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ADWICE - Das Diagnose- und Warnsystem zur Erkennung vereisungsgefährdeter Lufträume

Autor: Katharina Roloff

Partner: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) Oberpfaffenhofen, Deutscher WetterDienst (DWD)

 

Flugzeugvereisung en Route ist eine der größten Gefahren für die allgemeine Luftfahrt, wie weltweite Unfallstatistiken belegen. Die Vereisung entsteht durch den Kontakt der Flugzeugoberfläche mit unterkühltem Flüssigwasser in Form von flüssigen Wolkenpartikeln und Niederschlag. Der sich durch diesen Kontakt bildende Eisansatz kann einen großen Einfluss auf die sichere Durchführung eines Fluges haben, denn er kann die Aerodynamik und Flugeigenschaften so stark verändern, dass keine Kontrolle mehr möglich ist. Um den Durchflug von Gebieten mit einem Vereisungsrisiko und damit eine Gefährdung des Flugzeugs zu vermeiden, sind Piloten auf die Vorhersage von Vereisungsräumen angewiesen.

Die einfachste Methode, eine Prognose von Vereisungsräumen zu erstellen, wäre, aus den von numerischen Wettervorhersagemodellen erstellten Prognosefeldern des Flüssigwassergehalts und der Temperatur unter 0°C  die Schnittmenge zu bilden. Als Ende der neunziger Jahre der Wunsch nach einer expliziten Vereisungsvorhersage aufkam, prognostizierten die zum damaligen Zeitpunkt verfügbaren, numerischen Wettervorhersagemodelle jedoch unphysikalische Werte für die relevanten wolkenmikrophysikalischen Variablen. Letztere waren somit nicht für eine Vereisungsvorhersage geeignet. Zudem war es nicht möglich, durch die vorhandenen numerischen Wettervorhersagemodelle eine Prognose des Tropfenspektrums (siehe unten) zu erstellen. Daher begann die Entwicklung von Vereisungswarnsystemen, in denen Prognosedaten numerischer Wettervorhersagemodelle sowie Beobachtungs- und Fernerkundungsdaten genutzt wurden, um nach bestimmten, empirischen Kriterien ein Vereisungsrisiko abzuleiten. Hieraus ergab sich auch der Begriff des Expertensystems. Das 1998 in Deutschland in Zusammenarbeit mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), dem  Deutschen WetterDienst (DWD) und dem Institut für Meteorologie und Klimatologie (IMuK) der Leibniz Universität Hannover entwickelte Expertensystem ADWICE (Advanced Diagnosis and Warning System for Aircraft Icing Environments) war durch die Nutzung von Beobachtungsdaten zunächst ein reines Nowcasting-System. Weiterführende Entwicklungsarbeiten an ADWICE wurden seither am IMuK durchgeführt. Dazu gehörten z.B. eine verbesserte Diagnosefähigkeit von Gebieten mit Vereisungsrisiko durch eine stärkere Nutzung des dichten, mitteleuropäischen Wetterbeobachtungsnetzes sowie die Umgestaltung des Algorithmus, um auch ein Prognoseprodukt ausgeben zu können. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt bietet ADWICE sowohl eine Prognose als auch Diagnose von Vereisungsbedingungen über Mitteleuropa und hat damit einen großen Anteil an der Sicherung des Flugverkehrs. Es steht seit 2004 den Flugwetterberatern des DWD operationell zur Verfügung. 

ADWICE bezieht seit 2001 Ausgabefelder vom jeweils aktuell betriebenen, mesoskaligen Modell des Deutschen Wetterdienstes (DWD), zur Zeit von COSMO-EU (Consortium for Small-Scale Modelling – Europa). Zu diesen Ausgabefeldern gehören die Temperatur, der Druck, die spezifische Feuchte und die Schichtdicke der konvektiven Bewölkung. Aus diesen Eingabedaten wird über empirische Kriterien ein Vereisungsrisiko abgeleitet und für die kommenden 12 Stunden in Form eines Prognoseprodukts ausgegeben. Im Zuge der Weiterentwicklung numerischer Wettervorhersagemodelle ist eine Einbindung wolkenmikrophysikalischer Parameter in den Prognosealgorithmus geplant, sobald diese speziellen Eingabefelder eine akzeptable Vorhersagegüte aufweisen. Diese Einbindung geschieht am IMuK in Zusammenarbeit mit den Modellentwicklern des DWD.

