PHAK 云端课堂 & 训练手记 | Why do we have weather on Earth(I)

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这周给大家带来的是有关气象的内容，我们将用三周的时间来讲述Why do we have weather on Earth?

2020 年全国高校模拟飞行锦标赛即将开始。在云端课堂开始之前，我们将给大家‍带来北京航空航天大学飞行学院模拟机飞行参赛队实训简讯。
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本期我们还邀请到了北航飞院 2017级飞行技术学员，美国 UND 商照飞行员，中国国际航空公司飞行员大队，霍旭东师兄，分享他的飞行手记。





模拟飞行锦标赛







1.人员选择‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍

专业组：具有往届全国模拟飞行大赛比赛经验的高年级组学员 4 人

业余组：CFC教员 5 人以及在 CFC 课堂中，教员们通过考核并结合日常上课情况，挑选出具有参赛实力的 19 级学员 10 人

2.赛事训练

时间：11 月 16 日至 12 月 4 日进行比赛训练，由北航飞院 CFC 统一安排组织训练。

地点：使用北航飞院 FTD 模拟机实验室设备（S3-603）对选手们进行提升培训，加速提高选手们的能力水平

3.竞赛项目

P3D:

1.CESSNA 172 ILS 盲降进近

2.CESSNA 172 VOR/DME 进近

3SU-33 航母着舰 2020 高级版

4.竞赛规则

竞赛规则使用全国高校模拟飞行锦标赛规则，执行国家体育总局审定的《2020年全国高校模拟飞行锦标赛专项竞赛规则》和竞赛相关补充规定。

比赛期间每位参赛选手仅可进行一次模拟飞行，禁止触碰鼠标及键盘，如有设备问题请举手向裁判示意，由裁判暂停程序，如裁判检查后确定设备有问题，可重启程序或更换设备；如设备没有问题，则由裁判继续比赛程序。选手私自触碰除模拟操作设备及航图以外的设备，立即取消参赛资格。

5.竞赛设备及程序

所有比赛由组委会提供以下正版软件：

竞赛设备为 FTD 模拟机实验室模拟飞行训练设备;

洛克马丁《prepar3d V3》；

2020 年全国高校模拟飞行锦标赛评分软件；

其他要求：

安装大赛指定 CESSNA 172 机模、天津机场和任务初始文件、着舰项目软件和文件。

由专业测评软件进行审评工作

6.竞赛新闻

北航飞院 CFC 模拟机竞赛队已经组建，选手们即将参加提升培训班，训练成绩优异的选手将入选北京航空航天大学 CFC 模拟机飞行队，代表学校参加 2020 年全国高校模拟飞行锦标赛（网络赛）。



作者简介



华昊天

飞行学院 2019级飞行技术专业学员

北航飞院 CFC模拟机实验室学员

学生会活动中心 2019 级成员





Why do we have weather on Earth?

基本概念

大气成分

根据航空气象以及高中地理知识，我们都知道大气中的干净空气是由 78 %的氮气，21% 的氧气，以及 1% 的其他气体组成。除此之外，大气中还含有水汽和凝结核颗粒，而后两者对于云的形成有着至关重要的作用。



大气分层

大气大致分为四个层：Troposphere（对流层）、Stratosphere（平流层）、Mesosphere（中间层）、Thermosphere（热层） 。因为空气中含水量的递减，绝大部份的云雨活动都集中在Troposphere（对流层）中，tropopause（对流层顶）的高度、位置都会随着季节的变化而变化，其存在对于 jet stream（高空急流） 以及 clear air turbulence（晴空乱流） 的形成有着很大的影响。

另外我们还需要了解 Inversion（逆温层）的概念。在大气垂直分层中，平流层上端、热层都属于逆温层。而在地表附近，锋面、山地大气性质的差异都会导致逆温层的出现。

