大家好，今天我們開始發表民航氣象相關文章，以後我們將按照「氣象基礎→民航氣象→氣象報文」三個大的階段，逐步全面學習民航氣象。在國內的飛行技術課程上，民航氣象一直不受重視，但是在民航業發達的歐美地區，民航氣象是一門非常重要的課程。不得不說，民航氣象的重要性實質上不亞於飛行原理、領航等課程。學習民航氣象，不僅有利於我們預測氣象對飛行的影響，在遇到突發氣象資訊（如亂流，下擊暴流）或可能影響飛機起降的氣象資訊時，還能幫助飛行員做出正確的決策，有利於提高飛行安全。
本文主要涉及一般氣象學中的基礎部份，有助於我們日後了解和學習民航氣象。 觀察和測量、預報、氣候被稱為氣象三部曲。大氣及其演化的基本規律和不規則性都是在觀測的基礎上提出來的。
1.什麽是大氣？
大氣是指在地球周圍聚集的一層很厚的大氣分子，稱之為大氣圈。大氣的底部就是地球的球形表面。然而，隨著高度的增加，空氣變的逐漸稀薄(由於大氣瓦斯的可壓縮性)，使得很難給大氣指定一個精確的上限。從太空看，地球大氣層的厚度是地球直徑的百分之一或赤道處地球周長的1/300。
在垂直方向上，大氣品質分布不均勻。 大氣總品質的50%集中在海拔5500公尺以下，90%集中在海拔16500公尺以下，99%集中在海拔30000公尺以下。
同樣在水平方向上，大氣品質分布也不均勻。 溫度和大氣運動的差異會改變這種分布，但相應的相對變化仍保持中等水平（其變化值不到平均值的十分之一）。
2.大氣的成分
大氣是一種瓦斯混合物，其成分相對穩定。
幹空氣的78%為氮氣，21%為氧氣，剩余部份為一些其他瓦斯。但是，那些比例相對較小的瓦斯，比如二氧化碳、臭氧以及稀有瓦斯等，也是非常重要的。
（圖：大氣中垂直高度上最初幾公裏的空氣成分）
濕空氣是幹空氣和水蒸氣的混合物。 大氣中水的存在與氧氣一樣重要。 在地球表面附近的溫帶地區，水蒸氣的平均比例為1％。
從天氣的角度來看，水蒸氣是大氣中最重要的成分。
由於水蒸氣的來源於地球表面，而且垂直分布過程仍然在對流層，因此幾乎所有的水蒸氣都停留在對流層，平流層非常幹燥。 地球上90%的水蒸氣都在對流層中。大氣中各種瓦斯的百分比一般是恒定的，但是水蒸氣除外，水蒸氣離地球表面越近，濃度越大。
我們日常呼吸的空氣不僅僅是潮濕的空氣，有時水滴、微小的冰晶等也混合在其中。空氣中還含有非水組成的「雜質」或固體顆粒，這些在大氣過程中也是非常重要的。所有這些額外的成分都可以歸類為氣溶膠，其重要特性之一就是具有反射光的能力。
在地球表面附近，液體或固體氣溶膠特別多（通常每升空氣有幾十萬個顆粒）。 這些顆粒非常多樣，可以包括植物和礦物碎片（例如，海浪中發現的海鹽）、細菌、由於燃燒釋放的碳顆粒等。它們的數量也隨植物活動（單個蘑菇含有100億個孢子 ）和工業活動而變化，但隨著海拔高度顯著降低。
3.常見的描述大氣的參數
對於幹空氣的描述常用的狀態參數有：壓力P、體積V、溫度T。幹空氣也是一種理想瓦斯。
其他參數包括水蒸氣（濕度）和大氣的運動（風）。 大氣中不同點的這四個參數（壓力，溫度，濕度和風），對於任何氣象活動的測量都是必不可少的。
4.觀察與測量
為了獲得大氣的當前狀態，因此需要對大氣進行觀察和測量。 但是為了獲得大氣數據，需要付出大量的人力和財力。由於雲無國界，因此很快有必要在全球範圍內組織這項活動。 在世界氣象組織的支持下，透過世界天氣監視網（World Weather Watch 稱為「3W」）來完成這項任務。
由上圖可知，數據采集：
（1）在地面上透過：
地面氣象站（透過名為SYNOP的訊息發送觀測結果）、船舶（SHIP）、漂流浮標（DRIBU）（2）在高空透過：探測氣球（TEMP或PILOT）、飛機（AIREP或PIREP，AMDAR）、氣象雷達有助於對雲的形成和降雨進行定位和量化。
無線電探空是利用固定在氣球上的測量儀器，每天進行一次或兩次的垂直探空。這個氣球充滿了比空氣輕的瓦斯(氦氣或氫氣)，它以恒定的速度上升。然後透過地面雷達跟蹤它，以確定每次測量( 壓力、溫度和濕度 )的位置。此外，我們透過測量氣球的漂移來測量風的水平速度。
