[34导航] 气象雷达的最佳使用

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分享一篇空客Safety First的一篇文章，这篇文章的特点是比较全面，从基本的气象学知识，到雷达技术，从理论到实践，都进行了描述，是难得的学习资料。

近年来，有不少航班的乘客或机组人员因严重颠簸而受伤。还有一些事件中，飞机结构在遭雹击后严重受损。显然，及时发现和避开恶劣天气，对安全飞行是非常重要的。

2019年5月26日，南航广州-北京的CZ3101航班（空客A380）受北京雷雨天气影响，在云外绕飞雷雨时突然遭遇雹击，致使风挡玻璃外层破裂，影响了飞行员的视线。机组宣布MAYDAY后安全降落。

机载气象雷达系统是飞行员评估飞机前方对流天气强度的重要工具。飞行员可基于气象雷达显示，选择和规划相对安全的飞行路线。

气象雷达技术在过去几年里有了很大的发展，现在有了一系列增强型产品。如果使用得当，它们可以显著减少飞行员的工作量，同时大大减少遭遇恶劣天气的机会。

本文概述了现有的气象雷达技术，并提供了有关如何调节系统的提示和正确理解显示的信息。

安装在飞机上的气象雷达系统为飞行员提供必要的信息，以避开——而不是穿过——恶劣天气。

机组人员需要仔细优化气象雷达系统的使用，才能发挥出气象雷达系统的最大作用。这主要依赖于对天气现象的良好气象知识，以及对雷达功能的良好理解。

航空业的历史事件表明，尽管飞机配备了先进的机载气象雷达，但仍会遭遇严重对流天气，造成人员伤亡或飞机严重损坏（图1）。

这些事件使我们不禁要思考为什么会发生这样的遭遇，同时清楚地表明，预防措施是必不可少的。

要理解为什么装有先进气象雷达的飞机，最终会飞行到如此恶劣的天气条件下，我们必须考虑到，让飞机上的技术发挥最佳效果只是答案的一部分。除了最佳使用气象雷达和正确理解所显示的信息外，恶劣天气规避策略的一个关键因素是，机组人员还应积极监测整体气象情况。我们始终要牢记，气象雷达有帮助作用，但机组人员对天气情况的全面评估起着核心作用。

积雨云，通常被称为“雷暴”，是如何形成的？

HOW IS A CUMULONIMBUS, OFTEN CALLED “THUNDERSTORM”, STRUCTURED?

对飞机的三种常见威胁是湍流（当两团空气以不同速度碰撞时引起）、冰雹和风切变。这三种都是积雨云的衍生品。

了解积雨云是如何形成和演化的，是避开相关对流天气的关键。

湍流

Turbulence

与积雨云有关的湍流并不局限于云内。因此，在积雨云正在形成地区飞行时，有必要采用本文总结的天气回避建议。

冰雹

Hail

积雨云中冰雹的存在随高度和风的变化而变化：

• 在FL100以下，冰雹同样可能在风暴云之下、云中或其周围（高达2海里）遇到。

• 在FL100到FL200之间，大约60%的冰雹是在积雨云中遇到的，40%是在风向下的云外遇到的。

• 在FL200以上，冰雹最有可能出现在云层内部。

▲相对于积雨云位置遭遇冰雹的风险

在云外遇到冰雹时，积雨云的下风处通常会有更大的冰雹威胁，因为强风会使云内的水汽上升。然后结冰，变成冰雹，再被吹到下风处。矛盾的是，在潮湿的空气中冰雹的风险比在干燥的空气中要低。实际中，空气中的水分起着热传导的作用，有助于冰雹的融化。

了解雷达原理对于精确调整系统和正确理解气象雷达显示至关重要。

气象探测基于水滴的反射率（图2）。气象回波显示在导航显示屏（ND）上，颜色范围从红色（高反射率）变为绿色（低反射率）。

一些气象雷达带有湍流显示模式。该功能（TURB功能）基于多普勒效应，对降水活动敏感。与气象雷达一样，TURB功能需要最少的降水量才能有效。在正常模式下用绿色表示小雨区域，在有高湍流活动时用洋红色表示。

