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急流、气候变化与航程时间到底有啥关系？
来源：互联网
2024-11-14 08:53:21 版权归原作者所有，如有侵权，请联系我们
如果你曾乘坐飞机旅行，可能会留意过这样一种现象：往返于同一航线的航班，飞行时间却并不相同。例如，在国内航线上，从中国的南方城市飞往北方城市耗时较短，但返程时飞行时间却明显增加。在国外，跨大西洋航线中，从纽约飞往伦敦的航班更是比从伦敦返回纽约快得多。我们可能会把这种时间差异当成一种不同航司或者机型带来的差异，但实际上，更为主要的因素是高空中一种特殊的强大气流：急流（Jet Stream）。
西风急流是一种高速流动的西向东气流带，常常位于中纬度对流层顶和平流层底的交界处。急流对航班的时间影响很大：顺着急流方向飞行的航班会显著加速，而逆着急流方向飞行则会受到阻力，增加航程时间。因此这种高空风带成为造成飞行时间差异的关键因素。或许会有人产生疑惑：这就是顺风与逆风的原理吗？急流的方向为什么总是一致呢？又是从何而来？
更深入地理解急流的存在与影响，首先需要从地球的自转和大气环流讲起。地球以自西向东的方向持续自转，这一运动带来了昼夜交替，也影响着全球的大气流动。我们要知道，大气中的气流并非均匀流动，而是在自转的作用下形成了多个稳定的风带，如低纬度的东风带、中纬度的西风带和极地的东风带。
而科里奥利效应便是因地球自转而产生的一个重要物理效应，这个效应对全球的大气和洋流流动都有着关键影响。可以说它决定了空气和水流的偏转方向，对从全球气候分布到季节性海洋流动的形成都有深远影响。
科里奥利效应的成因：地球自转与纬度差异
地球自西向东旋转，但不同纬度的表面自转速度存在显著差异。赤道附近的地表自转速度最快，约为每小时1670公里，而在极地这一速度则接近于零。当空气或水流从赤道向极地移动时，由于携带了较高的初始线速度，相对于高纬度地区的自转速度，它们的路径就会发生偏移。
在北半球，流动的空气和水流会受到向右的偏转力；在南半球，则向左偏。这种偏转是由于地球自转产生的惯性变化造成的，被称为“科里奥利力”。科里奥利效应在大气环流中推动了主要风带的形成，包括低纬度的东风带、中纬度的西风带和极地的东风带。以低纬度东风带为例，赤道地区由于温度较高，空气上升并向两极扩散。然而当空气向高纬度移动时，受到科里奥利力的影响，使得它们向右（北半球）或左（南半球）偏转，最终在赤道南北15至30度之间形成稳定的东风，也就是信风。
类似地，在中纬度地区，空气的偏转形成了西风带，方向由西向东；而在极地附近，空气的流动则在向下沉降过程中偏转，形成了极地东风带。正是科里奥利效应使得全球的大气流动呈现出这样层次分明的风带结构。这些风带不仅影响了全球气候，还决定了急流的分布与强度，使得高空中的大气流动更加复杂而多变。
另外，地球上不同纬度的气压差异也会导致空气从高压区流向低压区，进而形成了全球性的气压带和风带。赤道附近温度高、气压低，热空气上升形成了上升气流，而两极温度低、气压高，则形成了下沉气流。这些高低气压带相互影响，进一步推动了大气环流的形成。在这样的背景下，急流也逐渐成型。
高空急流：风之高速公路的形成
我们根据前文介绍已知，西风急流（Jet Stream）是一种存在于中纬度地区对流层顶和平流层底之间的高速气流带，它自西向东流动时速度相当快，可以达到每小时100至400公里之高。这样的速度使急流成为高空中的“风之高速公路”，对飞机飞行产生极大的推动或阻力作用。尤其在北半球的冬季，当极地和赤道之间的温差达到峰值时，急流的流速更强、更稳定；而在夏季，随着温差减小，急流的速度也会相对减弱。通过这种季节性的变化，我们可知急流在冬季对航班飞行时间的影响更为显著，因此东西向的跨洋航线往往在冬季经历更大的飞行时间差异。跨大西洋的航线是急流影响的最佳例子之一，尤其是冬季时段。从纽约到伦敦的航班通常会经历比返程更短的飞行时间，因为急流通常在北纬地区稳定存在，方向为西向东。数据显示，从纽约飞往伦敦的航班时间一般比从伦敦飞回纽约的航班时间短半小时到一小时不等，而这种差异在冬季会进一步拉大。2015年1月的一个记录显示，一架从纽约飞往伦敦的航班，借助极强的急流使得原本6到7小时的航程创下了5小时16分钟的纪录。
此外，急流的路径和强度不仅仅是季节性的，还会随全球气候变化而有所调整。研究表明，全球变暖可能使得极地与赤道的温差发生变化，急流的分布和流速也因此发生改变，可能在未来对飞机的飞行时间和燃料消耗产生更深远的影响。
上面两张图展示了气候变化对跨大西洋航线风速的影响。左图是在前工业时期，北大西洋上空的西风带相对较弱，而右图在二氧化碳浓度加倍的情境下，西风带显著增强。这种变化意味着从纽约飞往伦敦的航班将会因为更强的顺风而更快，而从伦敦返回纽约的航班则可能因为更强的逆风而更慢。
作为大气环流的重要组成部分，急流对航空业的影响远比我们想象的更为复杂。它不仅影响飞行时间，燃料消耗与碳排放等方面也是亟需考虑的问题。随着气候变化的进一步加剧，急流的强度和分布也在变得更加复杂，在未来的航空发展中，确保飞行安全、减少碳排放，还要合理利用急流，定将是全球航空业面临的重要课题。
参考文献
Williams, P. (2016). Transatlantic flight times and climate change. Environmental Research Letters, 11.
作者：蔡文垂 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 研究生
审核：拉萨 北京市气象局高级工程师
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