图1广州白云机场附近雷暴
冬春多雾天气已经过去，又到一年中的雷雨多发季节，每年的这个时间段，都是飞行员最为忙碌的时候，不光航班容易延误，有时甚至通宵达旦;且雷雨天气对飞行安全的影响众所周知,而雷击和颠簸伤人在《民用航空器事故征候标准》中已被列为一般事故征候。飞行员为了判断出安全的飞行航径，机载气象雷达是必不可少的工具之一。
机载气象雷达的性能固然重要,而飞行员对雷达系统的了解和对整体天气的分析与把握，在当前的运行环境下，作用更为突出。飞行部门在平时的训练中都会进行一些相关的培训，飞行员应该对气象雷达的特点和气象条件分析有基本的了解，故本文将着重就雷达使用中的几个误区进行分析。
一、机载气象雷达辐射太大，应该尽量避免长时间开启?
从广义上来讲，凡是能量非经由传导或对流方式，而是直接穿越空间传达至它处的方式统称为辐射。自然界中的一切物体，只要温度在绝对温度零度以上，都以电磁波和粒子的形式时刻不停地向外传送热量。辐射本身是中性词，但某些物质的辐射可能会带来危害。
而狭义上来讲，辐射可分为两种：(1)高能量的游离辐射(通称放射线)如X射线、α、β、γ射线等;(2)较低能量的游离辐射(通称电磁波)如微波炉、移动电话、电台、变电所、显象管等所发出的电磁波。
X射线是电磁波的一种，是一种波长极短(纳米级别)的电磁辐射。它广泛应用于各个行业，如工程探测(如厚度测量、密度测量、缺陷探测等)、人体医学(如常规透视、血管造影、CT等)、在机场则用于安检部门(如行李检查机)。长期受X射线辐射必然对人体有伤害。
前几代的气象雷达使用的是抛物线式天线和C带频率(4000-8000MHz)。而新一代的雷达配有平直的天线，并使用X带频率(8000-12500MHz)，波长通常在2.4-3.75厘米之间。因此它跟X射线还不是一回事。笔者就职的南航湖南分公司A320机队，就普遍装备的是使用X波段的罗克韦尔-柯林斯公司WXR2100(MULTISCAN-9330MHz)多重扫描雷达。
但是前面定义中讲了，凡是能量直接穿越空间即称为辐射，且在飞行机组操作手册中明确规定：
(1)在控制组件上选择气象、气象/颠簸、地图方式前，需确认：
—飞机中线两侧各35 度弧度内及天线运动距离5m 范围内无人。
—飞机中线两侧正负90 度弧度5 米之内，飞机移动范围内没有大型金属障碍物，如吊架;
(2)着陆后将雷达和风切变预测系统关掉，避免辐射停机门周围的人。
那么这类雷达的辐射状况如何呢?
WXR2100(MULTISCAN)这款广泛装备于Airbus320系列和Boeing737NG系列飞机的机载气象雷达的辐射量，据柯林斯公司早期的一位工程师测定值为300μw/cm2——移去雷达罩，将测量设备置于雷达天线前方1.5英尺处。国家规定，在生活环境中，长时间暴露条件下，电磁辐射的功率密度不能超过40μw/cm2，否则将对人体产生有害影响——有趣的是微波炉的辐射国标为1000μw/cm2。以上数据说明，在机载雷达前方近处的辐射量是超标的，飞行人员只要按照程序操作，在机坪拥挤区不要开启雷达，就可以避免对地面工作人员产生辐射伤害。
那么处在机载雷达后方一两米的驾驶舱中情况又如何呢?