TURB功能在大多数气象雷达上仅在40海里（多普勒测量能力）范围内有效，且只能在潮湿的湍流中使用。

机组操作使用雷达的四种功能：

每种气象雷达都有自己的特点。为了获得每种气象雷达型号的特性、局限性和操作建议的所有信息，需要研究雷达制造商的用户指南。

气象雷达的一个局限性是，它只能显示液态水的存在。其结果是，雷暴在其高度范围内没有相同的反射率，因为大气中液态水的数量随高度而减少（图4）。然而，对流云和相关威胁可能会大大超出气象雷达的探测上限（称为“雷达顶部”）。这意味着反射率与可能遇到的风险水平不成正比：即使雷达回波较弱，对流云也可能是危险的。

▲图4：积雨云的反射图像

对于赤道地区来说尤其如此，在那里，会聚的风会产生大规模的上升的干燥气流。由此产生的气象体的反射率比中纬度对流体的反射率低得多。然而，在这些云层或云层以上的湍流可能比气象雷达显示的图像显示的强度更高。

另一方面，靠近海洋的空气可能非常潮湿。在这种情况下，热对流将产生充满水的云：这些云将具有高反射率，但不一定是高威胁。

因此，必须充分了解气象雷达的局限性，并辅之以机组人员的基本气象知识，并在可能的情况下进行目视观测。

气象雷达的另一个局限称为“阴影区”或“衰减”。气象雷达的显示取决于回波信号：降水越强烈，雷达能看到的距离越短。因此，当雷达回波无法穿越透降水进行双向传播时，就会产生“阴影”效应。

结果是两方面的。首先，这种天气的大小、形状和强度可能无法准确地显示给飞行员。看起来很薄或不存在的降水带（图5），实际上可能是一个更大的降水区域的前沿。其次，这样的强阴影区后面的任何天气都不会被探测到，在ND上也会显示一个没有回波的阴影区。这可能会导致意外的天气展开后，飞机就被包围了。

▲ 中度至极端降水引起的衰减

译者注：上述两个雷达的局限在后续雷达设计中已经考虑进去了，针对第一个问题，回波进行了补偿修正，包括高度上的补偿，还有不同地区气候特点的补偿。对第二个问题，PAC功能会在ND边缘用绿色弧形提示机组。

空客与其供应商合作，多年来一直积极支持气象雷达技术的发展。这些持续改进，给机组人员提供优化的观测功能和天气威胁评估功能。

早期的雷达没有自动倾斜功能，因此需要机组根据飞机的高度、航路上的预报天气和ND距离来选择天线倾斜，并在飞行过程中手动上下调整。然后飞行员需要分析和理解雷达天气显示的各个切片，才能得到一个整体的画面。

早期不带自动倾斜的全手动控制雷达有：

霍尼韦尔推出了第一款具有自动倾斜计算功能的气象雷达，称为“自动倾斜”。

当处于自动倾斜模式时，雷达使用EGPWS地形数据库，并根据飞机位置、高度和选定的ND距离自动调整天线倾斜（图6）。

▲图6：霍尼韦尔自动倾斜

下一代雷达包含的自动功能：

这些新雷达优化了天气探测，大大减少了飞行员了解未来天气全貌所需的工作量。

霍尼韦尔RDR-4000型号是一种新一代气象雷达，包括一个3D立体缓冲器。

它可以探测前方数百英里（在A320和A330系列飞机上可达320海里，在A350和A380上可达640海里），并显示途中的天气图片，还可以从地面自动扫描到60000英尺，以提供针对不同高度的信息。然后从3D缓冲器获取所需的显示数据（图8和9）。

