机载气象雷达和天气绕飞 - 海洋气象雷达

以下文章来源于飞行GO ，作者飞行GO

飞行GO

定格一个瞬间，雅俗共赏；记录一节时光，一起成长；铭刻一些想法，以作回望；化作一段文字，以待回响。爱生活，爱飞翔。

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每年的雷雨季节来临之后，我们或多或少会听到类似于：某某航班被雹击了、某某飞机被雷击了的不安全事件。这些事件的当事人中也不乏有经验丰富的飞行员和行业的精英；被雹击或雷击的飞机中，很多都配备了当前最先进的机载气象雷达。

抛开概率学的问题，面对雷雨绕飞，我们飞行员该如何去做，才能降低被雹击、雷击的风险？面对雷雨天气，我们需要的是统一的绕飞标准还是统一的认识呢？根据民航局的数据统计，每年的2—4月份以及在雷雨消散期间造成的雷击事件相比于夏季的雷击事件并不“逊色”多少，这里面多少有认识上的疏忽和大意。这也是值得我们每个飞行员去思考和探究的问题！

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拿笔者飞行的空客机型来说，A320机型最初的雷达增益设置为“+8”到后来的“+4”再到厂商一直以来推荐的增益“CAL”位。但在实际飞行中，对于增益的使用，会因人、因地域而异。

从机载气象雷达诞生以来，大家对于雷达的使用就都有着自己的理解和标准。即便是我们的机型手册，现在也不再具体规定雷达增益的设置。不难发现这些背后有着它的道理和原因。面对不同的天气、不同的地域、不同的季节、不同的高度，不同强度的对流天气，我们的绕飞标准也会不一样。所以，统一的绕飞标准和统一的机载气象雷达操作标准在这样的条件下是很难具体推行的。

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机载气象雷达之地面滑行测试

换个角度来看，飞行员对于基本的气象知识、对于气象雷达的功能及局限、对航路天气的关注、对ND上天气信息的正确理解、对天气绕飞策略的制定以及时间裕度等方面的理解和认知，这些方面是更容易入手的，也是我们更需要去关注和统一的。有了这些方面知识的掌握和统一看法，对于雷雨天气、气象雷达的使用会有更深的理解，飞行安全的裕度也会随之提高。

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本文将围绕机载气象雷达的基本知识和局限以及天气分析和绕飞策略方面的知识来进行具体阐述。（文中关于机载气象雷达的介绍内容和图片部分源自Rockwell Collins 多种扫描雷达操作指南）

一、概念介绍

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1、机载气象雷达的工作原理

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雷达的英文词Radar，实际上是“无线电探测和测距”(Radio Detecting And Ranging)的缩写。现代机载雷达使用的是工作在X波段的频率。这种波束经过特殊设计，该波段既可穿透、也可探测天气。

为了能够穿透中雨，探测背后更强的雨区，机载气象雷达不能探测雾、轻微的小雨和相对而言不含雨的云。这也符合我们飞行员对于天气的确认和绕飞标准的要求。当然也造成了我们的雷达波束不能穿透大雨，造成强雷暴单体背后的天气不能显示在飞机的ND上，形成“雷达阴影”。

2、水分子的反射率

雷达反射回波的强度与水滴的大小、构成和数量有关。冰晶反射的雷达能量极少、水（雨）是极佳的雷达波反射体。例如，水滴的回波强度比同样大小的冰粒大五倍。

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对于机载气象雷达而言，它只能探测含水（降雨）量的多少，然后根据反射率通过不同的颜色等级反馈到飞机的ND上进行显示。机载气象雷达并不能直接分辨前方是什么形式的降水。

因此，在雷达制造厂商关于气象雷达的介绍资料中也一直强调：机载气象雷达系统只是气象规避工具，不能用于气象穿越。

作为飞行员，相比于红、黄、绿的不同颜色显示。其实，我们更关心前面的天气到底是我们需要躲避的对流天气还是我们可以找薄弱地方进行穿越的普通降水。简单的一句话，需要的却是飞行员根据自己的经验以及其他辅助工具进行分析和判断。