首先从雷达的性能上来讲，一部雷达的基本性能是由它的天线增益(Antenna Gain)决定的。天线增益概念通常被人误认为信号离开天线时信号被放大的倍数，其实不然。通俗的来讲，天线增益是指能量离开天线时的聚集度，天线最大辐射方向上的功率密度和天线各向均匀辐射能量时同一距离上功率密度的比值，即天线增益=聚焦密度/平均密度。天线增益是先进雷达的重要指标，它的数值越大，代表能量的发射越集中在一个方向上，从旁边溢出的能量(旁瓣)则越得到了有效的抑制。能量有效的被集中于雷达波主瓣，使得雷达额定功率可以更低，而雷达的探测能力却更强。简单来说，高性能的MULTISCAN雷达的高天线增益，使得能量的发射方向相对集中，也就减少了对雷达后方的辐射剂量。经查阅WXR2100厂家COLLINS官方网站，此款雷达天线增益为34.5dB nom(见图2)，天线增益性能较强。增益(Gain)这个术语也常与雷达控制面板上的增益控制相混淆，增益控制的详细解释参看第三个误区解释。
图2 WXR2100气象雷达性能
其次从设备功率上来看。通常来讲，随着设备功率的增加，电磁辐射也将大幅度增加。 WXR2100的峰值功率为150瓦，作为参照，此处提供其他两个机上航空电子设备的功率：空客飞机上的VHF(甚高频)设备功率为25瓦，HF(高频设备)最大功率则为157瓦。可见，高频发射时的峰值功率比气象雷达还要大一点。在机型手册操作手册中，也明确规定了在候机楼近处不得使用或测试高频通讯设备。
最后要说明的是：驾驶舱是增压舱，而机载雷达所处位置则是机头的非增压舱，两舱(其实还有电子舱与驾驶舱)之间有纳米涂层电磁隔离层板，防止干扰驾驶舱仪表显示，可见电磁辐射已被减弱，甚至有效的隔离在机外。
记得曾有一位飞行同仁对737驾驶舱中的辐射量做过相关的测量。在驾驶舱中，电磁辐射最厉害的是风挡附近，成因竟然主要是无线电通讯，在VHF上发话时是雷达工作时的5倍多，但两者的辐射值都远低于标准限值。相比之下，经过仪器测定，生活中WIFI天线近旁和手机接通瞬间的辐射却是超标的。相对广义的辐射定义来讲，飞行员应该提防紫外线辐射，在高空由于缺少云层和雾霾的遮挡，且由于安全的需要，驾驶舱可用于阻挡太阳光照射的工具较少。当皮肤受到紫外线的照射时，人体表皮层中的黑色素细胞开始产生黑色素来吸收紫外线，以防止皮肤受到伤害。长时间的紫外线照射会引起大量黑色素沉积在表皮层中，成为永久性的“晒黑”痕迹。不仅如此，过多地遭受紫外线辐射后容易引起皮肤癌和白内障。
回到本文的主旨，在此建议飞行员应按手册规定操作，在起飞前进入跑道前进行雷达系统测试;飞行过程中应按需要开启雷达。一般来讲，沿着飞行航路前方，只要不可保持在云外飞行，就应一直保持雷达的开启，以免误入或过于靠近雷雨天气造成不安全事件。
二、多重扫描雷达自动功能模式很强大，还需要人工调节吗?
“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”，这句话看起来更像是一部机载气象雷达的广告，果真的是这样吗?全自动工作模式固然强大，飞行员对系统的理解和对天气的分析就更为重要了。自动化设备有效减少了飞行员的工作负荷，但也让其产生了较多依赖性，如果对自动化设备产生的数据不加以适当的分析，就有可能陷入自动化设备的衔接，偏离“安全航线”。
首先要说明的是，在自动工作模式下，飞行机组仍然可以利用以下几个特征来使用/操作雷达：
(1)导航显示的距离选择(RANGE)：在人工模式下，如果天线倾角设置到沿着飞机的爬升航径(+4°—+7°)，天气探测实际上被限制在了20-40海里;而在自动模式下，雷达本身的多波束扫描特性，80海里内的危险天气都可以显示出来;多重扫描雷达能够根据高度的不同自动调整天线角度，并有效抑制地面回波，因而它能够超越地平线的限制自动提供远至320海里的天气——实际飞行中观察，超过160海里外的天气显示只能作为参考。有了这样的特性，使得飞行员可以少走“弯路”，可以在远距离外结合其他的气象分析工具(如高空气象图或飞行员报告)，就可针对天气进行评估和战略分析;更可以防止进入死胡同(Blind Alley“盲径”效应)，提高安全系数。
