Modul: Grundlagen der Meteorologie (MET01)

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Das Modul Grundlagen der Meteorologie stellt das Basiswissen der Wetterkunde vor. Ohne die Atmosphäre wäre aus aerodynamischer Sicht kein Flug möglich, jedoch birgt genau diese auch unzählige Gefahren sowohl für die allgemeine als auch für die kommerzielle Luftfahrt. Deshalb ist die Kenntnis über die Vorgänge der Atmosphäre von essenzieller Bedeutung für eine sichere Flugdurchführung.

Der Aufbau der Atmosphäre

Die Atmosphäre ist in mehrere Schichten eingeteilt. Als Grundlage für diese Kategorisierung dient die absolute Temperatur. Von Bedeutung für die zivile Luftfahrt sind im wesentlichen die Troposphäre, die sich vom Boden bis zu einer Höhe von ungefähr 11 Kilometern erstreckt, sowie die Tropopause als Grenzschicht zwischen der Troposphäre und der Stratosphäre. Bis zur Tropopause spielen sich die für uns alltäglichen Wettererscheinungen -Wolken und Niederschläge- ab, darüber hinaus nur in sehr seltenen Ausnahmefällen. Aus chemischer Sicht besteht die Luft in der Atmosphäre aus folgenden Elementen

Gas Anteil (%)
Stickstoff 78,08
Sauerstoff 20,05
Argon 0,93
sonstige Gase 0,22

Diese Zusammensetzung kann bis zu einer Höhe von 80km als nahezu konstant angenommen werden.

Temperatur

Die Einheit Grad Celsius hat sich weltweit in der Luftfahrt bewährt, sodass selbst in den USA die Einheit Fahrenheit keine Anwendung findet.
In der Troposphäre bis zu einer Höhe von 11 Kilometern nimmt die Temperatur mit steigender Höhe im idealisierten Fall konstant ab, in der darüber liegenden Stratosphäre steigt die Temperatur bis zu einer Höhe von ungefähr 50 Kilometern gar wieder an. Die Tropopause -als Grenze zwischen den beiden genannten Schichten- ist als ein Abschnitt mit gleichbleibender Temperatur (isotherm) definiert. Die Ursache für dieses Temperaturprofil liegt zum einen an der Absorption der Sonnenenergie am Boden und zum anderen an der chemischen Zusammensetzung der Atmosphäre: Ein Großteil der von der Sonne ausgestoßenen elektromagnetischen Strahlung erreicht den Boden unseres Planeten und erwärmt diesen. Der Boden wiederum emittiert folglich selbst Strahlung und erwärmt dadurch die darüber liegenden Luftschichten von unten nach oben. Analog zu einem Ofen ist die Temperatur in Bodennähe am größten und nimmt nach oben hin ab. Der erneute Anstieg der Temperatur in der Stratosphäre ist durch die Ozonschicht zu begründen. Die Ozonmoleküle nehmen ebenfalls wie der Boden die Energie der Sonne auf und geben Wärme an die Umgebung ab.

Luftdruck

Im Gegensatz zur Temperatur gibt es zur Angabe des Luftdrucks zwei Einheiten, die zur Anwendung kommen. Während die US-Amerikaner an ihren inHg, also Millimeter Quecksilbersäure, festhalten gibt man im überwiegenden Rest der Welt den Luftdruck in Hektopaskal (hPa) an.
In den diversen Luftschichten nimmt der Luftdruck mit der Höhe exponentiell ab. Der Grund für den exponentiellen Verlauf des Luftdrucks ist die Tatsache, dass Luft ein kompressibles Fluid ist. Das bedeutet, dass sich ein fiktives Paket Luft bei äußerer Krafteinwirkung komprimieren, also zusammendrücken lässt. Daraus resultiert, dass die unteren Luftmassen von den darüberliegenden Luftmassen komprimiert werden und die Abnahme des Luftdrucks in den niedrigen Schichten größer ist als in den oberen. Als grober Richtwert kann auf Höhe des Meeresspiegels eine Druckminderung von 1hPa pro 30 Fuß angenommen werden, in 6km Höhe bedarf eine Druckminderung um 1 hPa bereits einen Aufstieg von 50 Fuß.

