航空气象对飞行的影响

为了了解航空气象对飞机操作和飞航安全之重要性，首先要知道飞行之基本理论，飞机于空中飞行时，依赖四种飞行要素——飞机总重量(weight)、飞机透过机翼所产生之举升力(lift)、飞机向前飞行所产生之空气拖曳力(drag)和飞机引擎所产生之推进力(thrust)。飞机之飞行可以分为三个阶段—-起飞(take-off)、巡航(in-flight)和降落(landing)，而航空气象单位所提供的观测和预报数据，就是要满足每个阶段之需求。

最直接影响飞机操作和飞航安全之航空气象因素，大致可归纳为风(wind)、云和能见度(clouds and visibility)、温度(temperature)、气压(atmospheric pressure)、密度(air density)、降水(precipitation)和其它显著危害天气如飞机结冰(aircraft icing)、乱流(turbulence)、雷暴雨(thunderstorm)引发下爆气流(downburst)和低空风切(low-level wind shear)、浓雾(heavy fog)所引起的低能见度(low visibility)等等。就这些航空气象因素对飞机操作和飞航安全之影响加以讨论。

1、地面风

飞机举升力等于飞机总重量时，即表示飞机在一定重量下，飞机正好由空气所支撑，此时飞机之临界速度系在失速状态下，飞机就在这种空速和失速状态下起飞和降落。飞行员和管制员依据地面风来选择跑道方向，同时飞行员也依据地面风来计算飞机起飞可承受的重量。如果有较强的顶风，浮力增加，起飞的速度就可减少，即较强的顶风时，起飞所需要的跑道较短，载重量也较多。另一方面，如果顶风较弱或静风时，载重减轻才能起飞。同机型的飞机，允许最大的跑道侧风也有不同，有时候超过跑道侧风最大限制时，飞机降落就会有危险。风速的变化可决定飞机起降阶段之稳定性，一般而言，重型飞机对于风的变化较不受影响，可在较大侧风下起飞，但是控制其变化的反应力较慢；轻型飞机对于风的变化较容易受影响。如果降落阶段碰到阵风时，其反应力较快。

2、高空风

飞行员和航空公司运务员需要高空风数据，有两种理由，第一理由为飞机来往两地，需要高空风数据。飞机于静风中飞行时，系相对于空气呈直线向前移动，飞行员为从甲地飞往乙地，必须考虑风场。因此低速飞机更需高空风向和高空风速等资料，其中风速占空速很重要的部份。

第二理由是航空公司准备飞行计划时，计算油料需要风场数据，飞机由甲地飞往乙地，若逆风飞行，其所花费的时间比静风飞行时为较长时间，也即需要更多的油料，相对地就要减少载重。例如，飞机在静风中以每小时500 浬之速度，飞行3000浬需要 6小时，如果在50kt的顺风中飞行，仅需 5小时27分约可节省10％之时间，比起静风就可节省10％之油料，因此就可增加载重。中华和长荣等航空公司由台北飞往美国安克拉治、旧金山和洛杉矶等国际机场，冬天常选择200百帕(hPa)等压面(39,000英尺)以上之高度，由西向东之强喷射气流(每小时100-200浬左右)，顺风飞行，可节省不少飞行时间和油料。返回台北时，则选择较弱西风带飞行，即在避开逆风飞行，以免费时费油。（油料同电量）

3、温度

飞机举升力与空气密度成正比，所以在高温下引擎效率低。空气密度与气温和气压有关，在一定气压下，气温比正常值为高时，飞机起飞需要较快的速度，较快的速度就需要较长的跑道，在某些天气条件下，跑道长度不能满足飞机正常的载重量所需，只好减少飞机的载重。高空温度低，飞机引擎效率高，如果高空温度比正常值为高时，所需油料更多，才能维持正常的巡航动力。在准备飞行计划时，需要高空温度数据来决定所需油料。

4、大气压力和空气密度

以大气压力和温度两者可以决定空气密度，进而决定飞机举升力。在其它因素相同条件下，空气密度降低，飞机需要更快的速度，才能保持一定的高度。速度越快，飞机拖曳力越大，所需引擎推进力亦越大，越大的引擎推进力，所耗油料亦越多。因此高速飞行之喷射飞机需要甚多的油料。