Q：为何平流层上端和热层会出现逆温层？
基本物理学（热力对流）

众所周知，气体分子的活动因其分子间间距的过于巨大而很少受到分子力的影响，这就使得气体更容易热胀冷缩。我们可以用克拉伯龙方程：dp/dT = L/(TΔV)  来描述气体各个参数之间的关系。而在宏观角度来看，我们只需要记住热气流相对而言有上升的趋势，密度更小，更活跃，更易形成降水；而冷气流有下降的趋势，密度更大，且更稳定。我们把这种冷空气向下热空气向上移动的现象称作 thermal convection（热力对流）

Q：气温直减率对于大气稳定性有何影响？
基本地理学（地转偏向力）

在航空气象课程中我们了解到，因为地球的自转，在地表直线运动的大气会受到 Coriolis Force（地转偏向力）的影响，产生一个垂直于运动方向的惯性力（南半球向左，北半球向右，沿赤道为零），并且地转偏向力的大小会随着物体所在纬度和物体运动速度的升高而增加，几乎所有的天气现象都会受到地转偏向力的影响。
大气环流

地球的表面会收到太阳的照射而释放出长波辐射从而使得地表升温，而太阳的辐射并不是均匀的照射在地表上的，因此在一个区域中，局部的地面受热多，上方空气成为相对热气流而上升，在高空形成相对高压；局部上方形成冷气流，在低空形成相对高压。于是基本的 circulation（热力环流）就形成了：在低空，风从冷处向热处吹；在高空，风从热处向冷处吹。这样的热力环流模式是天气系统的基本，而太阳辐射也可以被看作是天气系统的主要动力源。



Q：山谷地区夜晚风从（山谷/山顶）吹向（山谷/山顶）？
天气系统

在具有了基本知识后，我们就可以来推演地球上的盛行风是怎么形成的了。有两个系统在其中扮演了重要角色：行星风系、季风。下面就来详细解释他们的成因。
Planetary wind pelt（行星风系）

如前文所提，地表所受太阳辐射不均匀，因为黄赤交角的存在，赤道附近热量最多，气流上升形成低气压；而两极附近所受热量最少，气流下沉形成高气压。如此一来，在一个静态的环境下，南北两个半球的表面会形成两个从高维度到低纬度的巨大热力环流（其中北半球低空永远刮北风，南半球低空永远刮南风，高空反之）。



但是现实情况并不是如此，因为有地转偏向力的存在，刚刚从赤道上升向北运动的气流在其影响下转弯，在 30度纬线附近高空的风向正好旋转90度呈东西向，此时的高空空气比起赤道附近已经冷却不少，速度开始下降、重量开始堆积，最终在重力的作用下下沉，在30度纬度的地区形成一块高气压——Subtropical high pressure belt（副热带高气压）。

于此同时，地球两极的气流下沉，在极圈内低空形成偏北风，这股低空偏北风向南刮并在大约 60度纬度的区域与从副热带高气压刮来的低空偏南风相遇，两股气流因动力因素而抬升，形成了一个气流抬升的低气压——Subpolar low pressure zone（副极地低气压）。

由于地表形成了多个稳定的气压带，地面风于是就会从高压流向低压，在地转偏向力的影响下，南北向的风会偏转而形成如图所示的Trade wind zone（东北（南）信风带），Subpolar westerlies（西风带），Polar easterlies（极地东风带）。

综上所述，每个半球拥有四个气压带，其中两个是由于热力因素形成的（赤道低气压，极地高气压），而另外两个则是由于动力因素形成的（副热带高气压，副极地低气压）。在气压带间形成风带，他们与气压带一起形成了理想的行星风系。



Q：南半球西风带刮什么方向的风？
Monsoon（季风）

季风是由于海陆热力差效应以及气压带风带的季节性移动而形成的。我们可以把前者理解为是一个以季节为单位的热力环流。在冬天大陆表面降温快于海面（海水比热容较大），因此在大路上形成高压；在海面上形成低压，夏天则反之。这种强大的特殊热力环流会打乱固有的行星风系，形成不同的会随着季节变化的盛行风向。例如，在世界最大的大陆以及最大的海洋交界处的中国就会在夏天受到夏威夷高压（海面），印度低压（陆地），以及地转偏向力的影响而盛行东南风。

