当与雷暴狭路相逢时 - 图说气象雷达的使用

  随着春夏季来临，我们也频繁地遭遇到雷雨天气，翱翔天空，我们经常被波澜壮阔又瞬息万变的美丽云彩所震撼，在感慨大自然杰作的同时，雷暴云对飞行安全却有着致命的威胁。

  目前世界上约一半的飞行失事都直接或间接由雷暴天气引起，雷暴是严重危害航空飞行安全的因素之一。 使用机载气象雷达可以帮助我们提高飞行安全裕度，今天小石榴和大家一起聊一聊雷达的使用。

机载气象雷达分类

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A320常见的霍尼韦尔雷达和柯林斯雷达：   

小石榴

这么多面板，哪个是霍氏的哪个是柯氏的呢？

我们注意到相比起霍尼韦尔的雷达，柯林斯雷达的增益位GAIN是有一格一格刻度的，而且工作模式MODE有四种！所以我们也可以昵称它为：

「刻(ke)林四(si)雷达」

AtOm

雷暴的威胁

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 雷雨云的雷达回波图及电荷分部图           

注:

注意图上两条分界线：实际（可见）顶 和 雷达（湿）顶，我们后面会多次提到。

★、湿顶上方雷达回波弱，容易误入造成严重颠簸！

★、在0°C到-5°C之间如果有充足的过冷水滴便非常迅速地形成积冰！

★、如电荷分部图所示，飞机在0度等温线附近，高度在4000-6000米最容易遭受雷击！

★、云下容易遭遇下击暴流和低空风切变！

气象雷达探测什么？

气象雷达通过发射脉冲无线电波并接收回波，基于水滴的反射率在显示器上显示回波图像，可以把雷达看成是一部降水探测器。天气回波的强度取决于水滴的大小、成分和数量（例如相同大小的水滴反射的回波强度是冰粒的五倍）。

  探测回波图：

雷达可以探测

· 降雨；

· 湿冰雹和潮湿紊流；

· 冰晶，干冰雹和干雪(30000英尺以上)只能得到微弱反射。

雷达不能探测

·云、雾或风(太小的水滴或根本无降水)；

·睛空颠簸(无降水)；

·闪电。

★

 雷达探测范围如下图黑色圈内所示           

注:

从图中可以看出，由于雷达回波的局限性，如果不恰当地使用雷达，湿顶之上是我们夜间飞行容易误入的区域，从而导致有可能遭遇到严重颠簸，极端情况下甚至可能会有雹击等危害，造成飞机受损和人员受伤。

雷达功能和如何工作？

公司目前大部份A320选装的是WRT-2100型号的多波束扫描雷达，下面简单来介绍一下WRT-2100型雷达的部分功能，以及如何工作的？

1

多功能扫描 MULTISCAN   

相比老式的、需要人工不断调整天线角度的雷达，新型雷达在 MULTISCAN 选择 AUTO 时，自动扫描系统根据飞机的高度和地形，自动控制天线角度以两个不同的角度扫描，从而获得最佳的天气扫描结果（雷雨的中下部强反射率部位）和最小的地面回波。

例如，起飞时两个波束向上看(上波束5.7度，下波束之高4.3度，显示为5度)，随着飞机高度的增加，两个波束逐渐下俯，ND上显示的角度为两个波束俯仰角的平均值。

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显示出来的图像是存储和结合每条波束的结果

2

温度基准增益补偿和全球气象模型数据库：  

a

温度基准增益补偿（Temperature Based Gain）：

如图，由于气象雷达依靠探测雷雨中含水量的多少来工作的，而该功能对气象零温度线以上的部分进行的自动温度增益补偿，零温度线以上的自动温度增益补偿相当于增加了雷雨的可视高度：

b

全球气象模型数据库 (基于气象领域已建立的成熟的气象模型) ：

如图，全球气象模型数据库根据大量的卫星统计数据，建立了个全球各地域的气象模型，通过不同的因素(飞机高度、地理位置、季节、时间)来判断雷雨的实际威胁高度，确定该天气的高度是否对飞机具有威胁性，从而只显示对飞行航路威胁的气象：

注:

只有当增益在CAL位时，雷达才通过不同的因素(飞机高度、地理位置、季节、时间)来自动调整增益来获得最佳的气象显示。

3

灵敏度时间控制STC (Sensitivity Time Control)    

由于雷达波束能量随着距离的传递不断损耗衰减，会造成距离不同，但反射性质完全相同的云体目标在显示器上显示的强弱不同，或者说，距离远的反射的回波比距离近的目标反射的回波弱。