前述在高温下，当气压降低，密度减少时，需要较长的跑道，以获取起飞的速度。从每天综观天气图气压场的分布，在低压区，其影响更大，准备起飞计划时，更应该考虑。再如，机场海拔高度越高，其平均气压降低，平均密度亦减少，因此在设计机场时，高海拔机场需要较长的跑道，以应起飞之需。此外，空气密度减小，引擎动力亦会跟着减弱，影响飞机爬升之动力，如果密度减至某一定值时，就得减轻飞机的载重量，飞机才容易起飞和爬升。

大气压力与高度有密切关系，即大气压力随高度增加而递减。在近海平面1000百帕( hecto-Pascal；hPa)附近，高度每上升约10公尺，气压降1百帕(hPa)；在500百帕(5,500m)附近，高度每上升约20公尺，气压降1百帕；在200百帕(12,000m)附近，高度每上升约30公尺，气压降1百帕；它应用于航空上，用来决定飞机飞行之高度。

飞机上之高度表，就是以空盒气压计(aneroid barometer)之气压高度换算出高度，作为高度表(altimeter)之标尺。国际民航组织 (International Civil Aviation Organization; ICAO)假设在干空气、平均海平面之气压和气温分别为1013.25百帕和15℃、对流层顶以下约11公里之温度随高度递减率每公里下降6.5℃等标准大气条件下，作为高度表之参考基准，在这种状态下的大气称之为国际民航组织标准大气( ICAO standard atmosphere )。

由于各地之大气条件随不同高、低压系统之移动而随时在变化，所以高度表在不同时间、不同地点和不同高度皆与标准大气有所不同。因此，飞机上之高度表读数必须经过适当拨定，才能显示出实际高度。因此，飞机起飞前必须经过高度拨定，航程上因海平面气压不断变化，其高度表所显示之高度与实际海拔高度发生误差，有时候误差可能很大。依据高度表拨定程序之规定，凡飞行在海平面高度约3330公尺(11,000ft)及以下之飞机，应采用飞经当地之实际海平面气压值(QNH)。飞行在离海平面高度约3940公尺(13,000ft)及以上之飞机，以标准大气压力1013.25百帕为高度拨定值。

5、飞机结冰

飞机飞经过冷却的云层或云雨区域时，机翼机尾及螺旋桨或其它部分，常会积聚冰晶，多者可能厚至数吋。那些区域最容易使飞机结冰呢？飞机在气温摄氏 0℃至-9.4℃间之高空飞行，机体上最容易结冰；云中最易见到有液态水滴，尤其是积状云如积云、积雨云和层积云等，此时空中水滴常在冰点以下而不结冰仍保持液态水之状态，就是所谓的过冷却水滴，飞机飞过，空气受扰动，过冷却水滴立刻结冰覆着于机体上，数秒钟内机体上就会有严重的结冰；空气中若湿度大，含有过冷却水，容易构成升华作用，飞机穿越其间，空气略受扰动，迅速凝聚积冰；虽然晴空无云，但是在结冰高度层上方，气温与露点温度十分接近时，结冰之趋势仍然存在。

飞机结冰，大概可以分为飞机外表结构上的结冰和飞机内部动力组上的结冰。飞机结冰可造成几种危险，例如，飞机结冰增加重量，结果减低空气动力之效能；机翼机尾结成冰壳，损坏其流线外形，致使飞机丧失抬升力；螺旋桨笼罩一层冰晶外壳，其外形改变，致丧失飞机之冲力；喷射发动机进气口结冰，可能丧失发动机之发动能力；飞机操纵面煞车及起落架之结冰，可能伤害其正常动作；螺旋桨桨叶上结冰多寡不均匀，可能失去平衡，致其转动产生摇摆现象；飞机动压管结冰，使飞行速度与高度表读数失真；飞机天线结冰，致无线电及雷达信号失灵。虽然现今飞机本身已有加温系统，可克服上述飞机结冰的问题，但是飞机仍然需要避开结冰区域以防止加温不及而瞬间结冰，造成危险。

