第1章 临近空间环境
1.1 环境基本结构
1. 大气层 (atmosphere)
在地球引力作用下围绕地球的一个混合气体层。大气层中空气密度、温度、压强等参数都随高度变化。大气层总质量的 90％集中在离地球表面 15km 高度范围内，总质量的 99.9％集中在离地球表面 50km高度范围内。大气层没有明显上限，其各状态参数沿铅垂方向变化很大，例如，空气压强和密度都随高度增加而降低，温度随高度变化有很大差异。
根据状态参数随高度变化的特点，大气层可划分为对流层、平流层、中间层、热层、散逸层。各层上界分别为对流层顶、平流层顶、中间层顶和热层顶，如图 1.1 所示 (散逸层指热层以上部分，图中未标)。
2. 临近空间 (near space)
一般指距地球表面 20～100km 高度之间的空间范围，它在常规航空器飞行高度之上，常规航天器轨道高度之下。临近空间包括大气层中平流层的大部分、中间层的全部和热层的一部分。
3. 对流层 (troposphere)
接近地面的、具有明显对流运动的大气层，从地面延伸到对流层顶。对流层厚度与纬度和季节有关，赤道地区 16～18km，两极 7～10km，中纬度 10～12km，一般冬季薄，夏季厚。对流层大气质量约占地球大气总质量的 80％。
对流层是天气发生变化的主要区域，主要气象特点为：气温随高度升高而降低；风向风速经常变化；垂直对流剧烈；有云、雨、雾、雪等天气现象；集中了大气中的大部分水汽。温度递减率平均为 6.5℃/km，随地域、季节和天气有较大差异，对流层顶气温在中纬度地区约 .52℃，在极地 (高纬度地区) 约 .45℃，在赤道地区 (低纬度地区) 约 .75℃。平流层飞艇的上升、下降过程需要穿越对流层，对流层风场、温度、湿度、闪电等气象要素与天气过程对平流层飞艇的安全升降有重要影响。
图 1.1 中纬度地区标准大气垂直结构
4. 对流层顶 (tropopause)
对流层与平流层之间的过渡层，其温度随高度近于不变或逆温。
对流层顶高度和温度随纬度和季节的不同而变化，且与大气活动有关，一般来说，赤道地区高度约 17km，两极附近约 9km。
5. 平流层 (stratosphere)
自对流层顶到距地面高度约 50km 之间的大气层。平流层大气以水平方向流动为主，没有强烈的对流运动，气流平稳，水汽、杂质极少，能见度好。
平流层臭氧 (O3) 含量约占大气中总量的 90％。平流层气温受地面影响小，但在 30km 高度以上，臭氧层会大量吸收太阳紫外线而使气温升高。自对流层顶向上，温度随高度不变或微升，约 30km 高度后快速升高，到平流层顶可达 270～290K。由于高度较对流层高，平流层太阳辐射含有更多的短波紫外辐射。
由于水平气态成分混合比垂直混合快，平流层是一个放射性、动力学及化学过程都有强烈反应的区域，存在一些较特殊的现象，如发生于热带地区的准两年振荡 (quasi-biennial oscillation，QBO)，以及发生于高纬度地区冬春季的爆发性增温等。
平流层飞艇驻空阶段一般处于平流层底部，大气密度、温度、风场环境、臭氧分布、辐照等气象要素均对驻空性能有重要影响。
6. 平流层顶 (stratopause)
平流层与中间层的过渡层，在高度 50～55km 处，大气中的臭氧到此基本消失，温度梯度转变为随高度增高而减小。
7. 中间层 (mesosphere)
平流层以上、热层以下的大气层，高度范围 50～85km。中间层的热量主要来自平流层，且几乎没有臭氧吸收太阳紫外线，温度随高度增加而降低，至 80km 处降至 160～190K。
8. 热层 (thermosphere)
中间层顶界至高度约 800km 之间的大气层。热层空气密度很小，由于直接受太阳短波辐射，空气处于高度电离状态，温度随高度增加而升高。
