《民航概论（第2版）》（薛定刚、周翃） 第三章

民航概论第三章：航空运行的大气环境大气层简介1航空气象要素2影响飞行安全的天气现象3目录contents航空气象服务4项目导读地表上方有一层成分复杂且随时变化的大气，民航飞机在大气中飞行，就好像船只在海洋中航行。海洋，是支撑船只航行的自然条件；大气，是支撑飞机飞行的自然条件。在海洋中，海水的盐度、海水的流向、海水的流速、海浪的大小等因素都会对船只的航行造成影响。以此类推，大气中某些要素以及它们的变化也会对飞机的飞行活动造成影响。那么，大气到底是什么？大气中有哪些要素？这些要素会对飞行活动造成什么样的影响？这些要素发生变化后所引发的天气现象又会对飞行活动造成怎样的影响？民航机组人员如何获得相关的气象信息呢？本章将针对这些问题一一展开讲解。01大气层简介课前导入

2021年9月19日，西班牙加那利群岛中拉帕尔马岛上的老昆布雷火山在沉寂了50多年后发生喷发。随后，在群岛上空出现了一组巨大的同心圆。一般情况下，火山烟云能够越出对流层，进入平流层，形成高大的云柱，但是由于当地出现了一种罕见的大气扰动现象，导致上层大气像一个盖子一样死死地捂住了上升的热气流。火山烟云无法进入平流层，只能横向扩散，加上火山喷发的间歇性特点，天空中就出现了这组巨大的同心圆。

请思考：大气也可以分层吗？什么是对流层？什么是平流层？一、大气层的组成成分大气层是指受重力作用而围绕着地球的一层混合气体，是地球最外部的气体圈层。其包围着海洋和陆地，厚度在1000km以上，顶部不存在明显的边界。大气层的组成成分包括多种气体及悬浮其中的液态和固态杂质。其中，大气层的气体成分主要有氮气（占78.1%）、氧气（占20.9%）、氩气（占0.93%），此外还有少量的二氧化碳、稀有气体（氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氡气）和水蒸气。二、大气层的结构整个大气层，根据因距离地面高度不同而表现出的不同特点，被分为对流层、平流层、中间层、热层和散逸层。二、大气层的结构（一）对流层1．对流层简介是大气层中最接近地球表面的一层，这一层集中了整个大气层中约75%的大气及几乎全部的水蒸气和气溶胶。对流层底部与地面相接，层顶的高度随地理纬度和季节的变化而变化。在低纬度地区，层顶高度为17～18km，中纬度地区为10～12km，极地地区为8～9km。同纬度地区，夏季对流层厚度通常大于冬季对流层厚度。由于对流层距离地表较近，如雷雨、浓雾、风切变等天气现象大都发生在这一层，因此，大型民航客机大多会飞越此层顶部，以保证飞行安全。二、大气层的结构（一）对流层2．对流层的特点（1）气温随高度升高而降低：对流层的温度垂直递减率约为每上升100m，气温下降0.65℃。（2）气温、湿度水平分布不均匀（3）大气具有强烈的混合运动二、大气层的结构（一）对流层3．对流层的分层（1）下层：又称扰动层或摩擦层，其范围一般是自地面起到离地2km的高度。随季节和昼夜的变化，下层的范围也会发生变化，一般是夏季大于冬季，白天大于夜间。下层的气流受地面摩擦作用的影响较大，湍流交换作用特别强盛。同时，下层受地面热力作用的影响，气温亦有明显的日变化。此外，由于下层内的水汽、尘粒含量较多，低云、雾、浮尘等现象出现较为频繁。（2）中层：是自下层顶部起至离地面6km的高度。在中层，由于地面摩擦作用减弱，所以大气的乱流运动减少，平流运动增强，大气的运动规律较下层简单清楚，气流状况基本上可表征整个对流层大气运动的趋势。大气中主要的天气现象（如云和降水）大都发生在这一层。二、大气层的结构（一）对流层3．对流层的分层（3）上层：范围是自中层顶部起到对流层的顶部。这一层受地面的影响更小，气温常年都在0℃以下，水汽含量较少，各种云都由冰晶和过冷水滴组成。在中纬度和热带地区，这一层中常出现风速不低于30m/s的强风带，即所谓的高空急流。此外，在对流层和平流层之间，有一个厚度不超过5km的过渡层，称为对流层顶。这一层的主要特征是温度垂直递减率急剧减小。对流层顶对垂直气流有很大的阻挡作用，上升的水汽、尘粒多聚集其下，能见度往往较差。二、大气层的结构（二）平流层1．平流层简介与对流层刚好相反，其顶部吸收了来自太阳的紫外线而被加热，是大气层里上热下冷的一层。在中纬度地区，平流层位于离地表10km至50km的高空；在极地地区，平流层底部距地表8km左右。在温带地区，民航客机一般会于离地表10km的高空，即平流层的底部巡航。①平流层水汽、悬浮固体颗粒、杂质等极少，光线比较好，能见度很高，便于高空飞行；②平流层的大气上暖下凉，大气不对流，以平流运动为主，飞机在其中受力比较稳定，便于驾驶员操纵驾驶；③平流层距地面较高，飞机在其中飞行，对地面的噪声污染相对较小；④鸟类飞行的高度一般达不到平流层，飞机在平流层中飞行相对更安全。2．平流层对飞机飞行的影响三、国际标准大气

