航空氣象學(xué)

航空氣象學(xué)是研究氣象條件同飛行活動和航空技術(shù)之間的關(guān)系，航空氣象服務(wù)的方式和方法，以及航天飛行器在地球大氣層中飛行時的氣象等問題的學(xué)科。

氣象條件對飛機的起飛、航行、降落以及其他各種飛行活動有不同的影響，飛機的設(shè)計制造和氣象條件也有密切關(guān)系。在實際工作中，航空氣象的主要任務(wù)是保障飛行安全，提高航行效率，在不同的氣象條件下，有效地運用航空技術(shù)。

20世紀(jì)初，航空活動興起之后，航空氣象學(xué)開始萌芽。1903年12月17日，美國萊特兄弟在做人類首次飛行時，先用葉輪式風(fēng)速表觀測了地面風(fēng)速，這是第一次航空氣象觀測。1915年，美國氣象局的一名官員乘坐軍用飛機，在圣迭戈附近觀測了山區(qū)的氣流，因為當(dāng)時人們認(rèn)為飛機在鉛直氣流中的突然升降是跌入了“空氣的洞穴”。 　　

早期的航空氣象學(xué)主要著眼于地面風(fēng)和對流層下部的氣流對飛行的影響。當(dāng)時的航線天氣預(yù)報只包括：雷暴、總云量、地面風(fēng)、高空風(fēng)和能見度。20世紀(jì)20年代末，出現(xiàn)了無線電探空儀，人們開始能獲取空中的溫度和氣壓的資料，這對航空氣象學(xué)的研究和發(fā)展有重要的促進(jìn)作用。隨著飛行高度的擴展，云、霧、雷暴、積冰、大氣湍流、大氣能見度以及它們的預(yù)報方法，都成為航空氣象學(xué)研究的內(nèi)容。 　　

第二次世界大戰(zhàn)后，開始用雷達(dá)探測強對流天氣，這對保障飛行的安全有重大的作用。50年代以后出現(xiàn)了噴氣式飛機，其巡航高度一般可到9～12公里，超音速運輸機的巡航高度可達(dá)20公里左右，飛機逐漸大型化，起飛著陸區(qū)和高空航線上氣象條件的探測和預(yù)報成為重要的航空氣象問題。隨著氣象儀器的更加完善，激光技術(shù)、氣象衛(wèi)星和電子計算機的使用，航空氣象學(xué)的發(fā)展進(jìn)入了一個新階段。 　　

航空氣象服務(wù)始于20世紀(jì)20年代。1919年9月，國際氣象組織在巴黎召開的第四屆理事會上，決定建立航空氣象學(xué)應(yīng)用委員會，1935年在華沙召開的第七屆理事會上決定把它改名為國際航空氣象學(xué)委員會，1951年3月，世界氣象組織又將國際航空氣象學(xué)委員會改名為航空氣象學(xué)委員會。隨著飛機性能的提高，空中交通量的增大以及微電子技術(shù)的發(fā)展，航空氣象服務(wù)的內(nèi)容、方式和方法由早期的人工操作進(jìn)入了當(dāng)前自動化服務(wù)階段。 　　1939年，中華民國航空委員會設(shè)立空軍氣象總臺，1947年成立民用航空局，下設(shè)氣象科和為數(shù)不多的機場氣象臺。直到1949年新中國成立之后，才建立了比較完善的航空氣象組織，逐漸構(gòu)成了裝備有氣象雷達(dá)、衛(wèi)星云圖接收裝置、激光測云儀和移頻通信、氣象傳真機等先進(jìn)設(shè)備的航空氣象臺站網(wǎng)，在航空天氣預(yù)報和航空氣象服務(wù)方面開始有了較大的發(fā)展。

現(xiàn)代的航空氣象學(xué)包括航空氣象學(xué)原理、航空氣象探測、航空天氣預(yù)報、航空氣候和航空氣象服務(wù)自動化等。 　

　 對航空影響較大的氣象問題有：云、霧、降水、煙、霾，風(fēng)沙和浮塵等現(xiàn)象，都可使能見度降低，當(dāng)機場的水平和傾斜的能見度降低到臨界值以下而造成視程障礙時，飛機的起飛和著陸就會發(fā)生困難。當(dāng)水平能見度小于1500米時，在具有儀表著陸設(shè)施的機場，要觀測跑道視距離。在具有儀表著陸系統(tǒng)的機場上，飛機雖然可以在低能見度下著陸，但目前世界上較大的機場，當(dāng)跑道視距小于400米，判斷高度低于30米時，飛機就難以著陸。 　　

觀測斜視能見度，尚缺少有效的儀器，只能根據(jù)水平能見度來推斷。大氣湍流可以使飛機在飛行的產(chǎn)生瞬間的或長時間的顛簸，當(dāng)湍流尺度和飛機的尺度相當(dāng)時，顛簸是劇烈。飛機對湍流的響應(yīng)同飛行速度、飛行姿態(tài)和翼載荷等有關(guān)。強烈的湍流可使飛機失去控制，甚至因過載造成機身結(jié)構(gòu)的變形或斷裂。對飛行影響較大的是晴空湍流、低空風(fēng)切變和地形波。 　　

晴空湍流是一種小尺度的大氣湍流現(xiàn)象，多出現(xiàn)在5000米以上的高空。經(jīng)常發(fā)生在急流區(qū)最大風(fēng)速中心附近風(fēng)速切變最大的地方，其鉛直厚度只有幾百米到千余米。晴空湍流能造成持續(xù)性的飛機顛簸，由于它不伴有可見的天氣現(xiàn)象，飛行員難以事先發(fā)現(xiàn)。對飛行的影響較大。晴空湍流的物理機制，還不十分明了，還沒有實用的預(yù)報方法。曾有人研究用紅外線或激光探測航線前方的晴空湍流的機載儀器，但尚處于試驗階段。 　　