图3 盲径效应
(2)增益调节：任何时候都可以通过人工调节增益来改变气象图形在ND上的显示，气象图形的颜色级别随着增益调节而改变(具体见3.1节)，可以帮助飞行员对天气系统主体进行识别。
(3)雷达模式：天气(WX)，天气+颠簸(WX+T)。颠簸区预测是多普勒气象雷达的独有功能，它是通过测量天气系统中水滴的移动来标示出颠簸区，可以在最远40海里距离处探测到“湿”颠簸。毕竟雷达作为一部降水探测器，不光可以用来躲避雷击危险区，也可以防止进入强降水区和严重颠簸区(强对流天气附近)，防止发动机熄火以及颠簸伤人等不安全状况的发生。
多重扫描雷达的自动模式如此强大，而人工模式更是对此的一种有力的补充。人工模式的基本作用如下：
(1)在天气情况良好时，或不是特别明显的情况下，可以调整人工天线倾角向下直到显示地面回波，以检查雷达是否正确工作。
(2)在靠近天气时(40-60海里)，可以通过人工调节天线倾角，更好地分析天气情况。通常飞行员会利用人工调节天线来判断天气的“湿顶”高度。基本公式为1海里*1度天线倾角相当于100ft(此公式也常用于非精密进近的高度修正)。即如图4所示：h=d×天线倾角×100。举例来说：如飞机飞行高度25000英尺，现在距离天气40NM，通过调整天线倾角，在1°下俯角时天气显示完全消失，则可得出“湿顶”比飞机低4000英尺(40×1×100)，加上飞机高度可计算得出“湿顶”高度为21000英尺，根据飞机的下降轨迹角进行评估，以决断是从旁边绕航还是飞越。需要注意的是，公司运行手册中规定，从云上绕飞雷雨时，应与云顶保持600米以上的间隔;对于云顶高度在10000米以上的强雷暴，不要试图从上部飞越。
图4 天线倾角和距离与高度差关系示意图
(3)在飞行高度层FL200以下，特别是靠近零度等温线附近时，飞行员应该特别注意雷达的使用。根据笔者的经验，通常这时自动模式对于天气，如果下降轨迹角较陡，而雷达天线角度仰角较大时，天气就不能以最适合的状态显示出来。在中低空，任何时候将要或可能需要穿云时，飞行员应该保持警觉性，如果自动模式已经显示了一些绿色区域，通过外部目视证实飞机航迹将穿越云层时，应将雷达工作模式转换至人工模式，并向下调整倾角的设置，直到探测到天气主体或在导航显示的顶部出现地面杂波，以避免误入危险天气。大部分不安全事件都是在飞行员没有准备时发生的——过于相信自动化设备。
(4)飞行员也应该定期地改变气象雷达工作模式来检验自动模式：
—垂直扫描，人工模式工作，按需调节天线倾角。天线的倾角调节应随飞机高度的增加减小，在巡航时为负值;随着飞机下降开始逐渐调高，进近前为+4-+7°。
—水平扫描，按需改变显示范围。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，距离圈根据需要逐渐增大;巡航时PF至少放在80NM距离圈，而PMF则可放在160NM距离圈。在公司东南亚航线上，由于要经过高频通讯区，飞行员必须对80海里外的天气警觉，不然可能无法及时得到管制的许可;进近时可逐渐减小距离圈，更利于局部分析和机动绕飞。通常PMF(战略分析)的距离圈设置为PF(战术绕飞)侧的两倍。
—增益控制放在基准位置用于探测和初始评估显示的天气;而通过人工调节增益(增加或减少)用来作天气分析。加大增益以显示较低反射率的目标;或减小增益寻找天气主体，判断不同独立单元的相对强度。
三、调高增益控制会不会调高雷达的灵敏度或增加辐射?