9. 散逸层 (exosphere)
热层顶界以上的大气区域，是地球大气*外层。散逸层空气极其稀薄，由于受地球引力弱，大气分子不断向星际空间逃逸。
10. 准零风层 (quasi-zero wind layer)
一般是指平流层下层 20km 高度附近上下层纬向风风向相反，南北风分量很小的大气层。具体来说，准零风层内，下层的西风折转为上层的东风，纬向风风速较小，南北风分量也很小。准零风层是平流层飞行器的理想工作环境，非常有利于持久驻空、能源闭环、动力控制等实现。平流层准零风层结构随经纬度、季节而变化。根据准零风层随纬度变化的特性，中国上空可分成三个区域：低纬地区 (5.N～20.N)，中低纬过渡区域 (20.N～32.5.N)、中高纬地区 (32.5.N～55.N)。
低纬地区一般在冬季和初春存在准零风层；中高纬地区一般在春末和夏季存在准零风层；中低纬过渡区域是否存在准零风层还与 QBO 有关，QBO 东风相位时，过渡区域特性偏向中纬区域，QBO 西风相位时，过渡区域特性偏向低纬特性。准零风层高度范围内 (17～25 km) 的其他纬度和季节虽不存在准零风层，但平均风速很小。
11. 大气边界层 (atmospheric boundary layer)
靠近地球表面、受地面摩擦阻力影响的大气层区域。大气流过地面时，地面上各种粗糙元会使大气流动受阻，摩擦阻力由于大气中的湍流而向上传递，随高度增加而逐渐减弱。大气边界层的厚度随气象条件、地形、地面粗糙度而变化，大致为自地面至距地表 1～1.5km 高度的范围。
大气边界层内，风速、温度、湿度等都有明显的、随高度减弱的日变化，风速随高度增加而逐渐增大，大气流动随机性大，基本都是湍流流动。
平流层飞艇在出库、转运、放飞、返场等阶段，受大气边界层环境影响严重。
12. 臭氧层 (ozone layer)
大气层中臭氧浓度较高的区域，一般指 20～50km 高度范围，其中，20～35km 区域臭氧浓度*大。不同地区臭氧层差异显著，赤道附近*厚，两极变薄。
臭氧能吸收掉大部分太阳紫外辐射，引起加热作用，影响大气温度层结和环流。臭氧分布随纬度和季节变化而不同，总量存在日变化，浓度随高度变化具有不连续或突变现象。
臭氧具有强氧化性，对平流层飞艇的囊体材料、太阳电池等部组件具有一定老化作用。
1.2 环境基本参数
1. 大气稳定度 (atmospheric stability)
在浮力作用下空气微团垂直方向运动的稳定性，以平均温度梯度或反映浮力做功的指标为判据。若位温随高度增加而递减，浮力做功增加空气微团的动能，上下运动能继续发展，称为静力学不稳定；若位温随高度增加而递增 (逆温)，空气微团反抗重力做功损耗动能，上下运动受到抑制，称为静力学稳定；当空气微团处于随意平衡状态时，称为中性稳定度。
2. 风速 (wind speed)
空气相对于地面某一固定点的运动速率，包括水平风速和垂直风速，一般不特指的情况下为前者，是指单位时间内空气相对于地面移动的水平距离。在气象上，风速的大小可用风的级别来表示，风的级别根据风对地面物体的影响程度而确定，目前一般按风力大小划分为十二个等级。
对于平流层飞艇而言，风速直接影响其飞行航迹、持久驻空能力和飞行控制能力。
3. 风向 (wind direction)
风的来向，可以用自由转动的风向标测定，用方位或角度表示，另加无风及无定向风两类。
图 1.2 风向方位图
风向观测一般用 16 个方位来表示 (图 1.2)，包括东 (E)、南 (S)、西 (W)、北 ( N)、东南 (SE)、西南 (SW)、西北 (NW)、东北 (NE) 八个常用基本方位，另加北东北 (NNE)、东东北 (ENE)、东东南 (ESE)、
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