国际标准大气规定：海平面高度为0，气温为15℃，气压为1013.25hPa（百帕），大气密度为1.225kg/m3，声速为340.29m/s；对流层高度为0～11km，在对流层内高度每增加1km，气温下降6.5℃，或高度每增加1000ft，气温下降1.98℃，声速随气温的降低而降低；平流层内11～20km的底部大气温度常年保持在-56.5℃，声速也常年保持常数，而在平流层20～50km的上部，大气温度则随着高度升高而增加，声速也随之变大。02航空气象要素课前导入

2020年1月26日，一架直升机在美国加利福尼亚州洛杉矶县卡拉巴萨斯市坠毁。同日，美国加利福尼亚州卡拉巴萨斯市政府在社交媒体证实，美国篮球名将科比·布莱恩特在当天发生的直升机坠毁事故中丧生。

2020年1月31日，在科比坠机事故发生5天后，当地警方给出了科比坠机事故原因的初步推测。在科比乘坐直升机的当天，洛杉矶出现了罕见的大雾天气，能见度很低，直升机驾驶员因大雾迷失方向，做出了错误的驾驶动作，导致事故的发生。”

请思考：大雾会对飞行活动造成什么样的影响？除了大雾，还有哪些气象因素会影响飞行安全？一、大气压强大气压强也叫气压，是作用在单位面积上的大气压力，即其在数值上等于单位面积上向上延伸到大气层上界的垂直大气柱所受到的重力。大气压强对飞行的影响主要有：①随着海拔的升高，大气压强会逐渐降低，低气压条件会危及旅客及机组人员的生命安全；②低压状态下，大气稀薄，单位时间内进入发动机的大气数量变少，发动机产生的推力随之减小，所以飞机飞行速度会比较慢；③低压状态下，大气稀薄，单位面积上大气减少，产生的升力也会减小，因此会导致飞机起飞困难。二、大气温度大气温度也叫气温，是表示大气冷热程度的物理量。大气温度的变化会导致大气密度发生变化，大气密度的变化又会导致单位体积内大气的数量发生变化，进而影响飞机的飞行活动。气温高时，大气密度降低，导致发动机推力减小、升力减小，因而飞机的滑跑距离增加，气温低时情况则正好相反。飞机上使用的空速表和高度表是根据标准密度和标准气温设计的，因此当实际环境气温与标准气温不一致时，就会影响到空速表和高度表数值的精确性，从而影响驾驶员对飞行状态的判断。三、大气湿度大气湿度就是指大气的潮湿程度，它代表此时大气中水汽含量距水汽含量饱和的程度，通常使用相对湿度来表示。大气湿度对飞机飞行的影响主要有：①潮湿的大气会使发动机和某些金属部件锈蚀，材料强度降低，使用年限缩短。②某些用电设备受潮后，会降低绝缘性能，甚至发生故障。③当大气湿度变大时，说明水蒸气的占比提高、干洁大气（指大气混合层中不包含水汽及各种气溶胶颗粒物的气体）的占比减小，由于大气中水蒸气的密度小于干洁大气的密度，所以大气密度随之降低，进而影响发动机的性能和起飞降落时的滑跑距离。四、大气密度大气密度是指单位体积大气中含有的大气质量或分子数目。大气密度主要影响飞机的气动性能，如飞机的巡航速度、最大飞行速度、燃料消耗、载荷、升限、起飞和着陆的滑跑距离等。五、风风是由大气流动引起的一种自然现象。风是对飞行影响最大的气象要素，飞机起降方向的选择、航线的选择、航油携带量、配载等都必须考虑风向和风速的影响。地面强风不仅会影响飞机的起降，还会对停场飞机和地面设施造成破坏，甚至在万里无云的高空，风的变化也会使飞机出现颠簸甚至是强烈颠簸。风的形成示意图六、雾雾是指在水汽充足、微风及大气稳定的情况下，相对湿度达到

