第20章 飞机观测(易).doc

364第 20 章 飞机观测20.1概述本章叙述在现代商业飞机上进行自动气象测量的方法,其集合名称为飞机气象数据中继系统(AMDAR)此处叙述的方法也可用于其它装备仪器的飞机专用于气象业务的长距离无人驾驶飞机正在研制中，如飞行探测（Holland，Me Geer 和Youngren，1992 ） 由于尚未投入业务使用，在此不加叙述AMDAR 系统工作在配有复杂的导航和其它传感系统的飞机上包括测量空速、气温和气压等其它与飞机位置、加速度和方向等有关的数据从飞机导航系统中获取飞机上还装有机载计算机，用于飞行管理和导航系统在 AMDAR 系统中，数据经进一步处理后自动馈入飞机通讯系统以向地面发送，或者是在飞机上另一套专用处理软件包，从飞机上直接获取原始数据并独立推导其它气象变量在 AMDAR 系统中，这些设备用来实时编制和传送气象报告报告中包括水平风速和风向、气温、高度（相对于参照气压面） 、湍流的测量以及飞机位置气象观测的原始数据需进行多种修正和复杂的处理，才能得到可代表飞机周围自由气流中的真实气象测量值所有有关处理程序的全面叙述，超出了本指南的范围，此处只能简述其原理，附录里有一些细节，并列出一些参考文献供阅读。

20.2风速和风向的测量从飞机上测量三维风矢量是一个很复杂的问题利用从飞机导航系统（一般是惯性导航系统）和空速系统（一般是皮托管）获得的数据，加上从温度传感器获得的数据，可以计算出具有很高准确度的飞机相对于地面的速度（V g）和空气相对于飞机的速度（V a） ，于是即可得到风矢量（V）V=Vg－ Va （20.1 ）365图 20.1 飞机参考轴及姿态角矢量 Vg 和 Va 需准确测量 ,因为典型的水平风 ( )比飞机的地速和真空速(200 至sm/30)小很多要完全解出这些三维矢量，需要测量飞机的俯仰角、坡度角、侧滑角以及飞机相sm/30对于气流的垂直攻角（图 20.1） 在正常水平飞行时，俯仰角、侧滑角和攻角都很小，可以忽略不计但飞机操纵可能造成很大误差，不过操纵时一般只是坡度角有较大变化所以计算风数据时，通常把坡度角超过一定阈值时的数据排除对于大多数应用，只测量风的水平分量这时要求输入的数据缩减为只需空速、航向和地速航向和地速取自导航系统，真空速需根据空速指示器的校正空速计算出来水平风的分量（u，v）为：（20.2）gauvusin(20.3)co式中 是真空速的量值, 是相对于真北的航向， 和 是地速的分量。

av gv图 20.2 飞机测温探头20.3气温的测量准确测量气温是推导其它气象要素的基础例如，它用以修正表速，从而影响到风速分量的计算很多商业飞机装备有内置型温度探头图 20.2 所示即为一个典型的例子感应元件是一个铂电阻测温元件元件腔的设计是让云水粒子分流，不致打在元件上但有报道称（Lawson and Cooper，1990）在积云中元件被打湿探头实际测得的温度是空气总温度（TAT） 而静止空气温度（SAT） ，即自由气流的温度，与空气总温不同因为气流被元件腔和测温元件减速时，压缩及黏性摩擦的增温以及空气在元件上的不完全阻滞使温度发生了变化SAT（ ，以 K 为单位）和测得温度（ ）的关系如下式：OT1T（20.4）21MTO366式中 是干空气比热之比( )：M 是马赫数(真空速除以自由大气中的音速 )： 为探头的恢复系vpc/ 数，它包括了空气黏性对 SAT 的效应和空气在测温元件上不完全阻滞的效应详细的论述参见权威的空气动力学著作，如 Abbott and von Doenhoff（1959）或Commasch，Sherby and Connolly（1958） 。

