航空气象学(教案).docx

航空气象学理论提示：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，航空气象保障的方式和方法，以及飞行器在地球大气层中飞行时的气象等问题的一门科学。航空气象学属应用气象学范畴。在实际工作中，航空气象的主要任务是保障飞行安全，提高航空效率，在不同的气象条件下，有效地运用航空技术，顺利完成飞行任务。理论解释：一、T-LnP图1.1温度对数压力图及其分析实践内容：温度对数压力T-LnP图又称埃玛图(Emagram，是Energy-per-unit-diagram的缩写)。是一种热力学图解，图上的面积设计成与大气运动能量成正比。该图解以温度为横坐标，以气压的对数为纵坐标，还有三组线条；层结曲线、干绝热线和湿绝热线、露点压力曲线。使用该图解可以方便而清晰得分析大气层结特性及湿空气在升降过程中状态的变化，判断大气静力稳定性及对流不稳定性。目前温度对数压力图仍是气象台站分析预报雷雨、冰雹等强对流天气的一种基本图表，在飞行方面是一种重要的判断飞行天气的工具。根据资料在T-LnP图上绘出层结曲线、干绝热线和湿绝热线、露点压力曲线。1.2实践目的：根据T-LnP图上状态曲线、层结曲线和露点压力曲线判断大气稳定度、判断热对流发生时间及其强度，分析出对流和层状云云顶高度、云底高度，估计对流云中垂直气流速度、垂直风场结构，低层能见度情况，分析积冰层高度和厚度。1.3实践资料：选取资料库中所提供单站垂直方向上气压、气温、露点温度、风场资料。1.4实践步骤和方法并据此写出实践报告：1）根据资料在给定的T-LnP图上点绘出层结曲线、状态曲线、露点压力曲线和高空风分布曲线。2）分析正负不稳定能量、分析低空风切变情况、分析对流云和层状云顶高和低高、估计云中垂直气流速度、分析积冰层高度和厚度、分析低层能见度情况、进行热对流预计。3）根据前面分析在实践报告中说明航路上飞跃积雨云需要的飞行高度层情况，说明开关防冰的飞行高度层情况，进入积雨云中时飞机的颠簸情况分析，飞机进出层状云的飞行高度层情况，飞机起飞和进近时可能遇到风切变的高度层情况，可能发生的热对流时间。二、地面天气图与高空天气图的分析和使用空中槽和地面锋分析2.1天气图中空中槽和地面锋分析实践内容：天气图是指填有各地同一时间气象要素的特制地图。在天气图底图上，填有各城市、测站的位置以及主要的河流、湖泊、山脉等地理标志。气象科技人员，根据天气分析原 理和方法进行分析，从而揭示主要的天气系统，天气现象的分布特征和相互的关系。是目前气象部门分析和预报天气的一种重要工具。天气图分地面天气图及高空天气图，高空天气图主要层次有925百帕、850百帕、700百帕、500百帕、300百帕、200百帕和100百帕等天气图。通过同一时刻的上、下层次配合，可了解天气系统的三度空间结构。根据需要可选用不同范围的天气图，在我国通常用欧亚范围的天气图，有时也用北半球范围，或低纬度（30N 30S）图或某一省，地区范围的小图作辅助分析用。各地气象台站按照统一规定时间进行观测，把收集到的有关风、云、大气压力、温度、湿度等气象资料，用各种天气符号按照一定格式填在一种专门设计的空白图上，这种图就是天气图。天气图上的曲线叫等压线，它是气压相等的地方的连线。根据等压线的分布特点可以分析出常见的天气系统。天气图绘制内容海平面图分析：等压线、等三小时变压线、高低压系统，锋面、天气区。空中图分析：等高线、高低压系统、等温线、槽线。2.2实践目的：通过分析地面图等三小时变压线、锋面、天气系统和天气区情况，确定起降机场天气情况，为飞机起降提供天气预警。