100%时，大气中的水汽凝结成细微的水滴悬浮于空中，地面水平能见度较低的自然现象。雾与飞行活动的关系十分密切，机场有雾时，会严重妨碍飞机的起飞和着陆；航线上有雾时，会影响地标领航，使驾驶员看不清地面，不能判断所在位置。出现浓雾时，还会对驾驶员的心理产生不利影响，导致驾驶员操作时易错、忘、漏，很容易造成安全事故。除此之外，在大雾中飞行，飞机的仪表可能会因受到水蒸气的影响而指示不准确，从而影响驾驶员的判断，造成安全事故。七、云云是大气中的水蒸气遇冷液化成的小水滴或凝华成的小冰晶混合组成的飘浮在空中的可见聚合物。云和飞行活动密切相关，它常常给飞行造成困难，甚至危及飞行安全，云底高度很低的云层，会妨碍飞机的起降；飞机在云中飞行时，不但能见度恶劣，还可能会遇到危及飞行安全的积冰、乱流等天气现象。此外，云中光线明暗不均，有时可能会使驾驶员产生错觉，从而严重干扰驾驶操作。八、降水降水是一种大气中的水汽凝结后，以液态水或固态水的状态降落到地面的现象，是自然界中发生的雨、雪、露、霜、霰（xi3n，高空中的水蒸气遇到冷空气凝结成的小冰粒，多在下雪前或下雪时出现）、雹等现象的统称，是受地理位置、大气环流、天气系统等因素综合影响的产物。降水对飞行的影响较大：①在降水区中飞行，驾驶舱玻璃上形成的水流或粘附的雪花，会使驾驶员实际观测到的能见度比气象观测员观测到的更坏；②飞机的气动性会变差；③如果大量雨水被吸入发动机，可能会导致发动机熄火；④飞机电气设备的电路可能会接触不良或短路，无线电设备也会受到一定的干扰；⑤降雨或降雪不仅会影响机场跑道的使用，干扰飞行活动的有序和安全进行，还会迫使停场飞机接受除冰雪作业，从而增大飞机运行成本。03影响飞行安全的天气现象课前导入近期，有记者随机对某机场20名旅客进行了有关航班延误的询问，其中有16名旅客表示自己曾遭遇以“天气原因”为由的航班延误，且都对机场方“天气原因”的说法表示怀疑，甚至有些旅客对“天气原因导致航班延误”几个字表示“深恶痛绝”。“明明起飞和降落机场上空都是好天气，为何不能飞行？”“我有次因‘天气原因’在机场苦苦等候了5个小时，但我看当时天气不错啊，又没打雷，也没下雨。”