3、雷暴的反射特征

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雷暴由不同反射特征的三部分云体组成。底部云体在冻结高度以下，由液态的降水(雨)组成，是整个雷暴反射率最强的部分。

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中间部分的云体是在冻结高度(0°C)以上，直到温度降为﹣40°C的高度为止。这部分云体中包含冰晶和过冷水滴。过冷水滴有中度的反射率，但这部分的反射能量会因冰晶的出现而损失。因此，雷达在此高度以上能探测到的东西很少。气象雷达探测的这部分的顶部，也就是我们常说雷暴的“湿顶”或“雷达顶”。警告：雷暴在纵向上可以发展得很高，在“雷达顶”以上可能有强烈的颠簸及干冰雹。

雷暴顶部完全由冰晶组成(冻结的水)，极少反射雷达能量。当温度低于﹣40°C时，液态的水不复存在，只有冰晶。这个温度所在的高度，会因经纬度不同、每年、每天时刻的不同而不同。这部分的顶部称为“实际顶”或“可见顶”。

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上述内容很好的解释了我们平时看到的雷雨天气现象。对于某个雷暴，我们通过目视观察，可以明显确认这个雷暴的高度在我们的飞行高度之上，但是机载气象雷达却只显示了绿色的回波甚至没有。其实，这就是我们所说的“雷达顶”和“可见顶”的区别。

雷达厂家也针对这一问题采用了“基于温度的自动增益补偿”技术，作为飞行员，我们需要认识到这是雷达波束本身特性带来的问题。所以，在实际飞行中也要避免因“雷达顶”和“可见顶”之间的差异，误入对流云顶部，特别是能量极强、高度较高的对流云，更需要小心防范！

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4、气象雷达局限介绍

航班运行中，我们经常会听到身边经验比较丰富的同事说；“我们的气象雷达在80NM以内显示的天气是非常准备的，80NM以外的天气就只能作为参考和大局规避之用了”。一句经验之谈，也道出了气象雷达探测天气的特点和本身的局限。

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以柯林斯WXR—2100为例，其天线发射出去的是大约为3.5°宽的波束。对于这样的一束波，在80海里以内是一个相当窄、能量相当集中的波束，因此其探测天气就相对准确、精度也较高。这也是气象雷达在80NM以内观测的天气比较准确的依据。

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在80海里以外，波束直径一直增大，直到300海里处达到105000ft。雷达发射出去的脉冲到达最远端、遇到目标返回到雷达接收机的传播过程中，存在着信号的被吸收和散射作用，雷达信号有大幅衰减。所以，在远距离上雷暴容易显示为绿色，然后强度逐渐增加。

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同时，随着距离的增加波束宽度也变得越来越大。对于远距离的天气探测，波束的宽度会影响其方位分辨率的准确度。如果两个雷暴天气间隔在10NM以内，其反射回来的波束则会显示两个天气是连在一起的。只有随着目标天气距离慢慢接近，才会显示出两个雷暴天气之间的空隙。

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对于降水很强的区域，雷达波的衰减会更加严重，从而导致没有足够的能量穿过天气，不能探测到其背后的天气目标。在这种情况下，降雨后面的天气就被遮蔽住了。这就是我们通常所说的“雷达阴影”。

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由于机载气象雷达采用的“X波段”的特点以及波束随着距离的衰减等因素，我们可以看出机载气象雷达有着一些本身的局限。为了尽量减少这种局限带来的影响，雷达厂家也采用了很多额外的办法来进行补偿修正。

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STC用于距离飞机80海里范围内的波束衰减补偿

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以基于温度的自动增益补偿功能可以提高雷暴单体内不可反射部分（雷达顶部）的高度，从而大大降低穿越雷暴单体顶部的可能性。

