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Jul 23, 2023

Piloten in Lederhelmen und mit Schaffell gefütterten Jacken wurden vom US-Wetteramt dafür bezahlt, in ihren Doppeldeckern mit offenem Cockpit atmosphärische Informationen zu sammeln.

Die Atmosphärenerfassung hat in den letzten 100 Jahren dank Flugzeugbeobachtungen enorme Verbesserungen erfahren.

Im Jahr 1919 wurden Piloten, die Lederhelme und mit Schaffell gefütterte Lederjacken trugen, vom US-Wetteramt dafür bezahlt, in ihren Doppeldeckern mit offenem Cockpit atmosphärische Informationen zu sammeln. An den Flügelstreben des Doppeldeckers angebrachte rudimentäre Sensoren sammelten Daten zu Temperatur, Druck und relativer Luftfeuchtigkeit. Piloten erhielten einen Bonus von 10 % für jede 1.000 Fuß über 13.500 Fuß Höhe, was in den nicht unter Druck stehenden, nicht beheizten offenen Cockpits zu einer gefährlichen Belastung durch eisige Temperaturen und Hypoxie führte. Leider kamen zwischen 1931 und 1938 bei diesen Flügen zur Erfassung atmosphärischer Daten zwölf Piloten ums Leben.

Unser Wissen über die Atmosphäre hat sicherlich von mutigen Fliegern profitiert, die sich dem manchmal heftigen Zorn von Mutter Natur stellten. Unter diese Beschreibung fallen verstärkte Flugzeuge, die absichtlich Gewitter, Gebirgswellenrotoren und Hurrikane durchdringen. Dieses Spezialgebiet der Atmosphärenforschung hat sich zum Ziel gesetzt, Bergwellenturbulenzen, Vereisung, Hurrikane, Eiskristalle in großer Höhe und viele andere atmosphärische Phänomene besser zu verstehen. Die von diesen Organisationen geleistete Arbeit verdient sicherlich eine ausführliche Verbreitung und Einbindung in unsere zukünftigen Schulungsmaterialien. Den meisten kommerziellen Piloten ist ihr eigener „Beitrag“ zur Sammlung atmosphärischer Daten unbekannt. Während diese Unternehmungen während normaler Flüge und sicherlich ohne das Element eines „Abenteuers ins Unbekannte“ durchgeführt werden, trägt diese Fülle an Daten erheblich zu unserem Verständnis der Atmosphäre bei und führt direkt zu genaueren Wettervorhersagen. Diese relativ banalen Beiträge werden im Mittelpunkt dieses Artikels stehen.

Meteorologisches Datenrelais für Flugzeuge

In den letzten Jahrzehnten wurde die Avionik moderner Flugzeuge so modifiziert, dass sie automatisch meteorologische Daten erfasst und übermittelt. Diese Informationen liefern genauere, aktuellere und vor allem größere Mengen an Luftdaten für meteorologische Anwendungen, einschließlich der Unterstützung für wetterbezogene Vorhersagen und Überwachung sowie für die Luftfahrtindustrie. Das 1998 unter der Schirmherrschaft der Weltorganisation für Meteorologie gegründete System Aircraft Meteorological Data Relay (AMDAR) ermöglicht die vollautomatische Erfassung und Übertragung von Wetterbeobachtungen von Verkehrsflugzeugen sowie einigen Militär- und Privatflugzeugen. Dies geschieht alles automatisch durch spezielle Sensoren, Software und Kommunikationsgeräte, ohne dass eine zusätzliche Arbeitsbelastung für die Flugbesatzung erforderlich ist.

Flugzeuge, die am AMDAR-Programm teilnehmen, nutzen Bordsensoren und Flugcomputer, um Windgeschwindigkeit, -richtung und Umgebungstemperatur an dieser bestimmten geografischen Position und Zeit zu erfassen. Einige Flugzeuge liefern auch Informationen zu Feuchtigkeit, Turbulenzen und Eisbildung. Die Flugkommunikationssysteme verarbeiten, formatieren und übertragen die Daten dann über Satellit und VHF- oder HF-Funkverbindungen an bestehende Bodenstationen. Etwa 230.000 Beobachtungen pro Tag werden von diesem System bereitgestellt.

Einer der entscheidenden Vorteile des Einsatzes von Flugzeugen für Wetterproben ist die Möglichkeit, umfassende Daten aus der ganzen Welt zu sammeln, einschließlich dünn besiedelter und unterentwickelter Regionen, in denen die Probennahme aus der Atmosphäre begrenzt ist. In einigen Gebieten der Welt, insbesondere über Meeresgebieten, Wüsten und in der Nähe der Pole, liefern AMDAR-Sondierungen die einzigen verfügbaren Informationen. Zu Kanadas Beiträgen zum AMDAR-Programm gehören Regionalflugzeuge, die Beobachtungen aus abgelegenen Regionen Kanadas und in tieferen Höhen der nördlichen Polarregion ermöglichen.

Die teilnehmenden Flugzeuge sammeln und melden Daten nicht nur während der Reise, sondern auch während des Auf- und Abstiegs für viele Flughäfen in verschiedenen Teilen der Welt und liefern so zeitnah genaue Informationen über die vertikale Struktur der Atmosphäre.