当天气在飞行边缘气象条件下时，为飞行选择必要的备降机场。通过分析空中流场、温度场、及冷暖平流情况，分析大气垂直稳定度、地转涡度，确定未来天气发展趋势和天气变化结果。2.3实践资料：由资料库中提供的典型天气过程地面和空中天气图。2.4实践方法和步骤：1）取资料库中地面、空中图，掌握地面和空中天气图各种符号含义、绘制内容。2）地面天气图分析：指出图中天气系统名称、高空锋区的位置、空中冷暖平流的位置、急流位置、配置。正确分析地面锋的位置、天气区、三小时等边压线、高低空冷暖平流的相互位置关系、分析地转涡度、利用天气学理论正确预报未来天气发展演变结果。3）空中天气图分析：在资料库中选取925、850、700和500百帕图一套，分析图中槽线、空中锋区、冷暖平流区域并对比不同图上冷暖平流配置标明大气不稳定区域，根据槽线位置配置、冷暖平流情况和地转涡度及其热成风涡度情况说明未来系统发展状况。4）综合分析：就上面分析情况结合天气学理论说明，为什么会有当时的天气现象分布，并预测6小时内天气区分布的式样和天气变化的趋势。三、根据天气图、卫星云图资料分析空中急流和积冰区域大小、厚度卫星云图气象卫星云图是以气象卫星之仪器拍摄大气中的云层分布，来寻找天气系统并验证地面天气图绘制的正确性。除此之外还可以用来观测海冰分布、确定海面温度等与中长期天气预报相关的海洋资料。此技术为可在单一影像上显现各种尺度天气现象，对天气分析与预报提供非常有助益的遥测资料。大致而言，卫星云图可分为红外线卫星云图、可见光卫星云图以及色调强化卫星云图。 红外线卫星云图红外线卫星云图利用卫星上之红外线仪器，来测量云层之温度。其中，温度低的云层会以亮白色来显示，也就是此处的云层较高，而暗灰色的部分则代表云层高度较低，因为越接近地面的云层温度越高。简单而言，即以云顶的不同温度来判断云层的高度。可见光卫星云图可见光卫星云图利用云顶反射太阳光的原理制成，故仅能于白昼进行摄影。可见光卫星云图可显示云层覆盖的面和厚度，比较厚的云层反射能力强，在可见光卫星云图上，会显示出亮白色，云层较薄则显示暗灰色，还可与红外线卫星云图结合起来，做出更准确的分析。色调强化卫星云图属于红外线卫星云图的一种，其为针对对流云所设计，主要目的为突显对流现象。对流越强，云顶发展越高，云顶温度越冷。 3.1实践目的：识别红外、可见光、色调强化卫星云图上高、中、底云；着重识别出对飞行安全影响极大的雷暴、云团、低云、雾相关的云系，并能估计出它们的顶高和厚度；识别高低压、锋面、急流、飑线、台风、副热带高压带、热带辐合带等天气系统。3.2实践资料：多时次红外、可见光、红外增强云图3.3实践步骤和方法：3.3.1在互联网上打开国家气象局中央气象台网站，网址：。3.3.2云类识别：根据要求分别在图中圈出卷云、卷层云、卷和高积云、层积云、雨层云、积雨云、层云、雾等云类。3.3.3天气系统识别：在给定的图中圈出急流、锋面云带、锋面气旋、高压、冷涡、中尺度云团、飑线、热带风暴（台风）、副热带高压带、热带辐合带等天气系统。3.3.4对于3.3.2和3.3.3中的标注说明识别理由。四、雷达设备识别及其图像分析例举出当前民航所有使用雷达类型，根据资料库中雷达图像识别出雷达所属类别（相干和非相干），例举民航雷达图像类别并根据雷达图像分析出对流云、层状云、风切变等图像特征。专门用于大气探测的雷达。属于主动式微波大气遥感设备。与无线电探空仪配套使用的高空风测风雷达，只是一种对位移气球定位的专门设备，一般不算作此类雷达。气象雷达是用于警戒和预报中、小尺度天气系统（如台风和暴雨云系）的主要探测工具之一。