低空風(fēng)切變是發(fā)生在高度幾百米以下的風(fēng)切變。由于它影響飛機的空速，改變了升力，而使飛行高度突然發(fā)生變化，往往使已降低高度和正在減速著陸的大型飛機發(fā)生嚴(yán)重的飛行事故。雷暴、低空急流和鋒面活動是形成低層風(fēng)切變的主要天氣條件。來自雷暴或?qū)α餍詥误w的強烈下種氣流，伴有強烈的風(fēng)切變，這種現(xiàn)象的時間和空間尺度都非常小，對它的探測和預(yù)報都比較困難。 　　

地形波是氣流經(jīng)過山區(qū)時受地形影響而形成的波狀的鉛直運動。氣流較強時鉛直運動也比較強烈。弗爾希特戈特根據(jù)氣流和風(fēng)的鉛直分布，將地形波分成層流、定常渦動流、波狀流和滾轉(zhuǎn)狀流等四種類型。地形波中的鉛直氣流可使飛機的飛行高度突然下降，嚴(yán)重的可造成撞山事故；地形波中強烈的湍流，可造成飛機顛簸；在地形波中鉛直加速度較大的地方，可使飛機的氣壓高度表的指示產(chǎn)生誤差。在日常預(yù)報業(yè)務(wù)中還不能對地形波做出定量的預(yù)報。 　　

飛機飛經(jīng)含有過冷水滴的云、凍雨和濕雪區(qū)時，飛機表面的突出部位，有結(jié)冰的現(xiàn)象。積冰將改變飛機的氣動外形，增加飛行阻力，耗費燃油，并將使皮托特靜壓系統(tǒng)儀表和通信設(shè)備失靈。飛機結(jié)冰與云中的含水量和溫度有關(guān)，對于螺旋槳飛機來說，最容易發(fā)生結(jié)冰的氣溫是-10℃左右，在-30℃～-40℃左右有時也容易發(fā)生結(jié)冰。對于噴氣飛機來說，高速飛行的動力增溫，使機身表面溫度高于大氣溫度，因此發(fā)生結(jié)冰的氣溫與飛行速度有關(guān)。積冰曾經(jīng)是威脅飛行安全的主要問題之一。50年代以后，飛機的巡航高度一般都已高于容易發(fā)生結(jié)冰的高度，而且機上都有防冰裝置和除冰裝置，但在起飛、爬高、空中盤旋和下滑時，仍然可能遇到比較嚴(yán)重的積冰。 　　

雷暴是一種發(fā)展旺盛的強對流性天氣。云中氣流的強烈鉛直運動，可使飛機失去控制；云中的過冷水滴，可造成嚴(yán)重的飛機結(jié)冰；冰雹可打壞飛機；閃電對無線電羅盤和通信設(shè)備，造成干擾和破壞；雷擊能損傷飛機的蒙皮。因此雷暴區(qū)歷來被視為“空中禁區(qū)”，禁止飛機穿越。自從天氣雷達(dá)出現(xiàn)以后，人們能夠及時而準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)雷暴，并對其進(jìn)行監(jiān)視和避讓?，F(xiàn)代飛機使用了大量的電子設(shè)備，特別是控制飛行狀態(tài)的電子計算機，雷電對這些設(shè)備能造成嚴(yán)重的破壞，直接影響飛機正常航行。雷暴屬中小尺度天氣系統(tǒng)，還難以準(zhǔn)確預(yù)報。 　　

高空風(fēng)和氣溫的時間、空間分布變化較大，實際大氣溫度和飛機設(shè)計所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)大氣溫度也有很大差異。在高速飛行的情況下，氣溫的變化引起空氣壓縮性的改變，影響飛機的空氣動力特性。在制做長途航線飛行計劃時，為了縮短飛行時間和節(jié)約燃油，必須根據(jù)高空風(fēng)和實際大氣溫度的觀測資料和預(yù)報選擇最佳航線、最佳的飛行高度和飛行速度。 　　

此外，地面風(fēng)向風(fēng)速特別是大風(fēng)和風(fēng)的陣性變化，對飛機的起飛著陸有著嚴(yán)重的影響。這也是航空氣象學(xué)研究的課題。航天飛行器在發(fā)射時要了解場區(qū)的風(fēng)、氣溫和雷暴的分布，返回大氣層時要根據(jù)大氣的溫度、密度選定再入的角度和高度，航天飛機在著陸時也需要精確的航空氣象情報。 　　

飛機性能的進(jìn)一步提高，自動飛行技術(shù)的逐步實用化，出現(xiàn)了“全天候”飛行問題。飛行活動和氣象條件之間正在從氣象條件決定能否飛行，變?yōu)樵趶?fù)雜氣象條件下如何飛行。全天候飛行系統(tǒng)仍然需要按照實際大氣條件來調(diào)整系統(tǒng)的工作狀態(tài)，在起飛和著陸時對氣象數(shù)據(jù)的要求更高了。 　　

在未來的航空活動中，除了低能見度，斜視能見度、大氣端流、雷暴、高空氣象條件的探測和預(yù)報仍需逐步解訣之外，形成強烈擾動和危害飛行的中，小尺度天氣系統(tǒng)的預(yù)報方法，高速處理、傳輸并顯示大量氣象情報的高功能自動化航空氣象服務(wù)系統(tǒng)，人工影響或改變妨礙飛行的天氣過程的理論和方法，都是航空氣象需要進(jìn)一步探索和解訣的問題。