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比如柯林斯WXR—2100上的“灵敏度时间控制”、“远距离色彩增强”、“路径衰减修正警告”、“基于温度的自动增益补偿”“与地域相关的天气探测技术”等。这些技术的目的也是尽量减少设备本身局限带来的影响，尽量把真实的天气显示给飞行机组。作为飞行机组，我们必须知道这些局限的存在，做到心里有数、绕飞有术。

天气绕飞和分析

通过前面的知识介绍，我们可以明确：机载气象雷达是一部“雨量探测器”，根据反射波束的强度，显示出“红、黄、绿、洋红色”反馈给飞行员。对于飞行员来说，相比于颜色等级，我们其实更关心前面探测的天气到底是我们“忌惮”和需要绕飞的对流天气还是普通的强降水区。

但我们的机载气象雷达并不能直接告诉我们这些信息。因此，这就需要飞行机组根据自己的经验以及其他的辅助工具和手段，对探测到的天气进行具体分析和判断。

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根据雷雨形成的“三要素”，我们知道对流云体的抬升力将大量的水汽从低空携带至高空，同时云体内部的“搅拌作用”会使对流云体内部的含水量比普通云层更均匀一致。所以在同等高度下，相对于周边普通云层而言，对流云体具备以下两个特点：

a、垂直运动使云体内部含水量明显高于周边。

b、“搅拌作用”使云体内部的含水量均匀一致。

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通过机载气象雷达对云体进行探测时，我们会得到层次分明、核心区域内部均匀、无杂色块的“红色”显示，同时外部包裹着黄区、绿区的梯度变化。

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对于这样的对流天气，我们可以根据对流云体的特性，通过机载气象雷达在ND上天气显示、颠簸显示、闪电/冰雹图表（危险天气图标）以及目视观察等手段来进行分析判断，确认云体性质，制定相对应的绕飞策略。

对于雨层云以及强降水天气，虽然机载气象雷达探测显示的也是“红区”，但相对于前面所讲的对流天气，其危害程度和风险相对较小，我们可以根据雨层云的特点来进行具体甄别。

对于普通的含水云层，其反射回波相对统一，显示为成片的“红区”或者“黄区”

核心区域轮廓成不规则变化；回波反射率高梯度变化更平缓，没有层次分明的颜色梯度变化

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通过调整机载气象雷达增益，其在ND上的显示也会发生明显的变化

云层顶部高度一般在25000ft以下

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在ND上气象显示的湍流指示较低或者没有

通过这样的定性分析，飞行机组可以从不同的雷达显示图中，分别出这是对流天气还是普通降水云层。通过对机载气象雷达的使用从含水量极高的普通云层中，识别出对流云体；从大面积的普通降水云层中，寻找较弱的部分穿行。（这里当然不是叫大家“盲目蛮干”，飞机在空中时，风险也随之而来，飞行员的角色则是在综合评估后，取其风险最小的方法）

对于对流天气，在进行定性分析以后，我们还需要对其强度进行分析，根据不同强度的对流天气，确定绕飞距离和绕飞路径。

在强度评估和绕飞过程中，机组必须考虑：

云体性质（单/多体雷暴、系统天气形成的雷暴等）

地域特点（南北差异、大陆/海洋/高原/沙漠等）

季节差异（不同季节雷雨的特点、飞行机组的忽视等因素）

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飞行高度（水平/垂直绕飞、强度等级）

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气温（0°等温线、地面气温对天气强度的影响）

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风向（对流云主体移动方向跟10000ft高度的风向一致，区别于ND上显示的当前高度的风向）等因素

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我们的绕飞决策除了参考机载气象雷达外还可以根据机场的气象预报、PIREPS、地面气象站、空管的信息等辅助手段综合确定。

