2023学年完整公开课版DAY4气象

第四章气象无人机驾驶员培训理论课程第四章气象大气成分及要素1.大气成分2.大气结构3.大气基本要素4.常见气象大气对流运动及气团1.大气对流运动2.大气稳定度3.气团4.锋及锋面天气影响飞行的气象1.雷暴2.积冰3.能见度4.山地气流5.低空风切变航空气象资料分析及应用1.地面天气图2.卫星云图3.航路天气预报图4.获取途径大气：包围着整个地球的空气圈。1.大气成分及基本要素研究大气中的气象现象时，可将大气看作一种混合物，它由三个部分组成：干洁空气、水汽和大气杂质。大气是一种物体，它有质量也有重量，海拔越高空气越稀薄，18000ft（5486m）高度的大气密度仅仅为海平面上的一半。干洁空气主要由78%的氮气，21%的氧气以及1%的其它气体组成。1.1大气成分在构成干洁空气成分中，对天气影响较大的是二氧化碳和臭氧。1.干洁空气来源：地球表面的水分蒸发和植物叶面的蒸腾。1.1大气成分2.水汽含量：约占整个大气体积的0-5%左右，并随着高度的增加逐渐减少。1.2大气结构1.大气垂直分层

大气可分为对流层、平流层、中间层、热层（电离层）和散逸层五层。

1.2大气结构2.对流层纬度：低纬度地区上界高度17-18km；中纬度地区上界高度10-12km；高纬度地区上界高度8-9km；季节：同一地区上界高度夏季大于冬季。对流层因为空气有强烈的对流运动而得名，它的底界为地面，上界高度随纬度、季节、天气等因素而变化。主要特征：1.气温随高度升高而降低。平均气温垂直递减率为0.65℃/100m。2.气温、湿度的水平分布很不均匀。主要受地表性质影响。3.空气具有强烈的垂直混合。底层暖空气有上升趋势，上层冷空气有下降趋势。1.2大气结构2.对流层对流层中，按气流和天气现象分布的特点，可分为上，中，下三个层次。下层（离地1500m以下）：空气运动受地形扰动和地表摩擦作用最大，气流混乱，又称摩擦层。中层（1500m到6000m）：气流相对平稳，云和降水大多生成于这一层。上层（6000m到对流层顶）：受地表影响更小，水汽含量很少。1.2大气结构3.平流层对流层顶到大约55km的高度，现代大型喷气式飞机的高度可达到平流层低层。气温随高度增高而升高。空气几乎没有垂直运动，气流平稳空气稀薄，水汽和杂质含量极少，空气阻力小，能见度好。主要特征：1.3大气基本要素三大气象要素为气温，气压和空气湿度。气温、气压和空气湿度的变化都会对飞机性能和仪表指示造成一定的影响，这种影响主要通过它们对空气密度的影响而实现，空气密度与气压成正比，与气温成反比（P=ρRT）。1.3大气基本要素1.气温气温：表示空气冷热程度的物理量。大气系统热量主要是吸收太阳辐射，当太阳辐射通过大气层时，有24%直接被大气吸收。气温度量：