请思考：为什么有时候明明天气很好，但是飞机却无法正常起飞呢？影响航班的“天气原因”到底有哪些呢？一、低空风切变低空风切变是指发生在600m高度以下，短距离内风向、风速发生突变的天气现象。一、低空风切变（一）低空风切变的分类（1）顺风切变：指飞机飞行时突然从强逆风区进入弱逆风区，或从弱顺风区进入强顺风区，或从逆风区进入无风区或顺风区。（2）逆风切变：指飞机飞行时突然从弱逆风区进入强逆风区，或从强顺风区进入弱顺风区，或从顺风区进入无风区或逆风区。（3）侧风切变：指飞机侧风突然出现、突然消失或突然改变大小和方向。（4）垂直风切变：指飞机从无明显的升降气流区进入强烈的升降气流区。一、低空风切变（二）低空风切变对飞行安全的影响1．顺风切变的影响会使飞机空速减小、升力下降，从而使飞机下沉，进而导致飞机着陆时提前触地（无操纵干预情况下）。2．逆风切变的影响会使飞机的空速和升力突然增大，从而使飞机抬升，进而导致飞机着陆时冲出跑道（无操纵干预情况下）。一、低空风切变（二）低空风切变对飞行安全的影响3．侧风切变的影响会使飞机在着陆下滑时发生侧滑或偏向（无操纵干预情况下）。4．垂直风切变的影响会使飞机的空速和升力突然增大，从而使飞机抬升，进而导致飞机着陆时冲出跑道（无操纵干预情况下）。二、雷暴雷暴是由发展强盛的积雨云（浓且厚的云）引起闪电、雷鸣现象的局地风暴而成。雷暴对飞行安全的影响主要表现在以下几个方面：（1）雷击（2）颠簸三、高空急流指在地表上空较高处（约90～100km），围绕地球运动的强而窄的气流带，主要集中在对流层上部或平流层中，其中心轴向是准水平的，具有较强的风切变。高空急流的规模通常可达几千千米长，几百千米宽，几千米厚，内部的风速垂直切变为每公里风速差5～10m/s，水平切变为每百公里风速差5m/s，急流内风速不低于30m/s。三、高空急流高空急流对飞行安全的影响主要包括以下几个方面：（1）顺流与逆流飞行时的影响可以增大飞行速度、节省燃料、缩短飞行时间，逆急流飞行时则相反，需要注意多备燃料。（2）横穿急流飞行时的影响①使飞机偏离航线；②不论是进入急流还是脱离急流，飞机都会遇到较大的风切变和温度切变，从而危及飞行安全。三、高空急流（3）急流附近飞行时的影响由于急流内部风速的剧烈变化，将可能导致急流附近出现强烈的扰动气流，故飞机在急流附近飞行时可能会因扰动气流的影响而出现颠簸，不过，由于急流附近的强扰动气流是分散出现的，所以在急流区附近飞行时不一定每次都会遇到。四、乱流乱流是指空气块的一种不规则运动，又称湍流或紊流。根据乱流的成因，可将其分为热力乱流、动力乱流、晴空乱流和航迹乱流：①热力乱流主要由地表增热造成的气温水平分布不均匀引起，常出现在对流层的下层，低纬度地区比较常见，多发生在夏季的中午和午后。②动力乱流是指因地表附近大气的运动受到阻碍、风的空间分布有明显切变而产生的乱流，多见于高纬度大陆。飞机在山地上空飞行时，由动力乱流造成的颠簸比较常见。③晴空乱流又叫高空乱流，与高空中大气的热力和动力因素有关，当温度和风急剧变化时，就会出现晴空乱流。晴空乱流多出现在对流层上部和平流层，是造成高空飞行颠簸的重要因素。④航迹乱流又称尾涡乱流，是指由在飞机尖处产生的一对绕翼尖旋转的闭合涡旋造成的乱流。在两个闭合涡旋之间，是向下的气流；在两个闭合涡旋之外，则是上升的气流。五、积冰积冰是指飞机机体表面某些区域聚集冰层的现象。它主要由云中过冷水滴或降水中的过冷雨滴碰到飞机机体后冻结而成，也可由水汽直接在机体表面凝华（指物质跳过液态，直接由气态变为固态）而成。五、积冰大气温度在0℃以下，相对湿度达到100%时，就会形成过冷水滴。