名古屋大学的研究人员利用日本的Fugaku超级计算机成功模拟了东京周围的晴空湍流，从而深入了解了湍流的原因，并有可能提高航空安全。

名古屋大学的一个研究小组利用日本的Fugaku超级计算机模拟了东京周围的晴空湍流，改进了目前的预测模型。这项发表在《地球物理研究快报》上的研究发现，开尔文-亥姆霍兹不稳定波的崩溃是湍流的主要原因。通过验证他们的模拟与现实世界的观测数据，研究人员希望加强对湍流产生及其对飞机影响的理解，从而潜在地提高飞行安全。

用超级计算机精确模拟空气湍流

名古屋大学的一组研究人员成功地使用日本最快的超级计算机精确模拟了东京周围的晴空湍流。然后，他们将他们的发现与实际飞行数据交叉对照，以提高预测模型的准确性。这项研究发表在《地球物理研究快报》上。

认识晴空湍流(CAT)

虽然空气湍流通常与恶劣天气有关，但即使在晴朗无云的日子里，飞机机舱也会剧烈摇晃。被称为晴空湍流(CAT)，这些湍流的空气运动可以在没有任何可见的云或其他大气干扰的情况下发生。虽然导致CAT的确切机制还不完全清楚，但人们认为它主要是由风切变和大气不稳定驱动的。

CAT是对航空安全的重大威胁。在一个平静的日子里，意外的乱流可能会导致乘客和机组人员受伤，损坏飞机，扰乱航班运行。飞行员使用来自其他飞机、气象雷达和大气模型的数据来预测和避免乱流。然而，预测CAT特别具有挑战性，因为它不提供云或风暴等可见指标。

大涡模拟与计算能力的挑战

涡流的产生，或导致气流突然变化的旋转风，会使飞机摇晃。因此，科学家们依靠大涡模拟(LES)，一种计算流体动力学技术，来模拟湍流并更好地理解CAT。然而，LES的主要挑战之一是需要大量的计算能力来模拟这些复杂的相互作用。

为了克服这一障碍，名古屋大学的研究小组使用了一个被称为Fugaku超级计算机的百亿次计算系统，利用高分辨率LES精心模拟了湍流产生的过程。Fugaku位于日本神户的理研计算科学中心，是一个高性能计算系统，目前被评为世界上第二快的超级计算机。

揭示东京上空的湍流模式

名古屋大学(Nagoya University)的吉村良一(Ryoichi Yoshimura)博士和他的同事，包括东北大学(Tohoku University)的伊藤俊志(Junshi Ito)博士，利用Fugaku巨大的计算能力，对东京羽田机场上空的冬季CAT进行了超高分辨率模拟，模拟是由低压和附近山脉引发的。

他们发现，风速的扰动是由于开尔文-亥姆霍兹不稳定波的坍塌造成的。这种不稳定性出现在两层速度不同的空气之间的界面上，产生类似波浪的效果和几个引起湍流的细涡。

本研究的验证与意义

在进行了计算之后，研究小组根据现实世界的数据验证了他们的模拟漩涡。吉村说:“在东京周围，有很多观测数据可以验证我们的结果。”“有很多飞机在机场上空飞行，这导致了许多关于湍流和强烈震动的报道。东京附近的一个气球也进行了大气观测。当时记录的震动数据被用来证明计算是有效的。”

吉村说:“这项研究的结果将通过高分辨率模拟，使我们更深入地了解湍流产生的原理和机制，并使我们能够更详细地研究湍流对飞机的影响。”“由于在有限的3D区域内出现了明显的湍流，如果事先知道存在活跃的湍流，可以通过调整飞行水平来实现在该区域内不飞行的航线。通过提供更准确的湍流预报和实时预测，LES将提供一种智能的飞行方式。”

参考文献:“基于机载和虚拟飞行数据验证的晴空湍流数值预报模型”，作者:R. Yoshimura, J. Ito, P. A. Schittenhelm, K. Suzuki, A. Yakeno, S. Obayashi, 2023年6月21日，地球物理研究通讯。gl101286 DOI: 10.1029/2022