航空氣象學

航空氣象學，是研究氣象條件同飛行活動和航空技術之間的關係，航空氣象服務的方式和方法，以及航天飛行器在地球大氣層中飛行時的氣象等問題。航空氣象學屬應用氣象學範疇。 ^[1]  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，飛機的設計製造和氣象條件也有密切關係。在實際工作中，航空氣象的主要任務是保障飛行安全,提高航行效率，在不同的氣象條件下，有效地運用航空技術。

航空氣象學是直接為航空服務的一門應用科學。它所研究的對象是航空實踐中出現的各種氣象問題。為保證飛行安全，提高飛行正點率，節約燃油，都需要掌握最新和最準確的氣象情報，需要高質量的的航空氣象服務。 ^[2] 

20世紀初，航空活動興起之後，航空氣象學開始萌芽。1903年12月17日，美國萊特兄弟在做人類首次飛行時，先用葉輪式風速表觀測了地面風速，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，在聖迭戈附近觀測了山區的氣流，因為當時人們認為飛機在鉛直氣流中的突然升降是跌入了“空氣的洞穴”。

早期的航空氣象學主要着眼於地面風和對流層下部的氣流對飛行的影響。當時的航線天氣預報只包括：雷暴、總雲量、地面風、高空風和能見度。20世紀20年代末，出現了無線電探空儀，人們開始能獲取空中的温度和氣壓的資料，這對航空氣象學的研究和發展有重要的促進作用。隨着飛行高度的擴展，雲、霧、雷暴、積冰、大氣端流、大氣能見度以及它們的預報方法，都成為航空氣象學研究的內容。

第二次世界大戰後，開始用雷達探測強對流天氣，這對保障飛行的安全有重大的作用。50年代以後出現了噴氣式飛機，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20公里左右，飛機逐漸大型化，起飛着陸區和高空航線上氣象條件的探測和預報成為重要的航空氣象問題。隨着氣象儀器的更加完善，激光技術、氣象衞星和電子計算機的使用，航空氣象學的發展進入了一個新階段。 ^[3] 

航空氣象服務始於20世紀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應用委員會，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委員會，1951年3月，世界氣象組織又將國際航空氣象學委員會改名為航空氣象學委員會。隨着飛機性能的提高，空中交通量的增大以及微電子技術的發展，航空氣象服務的內容、方式和方法由早期的人工操作進入了當前自動化服務階段。

1939年，中華民國航空委員會設立空軍氣象總枱，1947年成立民用航空局，下設氣象科和為數不多的機場氣象台。直到1949年新中國成立之後，才建立了比較完善的航空氣象組織，逐漸構成了裝備有氣象雷達、衞星雲圖接收裝置、激光測雲儀和移頻通信、氣象傳真機等先進設備的航空氣象台站網，在航空天氣預報和航空氣象服務方面開始有了較大的發展。 ^[3] 

現代的航空氣象學包括航空氣象學原理、航空氣象探測、航空天氣預報、航空氣候和航空氣象服務自動化等。 ^[4] 

對航空影響較大的氣象問題有：雲、霧、降水、煙、霾，風沙和浮塵等現象，都可使能見度降低，當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，飛機的起飛和着陸就會發生困難。當水平能見度小於1500米時，在具有儀表着陸設施的機場，要觀測跑道視距離。在具有儀表着陸系統的機場上，飛機雖然可以在低能見度下着陸，但目前世界上較大的機場，當跑道視距小於400米，判斷高度低於30米時，飛機就難以着陸。

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

晴空湍流是一種小尺度的大氣湍流現象，多出現在5000米以上的高空。經常發生在急流區最大風速中心附近風速切變最大的地方，其鉛直厚度只有幾百米到千餘米。晴空湍流能造成持續性的飛機顛簸，由於它不伴有可見的天氣現象，飛行員難以事先發現。對飛行的影響較大。晴空湍流的物理機制，還不十分明瞭，還沒有實用的預報方法。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，但尚處於試驗階段。

低空風切變是發生在高度幾百米以下的風切變。由於它影響飛機的空速，改變了升力，而使飛行高度突然發生變化，往往使已降低高度和正在減速着陸的大型飛機發生嚴重的飛行事故。雷暴、低空急流和鋒面活動是形成低層風切變的主要天氣條件。來自雷暴或對流性單體的強烈下種氣流，伴有強烈的風切變，這種現象的時間和空間尺度都非常小，對它的探測和預報都比較困難。