1.3大气基本要素1.气温气温对飞行的影响：气温对升限的影响：气温升高，所有飞机的升限都要减小。气温对滑跑距离的影响：气温升高,空气密度小,飞机增速慢，飞机的离地速度增大，起飞滑跑距离增长；气温对最大平飞速度的影响：气温低时，空气密度大，飞机发动机的推力增大，最大平飞速度增加气温对飞机载重的影响：当气温高于标准大气温度时,飞机的载重量减少。气温对飞机机体的影响：影响飞机机体腐蚀的大气因素是空气的相对温度、空气的温差。1.3大气基本要素2.气压气压对飞行性能的影响：海拔升高，气压降低，伴随着降低的大气压力起飞和着陆距离会增加，爬升率会减小。气压即大气压强，是指与大气相接触的面上，空气分子作用在每单位面积上的力。气压单位：百帕(hPa)毫米汞柱(mmHg)气压总是随高度增加而降低的。1.3大气基本要素2.气压若飞机按气压式高度表指示高度定高飞行，在飞向低压区时，飞机的实际高度将逐渐降低。气压式高度表：主要的航行仪表。根据气压随高度变化原理可以表示飞机绝对高度的高低。1.3大气基本要素3.空气湿度相对湿度：空气中水汽压与同温度下饱和水汽压的百分比。空气湿度就是用来度量空气中水汽含量多少或空气干燥潮湿程度的物理量。湿度表示方法：相对湿度露点气温露点差影响因素：空气中水汽含量：水汽含量越多，相对湿度越大；温度：气温越高，则可以容纳的水汽就越多，相对湿度减小；1.3大气基本要素3.空气湿度露点：空气在水汽含量和气压都不改变的条件下，气温降低到使空气达到水汽饱和的温度。形象地说，就是空气中的水蒸气变为露珠时候的温度叫露点。故，气压一定时，气温露点的高低可以表示空气中的水汽含量。气温露点差：当空气处于未饱和状态时，其气温高于露点温度，只有在空气达到饱和时，气温才和露点温度相等，因此用气温露点差来判断空气的饱和程度，气温露点差越小，空气越潮湿。1.4常见气象雾是从地表开始50英尺内的云。雾通常发生在接近地面的空气温度冷却到空气的露点时。夜间温度降低，低层常常出现逆温，会使得早晨有雾和烟幕。雾：1.4常见气象云的形成必须有足够的水蒸气和凝结核。云：云对安全飞行产生不利影响的原因是影响正常的目测；机场上空高度较低的云会直接影响飞机的起降，其中危害最大的云是对流云。1.4常见气象云量的估计：云：云量是指云遮盖天空视野的份数。1.4常见气象云量的估计：云：根据国际气象组织规定，把天空分为10个等份；根据国际民航组织规定，把天空分为8个等份。1.十分制云量和八分制云量1.4常见气象云量的估计：云：八分制云量2.大气对流运动及气团主要内容大气对流运动大气稳定度气团锋及锋面天气2.1大气对流运动由于地表冷热不均，受热空气膨胀上升，遇冷则收缩下沉，进而产生了大气的升降运动。温度越高，大气对流运动越明显，因此赤道地区对流效果最明显。1.对流产生的原因2.1大气对流运动由于地球自传，大气还受地转偏向力的影响，北半球向东偏，南半球向西偏，于是会形成三圈环流。1.对流产生的原因0°30°60°90°因此在北纬30°到赤道之间形成了东北信风。2.1大气对流运动使原来静止的空气产生垂直运动的作用力,称为对流冲击力。2.对流冲击力按形成原因对流冲击力可分为：热力对流冲击力和动力对流冲击力。热力对流冲击力：白天在太阳的辐射作用下，山岩地、沙地、城市地区比水面、草地、农村升温快，其上空受热后温度高于周围空气，因而体积膨胀，密度减小，使浮力大于重力而产生上升运动。夜晚正好相反。