摘要：本文详细介绍影响无人机飞行的气象学知识，包括大气成分、大气对流运动、影响飞行的气象和航空气象资料的分析和应用。

一、大气主要成分及要素

1.大气的概念

在气象学中，大气是指包围地球的空气层，是地球周围的一层很厚的大气分子，称之为大气圈。它是由多种气体混合组成的气体及浮悬其中的液态和固态杂质所组成。在研究大气中的气象现象时，我们可将大气视为一种由干洁空气、水汽和大气杂质组成的混合物。

1.1干洁空气

干洁空气主要由78%的氮气、21%的氧气以及1%的其他气体（如二氧化碳、臭氧等）组成。其中，二氧化碳和臭氧对天气的影响尤为显著。

1.2水汽

水汽主要来源于地球表面的水分蒸发和植物叶面的蒸腾作用。其含量约占整个大气体积的0%-5%左右，并随着高度的增加而逐渐减少。

1.3大气杂质

大气杂质包括尘埃、微生物、花粉、火山灰等，它们对大气质量、能见度以及天气现象的形成都有一定影响。

2. 大气结构

2.1 大气垂直分层

大气依据气温的垂直分布被划分为不同的层次。通常，我们将气温随高度的改变看作均匀的，并使用气温的垂直递减率y（℃/100m）来表示。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。文本主要介绍航空器活动涉及的对流层和平流层。

2.2 对流层

对流层因空气有强烈的对流运动而得名。其底界为地面，上界高度随纬度、季节、天气等因素而变化。在低纬度地区，上界高度约为17-18km；在中纬度地区，约为10-12km；在高纬度地区，约为8-9km。同一地区的上界高度在夏季通常高于冬季。对流层中，按气流和天气现象分布的特点，可分为下层（离地1500m以下）、中层（1500m到6000m）和上层（6000m到对流层顶）三个层次。

（1）下层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；

（2）中层气流相对平稳，云和降水大多生成于这一层；

（3）上层受地表影响更小，水汽含量很少。

2.3 平流层

平流层位于对流层顶到大约55km的高度，现代大型喷气式飞机的高度可达到平流层低层。平流层的主要特征包括：

（1）气温随高度升高而降低。

（2）气温、湿度的水平分布不均匀。

（3）空气具有强烈的垂直混合。

3. 大气基本要素

大气基本要素主要包括气温、气压和空气湿度。这三大气象要素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）。

3.1 气温

气温是表示空气冷热程度的物理量。大气系统热量的主要来源是吸收太阳辐射，当太阳辐射通过大气层时，有24%直接被大气吸收。

（1）气温的度量单位包括摄氏温标（℃）、华氏温标（℉）和绝对温标（K）：

   1）摄氏温标(℃):纯水冰点0℃，沸点100℃;

   2）华氏温标(℉):纯水冰点32℉,沸点212℉;

   3）绝对温标(K):绝对温度的零度是-273℃。

（2）气温对飞行的影响主要体现在以下几个方面：

   1）气温升高会降低飞机的升限；

   2）气温升高导致空气密度减小，飞机增速慢，离地速度增大，起飞滑跑距离增长；

   3）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；

   4）当气温高于标准大气温度时，飞机的载重量会减少；

   5）气温还会影响飞机机体的腐蚀程度，主要与空气的相对温度和温差有关。

3.2 气压

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。气压的单位包括百帕（hPa）和毫米汞柱（mmHg）。气压总是随高度增加而降低的。气压对飞行性能的影响主要体现在：

（1）海拔升高导致气压降低，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。

（2）气压式高度表是主要的航行仪表之一，它根据气压随高度变化的原理来表示飞机的绝对高度。若飞机按气压式高度表指示的高度定高飞行，在飞向低压区时飞机的实际高度将逐渐降低。

3.3 空气湿度

空气湿度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。湿度的表示方法主要包括相对湿度、露点和温露点差。

• 相对湿度：指空气中水汽压与同温度下饱和水汽压的百分比。影响因素包括空气中水汽含量和温度。水汽含量越多，相对湿度越大；气温越高，则可以容纳的水汽就越多，相对湿度减小。
• 露点：在空气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的温度。在气压一定时，气温与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。

4. 常见气象

4.1 云

遮挡视线，影响无人机导航和通信。

4.2 雾

降低能见度，增加飞行风险。

4.3 雨

增加无人机飞行阻力和积冰风险，同时影响传感器精度。

4.4 雪

影响无人机视线、导航和飞行稳定性，可能导致机身积雪。

二、大气对流运动及气团

1. 大气对流运动

1.1 对流产生的原因

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。由于地球自转，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。在北纬30°到赤道之间形成了东北信风。

1.2 对流冲击力

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。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。

（1）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。夜晚则正好相反。

（2）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。

（3）对流冲击力对飞行的影响：飞机在较低高度飞行时，受上升气流或下沉气流影响会导致颠簸。上升气流很可能发生在路面或荒地上空，而下降气流经常发生在水体或稠密植被的区域之上。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。

1.3 风的模式

因为空气总是从高压区域流向低压区域，所以形成了风的基本流动模式。风的形成关键因素是气压的变化，同时受到地球自转和空气与地面摩擦作用的影响。

1.3.1 形成风的力

• 水平气压梯度力：这是风形成的直接动力，由高压区指向低压区，促使空气流动。
• 地转偏向力：由于地球自转，空气在流动过程中会受到一个垂直于流动方向的力，即地转偏向力。在北半球，它使风向向右偏转；在南半球，则向左偏转。
• 摩擦力：在近地面，空气与地面的摩擦会减小风速，并改变风向，使风向与等压线斜交。