▲图8：A320和A330上的霍尼韦尔RDR-4000控制面板

▲图9：A350和A380上的霍尼韦尔RDR-4000控制面板

当在自动模式下激活时，雷达RDR-4000根据飞行轨迹角，评估沿飞机垂直飞行轨迹的垂直轨迹包络线（名义上为+/-4000ft）。然后，根据飞行剖面，它定义天气回波是否在该包络线内（相关的“ON PATH”）或不在该包络线内（次要的“OFF PATH”）。沿飞机轨迹的天气状况以纯色显示，而较远的垂直回波则以条纹模式显示，以帮助飞行员确定是否有必要进行天气规避机动或改道（图10）。

▲图10：霍尼韦尔RDR-4000显示

RDR-4000也可以在人工模式（仰角模式）下，用作分析用户选择高度上的天气的工具，从而评估对流云的垂直扩展和结构。

该系统可在A380和A350上使用，并具有额外的“天气预报”警报功能。在这些飞机上，显示的天气是一个计算图像：

这些增强型气象雷达在新飞机（A380、A350）投入使用时提供，并作为A320和A330系列飞机的改装选择。

继RDR-4000和Multiscan WXR-2100之后，最近又有了新的发展：

▲图12：霍尼韦尔RDR-4000显示

这种新雷达还提供危险功能，即：

▲图13：柯林斯多扫描 V2威胁探测和分析

霍尼韦尔RDR-4000 V2和柯林斯WXR-2100 V2气象雷达于2015年7月获得A320和A330/A340系列的认证，可作为改装选择。

空中客车公司与气象雷达供应商合作，继续致力于设计和开发新的气象监视功能。现如今，在研究层面上，重点主要放在三个方面，目的是提高飞行员对未来天气的认识。

冰晶会造成多种威胁，例如发动机振动、发动机功率损失、发动机损坏或大气数据探头结冰。事实上，高空冰晶的形成及其对飞机性能的影响已被公认为是一个全行业的问题。

特别是空客与几个合作伙伴一起领导了HAIC研究项目。该项目旨在描述和识别冰晶的环境条件，通过开发适合飞机的探测和感知技术来改善飞机的运行。下一代气象雷达有望受益于这项研究工作，使冰晶能够探测，以避开有冰晶的对流天气。

目前正在研究收集所有“机上天气”信息以及雷达收集的天气信息（反射率、湍流和危险）并将它们合并到一起显示的可行性。

此外，还正在开展工作，以便根据实际天气（机上天气和雷达数据）、正在进行的飞行和存储的飞行计划，自动计算优化的绕飞路径。这样的功能，预计在需要的时候将有助于飞行员的决策和重新规划航线。此外，它还更方便使用。

气象雷达是探测、分析和避开恶劣天气和湍流的工具。像其他工具一样，雷达的有效使用也需要机组具有足够的知识以及主动的参与。事实上，恶劣天气的管理仍然主要依靠机组人员在整个飞行过程中积极监测气象情况，并充分利用现有技术，需要做到以下几点：

如何优化调节雷达以及在对流天气中管理飞行？

How to optimally tune the weather radar and manage flights in convective weather?

飞行计划：天气简报和天气预报的重要性

Flight planning: the importance of weather briefing and weather reports

在航前，机组就应该做好避开危险天气的准备，对途中天气进行全面评估，并决定可能的缓解措施。

登机前，天气简报应显示预计有重大天气活动的区域。同样，这次简报应包括对该地区典型天气模式的评估。例如在热带地区，积雨云的强度和发展在一天中的某些时候更大。在这个阶段，机组人员有机会根据天气简报和他们对当地气候资料的知识，规划一条避免活跃天气的路线。改变飞行路线可能是一种选择，同时也能考虑绕飞路线而增加油量。

起飞后，应结合所有可用信息来综合判断，如飞行前简报、飞行员对该区域典型性的知识和经验、报告的湍流、更新的天气报告，定期使用和调整气象雷达……如果可以的话，应在飞行中定期更新天气信息。空中交通管制中心收集的其他飞机乱流遭遇信息是另一种手段。

对流天气下的安全运行需要有良好的气象学理论知识，特别是对世界不同地区对流云的形成、发展和特征的认识。这些知识通常在飞行员执照和操作培训中提供，不包括在飞机文件（FCOM和FCTM）中。