2.1大气对流运动案例：海陆风白天：风从海上刮来，因此叫海风夜晚：风从陆上刮来，因此叫陆风原理：陆地吸收和散发热量比水面快。2.1大气对流运动动力对流冲击力：是由于空气运动受到机械抬升作用而引起的。如：山地迎风坡面对空气的抬升等。2.1大气对流运动对流冲击力对飞行的影响：①、飞机在较低高度飞行，受上升气流或下沉气流影响导致颠簸。上升气流很可能发生在路面或荒地上空；下降气流经常发生在水体或稠密植被的区域之上。②、接近地面的对流气流会影响飞行员控制飞机的能力，如：来自全无植被的地形的上升气流会产生漂浮效应，导致飞行员飞过预期的着陆点；相反在一大片水或稠密植被的地区之上会产生下沉效应，导致飞行员着陆在不到预期的着陆点。2.1大气对流运动因为空气总是寻找低压区域，所以气流会从高压区域向低压区域流动。风的形成关键因素是气压的变化，同时与地球自转和空气与地面的摩擦作用相关。3.风的模式形成风的力：水平气压梯度力地转偏向力摩擦力风的形成：自由大气中风的形成摩擦层（1500m以下）中风的形成2.1大气对流运动P为等压线，G为水平气压梯度力，A为地转偏向力，V为风向。自由大气不考虑摩擦力，最终风向与等压线平行。气象上的风向是指风的来向。自由大气中风的形成气压梯度力地转偏向力最终风向2.1大气对流运动R是摩擦力，近地面的风受三个力的作用，最终风向与等压线斜交。摩擦层中风的形成气压梯度力地转偏向力摩擦力风向2.1大气对流运动风对飞行的影响：高空顺风：会增大地速、缩短飞行时间、减少燃油消耗、增加航程。高空逆风：会减小地速、增加飞行时间、缩短航程。高空侧风：会产生偏流，需进行适当修正以保持正确航向。低空逆风：会增大空速、减小接地速度、缩短着陆距离，故逆风起飞和着陆。低空顺风：会减小空速、增大接地速度、增加着陆距离。低空侧风：会产生偏流，对着陆起飞产生不利影响。2.1大气对流运动障碍物对风的影响：地面上障碍物会分散风的流向，产生会快速改变方向和速度的阵风，形成湍流。其强度依赖于障碍物的大小和风的基本速度。这会影响任何飞机的起降和着陆性能，也会引发非常严重的危险。机场上常用风向袋来估计风速，当风向袋吹平时，风速已10～12米/秒2.2大气稳定度大气稳定度指整层空气的稳定程度，有时也称大气垂直稳定度。以大气的气温垂直加速度运动来判定。大气中某一高度的一团空气,如受到某种外力的作用后,产生向上或向下的运动时,可以出现三种情况：稳定状态。移动后逐渐减速，并有返回原来高度的趋势。不稳定状态。移动后，加速向上向下运动。中性平衡状态。如将它推到某一高度后，既不加速，也不减速，而停下来。2.3气团气团是指气象要素（主要指温度，湿度和大气稳定度）在水平分布上比较均匀的大范围空气团。范围：气团的垂直高度可达几公里到几十公里，常常从地面伸展到对流顶层，水平范围内几十公里到几千公里。按气团的热力性质不同：冷气团和暖气团按气团的湿度特征差异：干气团和湿气团按气团的发源地：北冰洋气团、极地气团、热带气团、赤道气团分类：2.3气团当气团在源地形成后，气团中的部分空气会离开源地移到与源地性质不同的地面，气团中的空气与新地表产生了热量与水分的交换，这样气团的物理属性就会逐渐发生变化，这种变化称为气团的变性。一般来说，冷气团移到暖的地区变性快，而暖的气团移到冷的地区变性慢。气团的变性：2.4锋及锋面天气冷、暖气团之间的交界面称为锋面。锋面与地面的交线称为锋线，锋面与锋线统称为锋。锋锋面向冷气团一侧倾斜。

