航空气象学

航空气象学是研究气象条件同飞行活动和航空技术之间的关系,航空气象服务的方式和方法,以及航天飞行器在地球大气层中飞行时的气象等问题的学科。     气象条件对飞机的起飞、航行、降落以及其他各种飞行活动有不同的影响,飞机的设计制造和气象条件也有密切关系。在实际工作中,航空气象的主要任务是保障飞行安全,提高航行效率,在不同的气象条件下,有效地运用航空技术。
航空气象学发展简史
    20世纪初,航空活动兴起之后,航空气象学开始萌芽。1903年12月17日,美国莱特兄弟在做人类首次飞行时,先用叶轮式风速表观测了地面风速,这是第一次航空气象观测。1915年,美国气象局的一名官员乘坐军用飞机,在圣迭戈附近观测了山区的气流,因为当时人们认为飞机在铅直气流中的突然升降是跌入了“空气的洞穴”。
    早期的航空气象学主要着眼于地面风和对流层下部的气流对飞行的影响。当时的航线天气预报只包括:雷暴、总云量、地面风、高空风和能见度。20世纪20年代末,出现了无线电探空仪,人们开始能获取空中的温度和气压的资料,这对航空气象学的研究和发展有重要的促进作用。随着飞行高度的扩展,云、雾、雷暴、积冰、大气端流、大气能见度以及它们的预报方法,都成为航空气象学研究的内容。
    第二次世界大战后,开始用雷达探测强对流天气,这对保障飞行的安全有重大的作用。50年代以后出现了喷气式飞机,其巡航高度一般可到9~12公里,超音速运输机的巡航高度可达20公里左右,飞机逐渐大型化,起飞着陆区和高空航线上气象条件的探测和预报成为重要的航空气象问题。随着气象仪器的更加完善,激光技术、气象卫星和电子计算机的使用,航空气象学的发展进入了一个新阶段。
    航空气象服务始于20世纪20年代。1919年9月,国际气象组织在巴黎召开的第四届理事会上,决定建立航空气象学应用委员会,1935年在华沙召开的第七届理事会上决定把它改名为国际航空气象学委员会,1951年3月,世界气象组织又将国际航空气象学委员会改名为航空气象学委员会。随着飞机性能的提高,空中交通量的增大以及微电子技术的发展,航空气象服务的内容、方式和方法由早期的人工操作进入了当前自动化服务阶段。
    1939年,中华民国航空委员会设立空军气象总台,1947年成立民用航空局,下设气象科和为数不多的机场气象台。直到1949年新中国成立之后,才建立了比较完善的航空气象组织,逐渐构成了装备有气象雷达、卫星云图接收装置、激光测云仪和移频通信、气象传真机等先进设备的航空气象台站网,在航空天气预报和航空气象服务方面开始有了较大的发展。
航空气象学基本内容
    现代的航空气象学包括航空气象学原理、航空气象探测、航空天气预报、航空气候和航空气象服务自动化等。
    对航空影响较大的气象问题有:云、雾、降水、烟、霾,风沙和浮尘等现象,都可使能见度降低,当机场的水平和倾斜的能见度降低到临界值以下而造成视程障碍时,飞机的起飞和着陆就会发生困难。当水平能见度小于1500米时,在具有仪表着陆设施的机场,要观测跑道视距离。在具有仪表着陆系统的机场上,飞机虽然可以在低能见度下着陆,但目前世界上较大的机场,当跑道视距小于400米,判断高度低于30米时,飞机就难以着陆。
    观测斜视能见度,尚缺少有效的仪器,只能根据水平能见度来推断。大气湍流可以使飞机在飞行的产生瞬间的或长时间的颠簸,当湍流尺度和飞机的尺度相当时,颠簸是剧烈。飞机对湍流的响应同飞行速度、飞行姿态和翼载荷等有关。强烈的湍流可使飞机失去控制,甚至因过载造成机身结构的变形或断裂。对飞行影响较大的是晴空湍流、低空风切变和地形波。
    晴空湍流是一种小尺度的大气湍流现象,多出现在5000米以上的高空。经常发生在急流区最大风速中心附近风速切变最大的地方,其铅直厚度只有几百米到千余米。晴空湍流能造成持续性的飞机颠簸,由于它不伴有可见的天气现象,飞行员难以事先发现。对飞行的影响较大。晴空湍流的物理机制,还不十分明了,还没有实用的预报方法。曾有人研究用红外线或激光探测航线前方的晴空湍流的机载仪器,但尚处于试验阶段。