6、乱流

飞机飞入对流性云区，例如积云、积雨云和层积云等，由于空气发生上、下对流垂直运动，使机身起伏不定，致令乘客晕机呕吐，极感不舒适，甚至导致飞机结构损坏，造成飞机失事，现今飞机常装置雷达，避开对流性云型。然而飞机在万里无云之高空飞行，突感机身颠簸，这就是所谓的晴空乱流，通常晴空乱流常发生在风向突然转变或风速突然增加或减少等地区，即所谓风切作用最大地区。

冬天常在中、高纬度地区，高度 9～12公里地方有一股强风带，风速可达到每秒30公尺以上，最大风速甚至可达到每秒100～130公尺，这就是所谓的喷射气流。、、喷射气流最初发现距离地面高度约10公里处，它经常绕着地球跑。乱流常是喷射气流所造成的，因为喷射气流附近风切特别大，产生乱流的机会也特别多。

飞行员在起飞前，从航空气象人员所提供的气象图表数据中，预知喷射气流和乱流的位置和高度，便可回避乱流区域，必要时尚可改变其飞行高度，使飞行较为平稳、安全。

7、雷暴雨引发下爆气流和低空风切

飞行员在飞机降落和爬升阶段须注意是否有风切现象，风切系某高度和另一高度间风速的改变。由于飞机之高动量，大型飞机在相当高速飞行时，不能立刻适应风切的变化，因此在起降阶段遇到风切就会发生危险。飞机下降时，风速突然减弱，造成飞机失速于未抵达机场跑道就坠毁；风速突然增强，造成飞机超越跑道降落。飞机爬升时，风速突然减弱，造成飞机爬升角度减小；风速突然增强，造成飞机爬升角度增大。以上等等现象都会造成飞机操作上的困难，甚至于造成空难事件。

雷暴雨所造成的下爆气流(downburst)或低空风切(low-level wind shear)，影响飞机航道上风速有水平和垂直方向的急速改变，引起飞机空速也跟着急速的变化。譬如，强烈逆风突然转变为顺风造成飞机起降时浮力显著减少，造成飞机掉落之危险。因此雷暴雨所造成的低空风切和下爆气流，是飞机起降时最危险的天气。

雷暴雨引发下爆气流和低空风切时，下爆气流在接近地面时，空气向四方冲泻，当飞机起飞时进入下爆气流区，首先遭遇到下爆气流所带来强大的逆风 (headwind)，空气冲向机翼，飞机空速增加，快速爬升，但是当飞机继续通过下爆气流区，受下爆气流向下冲击，最后下爆气流转变为强大的顺风 (tailwind)，空速减弱，浮力大幅减少，因而造成飞机起飞时坠毁的惨剧。

雷暴雨发展成熟阶段，会产生强烈的上升和下降气流，当飞机近场(approach)时，朝向机场跑道且进入雷暴雨下降气流风切区时，飞机首先遭遇到下爆气流所带来强大的逆风，使飞机抬升，因此飞行员必须修正下降高度，才能滑行降落，但是就在飞机以修正后的高度，继续通过雷暴雨风切区时，下爆气流在这个方位却转变为强大的顺风，飞机顿失浮力，因而失速下坠，造成无法弥补的惨剧。

目前民航局在中正国际机场装置有都卜勒气象雷达，用来观测台湾北部雷暴雨，告知雷暴雨的位置和高度，好让飞行员避开雷暴雨。同时民航局也采取一项措施，当雷暴雨位在机场上空时，则关闭机场，约半小时或一小时左右，雷暴雨离开机场或消散时再开放机场，这样就可大大避免飞机在雷暴雨中遇到下爆气流和低空风切的危险。

8、浓雾与低能见度

在任何天气条件下，助航设施和降落技术都可克服之前，飞行员在近场时必须要能看清跑道，因此在近场时需要各种近场助航设施来引导飞机降落。仪降近场(利用仪器降落系统)比没有无线电助航设施( 目视飞行规则 )，可以在较低云幕和较差能见度之天气条件降落。

飞行员可以从近场和下降区之云状知道有无乱流和乱流强度，积雨云比层积云有较强的乱流，由积状云的云顶高度亦可显示乱流程度。民用航空局每天提供飞行员之显著危害天气图，即有积雨云之地区隐含有中度到强烈乱流和结冰。

浓雾降低人类眼睛所能看到的距离，飞行员在低能见度情况下，起降时常看不清跑道。