Konzept zur Umgehung von Konvektionszellen im En-Route Segment und im Anflug mithilfe von Lotsenunterstützungssystemen

Abstract

An vielen größeren Flughäfen sind bereits heute die Kapazitätspotenziale weitgehend ausgeschöpft, denn der weltweite Luftverkehr ist in den letzten Jahren immer weiter gewachsen. Trotz ökonomisch bedingter Schwankungen wird auch für die Zukunft ein stetiger Anstieg der Flugbewegungen vorausgesagt. Bei engen Lufträumen und hohen Taktraten an Bewegungen steigt die Wahrscheinlichkeit von Flugverspätungen. Ungefähr 16% der Verspätungen an deutschen Flughäfen werden heute auf meteorologische Einflüsse zurückgeführt, bei Europäischen Flügen auf ungefähr 13%. Neben reduzierter Sichtweite, Schnee und kurzfristigen Enteisungsvorgängen sind dafür auch Starkwetterereignisse verantwortlich, die manchmal Bereiche des Luftraumes unpassierbar machen, in besonders unglücklichen Situation aber auch für Vollsperrungen von kompletten Flughäfen verantwortlich sind. Dabei wird auch die enorme wirtschaftliche Bedeutung sichtbar, die Extremwetterereignisse auf die Luftfahrt haben können. Durch eine koordinierte Umfliegung von Extremwettern können Reiseflüge und die Anflüge effizienter gestaltet werden, da sich Delays und damit Verzögerungen in der Luft und am Boden reduzieren lassen. Der DWD erstellt pro Jahr ca. 500.000 Wetterprognosen für die kommerzielle Luftfahrt in Deutschland, da sich jede Cockpit-Besatzung vor dem Abflug einen meteorologischen Überblick auf ihrer Route verschaffen möchte. Die Prognosedaten enthalten umfangreiche Informationen zu allen luftfahrtrelevanten Wetterereignissen mit entsprechenden geographischen Bezügen (Flughäfen, Area Control Centre) sowie unterschiedlichen Vorhersagehorizonten. Letztere hängen maßgeblich sowohl von der Einsetzbarkeit numerischer Vorhersagemodelle als auch von Vorhersagealgorithmen im Bereich von kurzfristigen Wettervorhersagen ab. Neben Jetsreams mit ihren teilweise enormen Windgeschwindigkeiten und großflächigen Vulkanaschewolken stehen dabei häufig sogenannte Cumulonimbus (CB) Wolkenformationen im Fokus der Flugplanung. Diese Konvektionszellen reichen nicht selten von der Erdoberfläche bis in Höhen von zehn und mehr Kilometern und sind durch Blitze, Hagel und interne Aufwinde mit bis zu 30 Metern pro Sekunde gekennzeichnet. Diese Eigenschaften können Konvektionszellen für die Luftfahrt potenziell sehr gefährlich machen, zumindest bedeutet ihr Auftreten häufig einen deutlichen Effizienzverlust im Flugsicherungs- und Flughafenbetrieb. Die Problematik wird noch durch erste wissenschaftliche Hinweise verschärft, dass sich die Häufigkeit und die Intensität von Konvektionszellen und den damit häufig verbundenen Gewitter und Starkregenereignisse aufgrund der Klimaerwärmung in Europa verstärken werden. Bedingt durch ihre relativ kleine Ausdehnung fallen einzelne Gewitter häufiger durch die Maschen des globalen Wetterstationsnetzes. Daher kann aus den Daten nicht direkt abgeleitet werden, ob und inwiefern Gewitter in den letzten Jahrzehnten häufiger geworden sind. Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) hat jedoch bereits 2013 festgestellt, dass sich das Gewitterpotenzial in den letzten Jahren aufgrund des Klimawandels erhöht hat [Mohr13]. So hat auch der Deutsche Wetterdienst (DWD) im meteorologischen Jahr 2016 ungefähr 30.000 Wetterwarnungen herausgegeben. Das ist deutlich mehr als in jedem anderen Zeitraum in den letzten 15 Jahren. Auch in einem Bericht über das Unwetterpotenzial und den damit verbundenen Schäden kommt der DWD im gleichen Jahr zu der Schlussfolgerung, dass sich die Anzahl der Starkregenereignisse in den letzten 15 Jahren seit es diese Warnungen gibt erhöht hat. Damit steigt auch die Wahrscheinlichkeit, dass diese vermehrten Starkregenereignisse im Zusammenhang mit Konvektionszellen aufgrund der Klimaerwärmung einen negativen Einfluss auf die Luftfahrzeugbranche haben werden. Aus der Wetterkunde existieren bereits umfangreiche Datensammlungen zu vergangenen Wetterereignissen, doch ist für die Luftfahrt bei der Planung eines Fluges insbesondere die Vorhersage der Wetterentwicklung in den nächsten Stunden von größter Bedeutung. Gängige Wettermodelle zu Vorhersage berücksichtigen tendenziell eher großräumige Temperatur- und Windverhältnisse, doch lokale Ereignisse wie Konvektionszellen und deren kurzfristiges Verhalten stellen ein eher neues Gebiet der Meteorologie dar. Mithilfe neuer Radarsysteme und von lokalen Vorhersagemodellen zum Verhalten von Konvektionen in Cumulonimbus Wolkenformationen sollen nun strategische Flugplanungen und taktische Anflugsicherung bei Auftreten dieser Wettererscheinungen durch eine computergestützte Umplanung von Flugrouten unterstützt werden. Ziel des Projektes MET4ATM ist es deshalb, Extremwetterereignisse und Kurzfristwindvorhersagen bei der Planung von Flügen und Anflugverfahren auch in Zeiten hohen Flugverkehrsaufkommens zu berücksichtigen, um meteorologisch bedingte Einflüsse auf den Flugbetrieb möglichst gering zu halten. Nicht alle in diesem Konzept vorgestellten Ideen und Lösungen sollen im Projekt MET4ATM umgesetzt werden. Mit dieser Konzeptsammlung wird vielmehr der Gesamtkontext aufgezeigt, in dem einzelne Projektlösungen eingebettet werden können.