过冷水滴的一个非常重要的特征就是不稳定，稍受震动，就会立刻冻结成冰。当飞机在含有过冷水滴的云中或冻雨中飞行时，过冷水滴或雨滴就会在机体表面某些部位冻结并聚积成冰层。（一）积冰的成因五、积冰（二）积冰的种类及其危害1．明冰指光滑透明、结构坚实的积冰。这类积冰通常是在飞机飞经温度为0～-10℃的过冷雨或由大水滴组成的云时形成。明冰对飞行的危害较大，它通常附着在飞机机翼表面，因此可改变流经翼面的气流，进而大幅度改变飞机的气动性。2．雾凇由许多粒状冰晶组成的，不透明，表面也比较粗糙。这种积冰多形成在温度为-20℃左右的云中。雾凇的积聚速度较慢，多出现在飞机的迎风部位，如机翼前沿。雾凇较松脆，很容易除掉，对飞行的危害要小得多。五、积冰（二）积冰的种类及其危害3．毛冰表面粗糙不平，但冻结得比较坚固，色泽像白瓷一样，所以也被称为瓷冰。它多形成在温度为-5～-15℃，由大量过冷水滴、冰晶和雪花组成的混合云中。由于其表面粗糙不平，故而会破坏飞机的流线。此外，由于毛冰冻结得比较牢固，所以对飞行的影响不亚于明冰。4．霜指由水汽在寒冷的机体表面直接凝华而成的小冰晶层，其形状与地面物体上形成的霜近似。霜是飞机在晴空中飞行时出现的一种积冰，它是在飞机从寒冷的高空迅速下降到温暖潮湿但无云的气层时形成的，或是在飞机从较冷的机场起飞，穿过明显的逆温层时形成。霜对飞机可造成高达30%的升力的损失，严重影响飞行安全。五、积冰（三）积冰的强度及其危害1243轻冰指飞机每分钟积冰小于0.6mm。这种程度的积冰冰层聚集较慢，开启除冰设备即除掉。此时飞机的航向、空速、高度基本不受影响。强冰指飞机每分钟积冰1.1～2.0mm。这种程度的积冰冰层聚集很快，可能会导致除冰设备失去作用，必须改变航线。中冰指飞机每分钟积冰0.6～1.0mm。这种程度的积冰冰层聚集较快，必须及时清除掉。否则，将影响飞机的航向和高度。极强冰指飞机每分钟积冰大于2.0mm。这种程度的积冰冰层聚集很快、很厚，将严重影响飞机的性能和可操纵性，从而严重危及飞行安全。五、积冰（四）不同部位积冰对飞行安全的影响会使飞机的空气动力特性和飞行特性明显变差。如果积冰层较厚，还会使飞机的重心位置发生改变，升力中心偏移，从而影响飞机的可操纵性。会在起落架收放时对起落架造成损坏，从而使飞机着陆时的危险性大大增加。除此之外，起落架上的冰也可能会脱落，从而击损飞机机体，或损坏地面设施、砸伤地面人员。1．机翼和尾翼积冰2．起落架积冰3．空速管和静压孔积冰会使飞机的空速表、高度表、迎角指示器、升降速度表等一系列重要驾驶仪表失真或失效，从而使驾驶员无法正确判断飞机的飞行状态，进而导致严重飞行事故。五、积冰（四）不同部位积冰对飞行安全的影响指发动机进气道口积冰。这类积冰会阻滞气流，使气流发生局部偏离，从而引起压气机叶片的喘振，进而导致积冰脱落。会严重恶化驾驶员的目视条件，使驾驶员难以判断周围的情况，尤其是在飞机起飞和着陆阶段，风挡积冰会带来很大的安全隐患。4．发动机积冰5．风挡积冰6．天线积冰会降低飞机通信质量，甚至中断联络。强烈的积冰还会使天线和机体相接，发生短路，从而造成无线电航行设备失灵，危及飞行安全。五、积冰飞机除冰小妙招1．除冰液除冰除冰液是一种成分为丙二醇或乙二醇水溶液的化学制剂，其除冰原理是降低水在飞机表面的冻结温度。此时对飞机除冰分为两步：一步是将除冰液与水经混合配比和加热后喷洒到飞机上需要处理的部位以清除冰冻层，一步是将一定配比的除冰液喷洒到飞机需要处理的部位上，防止再次形成冰冻层或冰堆。2．空气加热系统除冰机翼的前端和引擎的进气口，一般都布有空气通道，引擎会把加热后的空气送到机体的各个关键部位，以保证机体上的冰霜能快速融解。