常规雷达装置大体上由定向天线、发射机、接收机、天线控制器、显示器和照相装置、电子计算机和图象传输等部分组成。气象雷达使用的无线电波长范围很宽，从1厘米到1000厘米。它们常被划分成不同的波段,以表示雷达的主要功能。气象雷达常用的1、3、5、10和 20厘米波长各对应于 K波段（波长0.752.4厘米）、X波段（波长 2.43.75厘米）、C波段（波长3.757.5厘米）、S波段（波长7.515厘米）和 L波段（波长1530厘米）。雷达探测大气目标的性能和其工作波长密切有关。把云雨粒子对无线电波的散射和吸收结合起来考虑，各种波段只有一定的适用范围。常用K波段雷达探测各种不产生降水的云，用X、C和S波段雷达探测降水,其中S波段最适用于探测暴雨和冰雹，用高灵敏度的超高频和甚高频雷达可以探测对流层平流层-中层的晴空流场。目前我国使用的最多的雷达是713、714雷达及多普勒雷达。雷达定向发射的电磁波柞大气中以近似光速直线传描，当遇到日标物时，就有一部分电磁波能量被反射回来，这样，根据发射电磁波到接收到回波信号的时间及电磁波的传播速度，可以汁算山出目标物与雷达之间的距离：雷达天线所在方位角即为日标物所在的方位。气象雷达探测的目杯物是云、雨、雪和冰雹等降水质点群，接收机所接收的回波信号是被电磁波照射的质点群后向散射的能量合成，这部分能量与被照射体积内的所有质点直径的6次方总和成止比，可见质点越大，质点数越多，回波就越强，其中降水粒子的大小址是决定回波强弱的主要因素。因此，对非降水云系、雾等只含有微小水滴的情形，气象雷达的探测效果并不够理想。气象雷达的作用目前气象雷达是最主要的气象探测设备之一，尤其在临近预报和帮助飞行人员绕飞雷雨方面发挥着十分重要的作用。 多普勒技术在气象雷达方面的应用使得气象雷达在探测功能方面有了实质性的进展。与常规气象雷达相比，多昔勒气象雷达不仅能够探测回波强度，同时还可以探测到有关风场的资料，两种资料的配合使用，可以帮助预报人员更好地分析天气系统的内部结构及发展趋势，可以监测飓风、龙卷等灾害性天气，能够识别危及航空安全的低空风切变等。机场气象雷达分布情况简介中国民航目前共有气象雷达近70部，其中进口多普勒气象雷达8部，分布在主要的国际机场；713系列C波段气象雷达17部，714系列C波段气象雷达13部，还有2部716型C波段气象雷达和1部712型C波段气象雷达，这些雷达主要分布在中等规模以上的机场；另外，迹有711系列X波段气象雷达26部主要分布在中小规模的机场。从探测性能上讲，进口多普勒雷达能够同时探测云体的回波强度和径向速度，其探测精度更高，软件功能更强，产品比较丰富；日前民航已经安装的国产常规气象雷达(包括C波段和X波段)只能探测回波强度。C波段与X波段气象雷达相比，C波段气象雷达在探测精度和探测范围上都有优势。实时产品：雷达在天线扫描的同时即可显示的产品称实时产品。二次产品：雷达通过多个仰角的探测得到一整套立体扫描数据，井通过填补数据等复杂的计算和处理而得的用户所需要的各种产品，称为二次产品。目前，民航只有一部分气象雷达具有生成二次产品的功能。数据类型：对于多普勒雷达目前有三种数据类型，即强度(又称反射率)、速度和谱宽。但由于目前大多数机场使的还是常规雷达，而且速度产品的识别需要较强的气象专业知识，所以目前传输给管制人员和飞行人员的主要是强度产品。 产品类型：常见的包括PPI、RHI、XSEC、CAPPI、TOPS、MAX4.1实践目的：根据非相干波雷达中PPI和RHI图识别积雨云的强度范围、垂直特征，分析层状云范围和强度。识别多普勒雷达图的风场图特征。