Q：南亚季风的成因是什么？
Cyclone（气旋）/Anti-cyclone（反气旋）

上一节末尾提到，季风的形成与在大陆以及海上形成的区域性高/低压力有关系。我们可以假设这样的区域性压力区是由一个气压中心以及来源于/吹向这个中心的风组成的。我们将高压区命名为反气旋，低压区命名为气旋。



反气旋的特点是气流从高压中心向四周辐散，同时受到南北半球不同的地转偏向力影响，会在北半球呈现一个顺时针的漩涡（南半球逆时针）。由于反气旋的内核是高气压，盛行下沉气流，因此相对来说，其中的气体密度更大更稳定。从宏观角度来看，冬天的天气的确更少会出现阴雨，台风等大气不稳定现象。

气旋的特点与反气旋相反，他是由外界气流向低压中心辐合而形成的。受到地转偏向力影响也会在北半球形成逆时针漩涡（南半球顺时针）。由于之前提到低压区域的空气不够稳定，多是上升气流易形成降雨，因此气旋一般难以形成巨大规模，而一旦形成一般会造成不稳定的天气现象。每年夏天，在太平洋西岸菲律宾以东的太平洋平静洋面上容易形成台风，而台风的本质就是大型的气旋。

气旋/反气旋是天气系统中级别更小的一种，他们的形成，扩展，相遇对于我们平日所见的各种天气有着重要影响。

Q：气旋/反气旋哪个系统的最大范围更大？

Q：台风更容易在（陆地/海面）形成？
锋面

紧接上一节的知识，在地球表面会存在着很多程度不同的高压、低压区域。这些压力区域控制的空气被称作 Air Masses（气团）。气团有着不同的性质，是冷是热，是密是疏，是强是弱……当不同性质的气团相遇时，就形成了锋面。一般来说我们把锋面分成四种：Cold front（冷锋），Warm front（暖锋），Stationary front（准静止锋），Occluded front（锢囚锋）。



冷锋：冷锋是由冷气团与暖气团相遇并且冷气团占据优势时所形成的。因为冷气团密度大，高度较低，而且在此时（一般是秋冬季）动力强劲，冷气团会从地面直接切入暖气团的下方，形状类似一把 snowplow（雪犁），并形成一些强烈的天气现象。在冷锋刚刚过境时，会形成低空的 Nimbostratus（雨层云）从而造成强降雨。而在冷锋过境后，由于处于冷空气控制内，气压高、密度大、气流稳定，因此天气晴朗。



暖锋：暖锋形成的条件基本与冷锋相同，唯一的区别是这次暖气团占据了优势。暖气团密度小，移动缓慢，内部气流上升明显，且一般含带大量水汽。因此不同于冷锋从地面先行直接切入暖气团，暖锋会从高空先包围冷气团，再以缓慢的速度推动地面的冷气团。这使得在锋面过境前，当地高空已经处于暖气团的控制之下，由于暖气团自身的热对流作用，暖锋过境前会出现阴雨绵绵的现象。



准静止锋：当冷暖气团势均力敌时，锋面将相对静止不动，于是就形成了准静止锋。准静止锋会造成长时间的连续降水天气，其成因各异。例如造成江南梅雨季节的江淮准静止锋是由于春夏交界时暖气团动力不足而导致的，而赋予昆明春城称号的昆明准静止锋则是由于冷气团遭遇云贵高原地形抬高，动力不足所致。

锢囚锋：锢囚锋是由于一个锋面系统被另一个锋面系统从背后赶上而形成的。按照锋面性质可以分为暖气团被冷气团赶上（cold front occlusion）、冷气团被暖气团赶上（warm front occlusion）。在前一种情况中，冷锋迫使前方的暖气团上升，造成地面被冷气团完全控制，大气相对稳定；在后一种情况下，暖锋迫使前方冷气团上升，迫使其形成强烈的上下对流效应，最后造成大气极不稳定，在这种情况下通常会出现雷暴，阵雨，大雾等现象。



