为测试气象雷达的尖端技术，PopSci 乘飞机追逐风暴

恶劣天气对企业不利。如果你是航空公司或商业飞行员，情况尤其如此，尽管它会影响到每个人。天气相关的延误和取消每年给经济造成数十亿美元的生产力损失，其中大部分由航空公司自己承担。当然，天气偶尔也会造成人员伤亡。时不时地，快速形成的天气事件或飞行员的错误决定都会造成生命损失。在恶劣天气下飞行时，人们会丧生（你听到的大多是大型客机，但小型飞机坠毁的频率可能比你想象的要高）。这就是为什么科技巨头霍尼韦尔派出工程师驾驶一架 60 年前的双螺旋桨飞机寻找风暴。这就是我今天与他们同行的原因。

霍尼韦尔是一家技术解决方案公司，您可能知道但可能没有意识到这一点（他们制造了各种各样的产品，从办公楼的消防安全系统到警察使用的更好的防弹衣材料，再到我们汽车的更耐用的刹车片），今天，它展示了一种解决方案，可以解决我们可能没有意识到的共同问题：当我们登上飞往任何地方的航班时，前排座位上的飞行员对前方天气的视野非常差。从某种意义上说，他们（几乎）盲目地飞入一种可能很快就会变得恶劣的大气中。

霍尼韦尔最新的飞机气象雷达系统通过三维方式详细描绘前方天气，消除了这种不确定性，甚至可以预测（准确率达 90%）风暴系统中最恶劣天气的隐藏位置。这种精确度使飞行员只在必要时偏离飞行路线，当他们这样做时，他们可以规划出最佳路线以穿越或绕过恶劣天气，从而节省燃料、时间和金钱。驾驶舱内的信息越丰富，延误次数就越少，航班越直达，成本和燃料节省就越大（更不用说更顺畅的旅行体验了）。在这种罕见但可怕的情况下，这样的系统可以挽救生命。

旧方法

我们的客机大多是老式飞机，机上装有老式系统。气象雷达也不例外。传统雷达天线安装在机头，向飞机前方的空间发出平坦的水平波束，并感应到从天空中的物体（如云）反射回来的任何信号。在显示器上，飞行员只能看到前方天空的薄薄一片水平，以鸟瞰云层覆盖的形式呈现，就像我们在早间气象广播中看到的那样。飞行员可以向上或向下倾斜雷达波束以采集不同部分的天空，但在任何特定时刻，他们只能看到雷达指向的部分。

鉴于风暴系统复杂且呈三维结构，二维水平雷达只能提供前方风暴的微弱轮廓。例如，飞行员若想找到即将来临的雷雨云的顶部，必须上下倾斜雷达，寻找风暴不再出现在显示屏上的高度，然后根据雷达倾斜角度计算其与飞机的距离，同时考虑到飞机在空中飞速飞行的事实。如果计算正确（这里存在很大的人为错误空间；飞行员在操作飞机的同时进行计算），驾驶舱人员就能大致估计出他们必须爬升到多高才能避开风暴。

这还得等雷达探测到风暴后才能知道。雷达系统（尤其是那些工作在较短波长的雷达系统）容易受到所谓的衰减影响。简单来说，就是雷达波束被风暴散射或吸收，然后返回非常微弱的回波。这种情况往往发生在较远的距离，并且当波束必须穿过许多水凝物（大气中的水滴或冰晶）时。因此，风暴越大、水分越多，雷达波束衰减的可能性就越大。衰减的雷达波束在雷达屏幕上看起来就像什么都没有。它是黑色的，就像空旷的空间。最大的风暴看起来就像没有风暴一样。

更先进的地面雷达和卫星也能跟踪极端恶劣的天气，空中交通管制员在有时间时也会向飞行员提供更好的信息。但密切关注天气并利用这些信息调整最佳飞行路线的工作则落在飞行员身上。你可能会惊讶地发现这些信息是多么稀缺。飞行员并不了解很多情况，而且他或她所知道的信息可能会受到技术和人为错误的影响。

展望 320 英里的未来

“传统雷达无法探测到这种现象，”拉坦·卡瓦博士说道，他的脸和安装在飞机客舱中的雷达屏幕几乎同时亮了起来。卡瓦是霍尼韦尔航空航天公司的高级首席工程师，也是今天的主持人。我们乘坐的是霍尼韦尔的 Convair 580 测试飞机，从杜勒斯国际机场起飞，在大约 20,000 英尺的高空飞越弗吉尼亚州。这架双引擎涡轮螺旋桨飞机今年已有 60 年历史（曾为联合航空执飞客运航线）。他的意思是，除非您既是训练有素的飞行员，又是训练有素的气象学家，并且非常幸运，否则您无法使用标准的 2-D 雷达看到我们面前雷达屏幕上看到的现象。即使这样，您也无法像这样看到它。您必须根据数据推断它，并想象它的真实样子。

霍尼韦尔将其技术命名为 IntuVue，原因显而易见：尽管没有任何航空或气象学方面的实际背景，我仍可以直观地阅读此屏幕。这是设计使然。Khatwa 告诉我们，培训手册只有十页，即使对阅读十页内容不感兴趣的飞行员也可以参加快速在线培训课程。这是因为通过在新型雷达天线上添加一层自动计算，IntuVue 确保飞行员只需做最少的工作即可获得出色的雷达解读。它消除了企业中的波束倾斜、算术和猜测，为飞行员提供了前方天空的完整视图。