1.3.2 自由大气与摩擦层中风的形成

• 自由大气风的形成：在自由大气中，摩擦力可以忽略不计，风主要受水平气压梯度力和地转偏向力的影响。最终风向与等压线平行，气象上的风向是指风的来向。
  • P为等压线，G为水平气压梯度力，A为地球偏转力，V为风向。
• 摩擦层中风的形成：在近地面，摩擦力对风的影响显著。风受三个力的作用（水平气压梯度力、地转偏向力、摩擦力），最终风向与等压线斜交。
  • R是摩擦力。

1.3.3 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，有利于逆风起飞和着陆。
• 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，对着陆和起飞产生不利影响。

1.3.4 障碍物对风的影响

地面上障碍物会分散风的流向，产生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。这会影响飞机的起降和着陆性能，甚至引发严重的安全风险。

2. 大气稳定度

大气稳定度指整层空气的稳定程度，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。

• 稳定状态：空气移动后逐渐减速，并有返回原来高度的趋势。
• 不稳定状态：空气移动后加速向上或向下运动。
• 中性平衡状态：将空气推到某一高度后，既不加速也不减速，而停下来。

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，从地面伸展到对流顶层，水平范围内几十公里到几千公里。
• 分类：
  • 按热力性质：冷气团和暖气团。
  • 按湿度特征：干气团和湿气团。
  • 按发源地：北冰洋气团、极地气团、热带气团、赤道气团。
• 气团的变性：当气团离开源地后，与新地表产生热量与水分的交换，物理属性逐渐发生变化。冷气团移到暖的地区变性快，而暖气团移到冷的地区变性慢。

4. 锋及锋面天气

冷、暖气团之间的交界面称为锋面，与地面的交线称为锋线，统称为锋。锋面向冷气团一侧倾斜。

• 锋面的分类：
  • 冷锋：冷气团主动向暖气团移动的锋面，云和降水主要出现在地面锋线后且较窄，多大雨，锋线过后天空放晴，风速增加。
  • 暖锋：暖气团主动向冷气团移动的锋面，过境时温暖湿润，气温上升，气压下降，天气多转云雨，可能出现连续性的降水和雾。
  • 静止锋：冷暖气团势均力敌，锋面很少移动，常出现连阴雨天气和梅雨天气。

三、影响飞行的气象

1. 雷暴

雷暴是一种伴有闪电和雷鸣的局地性强对流天气现象，通常伴随着强烈的降雨、大风、冰雹等天气现象。对于无人机飞行活动而言，雷暴是极其危险的气象条件。无人机在雷暴区域飞行时，极易遭受雷击，导致设备损坏甚至人员伤亡。此外，雷暴带来的强降雨和大风也会严重影响无人机的飞行稳定性和安全性。因此，在飞行前必须密切关注天气预报，避免在雷暴天气下飞行。

2. 积冰

积冰是指无人机在飞行过程中，由于遇到过冷水滴或霜冻等气象条件，导致机身、机翼等部件结冰的现象。积冰会严重影响无人机的飞行性能，如增加飞行阻力、降低升力、改变飞行姿态等，甚至可能导致无人机失控坠毁。因此，在低温、潮湿等易结冰的气象条件下飞行时，必须采取必要的防冰除冰措施，确保无人机的飞行安全。

3. 能见度

能见度是指大气透明度的度量，它反映了物体被肉眼看到的清晰程度。对于无人机飞行活动而言，能见度是影响飞行安全的重要因素之一。当能见度较低时，无人机飞行员难以准确判断飞行方向、高度和速度，从而增加飞行事故的风险。因此，在飞行前必须了解飞行区域的能见度情况，并根据实际情况采取相应的飞行措施，如降低飞行高度等，以确保飞行安全。

4. 山地气流

山地气流是指由于地形起伏而产生的特殊气流现象。在山地地区飞行时，无人机可能会遇到复杂多变的气流条件，如山谷风、山地波等。这些气流条件会对无人机的飞行稳定性产生严重影响，甚至可能导致无人机失控。因此，在山地地区飞行时，必须充分了解地形和气流条件，合理规划飞行路线和高度，以确保飞行安全。

5. 低空风切变

低空风切变是指低层大气中风速和风向在短时间内发生剧烈变化的现象。对于无人机飞行活动而言，低空风切变是极其危险的气象条件之一。它可能导致无人机在飞行过程中突然遭遇强烈的气流扰动，从而失去控制或坠毁。因此，在飞行前必须密切关注天气预报和飞行区域的气象条件，避免在低空风切变严重的区域飞行。

四、航空气象资料分析及应用

1. 地面天气图

地面天气图是反映地面气象要素（如气压、气温、湿度、风向风速等）分布和变化情况的图表。通过分析地面天气图，可以了解飞行区域的气象条件及其变化趋势，为无人机飞行活动提供重要的气象参考信息。

2. 卫星云图

卫星云图是通过卫星遥感技术获取的地球大气中云系的分布和变化情况的图像。通过分析卫星云图，可以了解飞行区域的云系类型、厚度和移动方向等信息，为无人机飞行活动提供重要的天气预警和预报服务。

3. 航路天气预报图

航路天气预报图是专门为飞行活动制作的天气预报图表，它结合了地面天气图、卫星云图等多种气象资料，对飞行区域的天气条件进行精细化预报。通过分析航路天气预报图，可以了解飞行路线的气象条件及其变化趋势，为无人机飞行活动提供精确的天气指导服务。

4. 获取途径

航空气象资料的获取途径多种多样，包括气象部门发布的官方预报、专业的气象服务机构提供的定制服务、互联网上的气象信息网站等。无人机飞行员应根据实际需要和飞行计划，选择合适的获取途径和气象资料类型，以确保飞行活动的安全和顺利进行。