对于商业飞机上装备的常用的探头， 取 γ=1.4，则 SAT 为 典97.0 KMT)194.0/(2型的喷气式商业飞机巡航速度的马赫数约为 0.8,可得(20.5)124./TO如果 To=223K(-50℃) (20.6)T1=251K(-22℃) (20.7)则在巡航高度上典型的温度修正值为-28℃元件在云中被打湿时，蒸发降温所造成的误差可达 3℃左右可以用其它设计元件如国家大气研究中心（美国 NCAR）研制的返流式探头（见 Rodi and Spyers-Duran，1972）可以消除这种误差20.4气压测量静压可用接至静压头的电子气压表直接测得虽然飞机压强传感器感受设计为测量静压（自由大气的压强）的，但这个变量并不直接在飞机气象报告中发布报告的是按照国际标准大气（ICAO，1964）这个气压值所对应的高度值飞行在定常高度上的飞机实际上是在等压面上飞行，这简化了全球导航的规则标准大气假设，在 11km 以下气温随高度线性下降，每 km 降低 6.5℃，海平面温度和气压分别为 15℃和 1013.25hPa。

从 11 到 20km，温度假设为常数：-56.5℃20.5马赫数计算马赫数是为了修正气温的测量值和空速的测量值（指示空表速） 在干空气中，音速正比于绝对温度（静态）的平方根但从 20.3 节我们知道,飞机传感器并不能直接测量到静止大气温度,所以使用了独立测量马赫数的方法计算马赫数 M 的方程为：（20.8）1)1(2ospM式中 po 为静压(在未被扰动的气流里 )；p s 为总压（p o+pd） ；p d 为动压，由下式计算：（20.9）2CdVP此处 为校准空速； 为空气密度CV量 和 可以从飞机数据系统中获得， 取常规值进一步的信息可查 Abbott and von opDoenhoff（1959）或 Dommasch, sherby and Connolly (1958)等权威著作20.6湍流湍流，特别是晴空湍流（无云时的湍流）是航空中一个重要的、有潜在危险的现象虽然对商业飞行来说，航线已经过设计避开湍流，飞机仍不可避免地会遭遇到预想不到的颠簸，根据飞机仪367器装备可以测量出与正常平飞时的偏离垂直加速度（垂直于飞机水平参考面）用加速度表测量。

输出的数据是参照重力加速度，并以重力加速度为单位标度，并可按下表来分级但是，湍流对飞机危害的严重性主要取决于空速、飞机重量、高度以及湍流本身的性质因此，一架飞机可根据遭遇的峰值加速度按照下表中的粗略关系发出湍流报告，但其它飞机应用有局限同样的阵风对不同的飞机会有不同的影响湍流按峰值加速度的分级湍流级别 峰值加速度*无 小于 0.15g轻度 0.15g 至 0.5g中度 0.5g 至 1.0g重度 大于 1.0g*此加速度可正可负,表示对正常重力加速度（1.0g）的偏离另一个湍流指标是导出的相当垂直阵风速度它定义为，叠加在稳定水平风之上的能造成所测飞机加速度的瞬间垂直阵风速度阵风对飞机的作用取决于质量和其它特征，把所有这些考虑进去可计算出与飞机无关的阵风速度反过来计算，可以求得给定相当垂直阵风对不同飞机造成的影响导出相当垂直阵风由下式给出(Sherman, 1985)：（20.10）cdcVnAmU这里 为导出的相当阵风速； 为飞机垂直加速度偏离 1g 的峰值模量，单位为 g；m 为飞机总质dcU量； 为出现加速度峰值时的校准空速；A 是决定于飞机类型的参数，与飞机质量、高度和写赫数CV相关不大。