Altimetrie

Das Teilgebiet Altimetrie (dt. Höhenmessung) befasst sich mit der in der Luftfahrt üblichen barometrischen Höhenmessung. Das generelle Funktionsprinzip des Höhenmessers wird im Kapitel xyz-tbd erläutert.

ISA-Atmosphäre

Die ISA (International Standard Atmosphere) beschreibt ein idealisiertes Modell der Atmosphäre unter Annahme von Standardbedingungen. Die grundlegenden Parameter dieser Normatmosphäre auf Meereshöhe sind eine Temperatur von 15 Grad Celsius, ein Luftdruck von 1013,25 hPa und eine Luftdichte von 1,225 Kilogramm pro Kubikmeter. Der Luftdruck und die Dichte nehmen im Modell nach oben hin exponentiell ab, für die Temperaturabnahme wird eine Abnahme von 2 Kelvin pro 1000 Fuß Höhendifferenz bis eine Temperatur von -56,5 Grad Celsius erreicht wird. Diese Temperatur entspricht in diesem Modell der Temperatur der Tropopause (isotherme Schicht). Folgende Tabelle zeigt gerundete Werte der ISA-Temperatur im Bezug auf markante Höhen in der zivilen Luftfahrt:

Höhe in ft Druck in hPa Temperatur in Grad Celsius
0 1013 15.0
5000 850 5.0
10000 700 -5.0
18000 500 -21.0
24000 400 -33.0
30000 300 -45.0
34000 250 -54.0
39000 200 -56.5

Insbesondere die Berechnung der ISA-Temperatur und der Vergleich zur aktuellen Temperatur in der entsprechenden Höhe ist für viele Flugleistungs- und Flugplanungaufgaben von großer Bedeutung, da die Tabellen in diesen beiden Gebieten auf den Bedingungen dieser ISA-Atmosphäre beruhen. Diese Differenz wird als ΔISA bezeichnet und folgendermaßen Berechnet:
ΔISA = SAT - TISA mit TISA = 15 - (Höhe in ft / 1000)*2

Um auch einen Zusammenhang zwischen einer Höhenänderung und der dementsprechenden Druckänderung herstellen zu können wurde die folgende Faustformel entwickelt, um den eigentlich exponentiellen Zusammenhang so zu vereinfachen, dass auch Rechnungen im Kopf ohne großen Aufwand möglich sind.
Bis 18000 Fuß wird angenommen: 30 Fuß Höhenänderung pro hPa
Darüber: 50 Fuß Höhenänderung pro hPa

Das Prinzip der barometrischen Höhenmessung

Grundsätzlich beruht die Höhenmessung auf folgendem Prinzip. Der Höhenmesser misst einen Druck und kann diesen der dazugehörigen Höhe in der ISA-Atmosphäre zuordnen. Die angezeigte Höhe entspricht dann der Differenz dieser ermittelten Höhe und der Höhe der Referenzdruckfläche. Die Referenzdruckfläche muss im Höhenmesser durch das Einstellen des subscale-settings ausgewählt werden. Folgendes Zahlenbeispiel soll diese Vorgehensweise besser verdeutlichen:
Höhenmesser misst 500 hPa, dies entspricht nach der ISA-Tabelle 18000 Fuß

Subscale-setting 1013 hPa: 1013 hPa entspricht nach ISA-Tabelle 0 Fuß
Anzeige: 18000 - 0 = 18000 ft

Subscale-setting 1003 hPa: 1003 hPa entspricht in der ISA-Atmosphäre 300 Fuß (Berechnung über Faustformel 30ft/hPa)
Anzeige: 18000 - 300 = 17700 ft

Subscale-setting 1033 hPa: 1033 hPa entspricht in der ISA-Atmosphäre -600 Fuß (Berechnung über Faustformel 30ft/hPa)
Anuzeige: 18000 -(-600) = 18600 ft

Referenzflächen- und drücke

Folgende Refernzdrücke werden verwendet:

Bezeichnung Anzeige Verwendung Erklärung
Standard (1013 hPa) Flight Level oberhalb der Transition Altitude Höhenmesser zeigt Höhe über der 1013 hPa Druckfläche
QNH Altitude unterhalb der Transition Altitude Höhenmesser zeigt Höhe über MSL am entsprechenden Ort
QFE Height vorwiegend Segelflug Höhehmesser zeigt Höhe über entsprechenden Flugplatz

Flight Level beziehen sich immer auf die Höhe der 1013 hPa Druckfläche. Wo sich diese befindet ist abhängig vom vorherrschenden Wetter. Ist ein Hochdrucksystem präsent, so liegt diese Fläche höher und umgekehrt. Befindet sich also ein Flugzeug auf Flugfläche 100 über dem Ozean, so ist die Höhe über Grund abhängig vom Luftdruck am Boden. An einem Tag mit Standardbedingungen (1013,25 hPa auf MSL - ISA) ist das Flugzeug tatsächlich 10000 Fuß über dem Meer. Ist der Druck am Boden höher, so fliegt das Flugzeug auf FL100 höher als 10000 Fuß über dem Grund, bei einer Tiefdrucklage tiefer als 10000 Fuß über Grund.

Ist die Rede von Altitudes, dann spricht man von einer Höhenmesseranzeige mit dem gemeldeten QNH im subscale-setting. Der QNH wird über den aktuell am Flugplatz gemessenen Luftdrucks von Meteorologen ermittelt und im METAR bekanntgegeben. Mit dem Eindrehen des QNH am Höhenmesser soll am Boden die Höhe des Platzes über Grund (Elevation) angezeigt werden, sodass folglich für die aktuellen Bedingungen am Flugplatz die Höhe über MSL angezeigt wird. Ist man an einem unkontrollierten Platz und hat keine Informationen zum aktuellen QNH kann dieser auch simpel im Flugzeug ermittelt werden: Der Pilot verändert das subscale-setting solange, bis die (bekannte) Elevation am Höhenmesser angezeigt wird. Der dann im subscale-setting gezeigte Wert entspricht dem QNH.

Eine Height entspricht der Höhe über Grund. Das dafür nötige subscale-setting QFE entspricht dem Druck am Flugplatz und kann auch analog der selbstständigen Bestimmung des QNH ermittelt werden, indem das setting so lange verändert wird, bis der Höhenmeter 0 Fuß anzeigt.

Einfluss von Temperatur und Bodenluftdruck und Beispiele

An kalten Tagen (Temperatur kälter als TISA) ist die Luftdichte größer. Daraus resultiert, dass auch die Flugflächen/Flight Levels dichter beisammen liegen. Bei Temperaturen entsprechend der ISA-Atmosphäre liegen beispielsweise zwischen FL200 und FL210 1000 Fuß, an kalten abstammt ist durch die größere Dichte dieser Abstand geringer. Wärme Temperaturen bewirken gegenteilige Effekte.
An Tagen mit hohen Luftdrücken am Boden liegen die Flugflächen/Flight Levels höher, da die 1013 hPa Druckfläche bereits eine gewisse Höhe über Grund hat. Ist der Luftdruck niedrig, so liegt die (nun fiktive) 1013 hPa Fläche unter dem Meeresspiegel. Auch die Flugflächen / Flight - Levels liegen tiefer.
Findet man Hohe Drücke und hohe Temperaturen (in Relation zu ISA) vor, so fliegt man über Grund höher als der Höhenmesser anzeigt. Findet man niedrige Drücke und niedrige Temperaturen vor, so fliegt man über Grund niedriger als der Höhenmesser anzeigt. Liegt eine Kombination vor, so entscheidet der überwiegende Effekt über den Einfluss auf die Anzeige am Höhenmesser.