IntuVue 的一大创新是，它能够对飞机前方 180 度的整个天空进行类似于 3D 快照的操作。它不是简单地发射水平雷达波束来捕捉单个平坦的大气层，而是快速平移和倾斜以捕捉从地面到 60,000 英尺的雷达数据（它使用地形图数据来消除雷达从地面反射产生的信号噪声），然后快速将这些数据计算成飞机前方 320 海里的整个空间的单张图片（它每隔几秒钟刷新一次此图像）。它捕捉云层的密度和其中反射体（水分）的运动，以当地新闻台多普勒地图熟悉的标准绿到红比例推断其中的天气强度。表示湍流的翻腾云层呈现为明亮的洋红色斑点。 IntuVue 甚至能够感知到何时被衰减信号所欺骗，它会用交叉紫色线条标记出没有记录任何信号但它认为可能隐藏着风暴活动的区域。

在自动模式下，系统仅向飞行员显示与其飞行路线相关的天气信息，即飞机上方或下方 4,000 英尺内的天气信息。但由于整个可航行天空都已成像，考虑改变高度或航线的飞行员可以轻松探索其他高度或其他航向的天气情况。飞行员甚至可以获得二维雷达无法及时提供的信息：垂直剖面图，显示从侧面（而不是通常的鸟瞰图）看到的风暴单元从上到下的样子，这样他们就可以确定风暴在较高或较低的高度是否更强烈。

但 IntuVue 真正将气象雷达带入 21 世纪的方面——至少在商业航空领域，这项技术仍然基本停留在 20 世纪 60 年代和 70 年代——是它的预测能力。当我们向西卡罗莱纳州的风暴线前进时，Khatwa 的雷达屏幕不仅亮起各种绿色、黄色和红色大气活动斑点。它还亮起风暴群内的符号，指示系统认为闪电和冰雹的位置。

正是在这里，这项技术超越了我们所知的雷达和飞行员的直觉，甚至连操作 2-D 雷达的人脑也只能做出半有根据的猜测。Khatwa 说，雷达数据都是原始的，由飞机机头的天线收集。但如果增加一些计算能力，系统还可以做出原始数据无法看到的推断。通过快速将雷达数据送入一些概率算法，它可以推断出在风暴单元中哪里可能出现对飞机有危险的活动（目前仅限于雷电和冰雹，但未来算法肯定会变得更好、更广泛）。霍尼韦尔已经将 IntuVue 的预测与来自地面的其他气象数据进行了核对，并声称其对雷电和冰雹的预测十分之九是正确的。

从我们坐在机舱里，我们不仅可以看到途中的天气，还能看到数百英里之外的天气位置和天气状况。现在，我们的屏幕上显示距离我们约 80 海里的地方有一个巨大的风暴单元，上面点缀着锯齿状的黄线，这是电的通用符号。这就是我们一直在寻找的雷暴，我们正朝着它直奔而去。

追逐风暴

在我们风暴的前方，是常见的阴云，IntuVue 显示全程都有乱流。飞行员建议我们系好安全带，飞机开始颠簸起来，康维尔飞机摇晃不已，我们经历了一系列在客机上偶尔会遇到的小颠簸，这种颠簸会让人紧张不安，在我们较小的双螺旋桨飞机上这种颠簸更为明显。飞机外，我们被云层笼罩着。“外面就像一场暴风雪，”耳机里传来一个空灵的声音，虽然我不知道是谁说的。当我们再次颠簸时，飞行员说：“我们可能不应该靠近 10 或 20 英里。”没有人争辩。

恶劣天气是什么样子的？在屏幕上，它看起来很大——边缘是绿色，向内移动时是黄色，红色斑块表示风暴最强的部分——上面点缀着闪电符号以及一些棒棒糖形状的符号，表示可能会下冰雹。它还覆盖着洋红色——很多很多洋红色——表示湍流，以及闪电和冰雹，这些都是飞行员想要避开的。

我们的风暴实际上显示出相当轻微的闪电和冰雹，但有很多强烈的湍流。而且看起来很大。当我们靠近主要单体的边缘时，事情实际上变得平稳了，我们从周围的云层中爬出来，进入了阳光下。我抓起相机走到驾驶舱，希望拍下我们面前巨大雷雨云的一些照片，但我只按了几次快门，飞行员就告诉我我们必须转弯。我们一直在寻找的雷雨云就在正前方逼近，我们正在缩短距离。“你有你需要的东西吗？”飞行员问？我没有（飞机驾驶舱里的拍摄光线很糟糕）但无论如何我们都必须转弯。关键是，我们知道我们必须转弯，而且要快。我们训练有素的试飞员面前有正确的信息，知道他们也不想与这场风暴纠缠在一起。

但有时作为一名飞行员，你别无选择。在交通繁忙的走廊，空中交通管制员要同时处理如此多的飞机，飞行员必须保持在非常狭窄的航线上，几乎没有偏离的余地。我们的飞行员选择不飞得更靠近我们打算看到的充满湍流的雷雨云，但在返回杜勒斯的途中，我们得到了真正的 IntuVue 演示，尽管这是计划外的。在我们通过华盛顿特区周围交通繁忙的东海岸走廊时，我们迎面遇到了另一场风暴，这一次没有办法绕过去，也没有回头路了。

在机舱的雷达显示屏上，我们可以看到风暴以及飞行员正在采取的应对措施。风暴单体本身形状狭长，但侧面却很宽，两端都有剧烈活动——左侧有闪电，右侧有冰雹。当我们刺破云层时，机舱再次变暗。水汽开始沿着窗玻璃流向飞机后部，一阵冰雹拍打在机身右侧，吓得我们这些靠在窗户上的人一惊。然后我们穿过了风暴——我们在雷达屏幕上看到飞行员小心翼翼地将我们送入风暴最猛烈的两个部分之间，风暴现在已从我们身后的雷达屏幕上移开。我们在阳光下降落。