Autoren:		Friedrich, Katja Hagen, Martin, Dr.
Erscheinungsjahr / -datum:		2003/03/21
Herausgeber:		DLR - Institut für Physik der Atmosphäre (IPA)
Verlag / Ort:		DLR / Oberpfaffenhofen
Zitiert als:		[BMVBW03c]
Art der Veröffentlichung:		Projektbericht
Sprache:		deutsch
Sonstige Informationen:		54 Seiten

Ziel / Zweck
Ziel des Forschungsvorhabens ist es, die Möglichkeiten zu einer Verbesserung der operationellen Bedingungen am Flughafen Frankfurt/Main durch die Bereitstellung von umfassenderen und aktuelleren Wetterinformationen zu untersuchen.

Methodik und Durchführung

• Literaturauswertung
• Fallstudie
• Befragung
• Theoretisch-konzeptionelle Arbeit

Das Forschungsvorhaben umfasst hauptsächlich eine Systemstudie, in dem die durch das zukünftige System zu detektierenden Wetterphänomene spezifiziert und die Anforderungen der Nutzer untersucht werden. Darüber hinaus stellen die Autoren den Stand von Wissenschaft und Technik im Hinblick auf Luftfahrtwettersensoren dar, entwickeln mehrere Realisierungsvorschläge und nehmen eine erste Abschätzung von Kosten und Nutzen eines solchen Systems am Standort Flughafen Frankfurt/Main vor.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen
Trotz moderner Technik ist der Luftverkehr in Flughafennähe immer noch und besonders im An- und Abflug stark vom Wetter abhängig. Im Flughafennahbereich sind ein maßgeblicher Teil (bis zu 60%) aller Verspätungen wetterbedingt. Aufgrund der hohen Auslastung des Flughafen Frankfurt führen bereits geringe Verzögerungen beim an- und abfliegenden Verkehr zu lang andauernden Verspätungen, die einen beträchtlichen ökonomischen Schaden nach sich ziehen können. Der Deutsche Wetterdienst (DWD) stellt der Deutschen Flugsicherung, der Lufthansa und dem Flughafenbetreiber Fraport vielfältige Wetterinformation basierend auf unterschiedlichen Sensoren sowie Vorhersagen zur Verfügung. Allerdings sind diese Produkte nicht immer direkt den Bedürfnissen der Nutzer angepasst und erfordern zum Teil auch umfangreiches meteorologisches Wissen, damit daraus die richtige Interpretation und Planung des Betriebsablaufes abgeleitet werden kann. Darüber hinaus besteht seitens der Nutzer des Flughafens ein Bedarf nach einer weitergehenden Wetterinformation, z.B. bei Gewitterlagen und Starkwindsituationen.

Im Einzelnen beeinflussen die folgenden Wetterphänomene den Luftverkehr in Frankfurt/Main in bedeutendem Umfang:

• Gewitter mit den damit verbundenen Gefahren durch Windscherung, Turbulenz, Blitzschlag, Graupel, Hagel;
• Starkwind, Windscherung und starke Turbulenz;
• Schneefall oder Starkregen;
• schlechte Sicht.

Diese Wetterphänomene müssen mit einer hohen zeitlichen und räumlichen Auflösung beobachtet werden. Darüber hinaus ist eine Vorhersage für einen Zeitbereich bis zu drei Stunden für die Planung des Flugbetriebes notwendig. Neben der Erfassung und Vorhersage ist es jedoch ebenfalls wichtig, die Daten und daraus abgeleiteten Informationen entsprechend den flugbetrieblichen Anforderungen der Nutzer aufzubereiten und darzustellen. Zur Beobachtung mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung von Niederschlagsgebieten (z.B. Gewitter) oder des Windfeldes sind Fernerkundungsmethoden notwendig. Primär ist dazu ein Doppler-Wetterradar geeignet, das aber durch weitere Sensoren ergänzt werden muss. Durch die Kombination mit weiteren Doppler-Wetterradars oder alternativ bistatischen Radarempfängern ist es möglich, das Windfeld zu bestimmen. Dies ist außerhalb des Nahbereichs der Radaranlage jedoch nur innerhalb von Niederschlaggebieten möglich. Für eine Erweiterung der Verfügbarkeit der Windmessungen müssen weitere Systeme, wie Windprofiler oder Doppler-Lidars installiert werden. Ergänzt werden diese Messungen mit Satellitenbeobachtungen, Blitzbeobachtungen, Bodenbeobachtungen und automatischen Messungen an Bord der Flugzeuge.

