飞机身后的“白线”，藏着航空减碳新解法

天气晴好时抬头望天，我们或许会看见飞机拖着一条长长的白线，缓缓划过蓝天，有时转瞬消散，有时长久存续，甚至逐渐与周围云层融为一体。这条“白线”就是航迹云，也叫凝结尾迹。研究发现，持续性航迹云及其衍生卷云造成的气候增暖影响约占航空业整体气候影响的三分之一。

 

日前，国泰航空与谷歌合作开展航迹云研究，利用人工智能预测易形成持续性航迹云的空域，并通过调整飞行高度或航线，降低航迹云形成概率。

 

飞机为什么会在高空留下云？这些云又是如何影响气候的？记者专访了中国气象科学研究院专项气象保障技术研究中心副主任郭建平，揭开飞机尾迹背后的气象奥秘。

 

飞机为什么能在天上“画”出云？

 

“飞机在8千米至12千米的巡航高度飞行时，发动机产生的尾气含有大量水汽和气溶胶颗粒，在高空低温的大气环境下（普遍低于零下40℃），水汽遇冷瞬间凝结、冻结成大量微小冰晶。这些冰晶聚集在一起，便形成肉眼可见的白色尾迹，也就是航迹云。”郭建平介绍，航迹云并非自然形成的普通云，而是由人类活动产生的高空卷云。世界气象组织在2017年更新《国际云图》时，已将相关“人为生成的云”纳入云分类体系。

 

那么，同样是飞机拉线，为什么有的转瞬即逝，有的却能挂上大半天？

 

郭建平指出，这取决于一个关键变量——高空冰面相对湿度。如果巡航高度附近大气干燥、未达到冰面饱和状态，航迹云几秒至几分钟便快速消散、不留痕迹；反之，如果大气处于冰面过饱和状态，航迹云一般可维持几十分钟至数小时，并可逐步演变成大范围航迹卷云，对气候产生增暖影响。

 

“低温、高空冰面过饱和和稳定层结三者叠加，是航迹云形成并长期滞留、扩散成卷云的关键气象条件。”郭建平表示。其中，稳定层结通常对应较弱湍流，尾迹形成后不容易被上下搅散，得以长时间维持。

 

在此次研究中，香港往返新加坡的航线成为重点关注对象之一。据介绍，该航线航班经常遇到有利于航迹云形成的气象条件。

 

郭建平解释道，香港地处亚热带季风气候区，而香港至新加坡航线的中南段深入热带空域。热带地区对流层顶平均高度为16千米至18千米，远高于中高纬度地区。这意味着，民航客机的常规巡航高度多处于热带对流层上部的核心区域，常年满足零下40℃以下的低温条件。同时热带地区水汽含量较高，对流活动频繁，高空经常出现薄层冰面过饱和区。此外高层大气层结稳定、湍流较弱，为航迹云的持续存在进一步创造条件。多重气象条件叠加，这条航线便成了持久航迹云的高发走廊。

 

航迹云如何“捂热”地球？

 

科学界普遍认为，持续性航迹云及其衍生卷云是航空活动引起气候增暖的重要因素之一，这一比例在暖季和低纬空域通常更高。

 

云能遮挡阳光，也能留住热量，航迹云也是如此。但总体来看，航迹云具有显著的正辐射强迫效应，也就是增温效应，且增温效果显著强于短波反射带来的冷却效应。

 

“一方面，航迹云光学厚度小、冰晶稀疏、透光性强，对太阳短波辐射的反射遮挡作用有限，绝大部分太阳光可以直达地面，短波冷却效应微弱；另一方面，航迹云的云顶温度极低，对地面长波辐射的截留作用较强。”郭建平指出，值得注意的是，航迹云的实际辐射效应并非一成不变，还与云体厚度、冰晶粒径、云层高度以及昼夜和季节变化等因素有关。例如，相比于白天，夜间没有太阳短波辐射，冷却效应随之消失，而长波增暖效应仍然存在。因此，在其他条件相近的情况下，夜间形成的持久性航迹云往往具有更显著的净增暖效应。