综上所述，锋面是由于冷暖气团互相推移所致。而须指出的是，一般情况下这样的锋面系统会出现在低压槽中。这也是我们在观察气压梯度图时需要注意的。

Q：冷锋过境前、过境时、过境后地面城市的天气是怎样的？





作者
霍旭东

北航飞院 2017 级飞行技术专业学员

2018 年全国模拟机大赛 VOR/DME 低年级组冠军

美国 UND 商照飞行员

国航飞行员大队

学飞两三事



我是飞行学院 17 级国航养成生霍旭东，很荣幸能有机会跟大家分享一些训练的经历和感悟。

作为飞院的学生，相比于其他专业的同学在校四年，我们的大学生活因为要去航校进行一年半到两年的训练，而变得更丰富。今年前半年因为疫情的影响，训练时断时续，回来的时候恍然发现自己已经大四了。三年半的时间，感慨颇多，这里拣印象深刻的几件事和大家分享。


重视每一件“不太可能”的事

从高一开始，我就对飞行很有兴趣，自己下载模拟飞行软件摸索尝试。上了大学之后，又参加了 CFC 模拟飞行俱乐部。刚到航校因为有模拟飞行的经验，刚上手的时候比较快就进入了状态。UND 航校的训练大纲中第八节是一节模拟机检查，当时考官给了我和搭档很高的评价。初出茅庐还不了解国外教员好鼓励不好批评的特点，所以在之后的一段时间，一心想的都是尽快放单，希望能成为同批兄弟前面几个放单的人。当时满以为放单只是时间问题，在放单检查之前的复习中也自认为比较满意。到了考试那天，心里几乎已经准备好迎接单飞的感觉了。可是到了天上，刚刚到第二个项目“Diversion”，也就是模拟转场飞行迷航之后的备降程序，就遇到了大问题。迷航之后需要利用导航台交叉定位，然后在纸质航图上标注出自己的位置。可是我把结果给考官展示之后，竟然比实际位置偏差了八海里，直接挂掉了检查。当时的失落不言而喻。要知道一般来说，挂检查多数都是因为机动或者降落这样的技术项目，而备降本来是非常简单的一项。



回到公寓之后，我仔细反思了失败的原因。在训练中，就是因为这个项目过于简单，练习的时候教员就仅仅让我调谐 了VOR 频率，测出了飞机方位角，却并没有在航图上实际操作。我当时也想这么简单的一个作图“不太可能”出问题吧，便也没有主动要求练习。但事实上，因为作图需要在狭小的驾驶舱，并且在腿上没有任何支撑的情况下操作，又需要间歇性地抬头检查飞机的姿态。没有经过训练，不了解操作要领的情况下很容易慌乱，忙中出错。在这次失败之后，我深刻认识到，飞行中，包括生活中任何看起来简单的问题，都不能大意。如果不加重视，任何微小的问题都可能导致一连串的负面结果。
重视气象，敬畏自然

航空，说到底就是在空气中航行。就像唐太宗所说的“水可载舟亦可覆舟”。

我所在的亚利桑那州凤凰城的气候非常有特点。凤凰城属热带沙漠性气候，终年干旱少雨，夏天的几个月的日最高度几乎从不低于 40摄氏度。地表几乎都是干枯裸露的戈壁，一经太阳照射，对空气的加热作用特别显著。这就造成了很强的不稳定气流，很多时候在地上感觉风平浪静，微风宜人。起飞之后却好像汽车开进了野地，颠簸不断。