识别全国雷达拼图上积雨云系和锋面、飑线、中尺度云团、热带风暴等天气系统的范围、强度特征，为飞行安全航路的选择提供依据。4.2实践资料：PPI、RHI图片、多普勒图片、全国雷达拼图图片。4.3实践步骤和方法：4.3.1在互联网上打开国家气象局中央气象台网站，网址：中找出不同省市气象网站和雷达图。4.3.2在PPI和RHI图中识别积雨云顶高、底高、厚度等信息。4.3.3在多普勒雷达图上识别风场特征和风切变特征，根据风场特征识别出天气系统情况、风切变情况。4.3.4天气系统识别：在全国雷达拼图中识别出积雨云区、中尺度云团区、飑线区域、锋面云系、热带风暴云系。在以上各种识别中给出识别理由。五、非相干波雷达图像分析（714气象雷达图像）典型云和降水特征分析5.1 雷达图像的典型云和降水特征分析实践内容：气象雷达是最主要的气象探测设备之一，可提供飞机前方气象情况的准确和连续的图像并以距离和方位的形式显示出来，为飞机改变航道、避开颠簸区域和飞行安全提供保障。气象雷达分为：天气雷达（测雨雷达）、测云雷达、多普勒气象雷达、机载气象雷达等。民航中使用的714SDN天气雷达是非相干波雷达，能探测200400千米范围内的降水和积雨云等目标，测定其垂直和水平分布、强度、移动方向和速度、发展演变趋势、发现和跟踪天气图上不易反映出来的中小尺度天气系统。不同性质的云和降水的回波特征不同。云回波的主要特征：强度弱、底部不及地。其中层（波）状云在平显上的回波是薄膜状或小片状，强度很弱，边缘不整齐，在高显上，顶部平坦，底部不及地，有时能观测到雨幡；对流云的回波在平显上呈分散、孤立的小块状，尺度很小，在高显上呈两头尖的米粒状或上大下小的倒梨状。降水的回波特征：层（波）状云降水回波在平显上降水回波范围较大，显绿色，呈比较均匀的片状，边缘模糊，高显上回波高度不高，顶部较平坦，常可见回波内部有一条与地面近似平行的0层亮带；对流云降水回波在平显上回波呈块状、尺度较小，内部结构密实，边缘清晰，黄色和红色的区域呈块状或点状分散在蓝色和绿色的区域中，在高显上，回波呈柱状，发展强烈的单体回波顶常呈砧状或花菜状，高度较高。雹云回波在平显上表现为强度大，边缘分明的块状回波。有时出现“V”形无回波缺口、指状或钩状回波，在高显上，回波柱粗大、高耸、陡直、顶部呈花椰菜状或砧状，在雹云内部上升气流的部位，呈现弱回波穹隆。714气象雷达图象实践内容：从给定的雷达图像中挑出714气象雷达图象（非相干波雷达图像），并分析该类雷达图像中典型云（层状云、对流云）和降水的回波特征及高度，在图中标出云带和雨带。5.2 实践目的：通过识别714雷达图像，分析典型云和降水的回波特征，判断云带和雨带的分布，加深对典型云、降水平面显示和高度显示的回波特征的理解和掌握。5.3 实践资料：由资料库中提供的气象雷达图像。5.4 实践方法和步骤:1)取资料库中的气象雷达图像，识别出714气象雷达图像（非相干波雷达图像）。2）典型云和降水的回波分析：分析714气象雷达图像中典型云（层状云、对流云）和降水（层状云降水、对流云降水及雹云）的回波特征及回波高度。3）用相应的天气符号在该图中标识该云带和雨带。4）综合分析：根据图像分析的结果，预测该地区将会出现的天气现象、强度大小，及飞行应采取的避让措施。六、相干波雷达图像分析（多普勒雷达图像）典型云和降水特征分析6.1雷达图像的典型云和降水特征分析实践内容：多普勒雷达是相干波雷达，除具有一般天气雷达的功能外，还可用多普勒效应来测量云和降水等粒子相对于雷达的径向运动速度。它可以测出各高度上的风向风速、垂直气流速度，湍流和强的风切变，云雨滴谱等，特别是在监测雷暴、冰雹、下击暴流、龙卷等航空危险天气方面十分有效。