 

如下图，为了弥补以上的问题，雷达STC 功能用于补偿回波信号的衰减损失。根据目标距离的变化，改变接收器的灵敏度，从而增大距离远的目标的回波放大量，从而排除由于距离因素造成的波束能量传递损耗而产生对雷雨反射率的影响。

STC这个中文译名比较拗口和匪夷所思，简单的说，就是因为远处雷达回波信号不好，图像又小又失真，STC帮你放大和还原真实面目。

AtOm

注:

STC只有在80nm以内才工作，另外增益旋钮必须在CAL位。

4

雷达阴影区告警功能PAC (Path Attenuation Correction) Alert  

如上两图，一个是雷达探测的情况，另一个是实际的天气情况，当飞机前方有一大片重降水时，雷达波束由于能量原因，无法穿透它，不能探测到它后方是否有雷雨时，此时PAC警报在ND的最外圈刻度上显示一个黄色弧线来提醒飞行员，在雷雨背后有一片损耗区，也称为雷达阴影。（如下图）

未知的也是最危险的，所以飞行中永远不要飞进「雷达阴影」！！！

AtOm

注:

机组将气象雷达调置在WX或WX T，增益旋钮到CAL位，飞机在雷雨区80nm范围之内时，轨迹衰减补偿（PAC）警戒功能可用。PAC警戒在MULTISCAN电门在AUTO或MAN位时都可用。

5

地面回波抑制GCS（Ground Clutter Suppression）

MULTISCAN自动模式并在WX模式中，地面杂波抑制(GCS）工作，并且抑制ND上的地面回波。

如下图，以乌鲁木齐天山为例，左图为MULTISCAN设置在AUTO位，右图是MULTISCAN为人工-0.5度的角度。可以看到在自动模式，地形回波是被抑制的。

注:

只有MULTISCAN设置在AUTO位，屏幕上不显示地面干扰信息，而在MAN位，那么GCS电门不起作用，地面杂波显示在屏幕上。

6

二代自动雷达WRT-2100 V2（COLLINS）新增功能介绍

二代自动雷达即工作方式MODE有WX T HZD模式的新雷达，通过垂直扫描实现六大全新功能：

·     针对雷雨核心区的分析；

·     前视性快速成长雷雨的告警 ；

·     两级（轻度/重度）湍流、颠簸标识 ；

·     中高度雷雨、闪电的危害标识 ；

·     成熟雷雨的危害标识 ；

·     高空砧状云及冰雹的危害标识 ；

★

简单说就是增加了潜在风险的预警标识      

注:

只有MULTISCAN模式在AUTO位的时候，危险预测才可用。

小石榴

这样看来，雷达的好多功能必须在自动模式才工作啊？

理论上是这样的，上面的小贴士太多有点乱，我们来总结一下吧。

AtOm

自动模式 VS 人工模式

首先

我们用两个表格对比一下：

其次

我们插播一条雷达厂商的广告：

「多重扫描气象雷达是一种全自动雷达，它可以在不需要飞行员输入扫描角度和进行增益设置的情况下，不管在什么时候，不管飞机的姿态如何，对所有范围内的重要的气象信息进行无杂波的显示。当多扫描气象雷达工作在自动模式的时候，每个飞行员将会获得一般只有有经验的雷达操作员才能获得的气象信息」。

最后

结合下图以及FCOM手册，简单总结一下：

MULTISCAN AUTO位 增益CAL位 

多波束结合的降雨反射率

基于温度的自动补偿

全球气象模型数据库的补偿

自动地面杂波抑制GCS

「静且暗的驾驶舱」逻辑（只显示飞行航路上对飞机造成威胁的天气） 

危险天气预测功能在ND上的显示（有WX T HZD模式的新雷达）

MULTISCAN MAN位 增益人工位

当前天线人工角度的降雨反射率

小石榴

小石榴前两天熬了个胡志明通宵，那就看看实际航班的情况吧

话说那天夜黑风高，刚过凌晨五点，太阳懒散地爬出天际露出一道曙光，天开始朦朦放亮，小石榴睁着惺忪的双眼透过风挡远眺远方，突然发现远处耸立着一道模糊又清晰，陌生又似曾相识的身影（此处省略过千字....）：