比如机场预报的是TS（干雷），飞行机组就要清楚，在这个区域，机载气象雷达的增益应当适当调高，以更好地探测天气；

飞行中的绕飞还可以参考其他飞行员的绕飞信息和情况，来规划自己的绕飞路径；

航前准备对于天气图、地面雷达站、卫星云图的了解和分析，也会有助于我们在飞行中绕飞策略的制定；

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同时，现在很多管制区域，管制员都会把区域内的对流天气情况跟机组进行介绍和提醒，相比于我们飞机上的机载气象雷达，管制所使用的雷达能探测到更强的天气，所以他们给的信息对飞行机组的绕飞也是很有指导意义的。

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绕飞过程中还需要飞行机组之间有效的配合，山区飞行，天气和地形显示的分工；绕飞过程中彼此距离圈的选择，避免“盲径效应”的同时也要警惕长期过大距离圈的选择（320NM）导致的“看不清”或“忽视”问题而误入雷雨。

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在现在的民航客机上，自动化设备的意义不言而喻，除了合理的使用自动化设备外，对于我们的机载气象雷达，飞行机组知道如何有效地使用其“人工方式”也是必备技能之一。

由于我们的机载气象雷达有“安静和静谧驾驶舱原理”（柯林斯WXR—2100为6000英尺的标线），考虑到飞机下方的天气不会对飞行安全造成影响，这部分天气不会显示在我们的ND上。

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所以在飞机下降之前，特别是在“大下降率”的情况下，飞行机组有必要使用“人工位”来对航路下方的天气进行探测分析，避免误入雷雨。另外对于对流天气高度确认（雷达顶）以及考虑从两块雷雨之间通过时，确认是否有足够的缝隙从中穿越，我们都需要用到“人工位”。

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人工模式下的气象雷达跟传统雷达一样，俯仰和增益必须由机组人员控制，除风切变探测外，所有的自动功能都将失效。所以，在自动位下的“基于温度的自动增益补偿”“与地域相关的天气探测技术”等功能都没有了。

此时的颜色显示一般与直接的降水量相对应。这也是为什么机载气象雷达在同等增益条件下，从自动位转换到人工位时，得到的天气回波会有明显区别的原因。因此，在使用气象雷达“人工位”的时候，飞行机组需要根据情况适当增加增益，来得到合适的天气回波显示。

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自动倾角 增益CAL位的天气显示

人工倾角 增益“+12”的天气显示

雷达人工操作模式的流程建议：

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1、建议飞行员将80海里探测距离作为主要的探测距离以进行绕飞判断。

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2、定期对160海里和40海里的探测距离进行检查以了解天气状况并避免误穿越雷暴顶部。

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3、在巡航高度提高增益也能够增强接收机的灵敏度，并能够最大程度适应飞行高度上雷暴单体弱反射区域的属性。建议在巡航高度采用 MAN MAX Gain 模式。

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总结概括

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每年的旺季生产，是雷雨的多发季节，也是飞行员最为忙碌、辛苦的时候。绕飞雷雨、延误等待甚至因此出现的备降等情况也时有发生。雷雨天气对飞行安全的影响众所周知。

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“工欲善其事必先利其器”，作为飞行员，对机载气象雷达原理和局限的了解，有助于我们更好地理解和分析我们看到的回波天气，也会让我们知道在不同区域、高度、气候条件下，使用机载气象雷达时的注意事项。

对探测到的目标天气的定性和强度分析、对机载气象雷达人工位的合理使用，也有利于我们更好的对整体天气的分析与把握。在合理的利用自动化设备的同时，飞行员也应防止可能的自动化设备陷阱，偏离“安全航线”。实际飞行中结合目视与气象雷达监控以及自身经验和其他辅助手段，合理绕飞，避免误入雷雨，确保飞行安全。

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最后，感谢陈教员和柯林斯中方工程师提供的帮助和指导，站在巨人的肩膀上好乘凉，此处省略一万字的仰视和赞美之词......也祝愿五湖四海“与天斗”的飞行员们，安全飞行、快乐飞行！

本文转载自微信公众号：飞行GO

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原标题：《机载气象雷达和天气绕飞》