有效的天线倾斜角调节和适当的ND距离选择是在ND上获得最佳天气信息显示的关键。

ND可能不显示飞机飞行高度层的天气，只显示被雷达波束切割的天气（图14）。为此，需要定期上下调整天线倾斜，以扫描前方天气，并需要根据ND距离选择进行调整（新型气象雷达自动调整除外）。

机组需要定期扫描：

如果提供，自动模式应作为默认模式（除非FCOM中另有说明），用于检测和初步评估显示的天气。然后，如果怀疑有不利天气（例如根据飞行前简报期间收集的信息），应定期积极使用手动控制来分析前方天气。

可能影响ND显示器相关性并触发倾斜调整的因素有：

在航向或高度发生变化的情况下，让天线自动倾斜可能会导致忽视天气或低估天气的严重性。例如，在起飞或爬升时，如果预计飞机上方有恶劣天气，则应设置倾斜。（图15）是在自动倾斜模式下，由于倾斜设置不正确（在本例中过高）导致雷达越过对流天气的一个例子。当天线向下倾斜时，ND显示出更强的危害性。

▲图15：气象雷在不同天线倾斜角下的显示

为了分析对流天气，机组人员应该使用倾斜旋钮获得正确的显示，并将气象雷达波束指向该天气反射率最强的部分。在高空，雷暴可能含有低反射率的冰粒子。如果不适应倾斜设置，则ND可能仅显示对流云的上部（反射较小的部分）（过扫描）。因此，机组人员可能低估或没有探测到雷暴。

为了获得准确的天气探测，气象雷达天线还应指向较低的平面（即结冰点以下），那里仍然可以发现水。如果在较低的位置发现红色区域，则应使用天线倾斜垂直扫描该区域。在高海拔地区，红区域上方出现黄色或绿色区域，可能表明该地区对流很强。

在大多数情况下，在飞行中，适当的天线倾斜设置会在ND的上边缘显示一些地面回波，这可能很难与真实的天气回波区分开。天线倾斜的变化会迅速改变地面回波的形状和颜色，并最终导致它们消失。天气回波不是这样的。一些气象雷达装备了地面杂波抑制（GCS）功能。打开时，它会抑制显示器的地面回波。

显示范围管理

Display range management

为了保持全面的态势感知，飞行机组需要同时监视短距离和长距离天气。为此，机组应在监视飞行员（PM）和飞行飞行员（PF）ND上选择不同的航程。

为避免对流天气的威胁，飞行机组应在距离40海里之前做出绕飞决定；因此，在ND上应选择以下范围：

为避开恶劣天气而改变航向时，应同时使用两侧显示器来确定。防止“死胡同”效应：使用低距离显示时看起来安全的航向改变，当在更高的距离观察时，可能会显示阻塞的航道（图16）。

▲图16：死胡同效应

接收机的灵敏度可能因雷达系统的不同而不同。在CAL（自动）位置，增益处于探测标准对流云的最佳位置。也可以使用手动设置来分析天气。

在低海拔地区，正确的天气分析可能需要减少增益。由于低高度，湿度增加，对流天气通常更具反射性，气象雷达显示可能有显示许多红色区域的趋势。

在非常潮湿的大气（通常是印度季风）中，海拔较高的ISA出现显著正偏差时也可能出现这种情况。在这些情况下，缓慢降低增益可以检测到威胁区域：大多数红色区域慢慢变黄，黄色区域变绿，绿色区域慢慢消失。剩余的红色区域（即最后变黄的红色区域）是天气中最活跃的部分，必须避开（图17）。

▲图17：增益降低的影响

在高海拔地区，水粒子被冻结，云的反射性降低。在这种情况下，为了评估威胁，应该增加增益。

湍流可能很难预测，但频繁强烈的闪电和/或云的特定形状（见下一节）等迹象可以提醒机组人员可能存在严重的湍流。如有必要且可用（根据机载气象雷达标准），TURB功能还可用于确认40海里（或60海里）以内的湿湍流（根据雷达标准）（图18）。请记住，TURB功能需要湿度，因此不会显示晴空湍流。