（3）衛星：衛星機載儀器可以進行多次測量，以幫助氣象專家更好地確定大氣狀態。常使用的衛星分為兩種：同步衛星和極地軌域衛星。
同步衛星：負責觀測南北緯60°之間的氣象資訊。地球同步衛星的優點是它能提供大範圍的連續觀測，允許對所觀測到的觀測物件進行定期監測。其缺點是，它與被觀測表面的距離較大，與相同品質的儀器相比，其解析度（由最小的可檢測物件表示）較低。 此外，它無法觀察到更高的緯度（極地地區）。
極地軌域衛星：極地軌域衛星在每一軌域的兩極上空約1000公裏飛行。它們是與太陽同步的。觀測目標包括地球兩極在內整個地球的表面和大氣層。由於在太陽同步軌域上執行的衛星每天在相同的當地地方時飛經相同緯度的地域，且對地太陽入射角近似，因而觀測現象的時間對比性較強，可測得隨時間而演變的大氣物理現象，進行全球性的大氣、雲、陸地表面和海洋表面等多種要素的綜合觀測。極地軌域位置的優點是它允許衛星觀察高緯度地區，並在較低的高度飛行，這樣可以更近距離觀察。其缺點是不具有觀測的連續性。
國際氣象合作的基礎是自由交換基本原始數據。但是，經分析的原始數據或其他更詳細的數據在某些條件下可以出售。
5.預測
大氣的演變是一個復雜的過程，因為它涉及許多不同的參數。 盡管存在許多困難，但人們長期以來一直致力於預測大氣行為。 所有形式的主觀推理都被證明是無用的，但是有一種方法可以幫助實作大氣預測。 如果在給定的時間知道大氣層的狀態，那麽我們應該能夠基於公認的物理定律得出大氣層的未來狀態。但這種方法也有局限性。 不過，由於科學計算的快速發展，此方法現可提供令人滿意的結果。 其局限性在於我們無法獲得足夠多的細節，目前此技術用於數值天氣預報。
關於預測的需求可以用不同的時間框架來表達。由於現代飛機的速度，航空需求往往是非常短期的預測。不過，這種「即時」或「臨時天氣預報」(限兩小時)並不是透過建模釋出的。事實上，目前的數值模型需要幾個小時才能完全分析新數據，因此無法對機場這麽小的區域進行預報。在這種情況下，在當地經驗的指導下，在時間和空間上對觀察到的數據進行推斷被證明是最有用的方法。另外在時間和空間的小尺度上，準確的預報離不開專業的氣象學家，在一定程度上，也需要地面和飛行中的飛行員提供一些氣象資訊。
另一方面，短期航空需求的時間範圍一般為6-30h。 目前的預測方法基本可以滿足這類航空行動。 由於在高度方面的精確度非常高，這有助於不同高度上風和溫度的預測。但是，雲的預測比較困難，因為它們大小各異且形狀不同。 因此，對於使用者來說，如果需要準確的天氣預報，應該考慮哪些預測內容準確率較高或較低。
6.氣候
氣候學也利用觀測和測量來描述大氣的平均和極端狀態。了解大氣歷史有助於我們避免重大錯誤。了解一個地區的氣候，不僅可以最佳化機場基礎設施的建設，也有助於長期預測大氣事件。天氣預測時也使用氣候學來排除錯誤的觀測結果。
大氣還表現出很大的年際變化。透過30年間的30個氣候樣本得出的平均值稱為氣候平均值，它們在一定程度上代表了氣候。
下圖顯示了觀測與測量、預報和氣候三者之間的關系，並顯示了氣象學家和航空使用者之間的聯系。
（藍色框突出顯示與航空有關的區域）
7.大氣或氣象尺度
從衛星雲圖上可以看出，雲的種類繁多：
a:灰色的雲點
b:較大的細長帶，有時會呈螺旋狀
c:均勻或有縫隙的廣闊雲層
d:緊密結合的圓形雲團
所有這些元素和結構都或多或少地迅速形成和消失。透過對壽命長達幾分鐘、幾小時、幾天和幾個月的雲進行分析對比，可以得出一個重要結論：雲散開的越廣，它們的平均壽命就越長。
在某些地區，常規的風可以吹幾個月，大的風暴會持續數天，而一小團圓形雲會在不到半小時內形成並消失。這一基本規律對氣象學家對多種多樣的大氣事件進行初步分類時很有用。
因此，我們可以根據它們的壽命和空間維度，對所有大氣現象進行有組織的分類。
最後，大氣的演變雖然遵循一些經典的物理規律，但是大氣的變化仍然具有不穩定性，這些不穩定性是導致氣象預報錯誤的一個重要原因。
END
歡迎大家關註微信公眾號：飛行大家談