Angesichts der hohen Konzentration des kommerziellen Flugverkehrs über den kontinentalen USA (CONUS) stellen die teilnehmenden Fluggesellschaften umfangreiche Daten zur Verfügung. Interessanterweise variiert die Menge der eingehenden Daten je nach Tageszeit und Woche. Es gibt Spitzen in den Daten, die abends und am frühen Morgen auftreten, was zu einer Vervierfachung der Daten während dieser Spitzen führt.

Paketdienstleister wie UPS und FedEx Express fliegen im Allgemeinen nicht an Wochenenden, daher beträgt die Dateneingabe am Wochenende etwa 60 % des Wertes zur Wochenmitte. Die meisten Daten werden zwischen FL250 und FL400 gesammelt und ziemlich gleichmäßig über den CONUS verteilt. Andererseits konzentrieren sich die Daten unterhalb von FL 250 auf die Drehkreuze großer Luftfahrtunternehmen. Eingehende Daten von Flugzeugen können auch durch längere Perioden weit verbreiteter Unwetter beeinträchtigt werden. Beispielsweise führte ein schwerer Schneesturm an der Ostküste im Januar 2000 zu einem Rückgang der landesweit erfassten Daten um 8 %, da Flüge von Abflugorten, die weit vom Schneesturm entfernt waren, gestrichen wurden.

Wie Flugzeugbeobachtungen Prognosen verbessern Komplexitäten in den Natur- und Ingenieurwissenschaften, die im Zeitalter von Rechenschiebern und einfachen Taschenrechnern nicht zu berechnen waren, sind heute mit Hochgeschwindigkeitscomputern möglich. Dazu gehört die Arbeit von Meteorologen, die Supercomputer mit komplexen mathematischen Modellen nutzen, die Millionen von Berechnungen pro Sekunde durchführen, um vorherzusagen, wie sich die Wetterbedingungen ändern könnten. Die Genauigkeit dieser Rechenmodelle wird durch große Mengen an Beobachtungsdaten verbessert, die von Land, Bojen, Schiffen, Luftdaten von Ballons, Satelliten und jetzt insbesondere von Flugzeugen gesammelt werden. Zusammengenommen liefern alle diese Sensoren und Messgeräte täglich mehr als 1 Million wetterbezogene Beobachtungen.

Nach Angaben des Aircraft Based Observations-Programms der Weltorganisation für Meteorologie haben flugzeugbasierte Beobachtungen einen wesentlichen Beitrag zur Überwachung der Atmosphäre in der oberen Luft und zur Wettervorhersage geleistet. Die Bemühungen erstrecken sich über die gesamte Wissenschafts- und Luftfahrtbranche und umfassen einzelne Fluggesellschaften und ihre Handelsgruppen, staatliche Wetterorganisationen und renommierte Universitäten.

Die Wetterdaten waren besonders nützlich für Nowcasting-Situationen, in denen sich die Bedingungen schnell ändern, und sind daher von besonderem Nutzen für die Luftfahrtindustrie. Zu den Bereichen, in denen es nachweislich erhebliche Auswirkungen hat, gehören: Vorhersagen von Wind und Temperatur an der Oberfläche und in der Luft, einschließlich starker Winde; Entstehung, Ort und Schwere des Gewitters; Unterscheidung zwischen Regen, Schnee und Eisregen; sowie Standort und Intensität der Windscherung.

Neben der Verbesserung der Wettervorhersage trägt die Verfügbarkeit regelmäßiger Profilinformationen und der Position von Jetstreams zu einer erhöhten Genauigkeit von Wind- und Temperaturinformationen bei, die bei der Flugplanung (Routenoptimierung) und dem Flugverkehrsmanagement (z. B. kontinuierliche Sinkflüge) verwendet werden eine Verringerung der Auswirkungen des Wetters auf Verspätungen, Verzögerungen und Umleitungen.

Die Fort Worth Center Weather Service Unit (CWSU) des National Weather Service stellte fest, dass eine bessere Auflösung des Jetstreams eine bessere Kontrolle des Flugzeugabstands beim Sinkflug ermöglichte, und die Seattle CWSU nutzte diese Daten, um die Vorhersagen von durch den Jetstream verursachten Turbulenzen zu verbessern. Das britische Wetteramt stellte fest, dass die AMDAR-Daten die wichtigste Datenquelle für Winde über dem Atlantischen Ozean sind.

In Teil 2 dieses Artikels beschreiben wir, wie moderne Sensoren und Kommunikationssysteme in fortschrittlichen Flugzeugen zu einer idealen Plattform für die Messung wichtiger Aspekte der Atmosphäre geworden sind.

Nach seiner Pensionierung als Kapitän für den nicht routinemäßigen Flugbetrieb bei einem Teilbetreiber im Jahr 2015 hatte Dr. Veillette mehr als 20.000 Flugstunden in 240 Flugzeugtypen gesammelt – darunter Ballons, Drehflügler, Seeflugzeuge, Gleitflugzeuge, Kampfflugzeuge und Überschallflugzeuge Jets und große kommerzielle Transporter. Er ist außerordentlicher Professor an der Utah Valley University.