澳大利亚飞机即用 AMDAR 编码格式常规发布此垂直阵风参量，单位为 m/s（参考 20.9 节） Cornman，Morse and Cunning（1995）新近的工作提出根据飞机垂直阵风加速度数据计算涡旋耗散率涡旋耗散率是数值模式预报大气湍流时使用的关键参数之一，看来可能比峰值加速度或相当阵风速度更有用20.7相对湿度开发商业飞机上日常使用的湿度传感器是近来的热点（Fleming ang Hills，1993） 到目前为止，候选的技术大多数基于地面自动气象站使用的传感器（如固态器件、冷却镜面露点传感器等） 实际使用需解决的困难主要是放置传感元件的腔室的设计问题（即要求把温度、湿度传感器放在同一个标准腔室内，并保证温度测量准确度不降低） 传感器的漂移及其对喷气式飞机燃油蒸汽和其它大气污染物的敏感性，对传感器最大工作寿命造成了困难现在估计约六个月的工作寿命，对于航线业务来说可能是无法接受的但是，大气中的水汽对业务天气预报的重要性，给解决这个业务难题以极大的推动力数据格式及自动飞机报告的计划，已考虑了今后自动湿度测量发展的前景20.8测量的准确度368推导出的各种变量的误差有多种来源温度和风矢量的计算是相互独立的，但都要用到空气静压，而后由高度表测量得到。

在计算水平风矢量（或风速和风向）时的简化假设，严格要求不存在侧滑，而常规的飞机测量系统中又没有侧滑这个变量因而，除非飞机是在水平飞行而且姿态调整很好，否则风的测量是不可靠的对于大多数应用来说，坡度角被用作质量指标，风的计算可否接受，视坡度角是否小于 3°至 5°业务使用的结果表明，在所报告的数据中，风矢量的误差大约在 1～2m/s 左右（Nash ，1994） 温度测量的误差来源包括安装和传感器误差，以及包括马赫数计算在内的修正过程的不确定度所造成的误差尽管所要求的处理过程很复杂，使用 ASDAR（WMO，1992）的业务经验表明，在巡航高度上的平均温度误差在 1℃左右飞机传感器系统的校准值可发生变化，推荐定期用同一机场和大约同一时间的探空资料和雷达风探测资料，与飞机上升或下降时的资料进行比对，来监测飞机系统的工作状况已进行的比对结果表明，飞机测风和气温的不确定度与常规探空测量相差无几（Stickland，1991） ，其后Nash（ 1994）和 WMO（1992 ）的发现也与这个结果一致20.9实际业务系统现在已有一系列 AMDAR 系统在业务运行，包括 ASDAR、KLM AMDAR、澳大利亚 AMDAR以及北美的气象数据收集和报告系统（MDCRS） 。

这些报告都包括廓线模式数据（上升/下降） ，也包括巡航模式数据ASDAR这是飞机到卫星的数据中继系统ASDAR 在全球大气研究计划（GARP）第一次全球试验（FGGE ）中提出作为观测系统，经过其后成功的开发，已为很多 WMO 会员国部署在业务系统中ASDAR（WMO，1992）使用一个专用数据处理器从飞机系统中提取原始数据，计算所要求的气象变量，格式化成气象编码条文经国际地球同步卫星的国际数据收集系统（IDCS）转发出去（见附录）KLM AMDAR这个系统把为 ASDAR 开发的功能的软件移植于飞机状况监测系统（ACMS）中其数据用甚高频（VHF ）飞机通讯系统经由国际航空通讯学会（SITA ）网络下传给航线运营者（KLM ） ，然后传送至荷兰皇家气象研究所（KNMI）气象中心，最后用 WMO AMDAR 编码格式发布使用商业SATCOMS 格式的变型已开发出来澳大利亚 AMDAR这个系统（Sherman ，1985）类似于 KLM AMDAR，但它是在 ASDAR 技术规格未完成时开发出来的它使用独立开发的软件在 20.6 节中已指出湍流是按导出相当阵风速度编报的数据用甚高频飞机通讯和报告系统（ACARS）下传，用 AMDAR 编码格式广泛传播。

MDCRS在北美使用的气象数据收集报告系统（MDCRS）是航空无。