多普勒雷达图像典型云和降水的回波特征与一般雷达图像回波特征基本一致。在此介绍一些由多普勒径向速度图分析真实风场的简单规则。1）风向的判断：正速度处的风向为离开雷达的方向，且偏向径向速度较大的一侧；负速度处的风向为朝向雷达的方向，且偏向径向速度绝对值较大的一侧。速度零线上的风向和该处的向径垂直。速度极大值和极小值（代数值）处的风向和该处的向径平行。一对正负速度中心分别位于雷达两侧，表示风从负中心吹向正中心。速度随方位角的变化越大，风向相对于向径的偏角越大。2）风速的判断：速度极值处的风速就是该处速度的绝对值；速度越大并且速度随方位的变化越大，则风速越大。3）几种常见风场的特征：均匀风场：等速度线分布和向径相同并呈放射状直线分布，表示该区域的风向和风速比较均匀。涡旋风场：等速度线呈圆弧状分布，表示该区域的风向有系统性的变化，即风场中有气旋式或反气旋式的分布特征。涡旋中心位于等速度线较密的方向。向径两侧有一对正负速度中心，表示有一小尺度涡旋位于两个速度中心之间的向径上。切变风场：零速线存在明显的折角，反映风场中存在切变线，特别密集的等速度线也反映风场中有切变线存在。辐合或辐散风场：等速度线（特别是零速线）走向和距离圈平行并且较密，表示速度有较大的径向速度，它反映该处风场中存在明显的径向辐合或辐散。多普勒雷达图像实践内容：从给定的雷达图像中挑出多普勒雷达图象（相干波雷达图像），并分析该类雷达图像中典型云（层状云、对流云）和降水的回波特征及高度，在图中标出云带和雨带；分析判断风切变的位置及强度。6.2 实践目的：通过识别多普勒雷达图像，分析典型云和降水的回波特征，判断云带和雨带的分布，加深对典型云、降水平面显示和高度显示的回波特征的理解和掌握。通过对风切变的位置及强度的判定，提高对危险天气的判断能力。6.3 实践资料：由资料库中提供的气象雷达图像。6.4 实践方法和步骤:1)取资料库中的气象雷达图像，识别出多普勒雷达图像（相干波雷达图像）。2）典型云和降水的回波分析：分析多普勒雷达图像中典型云（层状云、对流云）和降水（层状云降水、对流云降水及雹云）的回波特征及回波高度。3）用相应的天气符号在该图中标识该云带和雨带。4）分析判断风切变的位置及强度。5）综合分析：根据图像分析的结果，预测该地区将会出现的天气现象、强度大小，及飞行应采取的避让措施。七、自动气象观测系统的熟悉及数据的识别及使用7.1 自动气象观测系统实践内容：自动气象观测系统是包括跑道视程（RVR）、温度、湿度、风向风速、气压、降水量等常规气象要素以及云和天气现象传感器等在内的集成自动化系统。它能实时地获取、处理、传输/显示影响航空器着陆与起飞的各种气象参数，并根据需要编发各类天气报告。系统中除云高仪按规定一般安装在中指点标台外，其它传感器一般安装在距跑道中心线一侧不超过120米处。因此，自动观测系统测量的各种气象要素更接近机场跑道的实际情况。自动气象观测系统实践内容：熟悉自动气象观测系统的组成设备及其安装位置，识别自动气象观测系统数据显示界面，并能提取相应的数据信息。7.2 实践目的：通过实地观看自动气象观测系统，熟悉自动气象观测系统的组成设备及其安装位置，并且能识别和使用自动气象观测系统的数据，分析天气状况，为飞行提供安全保障。7.3 实践资料：实地观看自动气象观测系统及由资料库中提供的自动气象观测系统显示数据。7.4 实践方法和步骤：1）实地观看自动气象观测系统，熟悉其组成设备及安装位置。2）对给定的自动气象观测数据显示界面能识别，并能提取风向风速、能见度、跑道视程、气压、降水量、云高等信息。3）根据提取的气象数据信息，判断该地区天气状况，为飞行提供安全保障。