名古屋大学的一个研究小组利用日本“富岳”超级计算机模拟了东京周围的清空气湍流，改进了现有的预测模型。这项研究发表在《地球物理研究快报》杂志上，确定了开尔文-亥姆霍兹不稳定波的崩塌是湍流的主要原因。通过将他们的模拟与真实的观测数据进行验证，研究人员希望提高对湍流产生及其对飞机的影响的认识，从而提高飞行安全性。

使用超级计算机准确模拟空气湍流

名古屋大学的研究团队成功利用日本最快的超级计算机准确模拟了东京周围的清空气湍流。然后，他们将自己的研究结果与实际飞行数据进行对照，提高了他们的预测模型的准确性。这项研究发表在《地球物理研究快报》杂志上。

理解清空气湍流（CAT）

尽管空气湍流通常与恶劣天气相关，但即使在阳光明媚、没有云的日子里，飞机舱内也可能剧烈晃动。被称为清空气湍流（CAT）的这些湍流气流运动可以在没有可见云或其他大气扰动的情况下发生。尽管尚不完全了解导致CAT的确切机制，但人们认为它主要是由风切变和大气不稳定性驱动的。

CAT对航空安全构成重大威胁。在本来安宁的一天突然出现的湍流可能导致乘客和机组人员受伤，损坏飞机，并干扰飞行操作。飞行员利用其他飞机的数据、天气雷达和大气模型来预测和避免湍流。然而，预测CAT尤为具有挑战性，因为它不会出现像云或暴风雨那样的可见指标。

大涡模拟（LES）和计算能力的挑战

涡旋的产生，即引起气流突然变化的旋风，可能会使飞机晃动。因此，科学家们依靠大涡模拟（LES）这一计算流体力学技术来模拟湍流流动，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。

为了克服这个障碍，名古屋大学的研究团队利用被称为“富岳”超级计算机的艾克萨计算系统，详细模拟了高分辨率LES下的湍流生成过程。富岳位于日本神户市的理化学研究所计算科学中心，是当前全球第二快的超级计算机。

揭示东京上空的湍流模式

利用富岳超级计算机巨大的计算能力，名古屋大学的吉村良一博士和他的同事，包括东北大学的伊藤准士博士，在东京羽田机场上空进行了一个超高分辨率的冬季CAT模拟，该模拟由低气压和附近的山脉触发。

他们发现，风速的扰动是由开尔文-亥姆霍兹不稳定波的塌陷引起的。这种不稳定性产生于两层风速不同的空气界面，产生波状效应和几个细小的涡旋，引起湍流。

研究的验证和影响

团队在进行计算后，验证了他们模拟的涡旋与真实数据的一致性。吉村良一说：“在东京附近，有大量可用于验证我们结果的观测数据。机场上空有许多飞机飞行，这导致了许多关于湍流和震动强度的报告。还使用了东京附近的气球进行大气观测。当时记录的震动数据被用来证明计算是有效的。”

吉村良一说：“这项研究的结果应该会通过高分辨率模拟更深入地了解湍流生成的原理和机制，并使我们能够更详细地研究湍流对飞机的影响。由于已经证明在有限的三维区域内存在重大湍流，如果提前知道存在活跃的湍流，通过调整飞行高度可以避免在该区域飞行。LES将通过提供更准确的湍流预报和实时预测来提供一种智能飞行方法。”