在一般的资料上或教学课件上是这样解释面板上的增益控制的：它可以调节接收器的灵敏度，接收器的自动(CAL位)灵敏度因雷达系统的不同而不同。这句话作为定义太过于笼统，且存在一定误区。
通常在出厂时经过调较，CAL(校正位--A320控制面板)增益位置是对真实降雨率和它们所对应雷暴危险程度最精准颜色级别(黑，绿，黄和红)显示。
当人工控制增益时，事实上，它并不是改变接收机的灵敏度，更不能改变雷达天线的发射功率(辐射)。它改变的只是各个颜色级别的显示区间(Threshold)。如原来绿色代表小雨(20dBz-30dBz相当于0.76-3.81mm/hr)，而黄色代表中雨(30dBz-40dBz相当于3.81-12.7mm/hr)，红色代表大雨以上(40dBz及以上相当于12.7mm/hr以上)。假设初始探测到的降水是28dBz，则这时在ND上显示为绿色;当人工控制增益至+4或+8位时，ND上显示的颜色为黄色;当增益增加至+12/MAX位(A320控制面板)，降水区将显示为红色。
对于多重扫描雷达而言，CAL增益位置还有一个特殊的功能--可变温度基准增益。在自动模式下，可变增益是基于大气温度对所有飞行阶段变化的地理位置、一天中不同时间和高度等进行补偿来提供合适的增益设定和天气显示。增益在结冰层下是保持恒定的;当飞机上升穿越结冰层和温度下降于0°C时，增益会自动增大(Threshold降低，颜色级别上升)。因为，当温度下降低于-40°C时云顶完全由冰晶组成，它表现出最小的反射率。在这种情况下变化温度基准增益会大约增加一个颜色级别来提供更准确的高高度气象信息。
在实际运行中，CAL位可能并不能如实的反应出真实的天气状况。根据手册要求和以往运行经验，一般使用+4甚至+8位代替CAL作为常用位置，这也是基于安全的目的——导致绕飞距离增加。在使用其它增益位置分析天气过后，必须将增益控制放回+4/+8,以在过后的巡航或进近中及时正确的显示天气。
使用偏离常用增益位置时原理如下：
(1)调低增益可以探测单元的最强部分。通过缓慢地调低增益，多数的红色区域会缓缓变成黄色，黄色会变成绿色，绿色区域会慢慢消失。剩余的红色区域和最后变成黄色的红色区域是天气系统中的最强部分，必须保持更大的绕飞距离以实现安全绕飞。
(2)在低纬度时，单元的反射率较强，气象雷达显示上可能会出现很多红色小点。在高纬度并存在严重积雨云的时候也会出现这种情况。在此情况下，调低增益：
—可以帮助判定两个单体之间的相对强度。
—帮助突出强对流单元，因为在颠簸显示不受增益设置影响。
—可以在雨层云中寻找发展的较强单体雷暴。
—使衰减的单元更加明显可见，这样可以帮助辨别非常活跃的危险单元。如图5所示。
图5 减小增益突出危险单元天气
(3)在高纬度时，空气比较干燥，水滴常处于冻结状态，通常天气的反射率都较弱，这也是为什么在北方要对显示为绿区的天气保持警觉性的原因。这时可以调高增益进行对天气系统的整体评估，更高的颜色级别代表天气的实际危险度，使飞行员能保持警惕。
四、为什么绕过一个强雷暴单体后会突然出现另一个强雷暴?雷达性能问题?
一个真实的案例就是1977年的美国南方航空242航班。该航班起飞后10分钟，机组发现飞机将遭遇风暴。根据飞机上的雷达显示风暴结构内有个空白的区域(实际上是黑色阴影RADAR Shadow)，，根据经验那个区域是天气较缓和的地方，他们便决定飞入那个区域。不料，飞机突然遇上暴雨和棒球般大小的冰雹侵袭，令飞机的挡风玻璃破裂，发动机短暂失效，飞机也从17,000英尺陡降至14,000英尺。发动机恢复动力后，机组决定增加推力爬升至15000英尺以避开最严重的暴雨区，但两个发动机先后故障导致失去动力，因为无法飘降至最近的机场，机长决定在公路上迫降，最后在一加油站附近坠毁，造成机上63人死亡和地面伤亡。
飞行员的经验通常都建立在这种前人付出了血的代价的基础上。此例中导致最终结果的其它因素我们暂且撇开不谈，机载雷达的性能出现了什么问题?