Weiterhin wird stündlich eine Diagnose der aktuellen Vereisungsgefahr von ADWICE durchgeführt. Hierfür werden wiederum Modelldaten, aber vor allem auch Beobachtungsdaten wie SYNOP und METAR sowie Fernerkundungsdaten von Radargeräten genutzt. Die Implementierung von Satellitendaten in das Diagnoseprodukt von ADWICE ist Gegenstand aktueller Forschung. Einerseits sollen vom Satelliten als 'aktuell wolkenfrei' deklarierte Gebiete von Vornherein für eine Vereisungsdiagnose ausgeschlossen werden. Andererseits können Gebiete, die durch ADWICE als 'nicht riskant' betrachtet werden, durch eine Kombination der Satelliteninformationen des Wolkentyps, der Wolkenphase und der Temperatur am Wolkentop noch nachträglich mit einer Vereisungsinformation belegt werden. In Zukunft soll zudem untersucht werden, inwiefern Beobachtungsdaten von Polarisationsradargeräten wertvolle Informationen über das Vorhandensein von flüssigen Wolkentropfen in der Atmosphäre bieten können. 

 

Weitere internationale Expertensysteme zur Vorhersage der Vereisungsgefahr:


SIGMA
(System of Icing Geographic identification in Meteorology for Aviation), Frankreich

CIP (Current Icing Potential), USA

HIRLAM icing index, Schweden

 

 

Beispiel für die von ADWICE prognostizierte Vereisungsintensität von leicht (light, grün) bis schwer (severe, rot) für den 08.10.2012 auf Flugfläche 140 (entspricht einer Flughöhe von 14000 Fuß). Weiterhin sind internationale Großflughäfen gekennzeichnet.

 

 

Was ist Flugzeugvereisung? - Wolkenphysikalischer Hintergrund

  • In unterkühlten Wolken gibt es flüssige Wassertröpfchen bis etwa -40°C 
  • Bei Kontakt mit einem Körper ist ein spontaner Phasenübergang möglich - auf ein Flugzeug auftreffende Tröpfchen gefrieren und bilden Eisansatz 
  • Die Art und Menge des Eisansatzes wird bestimmt von 

    • der Temperatur
    • dem Flüssigwassergehalt
    • dem Tropfengrößenspektrum
    • sowie diversen flugzeugspezifischen Parametern

Meteorologische Voraussetzungen

  • Temperatur nahe 0°C:

    • Höherer Flüssigwassergehalt entspricht stärkerem Eisansatz
    • Tropfen gefrieren nicht vollständig und sind noch fließfähig ("runback ice") 

  • Größere Tropfen:

    • Höhere Auftreffwahrscheinlichkeit
    • Stärkeres Eiswachstum

 


Was sind die Folgen von Flugzeugvereisung?

  • Eis setzt sich an den der Luftströmung ausgesetzten Teilen des Flugzeuges an, besonders: Flügelvorderkanten, Flugzeugnase, Propeller, Antennen, Instrumenteneinlässe etc.
Eisansatz an einer Tragflächenvorderkante (li) und an Instrumenten (re)
  • Gewicht und Luftwiderstand nehmen zu, Auftrieb und Schub nehmen ab - es kann zu Strömungsabriss und Absturz des Flugzeuges kommen
Effekte von Vereisung auf die Flugeigenschaften
  • Jedes Jahr gibt es wieder Vorfälle und Unfälle aufgrund von Vereisung. Besonders Propellermaschinen und kleine Privatflugzeuge sind betroffen. Oft wird die Gefahr nicht erkannt oder unterschätzt

 


Bisherige Schutzmaßnahmen im Rahmen der Flugzeugzulassung 

  • Pneumatische Enteisung: So genannte pneumatische boots werden an den Tragflächenvorderkanten montiert und können aufgeblasen werden. Dadurch wird Eisansatz abgesprengt
Pneumatische Boots
  • Thermische Enteisung: Die Tragflächen werden durch elektrische Heizung oder Heißluft erwärmt - Eisansatz wird vorgebeugt
  • Jedes Flugzeug muss für Flüge in Vereisungsbedingungen zertifiziert sein - sonst darf es in vereisungsgefährdeten Lufträumen nicht fliegen

 

 

Probleme

  • Kleinere Flugzeuge haben nicht genügend Energie zur Verfügung für wirkungsvolle Enteisung
  • Die Zulassungsbedingungen beinhalten nicht zwingend Testflüge unter so genannten SLD Bedingungen (SLD = super-cooled large drops = große unterkühlte Tropfen, Durchmesser > 50µm)

    • SLDs können bis in Bereiche fließen, die nicht mehr von Enteisungsanlagen geschützt werden
    • Die Eisansatzrate (Geschwindigkeit des Eiswachstums) ist bei SLDs wesentlich höher als unter "normalen" Vereisungsbedingungen

 


Lösungswege

  • Verbessertes Pilotentraining und Erhöhung des Gefahrenbewusstseins
  • Überarbeitete Zulassungsbedingungen
  • Verbesserte Vorhersagen zur Vermeidung vereisungsgefährdeter Lufträume - Vermeidung von Eisansatz (z.B. ADWICE)
  • Entwicklung und Verbesserung von Eisdetektoren zum Einsatz am Flugzeug

 

 

Aktuell laufende Abschlussarbeiten zu ADWICE

  • Untersuchungen zur optimierten Vorhersage des Flüssigwassergehalts in COSMO-EU (Jasmin Siedler, Masterarbeit)