交碰撞就像两列高速行驶的列车在垂直道口相撞，碰撞瞬间释放的巨大能量会搅动上部空气，形成强烈的湍流和垂直加速运动的气流。

对于飞机而言，这些因正交碰撞产生的垂直加速运动的气流就是颠簸的直接来源。飞机的升力由机翼与气流的相对运动产生，正常飞行时，升力与重力保持平衡。但当飞机遭遇气流正交碰撞引发的上拽力时，升力会突然增强，飞机出现向上的加速度；若遭遇下拽力，升力会瞬间不足，飞机则会向下俯冲。这种升力的剧烈波动，反映在座舱里就是我们感受到的颠簸。

值得注意的是，飞机本身也会成为 “碰撞一方”。当飞机的飞行方向与边界层的环境气流形成夹角，尤其是正交（侧风90度）碰撞时，飞机就像一个高速运动的物体撞击气团，同样会产生上拽力或下拽力。发动机和机翼在克服空气阻力、提供升力的同时，必须应对这种突发的外力干扰，而升力与这些外力的合力，就是飞机颠簸的 “加速度之源”。

三、起飞与降落：正交碰撞的 “高发场景”

（一）起飞阶段：挣脱地面的 “动荡考验”

飞机起飞时的颠簸，本质上是多重正交碰撞的叠加效应。当飞机在跑道上加速时，首先要面对地面效应的消失 —— 近地面飞行时，机翼翼尖的涡流被地面压制，形成 “气垫” 效应，而一旦后轮离地，这种保护瞬间消失，飞机直接暴露在边界层的复杂气流中。

此时，地表热力与动力差异引发的气流分流开始发挥作用。向阳和背阴的地面空气加热差异形成上升和下沉气流与水平气流。这些气流相互交汇，容易在机场上空形成切变线，引发小规模的气流正交碰撞。更关键的是，若机场靠近山区，山脉会迫使天气系统带来的气流分裂、绕流，不同方向的气流在山顶或山谷中发生剧烈碰撞，形成强烈的湍流区。

发动机的推力变化也会加剧碰撞效应。起飞时发动机处于最大推力状态，高温高速的喷气流与周围静止空气剧烈混合，形成湍流尾迹，这些尾迹与边界层的自然气流相遇，同样可能引发局部的气流正交碰撞，让机身产生抖动。

（二）降落阶段：穿越气流的 “终极挑战”

降落阶段的颠簸比起飞时更为复杂，因为飞机需要在更低的高度、更慢的速度下，穿越密度更大的近地面气流层。此时，正交碰撞的影响被进一步放大。

首先是风切变的威胁。风切变本质上是不同高度上气流速度或方向的剧烈变化，当飞机穿越风切变区时，相当于在短时间内遭遇多股不同方向的气流，这些气流的快速交替碰撞，本质上就是一系列连续的正交碰撞事件。尤其是微下击暴流等极端天气，会形成向下的强气流，与飞机的飞行方向形成强烈对抗，导致升力急剧下降，引发剧烈颠簸。

其次，降落时展开的襟翼和缝翼会改变飞机的气动特性。这些增升装置增大了机翼面积，让飞机对气流变化更为敏感。当不稳定气流流过襟翼时，会产生流动分离和再附着，形成局部的小尺度涡旋，这些涡旋气流与边界层的主流气流碰撞，同样会引发抖动。

地形的影响在降落阶段尤为明显。以秦岭山脉边缘的机场为例，当有一定强度的风经过山脉时，气流会被山脉分割成多股，在山间形成复杂的绕流和回流，这些气流相互碰撞，尤其是正交碰撞，会在机场附近上空形成持续的湍流区。飞机高度下降时，必须穿越这片区域，颠簸也就难以避免。

四、万米高空：远离碰撞的 “平稳天堂”

当飞机爬升至 8000-12000 米的巡航高度，颠簸现象会大幅减少，这背后是大气环境的根本改变。此时飞机已进入平流层，这里的气温随高度增加而升高，形成稳定的层结结构，抑制了垂直对流的发生。更重要的是，平流层远离地表障碍物，气流以水平运动为主，方向一致、变化缓慢，几乎不会发生气流的分裂和碰撞，正交碰撞的条件不复存在。飞机在对流层起伏的云上平稳飞行。