    低空风切变是发生在高度几百米以下的风切变。由于它影响飞机的空速,改变了升力,而使飞行高度突然发生变化,往往使已降低高度和正在减速着陆的大型飞机发生严重的飞行事故。雷暴、低空急流和锋面活动是形成低层风切变的主要天气条件。来自雷暴或对流性单体的强烈下种气流,伴有强烈的风切变,这种现象的时间和空间尺度都非常小,对它的探测和预报都比较困难。
    地形波是气流经过山区时受地形影响而形成的波状的铅直运动。气流较强时铅直运动也比较强烈。弗尔希特戈特根据气流和风的铅直分布,将地形波分成层流、定常涡动流、波状流和滚转状流等四种类型。地形波中的铅直气流可使飞机的飞行高度突然下降,严重的可造成撞山事故;地形波中强烈的湍流,可造成飞机颠簸;在地形波中铅直加速度较大的地方,可使飞机的气压高度表的指示产生误差。在日常预报业务中还不能对地形波做出定量的预报。
    飞机飞经含有过冷水滴的云、冻雨和湿雪区时,飞机表面的突出部位,有结冰的现象。积冰将改变飞机的气动外形,增加飞行阻力,耗费燃油,并将使皮托特静压系统仪表和通信设备失灵。飞机结冰与云中的含水量和温度有关,对于螺旋桨飞机来说,最容易发生结冰的气温是-10℃左右,在-30℃~-40℃左右有时也容易发生结冰。对于喷气飞机来说,高速飞行的动力增温,使机身表面温度高于大气温度,因此发生结冰的气温与飞行速度有关。积冰曾经是威胁飞行安全的主要问题之一。50年代以后,飞机的巡航高度一般都已高于容易发生结冰的高度,而且机上都有防冰装置和除冰装置,但在起飞、爬高、空中盘旋和下滑时,仍然可能遇到比较严重的积冰。
    雷暴是一种发展旺盛的强对流性天气。云中气流的强烈铅直运动,可使飞机失去控制;云中的过冷水滴,可造成严重的飞机结冰;冰雹可打坏飞机;闪电对无线电罗盘和通信设备,造成干扰和破坏;雷击能损伤飞机的蒙皮。因此雷暴区历来被视为“空中禁区”,禁止飞机穿越。自从天气雷达出现以后,人们能够及时而准确地发现雷暴,并对其进行监视和避让。现代飞机使用了大量的电子设备,特别是控制飞行状态的电子计算机,雷电对这些设备能造成严重的破坏,直接影响飞机正常航行。雷暴属中小尺度天气系统,还难以准确预报。
    高空风和气温的时间、空间分布变化较大,实际大气温度和飞机设计所依据的标准大气温度也有很大差异。在高速飞行的情况下,气温的变化引起空气压缩性的改变,影响飞机的空气动力特性。在制做长途航线飞行计划时,为了缩短飞行时间和节约燃油,必须根据高空风和实际大气温度的观测资料和预报选择最佳航线、最佳的飞行高度和飞行速度。
    此外,地面风向风速特别是大风和风的阵性变化,对飞机的起飞着陆有着严重的影响。这也是航空气象学研究的课题。航天飞行器在发射时要了解场区的风、气温和雷暴的分布,返回大气层时要根据大气的温度、密度选定再入的角度和高度,航天飞机在着陆时也需要精确的航空气象情报。
    飞机性能的进一步提高,自动飞行技术的逐步实用化,出现了“全天候”飞行问题。飞行活动和气象条件之间正在从气象条件决定能否飞行,变为在复杂气象条件下如何飞行。全天候飞行系统仍然需要按照实际大气条件来调整系统的工作状态,在起飞和着陆时对气象数据的要求更高了。
    在未来的航空活动中,除了低能见度,斜视能见度、大气端流、雷暴、高空气象条件的探测和预报仍需逐步解诀之外,形成强烈扰动和危害飞行的中,小尺度天气系统的预报方法,高速处理、传输并显示大量气象情报的高功能自动化航空气象服务系统,人工影响或改变妨碍飞行的天气过程的理论和方法,都是航空气象需要进一步探索和解诀的问题。

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