2.4锋及锋面天气1、冷锋：冷气团主动向暖气团一侧移动的锋面。2、暖锋：暖气团主动向冷气团一侧移动的锋面。3、静止锋：冷暖气团势均力敌，锋面很少移动。锋面的分类2.4锋及锋面天气暖锋过境时，温暖湿润，气温上升，气压下降，天气多转云雨天气。暖锋比冷锋移动速度慢，可能出现连续性的降水和雾（能见度差）。暖锋天气2.4锋及锋面天气云和降水主要出现在地面锋线后且较窄，多大雨；锋线一过云消雨散，天空通常很快放晴；风速增加，出现大风。冷锋天气2.4锋及锋面天气静止锋天气常常冷气团稍强向南移一些，忽而暖气团强时向北推一些，使锋面呈现南北摆动的状况，也称准静止锋。春季、初夏和秋天的连阴雨天气和梅雨天气就是受静止锋影响造成的。3.影响飞行的气象常严重影响飞行的气象主要包括：雷暴积冰低空风切变3.1雷暴由对流旺盛的积雨云引起的，伴有电闪雷鸣的局地风暴，称为雷暴。形成雷暴的基本条件是：

1.深厚而明显的不稳定气层（提供能源）

2.充沛的水汽（形成云体、释放潜热）

3.足够的冲击力（促使空气上升）一般雷暴的结构：

1.积云阶段（发展阶段）

2.成熟阶段

3.消散阶段3.1雷暴根据结构可分为：一般雷暴强烈雷暴根据形成雷暴冲击力可分为：热雷暴地形雷暴天气系统雷暴热雷暴：因地面受热不均产生热力对流形成的。地形雷暴：暖湿不稳定空气在山脉迎风坡被强迫抬升而形成。天气系统雷暴：如锋面雷暴等。3.1雷暴特点：地面气压持续下降一般没有降水和闪电，风很小积云阶段（发展阶段）一般雷暴的结构：积云阶段（发展阶段）、成熟阶段、消散阶段3.1雷暴特点：随着积雨云中迅速下沉的冷空气到达地面后，风向突转，风力迅速增大，阵风风速常在20m/s伴随局部下降气流，降水产生并发展；有强烈的湍流、积冰、闪电、阵雨和大风等危险天气。成熟阶段3.1雷暴特点：下降气流遍布云中，云体趋于瓦解和消散消散阶段3.1雷暴雷暴会产生：电闪雷击、冰雹袭击、风切变和湍流，使飞机颠簸、性能降低，强降雨使飞机气动性能变差、发动机熄火。雷暴对飞行影响3.2积冰飞机积冰是指飞机机头某些聚集冰层的现象。原理：云中存在过冷水滴，过冷水滴是不稳定的，稍受震动，即冻结成冰。当飞机在含有过冷水滴的云中飞行时，如果机体表面温度低于0℃，过冷水滴就会在机体表面某些部位冻结，并聚积成冰层3.2积冰飞机积冰主要分为三大种：冰，雾凇，霜。1.冰：有明冰、毛冰、白冰三种类型。明冰，光滑透明、结构坚实。在0～-10℃的过冷雨中或大水滴组成的云中形成；毛冰，表面粗糙不平，冻结得比较坚固，形成在温度为-5～-15℃的云中；2.雾凇，不透明，表面粗糙。多形成在温度低于-10℃左右的云中；3.霜，由于水汽凝结产生的白色小冰晶层。对飞行影响最大的是明冰和毛冰，雾凇和霜容易脱落。3.2积冰积冰的形状主要取决于冰的种类、飞行速度和气流绕过飞行器的不同部位的情况。积冰的情况一般分为槽状冰，锲状冰和混合冰。积冰的形状积冰的强度轻度结冰长时间飞行有危险，如果用除冰设备不影响飞行中度结冰积聚率很快，短时间内就会构成危险严重结冰积聚率非常快，除冰设备也不能控制危险，必须立即返航3.2积冰产生积冰的气象条件高云形成于6000m以上高空，对流层较冷的部份，都是卷云类的。中云于2500m至6000m的高空形成。它们是由过度冷冻的小水点组成，积冰最严重。低云是在2500m以下的大气中形成。当中包括浓密灰暗的层云、层积云（不连续的层云）和浓密灰暗兼带雨的雨层云。层云接地就被称为雾。云是积冰的主要天气现象。3.2积冰产生积冰的气象条件1、飞机积冰与云中温度、湿度的关系飞机积冰通常形成于0℃～-20℃范围内；强积冰多发生在-2℃～-10℃范围内；积冰一般发生在云中温度露点差＜7℃范围内，以0～5℃发生积冰最多；强积冰多发生在温度露点差为0～4℃范围内。2、飞机积冰与高度的关系飞行高度不同，飞机积冰频率也不同，冬季在3000米以下各种高度上飞行时，积冰几乎占56%。3.2积冰积冰对飞行的影响1、破坏飞机的空气动力特性和飞行特性机翼和尾翼积冰，使翼形失真，摩擦阻力和压差阻力都增大，升力系数下降，并可引起飞机抖动，使操纵发生困难。