雷达扫描它的身影是这样的：

比较下来，我们可以发现，自动模式是较为真实的，因为雷达扫描的特性，如果我们空中一直人工固定使用某一个天线角度，没有经常变换角度来回扫描的话，很容易误入天气，这即增加了我们的工作负荷又提高了没有必要的风险。

小石榴

既然多扫描气象雷达工作在自动模式如此好用，为何雷达面板不弄成一键启动式？还要人工功能做什么？

在讨论这个问题之前，我们先看看《FCTM机组训练手册》、《运行手册》和《FCOM》是如何介绍雷达的使用的？

AtOm

FCTM：雷达的使用

运行手册：雷达的使用

SOP：雷达的使用

注:

并不是所有的柯林斯WRT-2100雷达都这么操作，仅要求没有安装SB593设备的飞机20000英尺以下增益调到 4位。根据A320-FCOM-R20151019的修订，下面列出公司目前所有需要调 4的飞机编号：

注:

由于国内运行的复杂性，有些机组根据个人飞行经验，在巡航时习惯将增益放到 4位，认为这样安全裕度会更大一些。这里偏离了厂商的建议，提出来仅供大家参考，就不进行讨论了。

小石榴

好了，我们回到前面的问题，我们能不能让天线角度一直在自动模式，且增益一直放在CAL位？

从上述可知，全自动工作模式虽然强大易用，但飞行员对系统的理解和对天气的分析更为重要。在此引用公司某位大拿的话：

AtOm

「  雷达是工具而不是依据，绕飞雷雨的依据是我们使用雷达后对天气系统分析得出的结论   」

所以我们雷达的使用思路应该是：

「发现—判别—决断」

如《运行手册》所述：对于具有自动扫描功能的气象雷达，推荐使用自动模式，包括天线角度自动调节、自动/标准增益等，以确保各项保护、提示功能可用。在分析天气时可以使用人工调节，但分析完成后应返回自动模式，避免长时间将雷达置于人工模式。

小石榴

那我们怎么进行人工位的使用呢？

人工调节无非从三个要素：

纵度（天线角度），

广度（距离控制），

强度（增益控制），

下面我们了解一下气象雷达人工调节这三个方面：

AtOm

雷达人工位的使用

1

天线角度

雷达天线和地平线之间的夹角就是天线仰角。雷达使用IRS数据使天线稳定，因而天线仰角与飞机的俯仰和坡度无关。

★

如上图，过大或过小的人工角度都不能有效地获得合适的天气回波。

在起飞时，爬升时天线应向上调节，以便看到飞机前上方天气，随高度改变天线角度也要不断变化；

AtOm

巡航和下降时，天线角度应与ND的距离选择相适应，大多数较好的天线角度是使ND的上边缘有少许地面回波。也就是我们常说的「扫毛边」技术。

AtOm

我们可以通过下面的公式来确定云团的「湿顶」是否高于/低于飞机的飞行高度：

AtOm

高度（英尺）＝距离（海里）×天线角度×100

例如一个回波消失在40nm的范围且-1 °向下的天线仰角，则这个云团的「湿顶高度」低于飞机的高度4000英尺。

AtOm

小石榴

那是不是没有雷达回波就安全了？

我们最前面已经了解过了，雷达能扫描到的范围只是雷暴的「湿顶」，「湿顶」之上我们有可能会遭遇到严重颠簸，极端情况下甚至可能会有雹击等危害，所以我们要根据当时的飞行高度，雷暴的强度和范围，时间季节，使用雷达对天气系统进行综合分析，从而降低发生危害的概率。

AtOm

★

下图是飞机在空中被雹击后的图片。

小石榴

在我们飞东南亚的时候，在较低空时，经常碰到有些孤立的小云块在雷达上没有显示（如下图），但进云后会引起较强的颠簸，由于空中没有参照物，我们如何通过目视观察来判断我们是否在云顶之上飞行呢？

我们可以充分利用**冰泉或**山泉瓶子，如下图，水面相对地面是平行的，目光通过水平面向外观察，如果云不在水面上，可以不用考虑机动避开。

AtOm

注:

注意！高空时不能用这种方法！！！

除非确定在云顶上有至少5000英尺的晴空区，否则不要飞越雷雨云的上方，任何高于35000英尺或以上的雷雨都应被认为是极其危险的，应当避免从上方飞越。

2

距离控制：

我们正常应该根据天气情况，与天线角度配合来控制ND的显示范围。

通常PM侧（作为战略分析）的距离圈是PF侧（作为战术绕飞）的两倍大小：

起飞时为了有效显示风切变警告， 距离圈一般放在10NM；

随着高度增加，距离圈按需逐渐增大；

巡航时PF根据FCTM建议放在80NM距离圈，而PM则可放在160NM距离圈。

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如下图，两侧距离圈的不一样，可以尽早有效地规划航路的改变，以避免进入无法绕飞的困境。