地形波是氣流經過山區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。弗爾希特戈特根據氣流和風的鉛直分佈，將地形波分成層流、定常渦動流、波狀流和滾轉狀流等四種類型。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生誤差。在日常預報業務中還不能對地形波做出定量的預報。

飛機飛經含有過冷水滴的雲、凍雨和濕雪區時，飛機表面的突出部位，有結冰的現象。積冰將改變飛機的氣動外形，增加飛行阻力，耗費燃油，並將使皮托特靜壓系統儀表和通信設備失靈。飛機結冰與雲中的含水量和温度有關，對於螺旋槳飛機來説，最容易發生結冰的氣温是-10℃左右，在-30℃～-40℃左右有時也容易發生結冰。對於噴氣飛機來説，高速飛行的動力增温，使機身表面温度高於大氣温度，因此發生結冰的氣温與飛行速度有關。積冰曾經是威脅飛行安全的主要問題之一。50年代以後，飛機的巡航高度一般都已高於容易發生結冰的高度，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重的積冰。

雷暴是一種發展旺盛的強對流性天氣。雲中氣流的強烈鉛直運動，可使飛機失去控制；雲中的過冷水滴，可造成嚴重的飛機結冰；冰雹可打壞飛機；閃電對無線電羅盤和通信設備，造成干擾和破壞；雷擊能損傷飛機的蒙皮。因此雷暴區歷來被視為“空中禁區”，禁止飛機穿越。自從天氣雷達出現以後，人們能夠及時而準確地發現雷暴，並對其進行監視和避讓。現代飛機使用了大量的電子設備，特別是控制飛行狀態的電子計算機，雷電對這些設備能造成嚴重的破壞，直接影響飛機正常航行。雷暴屬中小尺度天氣系統，還難以準確預報。

高空風和氣温的時間、空間分佈變化較大，實際大氣温度和飛機設計所依據的標準大氣温度也有很大差異。在高速飛行的情況下，氣温的變化引起空氣壓縮性的改變，影響飛機的空氣動力特性。在製做長途航線飛行計劃時，為了縮短飛行時間和節約燃油，必須根據高空風和實際大氣温度的觀測資料和預報選擇最佳航線、最佳的飛行高度和飛行速度。

此外，地面風向風速特別是大風和風的陣性變化，對飛機的起飛着陸有着嚴重的影響。這也是航空氣象學研究的課題。航天飛行器在發射時要了解場區的風、氣温和雷暴的分佈，返回大氣層時要根據大氣的温度、密度選定再入的角度和高度，航天飛機在着陸時也需要精確的航空氣象情報。

飛機性能的進一步提高，自動飛行技術的逐步實用化，出現了“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，變為在複雜氣象條件下如何飛行。全天候飛行系統仍然需要按照實際大氣條件來調整系統的工作狀態，在起飛和着陸時對氣象數據的要求更高了。

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，小尺度天氣系統的預報方法，高速處理、傳輸並顯示大量氣象情報的高功能自動化航空氣象服務系統，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一步探索和解訣的問題。

航空氣象勤務通常由航空氣象觀測哨、機場氣象台（站）、區域航空管制中心氣象室和國家範圍的航空氣象中心等各級組成。根據民用和軍用的不同需要，各國一般都有民航和空軍兩套航空氣象服務機構。世界性的航空氣象服務機構有國際民用航空組織的區域氣象中心（如歐洲區、亞洲區等）。

主要包括航空氣象觀(探)測設備、氣象情報傳遞和終端設備、各類計算機以及一些特殊裝備。氣象衞星和氣象雷達是現代重要的航空氣象設備。氣象衞星能提供可見光雲圖、紅外雲圖、空中風場、高空急流位置和強度、氣温和水汽的垂直分佈等。通過對衞星資料的分析，可獲得準確的國際航線大氣風的預報，從而使遠程航行的意外事故大為減少。氣象雷達包括測風、測雲、測雨等多種類型，其中測雨雷達是掌握對飛行安全威脅嚴重的強對流天氣的有效工具。

航空氣象情報主要有各種觀（探）測資料，包括空氣温度、濕度、大氣壓力、風向、風速、雲和能見度等的實測數據，以及氣象衞星資料和氣象雷達圖片等。此外還有各種天氣報告和航空天氣預報、各種航空危險天氣警報和通報等。這些情報是實施氣象保障的基本依據，其中航空天氣預報是直接提供給空勤人員和航空管制部門的重要氣象情報。現代航空天氣預報正向客觀化、定量化和短時化方向發展。