Ein speziell für die Bedürfnisse der Luftfahrt entwickeltes und in Zusammenarbeit mit den Nutzern optimiertes System ist das ITWS (= integrated terminal weather system), das in den USA an einigen Flughäfen seit fast 10 Jahren betrieben wird. Es stellt ein Optimum für die Versorgung der Luftfahrt mit Wetterinformationen dar. Dieses System integriert eine Vielzahl von Beobachtungssystemen (Wetterradar, Bodenbeobachtungen, automatische Flugzeugbeobachtungen und numerische Wettervorhersagen) zu einem Gesamtsystem. ITWS stellt der Flugsicherung eine Vielzahl von Informationen mittels nutzerorientierten Darstellungen zur Verfügung. Diese Informationsprodukte umfassen die Darstellung von Niederschlagsfeldern auf verschiedenen Skalen, die Verfolgung von Gewitterzellen und eine Prognose für die nächsten 20 Minuten, Informationen über Blitzaktivitäten und Wolkenobergrenzen der Zellen, Windscherungswarnungen (incl. Tornado- und Downburstwarnungen), zusätzlich werden Windinformationen im 3-dimensionalen Raum des Anflugbereichs zur Verfügung gestellt. Durch die Synergie verschiedenster Sensoren können nahezu alle für die Luftfahrt relevanten Wetterphänomene erfasst werden. Mit diesem System werden nach Angaben der Betreiber durch die Vermeidung wetterbedingter Verspätungen in den USA jährlich Kosten in der Höhe von einigen 100 Mio. US$ eingespart.

Zur Verbesserung der Wetterinformation am Flughafen Frankfurt wird vorgeschlagen, dass in Frankfurt ein System ähnlich dem US-amerikanischen ITWS aufgebaut wird. Eine direkte Übernahme des USA-ITWS ist nicht möglich, da das System an die europäischen Wetterverhältnisse, Luftraumstrukturen, Flugsicherungsverfahren und an die in Frankfurt verfügbaren Wettersensoren angepasst werden müsste.

Kerninstrument eines solchen Systems wird ein spezielles Wetterradar in der Nähe des Flughafens sein, dass mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung Daten über Niederschlag und Wind zur Verfügung stellt. Dieses Radar sollte unabhängig von dem im Raum Frankfurt betriebenen Wetterradar des DWD-Radarverbundes sein. Nur so kann, z.B. bei Gewitter, eine hohe zeitliche und räumliche Auflösung erreicht werden.

Windinformationen sind für eine optimale Anflugplanung und Staffelung der Flugzeuge im Endanflug von besonderer Bedeutung. Aus diesem Grund werden für den Flughafen Frankfurt neben dem Wetterradar noch Windprofiler und ein Doppler Lidar vorgeschlagen. Damit kann der Wind im Anflugbereich bei nahezu jeder Wetterlage erfasst werden, um Piloten vor gefährlichen Windscherungen oder Turbulenzen zu warnen, bzw. solche Gebiete können vorausschauend umflogen werden.

Es ist zu erwarten, dass mit diesem System auch in Frankfurt wetterbedingte Verspätungen vermieden werden können. Die Kosten von Verspätungen, auch von wetterbedingten Verspätungen können von der Lufthansa oder Fraport näherungsweise quantifiziert werden. Allerdings ist es zur Zeit noch nicht möglich, den durch solch ein integriertes Beobachtungs- und Vorhersagesystem erzielten Gewinn im Detail zu quantifizieren. Die Autoren gehen jedoch davon aus, dass auch in Frankfurt mit einem solchen System jährlich Kosten in Millionenhöhe eingespart werden können.

Einordnung in die Forschung / Relevanz für die Politikberatung
Die Bedeutung des Vorhabens ergibt sich aus der immer noch hohen Relevanz des Wetters für den Flugbetrieb an Flughäfen. Gerade an wichtigen Hub-Flughäfen wie es Frankfurt/Main oder auch München sind, kann es bei ungünstigen Wetterlagen zu einer massiven Beeinträchtigung des Betriebes kommen mit entsprechenden (wirtschaftlich) Folgen für die Luftverkehrsgesellschaften, die diese Hubs intensiv nutzen. Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens und die Erfahrungen aus den USA mit dem ITWS zeigen, dass durch eine rechtzeitige und zuverlässige Wettervorhersage die Folgen ungünstiger Witterungssituationen wesentlich besser abgeschätzt werden können. Der Flugbetrieb kann auf dieser verbesserten Informationsbasis im Sinne eines kooperativen Entscheidungsprozesses (collaborative decision making - CDM) zwischen Luftverkehrsgesellschaften, Flugsicherung und Flughafenbetreiber (um-) geplant und damit die Folgeprobleme verringert werden. Auch im Hinblick auf eine verbesserte Warnung vor gefährlicher Wirbelschleppenbildung und eine bessere Ausnutzung der Kapazität der vorhandenen Luftverkehrsinfrastruktur erscheinen die Ergebnisse des Vorhabens vielversprechend. Für eine detailliertere Planung und Kosten-Nutzen-Analyse sind weitere Untersuchungen sinnvoll, die im Kontext eines kooperativen Air Traffic Management stattfinden sollten.