八、重要天气预告图的识别与应用：8.1重要天气预告图的识别与应用 内容：重要天气预报是对航路(区域)有重大影响的天气的预报，常以预报图和缩写明语形式的电码提供，一般有效时间为24h。一般分三种高度层提供，即飞行高度在FL100(10000英尺)以下的低层，飞行高度FL100(10000英尺)至FL250（25000英尺） 的中层和飞行高度在FL250（25000英尺)以上的高层。1低层(FL10000以下)重要天气预报图飞行高度在FL100（10000英尺)以下的低层的重要天气预报图，图中标明锋面及其预期的移动(用箭头表示方向，用数值表示移速，单位地km/h或KT)。各种重要天气、降水和其他引起大范围能见度低于5000m的天气现象(能见度用数值表示，单位为m)，及其所影响的区域和高度。低层重要航空天气预报的主要内容有以下几项：1) 重要天气(或称恶劣天气)。2) 重要天气系统。如地面锋线，高、低压中心，辐合线和赤道辐合带等3) 与重要天气相伴的云。与重要天气相伴的云采用八分制云量，云状用简写符号表示。在重要天气预报图上，重要天气和云区范围用波状线围成，有些重要天气和云还标出下限高度和上限高度，有时还用简语加以说明。4) 低于5000m的地面能见度，用m为单位表示；若能见度大于5000m，则用km为单位标出，也可以不标出。5) 气压中心(高压H，低压L)及其预期的移动方向和速度。6) FL100以下的等温层的高度。7) 海平面温度和海面状况。8) 有关当地火山喷发及火山灰云的情报。如果可能，加上火山名和第一次喷发的时间，提醒用户参考有关区域发布的SIGMET电报。2中层(FL100至FL250)重要天气预报图 中层重要天气预报图上，主要的内容仍然是表中的重要天气现象和重要天气系统的种类及符号。与低层预报不同的是没有地面能见度、气压中心、0等温层高度、海平面温度和海面状况等内容，而增加了出现在中高空的飞行气象条件。这些天气有：1） 晴空颠簸及其强度(晴空颠簸区用断线标出)。2） 急流及出现高度和风速(用流线箭头表示)。需要注意的是，高空急流的风速表示与天气图有所区别，这里一条短线代表10 KT,一个黑色的风三角代表50KT。3） 火山灰云(VA)。3.飞行高度在FL250以上的高层重要天气预报图高层重要天气预报图中的预报内容与中层重要天气预报图类似，不同的是云只预报积雨云，另外还增加了对流层顶的高度资料，对流层顶高度用数字表示，单位为100ft。8.2实践目的：通过分析高中低层重要天气预报图，了解天气系统和天气区情况，确定起降机场天气情况，为飞机起降提供天气预警。当天气在飞行边缘气象条件下时，为飞行选择必要的备降机场。通过分析重要天气现象和重要天气系统分布情况，分析航路重要天气现象和重要天气系统对飞行活动的影响，确定未来天气发展趋势和天气变化结果。8.3实践资料：由资料库中提供的重要天气预报图。8.4实践方法和步骤：1）取资料库中重要天气预报图，掌握高中低层重要天气预报图各种符号含义、绘制内容。2）低层重要天气预报图分析：指出图中地面锋线，高、低压中心，辐合线和赤道辐合带位置、移速移向；指出与重要天气相伴的云量、下限高度和上限高度；地面能见度；等温层的高度；海平面温度和海面状况。利用航空气象学理论正确分析航路天气及演变结果。如有火山喷发及火山灰云则分析其影响范围。结合前后几个时次的低层重要天气预报图分析天气系统的影响范围及未来系统发展状况。3）中层重要天气预报图分析：在资料库中选取相应的中层重要天气预报图，分析晴空颠簸及其强度；急流及出现高度和风速；火山灰云（如有）。结合前后几个时次