高空空气密度低也是重要原因。平流层的空气密度仅为地面的四分之一至三分之一，根据流体力学原理，相同的扰动动能作用在稀薄空气中，产生的加速度更小。简单来说，高空空气 “更柔软”，即使存在微弱的气流变化，也难以对飞机产生明显的冲击。

不过，高空并非绝对平静。晴空湍流是平流层的特殊现象，通常发生在急流轴附近或高空锋区，其成因是强烈的水平风切变引发的气流碰撞。但这种湍流发生频率低、持续时间短，且现代气象雷达已能有效预警，相比低空的颠簸，对飞行安全的影响要小得多。

五、科学应对：与碰撞共舞的飞行艺术

面对正交碰撞引发的颠簸，飞行员并非被动承受，而是通过科学的操作和先进的技术，与气流 “共舞”。

起飞前，飞行员会详细分析机场天气报告和航路气象资料，重点关注风切变警报、湍流指数和地形条件。对于靠近山区的机场，会特别留意风向和风速的变化。起飞时采用 “柔和操作”，避免急剧拉杆，减少飞机对气流变化的敏感度；遭遇侧风时，使用 “蟹形进场” 或 “侧滑法” 保持航迹，抵消横向力。若飞机在接地阶段出现气流碰撞引起的弹跳现象，飞行员会立即执行安全复飞程序，确保起降过程的绝对安全。

现代飞机的设计也充分考虑了颠簸应对。机身结构遵循严格的适航标准，能承受 3-4 倍重力的载荷，远超正常颠簸的受力范围。阵风抑制系统通过快速调整副翼和扰流板，主动抵消垂直阵风的影响，空客 A350 和波音 787 的 “平稳驾驶技术” 甚至能将颠簸感降低 30-40%。

气象科技的进步则让颠簸预警更精准。激光雷达可提前 10-15 秒探测前方的湍流区，飞机间的 ADS-B 数据链能实时共享颠簸信息，人工智能气象模型能预测 85% 以上的可规避湍流。这些技术的应用，让飞行员能够提前规划航线，避开气流碰撞剧烈的区域。

六、安全真相：颠簸背后的安心保障

不少乘客会担忧，飞行途中遭遇的颠簸是否会威胁飞行安全。事实上，现代民航运输中，因颠簸引发的严重事故概率不足千万分之一，其安全性远超大众的想象。

飞机在设计之初，就充分考量了大气湍流可能带来的影响，机翼与机身的结构强度经过严苛测算与测试，足以轻松承受正常颠簸产生的载荷冲击。每次航班落地后，地勤机务人员还会对机身各部件展开全面细致的检查，重点排查因上一航段颠簸可能造成的部件接口疲劳损伤隐患，从硬件层面为飞行安全筑牢防线。

对乘客来说，应对颠簸最有效的安全保障，莫过于全程系好安全带。相关统计数据显示，湍流引发的乘客受伤事件中，95% 都发生在未系安全带的情况下。当机舱内响起颠簸预警、机身出现晃动时，保持冷静、遵从乘务员的专业指引，就是应对颠簸的最佳方式。那些让我们心生紧张的机身晃动，本质上是大气运动的自然表现，也是飞机与空中气流相互作用下的正常现象。

结语：理解颠簸，拥抱天空的律动

飞机颠簸的本质，是大气边界层中气流正交碰撞引发的能量集中与释放，是地球大气呼吸的微弱涟漪。从起飞时穿越地表气流的碰撞区，到降落时直面地形与风的博弈，再到巡航时享受平流层的宁静，飞机的每一段旅程，都是与大气运动规律的对话。

当我们下次在机舱中感受到颠簸时，不妨试着放下焦虑 —— 那些晃动背后，是正交碰撞理论的生动演绎，是人类航空科技与自然规律的和谐共存。正是这些对自然规律的探索与掌握，让我们能够安全地翱翔于天际，跨越山海，连接世界。理解了颠簸的科学密码，我们便能以更从容的心态，拥抱这场与天空的奇妙邂逅。

参考文献

[1] Qian WH, Leung JC, Luo WM, et al (2017) An index of anomalous convective instability to detect tornadic and hail storms. Meteorology and Atmospheric Physics 131: 351-373.

[2] Qian WH (2025) Expanding force in astronomy and updraft force in meteorology. J Modern Physics 16: 267-285.

来源: 钱维宏