▲图18：湍流探测(洋红色)

此外，最新一代气象雷达提供的视觉提示可能会提醒机组，这些雷达提供了冰雹或闪电预测等天气威胁评估功能。

在开始任何规避机动之前，机组对气象雷达显示的分析是必不可少的。这样，机组就能够对路径上和路径外的对流天气情况进行深入分析，并最终在需要时采取行动。

气象雷达正确调谐后，所显示的数据应补充可用的天气图、报告和飞行员的气象知识。这些数据使机组人员能够获得完整的天气图，并建立一个“威胁区”。这个“威胁区域”对应于机组人员估计天气条件太危险而无法飞行的区域。

应该提醒机组人员，一些显示包含特定的提示。除了颜色外，还应仔细观察云的形状，以便发现恶劣的天气条件。不同颜色的密集区域通常表示高度湍流区（图19）。

▲图19：威胁指示-不同颜色的密集区域

一些形状是很好的严重冰雹的标志，也表明有很强的垂直气流（图20）。最后，快速变化的形状，无论它们是什么形状，都表明天气活动很强烈。

▲图20：表示恶劣天气的形状

机组需要保持警惕，积极使用和调整气象雷达，以便能够尽早启动规避机动。事实上，随着飞机靠近对流天气区，气象雷达信息变得更加密集，从而使规避决策更加困难。因此，机组人员应考虑与对流云的最小距离为40海里，以启动规避机动。

一旦作出偏离航线的决定，飞行机组在实际决定避让机动的轨迹之前，需要考虑以下建议性预防措施和限制。

如果可能的话，最好进行横向避让而不是纵向避让。事实上，由于抖振和性能裕度的降低，垂直回避并非总是可能的（特别是在高空）。此外，一些对流云发展速度可能很快，这远远超出雷达可见的顶部。

在可能的情况下，最好尽量在积雨云的逆风面飞行以避开风暴。通常，对流云的湍流和冰雹在逆风面较少。

机组人员确定的“威胁区域”（如积雨云）应尽可能横向保留至少20海里（图21）裕度。如果对流云处于强烈发展期或具有显著的发展速度，则可以应用额外的裕度。

▲图21：横向和纵向边界

如果飞机的飞行轨迹在几个对流云之间，如果可能的话，在确定的“威胁区域”保持至少40海里的距离。

不要试图在对流云下飞行，即使你可以看到另一边，因为可能会有严重的湍流、风切变、微爆和冰雹。如果飞机必须在对流云下飞行（例如在进近过程中），那么飞行机组在做出最终决定之前应考虑所有的指示（目视判断、气象雷达、气象报告、飞行员报告等）。

如果要飞越对流云，建议留出5000ft的垂直距离。不要试图从对流云下方飞行。

（图22）显示了一个典型的气象雷达显示，显示多个恶劣天气区域。哪条路线看起来更合适？

▲图22：避免天气的可选项

当面临前面天气显示出大范围风暴系统的情况时，总是可能有几种选择的。在机组人员做出决定前，应仔细分析天气情况，扫描各个云层的垂直扩展情况，如果可能的话，考虑偏离到另一条路线。

无论用什么方法判断恶劣天气区域（目视、雷达或报告），成功的路线规划和规避策略的关键因素是时间。气象雷达，尤其是增强型，可以帮助准确分析和理解远处的天气，并从远处评估天气情况。这个系统是一个关键的工具，可以提前计划，避免在最后一刻做出决定，并在安全范围内做出绕过恶劣对流天气的决定。

除了技术，还需要在整个飞行过程中积极保持态势感知。定期补充由人工垂直扫描周围天气显示的雷达图像，并根据需要调整增益和倾斜。最后但并非最不重要的是，坚持气象学基础知识，以采取最佳的行动路线，才能安全，有效和舒适飞到目的地。