通常，在雷达波穿越天气单元时，由于水滴的漫射和反射作用，都会出现衰减现象，不可能所有的雷达波都能返回天线接收机。这跟什么品牌的雷达没有关系，所有雷达都会出现这种状况。当雷达波穿越强雷暴核心后，衰减会更严重，因此就可能出现在强雷暴后面的其它天气单元不会显示给飞行员的现象。在ND上，强雷暴天气区域的后面会出现黑色阴影。因而一般来讲，X带雷达应该被用作避让而不是穿越恶劣天气的工具。
作为一项新科技，多重扫描雷达的衰减现象更严重，当存在强降水时，探测气象单元的能力降低——本身X带波段的穿越降水能力限制，如要改变性能只能改变频率(波段)。多重扫描雷达在增益设置在CAL位，且距离圈设置在80海里时，提供一项PAC(路径衰减补偿)告警功能，但如前所述，根据日常使用经验，实际飞行中增益通常不会设置在CAL位，因此飞行员在强雷暴附近飞行时应该提高警觉，要特别注意特别强的显示单元后面的黑色阴影区域——此即意味着当前显示的天气单元属于高危险天气，而在其后可能隐藏其它较强天气单元。
笔者不久前的一次飞行中，也碰到了这种信号衰减现象。当时，笔者所飞航班从外站返回基地长沙黄花机场，在下降进近中不断听到其他飞机的绕航通报。而当时所处位置离长沙机场稍远，雷达显示如图6左图所示，在红圈处并没有任何天气或降水显示，而笔者却目视大致方位上有闪电现象。因为红圈左下角的天气较强，笔者选择先向航线右侧绕航。在刚刚且过左下角天气时，红圈处(如图6右图所示)强烈雷暴天气显示出来。跟管制证实对机场起降没有影响后，笔者选择向左侧机动仍加入进场航路，最后正常落地。
图6 信号衰减图像比较
在地面飞行直接准备时，应注重对气象云图、地面气象雷达(功率更大天线增益更高)天气图的分析;在空中机动绕飞时，应将ND距离圈设置在80-160海里，根据全局天气，征询管制的意见(有的管制会根据地面气象雷达图像来指挥飞机绕航)和空中其它飞机(不同位置的飞机雷达显示可能不同)的绕航意图，来合理的制定绕航路线。因为一旦选择了绕航方向，如果突然出现意料之外的天气，可能会显著增加绕航距离，还可能存在4.1所引案例中影响安全的情况。
五、机载气象雷达颠簸区显示不准确，几乎没什么作用?
气象雷达颠簸模式的基本原理：机载气象雷达是一部降水探测器，由于反射雷达脉冲信号的水滴相对于飞机有速度变化，根据多普勒频移原理，接收信号的频率相对于发射信号的频率产生偏移，利用接收回波信号频率的变化来探测颠簸。移动速度大于5m/s的水滴才会被探测到并显示成洋红色(Magenta)的颠簸区域(且只显示40NM内的颠簸区)。
通过上面的描述，可见机载气象雷达的颠簸区预测，跟气象云图上的高空激流颠簸区和飞行计划上的颠簸指数(建立在水平/垂直风切变模型基础上)的探测原理是不一样的。
根据多普勒雷达探测颠簸的原理，我们知道机载气象雷达是无法探测到晴空颠簸(CAT)的,因此将气象雷达作为预测巡航中的颠簸区，或避开颠簸区是不现实的。根据笔者的经验，另外两种预测也不一定准确。
但是机载气象雷达的颠簸区预测还有一种用途，就是可以提供一个额外的信息，作为一种分析工具，可以让飞行员发现天气单元里的强对流，识别出高危险天气。对多重扫描雷达而言，人工增益对颠簸区显示是没有影响的。因此，当发现天气单元时，调低增益，一方面可以通过改变天气单元的颜色级别;另一方面也可以凸显出洋红色的颠簸区域。飞行员可以就此进一步确认危险天气，以选择合理的绕飞的路径。
对于绕飞颠簸区，笔者额外的建议是：多参考云图和计划，根据高空激流带的位置和高度信息，以及计划纸上各航路点颠簸指数，提前对颠簸区域作出必要的预测，及早与客舱乘务员进行沟通，或使用标准的联络信号进行协调(驾驶舱广播或安全带灯提示)，以防止空中颠簸伤人等不安全事件的发生。
对于机载雷达的使用，夏季飞行针对性的培训中也会涉及相关的内容，只是在平时的运行中还是发现有些同仁对机载气象雷达有一些认识上的误区，或抱有过高的期望值，或基本不相信这一工具(都觉得“眼见为实”)，而以上是个人对于多重扫描雷达的一些粗浅认识，望能得到各位同仁指正。
参考文献：
[1]. 南航.《飞行机组操作手册(FCOM)》
[2]. COLLINS官网
[3]. COLLINS Multi-Scan雷达培训教程
（本文仅代表作者观点，中国民用航空网保持中立。）