2、降低动力装置效率，甚至产生故障进气道结冰使进气速度场分布不均匀以及气流发生局部分离，引起压气机叶片的振动，冰屑脱离，进入压气机，而造成压气机的机械损伤3.2积冰积冰对飞行的影响3、影响仪表和通讯，甚至使之失灵空速管和静压孔积冰会使仪表系统失真天线积冰会使无线电通信失效风挡积冰会影响目视条件操纵面积冰会影响操纵面控制起落架积冰会在收轮时损坏起落架或设备3.2积冰飞行中的措施密切注意积冰的出现和强度及时防冰和除冰脱离积冰区飞机积冰后，柔和操纵，尽量保持平飞姿态和安全高度3.3能见度1、概念：能见度是反映大气透明度的一个指标，航空界定义为具有正常视力的人在当时的天气条件下能够看清楚目标轮廓的最大距离。2、测量方法：目测；大气透射仪；激光能见度自动测量仪。3、气象学中，能见度用气象光学视程表示。气象光学视程是指白炽灯发出色温为2700K的平行光束的光通量，在大气中削弱至初始值的5%所通过的路径长度。4、最小能见度是能见度因方向而异时，其中最小的能见距离。5、影响能见度的因素：霾、雾、雨、风雪和大气稳定度等。国际上对烟雾的能见度定义为不足1km，薄雾的能见度为1-2km，霾的能见度为2-5km。3.4山地气流1、山地对风的影响：山体本身的障碍影响，使气流被阻滞不前；一般山顶和峡谷风口的风速增大。山地还会因热力影响形成山谷风。2、山谷风：因山坡和谷地上空自由大气的热力变化不同而引起的一种在山地常见的局地环流。3.4山地气流3、山地气流对飞行的影响：最强乱流易出现在山谷中间，应靠近迎风坡飞行。山的背风面乱流多，用尽量避免在山的背风面顺风飞行。对气压高度表的影响；在山地背风坡中的下降气流中飞行时，气压式高度表读数高于实际高度。3.5低空风切变风切变：风矢量（风速、风向）在空中水平或垂直距离上的变化。基础知识低空风切变：在高度600米以下的风切变。根据飞机的运动相对于风矢量之间的各种不同情况，把风切变分为：顺风切变逆风切变侧风切变垂直风切变低空风切变分类3.5低空风切变1.顺风切变飞机在起飞或着陆过程中，水平风的变量对飞机来说是顺风。例如：飞机从逆风进入顺风（图b）从大逆风进入小逆风（图a）飞机在起飞或着陆时遇到顺风切变，空速突然减小，升力减小，飞机将掉至预定航线以下3.5低空风切变2.逆风切变飞机在起飞或着陆过程中，水平风的变量对飞机来说是逆风。例如：从大顺风进入小顺风（图b）从小逆风进入大逆风（图a）飞机在起飞或着陆时遇到逆风切变，空速突然增大，升力增加，飞机上仰并上升到预定航线之上3.5低空风切变3.侧风切变指的是飞机从一种侧风或无侧风状态进入另一种明显不同的侧风状态3.5低空风切变4.垂直风切变飞机从无明显的升降气流区进入强烈的升降气流区域的情形风切变气流常从高空极速下冲，当飞机进入该区域时先遇强逆风，后遇强烈的下沉气流，随后又是强顺风。3.5低空风切变产生低空风切变的天气条件雷暴锋面辐射逆温型的低空急流复杂地形地物和摩擦效应3.5低空风切变1.雷暴雷暴的下降气流在不同的区域可造成两种不同的风切变：雷暴单体下面，由下击暴流造成的风切变下冲气流到达地面后形成强烈的冷性外流3.5低空风切变2.锋面穿过锋面时，将碰到突然的风速和风向变化，强冷锋及锋后大风区存在严重的低空风切变。3.5低空风切变3.辐射逆温型的低空急流逆温层使地面风很弱，而且风向多变，逆温层上层有强风形成，这样就在地面附近与上层气流之间形成了较大的风切变。3.5低空风切变4.地形地物机场周围山脉较多或地形地物复杂会产生局地性风切变。3.5低空风切变低空风切变的判断和识别目视判断法雷暴冷性外流气流的尘卷风（沙暴堤）雷暴云体下的雨幡滚轴状云强风吹倒树木和庄稼仪表判断法空速表指示的非理性变化高度表的不正常变化升降速度表波动俯仰姿态指示器变化快3.5低空风切变1.雷暴冷性外流气流的尘卷风（沙暴堤）雷暴冷性外流气流前缘的强劲气流会把地面的尘土吹起相当的高度，并随气流移动。3.5低空风切变2.雷暴云体下的雨幡雷暴云体下的雨幡是有强烈下降气流的征兆。雨幡下垂高度越低，个体形状越大，色泽越暗，预示着风切变和下击暴流也越强。3.5低空风切变3.滚轴状云在雷暴型和强冷锋型风切变中，强的冷性外流往往有明显的涡旋运动结构，并伴有低空滚轴状云。3.5低空风切变4.强风吹倒树木和庄稼强风或下击暴流所吹倒的成片树林和庄稼，其倒伏方向会呈现出气流的流动状况。4.航空气象资料分析及应用主要内容地面天气图卫星云图航路天气预报图4.1地面天气图地面天气图是天气分析和预报业务中最基本的天气图。地面天气图常用分析项目包括海平面气压场、等三小时变压场、锋等。地面天气图上填写的气压是海平面气压；根据地面天气图上分析的等压线，我们