关于气象，最让我印象深刻的一次是在双发商照阶段。当天转场的目的地是洛杉矶的一个机场，在飞行前检查气象资料时，我发现一些比较奇怪的信息。途经的棕榈泉机场，报告能见度很差，但是临近的几座机场，却显示能见度正常。而且周围并没有任何雷暴，只是高空风很强。因为这次飞行并不打算在棕榈泉机场降落，所以机场能见度并不会直接影响飞行，和教员讨论之后，我们认为气象条件是安全的，便开始了飞行。接近棕榈泉机场上空的时候，高空能见度开始变差，连平时碧蓝色的索尔顿湖（Salton Sea）都呈现出一种怪异发亮的米黄色。我们终于明白，是强风在这里的山谷地区造成了扬沙天气，而这一点并没有在气象报告中提到。至此，能见度依然是符合目视标准的，所以我们仍然按照飞行计划继续。飞过棕榈泉之后就是一片山地，这里与洛杉矶仅仅一山之隔。可是刚刚接近山谷，强风穿过山脊造成的山地波就开始给我上至今难忘的一课。颠簸开始变得非常剧烈，连续几次要不是安全带的束缚，我几乎要被扔离座椅。接着，比较大尺度的上升和下降气流开始影响飞机的性能。先是飞机需要比平时巡航小得多的功率，并且几乎要负仰角才可以保持高度和速度。我意识到我们遭遇了很强的上升气流。但平时所学的知识也告诉我，有上升气流就往往伴随着下降气流。我便开始格外注意飞机的高度和速度。果不其然，一两分钟之后，飞机便进入了下降气流。飞机满功率并采用最大爬升率速度爬升，竟然只能保持负一千的爬升率。当时的情况可谓十分惊险，幸亏我们之前采用了比较高的巡航高度，才能有足够的安全裕度。这样的不稳定气流多次反复之后，我和教员决定就近备降。我负责集中精力操纵飞机，教员负责陆空通话，连压座的同学都在帮忙检视航校的 SOP 手册，找到准许降落的机场列表。密切配合之下，我们找到了合适的备降机场，安全降落。

这次的飞行经历让我更加深刻地意识到自然的强大和可能带来的危机的严重程度。在之后的飞行中对天气情况的检视也更加谨慎。
Nice and Care

在美国的这段时间，让我感触最深的其实并不是物质条件的优越（其实对我这样一个饮食习惯传统，消费习惯保守的人来说，还是自己的国家更优越），而是航校良好的整体风气。除了 Safe 以外，听到最多的词就是 Nice 和 Care。Nice 是指飞行中涉及的所有人，教员、学员、签派、机务、空管、其他飞机上的飞行员等等，在交流和处理问题时，保持一种尊重，平和，相互理解的态度。因为飞行本身是处在高压之下的工作，人在高压中就免不了烦躁易怒，我认为这非常不利于有效交流进而到飞行安全的目的。而 Nice，正是处理好诸多关系的重要方法。至于 Care，是源自于教员常说并且让我印象深刻的一句话,“We do care about you guys.”当时听到这句话的时候我感觉非常暖心，而且对教员产生了一种信任，认为在遇到问题的时候是可以积极向他寻求帮助的。我们作为民航的飞行员，本质上从事的是服务行业，我希望自己以后也能对乘客抱有这样的态度，让乘客舒心，放心。我想，这也能帮助我们的公司建立更良好的品牌形象。



零零散散说了这么多，希望能把自己在航校这段日子里的感悟心得分享给大家，如果有人能从中有一两点收获，也是我最荣幸最开心的事了。

最后想说，在国外经历疫情这段日子，回国之后更感祖国伟大富强。能作为民航人，在这样的时代为国家贡献出自己的一份力量，让我倍感骄傲。最后，希望受疫情影响还不能回国的兄弟们一切顺利，早日平安回国；在学校的师弟师妹们能早日进入航校开始训练。

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本期作者｜ 华昊天编辑｜ 梁宇轩责任编辑｜水恒涌
                  王    丹                 曾健鹏
（校稿与技术支持）

©北航飞院CFC & 航小飞工作室

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