3．机械除冰有些螺旋桨飞机由于机翼比较小、富余动力不足等，无法安装加热系统，而改为在重要部件上安装可膨胀的气动带。气动带外层结冰时，只要将其启动，气体就会快速进入使其膨胀，从而撑开冰面，达到除冰的目的。04航空气象服务课前导入

2020年6月，青海省气象局宣布，由青海省气象服务中心研发的西宁曹家堡国际机场趋势预报辅助系统，在民航青海空管分局气象台完成安装部署，正式开展业务试运行，它可以向民航部门提供更具针对性的专业化气象产品服务。该系统是青海省面向航空的第一个专业化气象服务系统。无独有偶，同年7月，全国首家自筹资金建成的新型航空气象服务机构，民航中南地区首个航空气象集中预报中心——湖南机场集团气象预报服务中心，在张家界机场正式落地。这两个航空气象服务领域的突破，推动了我国民航业的高质量发展。

请思考：什么是航空气象服务？航空气象服务可提供的服务内容有哪些？一、航空气象服务机构与用户（一）航空气象服务机构我国的民航气象服务由中国民用航空局所属的空中交通管理局（以下简称“民航局空管局”）提供。民航局空管局设立民航气象中心和民航地区气象中心，各民航运输机场设机场气象台，通用机场设气象台或气象站，其中民航地区气象中心可以承担机场气象台的职责。民航局还会在每个飞行情报区内指定一个民航地区气象中心或机场气象台承担气象监视台的职责，从而形成由民航气象中心、民航地区气象中心、机场气象台（站）和气象监视台组成的我国航空气象服务机构体系。一、航空气象服务机构与用户（二）航空气象服务用户01航空公司一是为航空公司的运行控制部门提供气象信息。二是在飞机起飞前，为机组人员提供气象服务。机场当机场受到恶劣天气的威胁时，航空气象服务机构将发布机场警报，以便机场管理部门及时掌握气象信息，从而采取相应措施，避免大风、冰雹、雷暴等恶劣天气对机场设施和停场飞机造成损害，确保机场的正常运行。02一、航空气象服务机构与用户（二）航空气象服务用户03空中交通管理机构准确、及时的气象信息可以帮助管制员更加合理地调配航班，使用空域资源，从而最大限度上保证飞行的安全和有序。管制员在实施空中交通管制服务时，必须对当前的天气状况和未来的天气变化有充分的了解。其他用户开辟新航线时，需要充分考虑该航线上对流层顶高度、高空急流等气象因素的影响，以充分利用气象资源，选择最经济的飞行高度和航线。新建机场时，在机场选址、跑道方向确定和飞行程序设计时，都必须充分考虑当地的气象条件，趋利避害，以最大限度地提高机场的利用率。04二、航空气象产品（一）日常气象预报指对某一特定时间和机场指定地点观测到的气象情况的报告，包括机场例行天气报告（METAR）和机场特殊天气报告（SPECI）。其中，机场例行天气报告是指按固定时间间隔在机场指定地点观测到的气象情况的报告；机场特殊天气报告是指在两次例行观测之间，当一种或多种气象要素出现特殊变化并达到规定标准时发布的气象情况报告。例行天气报告或特殊天气报告包括以下内容：报告类型标识（METAR或SPECI）、发出资料的地名代码、观测的时间、风向和风速、风向转变、能见度、跑道视程、观测到的现在的天气现象、云量和云高、气温和露点温度（空气中水蒸气变为露珠时的温度）、在机场录得的气压、上次例行报告后或过去一小时内观测到的天气现象、风切变资料、飞机降落的趋势预测等。1．机场天气报告二、航空气象产品（一）日常气象预报指在特定时间发布的，对机场特定时间段预期气象情况的说明。它是对以跑道为中心的视区范围内做出的天气预报，主要保障飞机起飞和着陆的安全。机场预报内容包括：①预报类型标识（TAF）；②发出资料的地名代码；③预报的发布日期和时间；④预报的有效日期和时段（机场预报的有效时段应不小于9h，不大于30h；有效时段小于12h的机场预报应每3h发布一次，有效时段为12h至30h的机场预报应每6h发布一次）；⑤地面风，包括风向、风速等；⑥能见度；⑦天气现象；⑧云，包括云量、云状（只