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另外，如下图所示，因为雷达脉冲宽度和波束宽度的限制，距离越远，波束越宽，雷达分辨雷雨细节的能力越差，所以建议只对80nm以内的天气目标进行分析，80nm以外的显示仅作为确认天气目标的大概方位及对飞行航迹进行预判。

3

增益控制：

机载雷达的基本性能和天线功率在出厂时已经设置好，我们人工调节雷达面板上增益（GAIN）时，并没有改变接收机的灵敏度和雷达天线的发射功率。如下图，GAIN位的改变的只是ND显示各个颜色级别的显示等级。如标准的颜色输出：绿色代表小雨，而黄色代表中雨，红色代表大雨以上。当增加或减小GAIN后，ND上显示的颜色等级将相应递增或递减。

所以，GAIN位的人工调节只是通过调节天气的颜色显示强弱，来帮助我们来判断最强的天气分布情况：

1、调高增益：在怀疑有天气或者云团中只有低反射率的目标（如冰晶或雷雨顶部的湍流），我们可以逐渐提高增益从而来判断是否存在没有探测到或者被低估的天气。

2、调低增益：如下图，如果前面有大面积的雨区，为了将云团的最强部分在ND上显示红色，机组可以逐渐减少GAIN，红色区域（3级回波）将逐渐变成黄色区域（2级回波），黄色区域将逐渐变成绿色区域（1级回波），云团中最后变成黄色的部分为天气最强的区域。

绕飞原则与规定 

(1) 不要面向即将来临的雷雨起飞或着陆；

(2) 即使能透过雷雨看见另一边也不要试图穿过此雷雨区；

(3) 只允许气象雷达工作正常的飞机实施绕飞；

(4) 避免在靠近外界温度0℃的高度长时间飞行；

(5) 如果一个明显的雷雨活动区距离机场20 公里的范围内时，机长应考虑向雷雨区所在位置的反方向起飞或着陆，或者推迟起飞、着陆，或者备降；

(6) 当着陆航道5 公里和复飞航道3 公里范围内有雷雨活动且向航道移动时，禁止进近和着陆；

(7) 绕飞雷雨时必须保持与积雨云(浓积云)的距离至少为：

  (i) 飞行高度7500 米以下，昼间5 海里，夜间10 海里；

  (i) 飞行高度7500(含)至9000 米，10 海里；

  (ii) 飞行高度9000 米(含)以上，20 海里；

  (iii) 云上飞越雷雨区域时，必须保持距云顶垂直距离不得少于1500 米；

  (iv) 云下绕飞雷雨只准在昼间进行，距云底垂直距离不得少于400 米，飞机真实高度不得低于所飞航线或扇区的最低安全高度，距离主降雨区不少于10 海里。

(8) 绕飞雷雨时，机长还必须考虑运行所在区域、航路的特殊要求，如RVSM、禁区、限制区、国境线等；

(9) 绕飞雷雨时，如果由于执行ATC 指令而导致飞机即将或己经进入不安全的状态，机长应要求改变航线，必要时可以行使应急权力。

有了气象雷达，我们是不是可以保证飞行无忧了？

目前我们选装的机载气象雷达是将3D立体的天气情况转换成2D的平面图像，还不能完全将危险天气标示在ND导航面板上，雷达也只是帮助我们尽快发现天气，复杂天气情况下并没有绝对安全的绕飞路径！是否遭受雷击、积冰、强烈颠簸等威胁还与季节、地域、飞行经验、空管限制、以及当时的RP值等等有直接关系，但我们合理使用雷达可以大大降低误入危险天气的概率。我们要遵循发现-判断-决策过程，有效地避开危险天气，并减少不必要的绕飞，从而提高飞行安全系数和经济效应。

我们应当怀揣对大自然的敬畏之心，

当与雷暴狭路相逢时，勇者...败！！！

写在最后：

笔者只是一名普通飞行员，手头能收集到的资料有限，缺乏对雷达专业知识系统的理解，水平有限，欢迎大家拍砖，如果文中有误希望能及时告知指正，我将尽快更改，谢谢！ [e-mail]

参考文献：

一、FCOM

二、FCTM

三、东航换季学习课件

四、雷达厂商课件