 

在航空业的气候影响源中，煤油燃烧产生的二氧化碳具有较长的大气寿命，其增暖效应会随排放持续累积；相比之下，航迹云属于短寿命气候影响因素，但由于全球航线密集、飞行频次高，因此可形成持续性航迹卷云云场，产生不可忽视的短期增暖效应。与减少二氧化碳排放通常需要依靠提高发动机效率、使用可持续航空燃料及革新动力技术等措施不同，航迹云的特点使其能成为当前航空减碳中最具快速落地、低成本增效潜力的突破口。

 

此外，航空业还有哪些看不见的气候影响？郭建平介绍，高空氮氧化物会改变大气化学过程、影响臭氧收支并加剧温室效应；高空硫酸盐和黑碳气溶胶会改变云微物理结构，间接影响辐射平衡和气候；同时高空直接排放的水汽本身也是一种温室气体，会改变高层大气湿度，促进过饱和环境形成。这些因素共同构成航空业气候影响源。

 

给飞机换条路，能降低航迹云增暖影响吗？

 

既然航迹云的形成与高空特定的温度、湿度条件密切相关，那么，如果提前找到容易形成持久航迹云的空域，再让飞机稍微改变飞行高度或航线，能否减少这类云的形成？

 

这正是人工智能参与航迹云规避的思路。

 

谷歌的航迹云应对方案结合了气象数据、人工智能预测和卫星图像等信息，可识别所有可能形成持续性航迹云的空域，为航班调度人员和飞行员提供参考。在符合飞行安全要求的前提下，飞机可以通过小幅调整高度或航路，绕开部分容易形成持久性航迹云的区域。

 

据国泰航空与谷歌公布的试验结果，在覆盖超过100架次航班的应用中，其中80余架次航班按照此规避方案调整了飞行路径。根据谷歌卫星影像的分析估算，这些实施规避措施的航班所产生的航迹云增暖影响降低了约40%。其中，香港—新加坡航线贡献了试验中超过50%的气候影响削减量，显示出针对特定高风险空域实施航迹云治理的潜在效益。

 

类似探索也在其他航线展开。此前，谷歌与美国航空及航班规划企业Flightkeys合作，以美国至欧洲的跨大西洋航线为测试场景，开展利用人工智能预测并调整航班飞行路径的研究。数据显示，在成功执行人工智能路径优化的航班中，航迹云生成率较对照组降低62%，进一步展示人工智能辅助飞行路径优化的应用潜力。

 

当然，将航迹云预测纳入日常飞行规划虽具应用潜力，但实际效果仍受航线管控、天气条件、效益评估等因素影响，有待更多实测数据检验。

 

郭建平特别指出，持久性航迹云易发的冰面过饱和层通常厚度极薄，且容易受到对流层上部多尺度天气系统的扰动影响。这对预报精度提出了较高要求，也是当前航迹云预测和规避面临的主要技术难点之一。因此亟需依托多源数据持续优化人工智能预测模型，提高对高空温湿度结构和冰面过饱和区的识别与预报能力，为航路优化提供依据。同时，飞行安全始终是调整航路的首要前提。飞机调整飞行高度或路线时，还需综合评估高空积冰、晴空湍流、对流性湍流和高空风切变等危险天气，确保所有调整符合民航运行安全要求。

 

从减少燃油消耗和二氧化碳排放，到借助人工智能识别并规避持久性航迹云，航空业应对气候变化的技术路径正在不断拓展。随着高空气象观测、数值预报和人工智能技术持续发展，航迹云规避有望成为航空业降低非二氧化碳气候影响的重要补充手段，为绿色航空发展提供新的技术选择。

 

（作者： 闫辰宇 责任编辑：张林）