Führt man beispielsweise einen Flug aus dem sonnigen und warmen Ibiza (30 Grad, QNH 1030) ins kalte Bremen (10 Grad, QNH 998) auf Flugfläche / Flight Level 330 durch so befindet man sich im Reiseflug trotz konstant angezeigter Höhe am Höhenmesser in einem leichten, kontinuierlichen Sinklfug in Relation zum Boden, und das nicht nur um ein paar wenige Fuß. FL330 über Ibiza befindet sich 35520 Fuß über MSL, über Bremen 31900 Fuß über Grund. Das Luftfahrzeug sinkt also "real" über 3000 Fuß bei konstanter Anzeige am PFD. Merkspruch: "From high to low the problems grow"

Auch bei Aspekten der Hindernissfreiheit müssen die vorgestellten Effekte beachtet werden. Jeder Airway besitzt eine MOCA (Minimum Obstacle Clearance Altitude), also eine Mindesthöhe um Hindernisse mit dem gesetzlich vorgeschriebenen Abstand zu passieren. Da es sich hierbei um eine Altitude und nicht um ein Flight Level handelt, hat ein hoher/tiefer Druck keinen Effekt. Der Druckabweichung von der ISA-Atmosphäre wird durch das Eindrehen des QNH am Höhenmesser Rechnung getragen. Die Effekte eines extrem kalten Tages kommen jedoch trotzdem zum Tragen. Ein altbekannter Merkspruch besagt: "An kalten Tagen sind die Berge höher". Fliegt man an einem kalten Tag an einem bekannten Berg in der Altitude der Gipfelhöhe vorbei, so passiert man diesen unterhalb des Gipfels. Es besteht also die Gefahr, an kalten Tagen trotz Einhaltung der publizierten Mindesthöhen die vorgeschriebenen Mindesthöhen nicht einhält.

Wetterinformation

Das Wetter beeinflusst den Zustand des Flugzeugs nahezu jederzeit. Egal ob abgestellt am Boden, beim Rollen oder in der Luft: vielfältige Wettererscheinungen können Gefahren darstellen, aber auch von gut geschulten Piloten gewinnbringend genutzt werden. Gemäß dem Leitspruch "preparation is key" werden von den Meteorologen vielfältige Informationsquellen zur verfügung gestellt. Unabdingbar ist dabei natürlich auch das menschliche Auge, um die aktuell vorherrschenden Bedingungen auch subjektiv einschätzen zu können. Die wichtigsten bereitgestellten Dienste zur Erlangung von Wetterinformationen werden im folgenden vorgestellt.

METAR und TREND

Der METerological Aerodrome Routine Report (METAR) ist eine in der Regel alle 30 Minuten publizierte Meldung des aktuellen Wetters an einem Flughafen. In den meisten Fällen erscheint er 20 und 50 Minuten nach der vollen Stunde. Sollte sich die Wetterlage zwischen den Reports signifikant ändern, so wird ein sogenannter Special Report (SPECI) herausgegeben.

Anhand des folgenden METARs wird nun der Aufbau dieser Meldung erklärt:
SA EDDM 280550Z 04002KT 200 R26R/250N R26L/600U FG FEW007 06/05 Q1022 NOSIG

Bestandteil Kategorie
SA Produktname METAR
Meldung Erklärung
SA METAR - Meterological Aerodrome Routine Report
SP SPECI - Special Report
FC TAF (Terminal Area Forecast) 9h
FT TAF (Terminal Area Forecast) 24/30h
EDDM ICAO-Kennung München

Um die Meldung einem Flughafen zuzuordnen wird hier der vierstellige ICAO-Code genannt.
290550Z Datum und Uhrzeit 28. des Monats, 05:50 UTC

Die ersten beiden Ziffern beschreiben den Tag im laufenden Monat, die anderen vier Ziffern die Uhrzeit der Wetterbeobachtung. Das "Z" steht für Zulu und weißt auf die UTC-Zeit hin.
04002KT Bodenwind Wind aus 040 Grad mit 2 Knoten

Der Bodenwind wird üblicherweise in Knoten angegeben, in anderen Ländern werden jedoch auch Meter pro Sekunde (MPS) verwendet. Die Windrichtung ist in Relation zum geografischen Nordpol angegeben. Der angegebene Wind entspricht den Windaufzeichnungen der letzten 10 Minuten vor Herausgabe des Reports. Die verschiedenen Möglichkeiten der Bodenwind-Angabe zeigt folgende Tabelle:

Meldung Erklärung
10002KT Windrichtung 100 Grad; Windgeschwindigkeit 2 Knoten
23015G27KT Windrichtung 230 Grad; Windgeschwindigkeit 15 Knoten; Böen bis 27 Knoten
VRB06KT Windrichtung variabel; Windgeschwindigkeit 6 Knoten
10002KT010V160 Windrichtung 100 Grad; Windgeschwindigkeit 2 Knoten; Wind variiert zwischen 010 und 160 Grad; wird angegeben, wenn die Windrichtung um mehr als 60 Grad schwankt
1100 Sichtweite 1100 Meter

In dieser Gruppe wird die horizontale Sichtweite angegeben. Diese wird von einem Meteorologen selbst mit bloßem Auge festgestellt.

Meldung Erklärung
9999 Sichtweite 10 Kilometer oder mehr
6000 Sichtweite 6 Kilometer
4500SW Schlechteste Sichtweite 4500 Meter in Richtung Südwest
7000 2000N Sichtweite 7 Kilometer; schlechteste Sichtweite 2000 Meter in Richtung Nord


R26R/250N Pistensichtweite 250 Meter ohne Tendenz auf RWY 26R

Die Pistensichtweite (RVR - Runway Visual Range) wird durch Messgeräte ununterbrochen entlang den Start- und Landebahnen ermittelt. In einem METAR gemeldet wird dieser Wert jedoch erst, sobald entweder die Sichtweite oder die Pistensichtweite unter 1500 Meter fällt.

Pistensichtweite Erklärung
R28/800 Pistensichtweite RWY28 800 Meter
R28/P1500 Pistensichtweite RWY28 mehr als 1500 Meter (P = mehr als; M = weniger als)
R10/800U Pistensichtweite RWY10 800 Meter; Tendenz steigend (U = steigend; N = gleichbleibend; D = fallend)


FG Wettererscheinung Nebel

Die folgenden Tabelle zeigt die verschiedenen Abkürzung für allgemeine Wettererscheinungen. Niederschläge

Meldung Erklärung
DZ Sprühregen / drizzle
RA Regen / rain
SN Schnee / snow
PL Eiskörner / ice pellets
GS Frostgraupel / snow pellets
GR Hagel / hail
SG Schneegriesel / snow grains

Trübung

Meldung Erklärung
FG Nebel / fog (Sichtweite unter 1 Kilometer oder weniger)
BR Feuchter Dunst / mist (Sichtweiten zwischen 1 und 5 Kilometer)
HZ trockener Dunst / haze
FU Rauch / fume
SA Sand / sand
DU Staub / dust

Intensität / genauere Beschreibung

SH Schauer / shower
FZ gefrierend / freezing
TS Gewitter / thunderstorm
MI flach / shallow
BC einzelne Schwaden / patches
PR partiell / partial
BL fegend / blowing
- leichte Intensität / light (ohne +/-: mäßig / moderate)
+ schwere Intensität / heavy (ohne +/-: mäßig / moderate)
VC in der Nähe / vicinity

Die genannten Meldungen können dabei auch kombiniert werden, zum Beispiel: +TSRAGR, BCFG oder -FZRA


FEW007 Bewölkung 1-2 Achtel; Untergrenze 700ft AGL

Die Angabe der Bewölkung setzt sich aus drei Bestandteilen zusammen: Bewölkungsgrad, Wolkenuntergrenze in Hundert Fuß über Grund und besondere Wolkenarten. Ist aufgrund von Nebel oder ähnlichen Sichtbehinderung keine Bestimmung der Wolken möglich wird eine Vertikalsicht angegeben. In folgender Tabelle werden Beispiele aufgezeigt:

Meldung Erklärung
FEW019 1-2 Achtel Bewölkung / few; Untergrenze 1900 Fuß AGL
SCT019 3-4 Achtel Bewölkung / scattered; Untergrenze 1900 Fuß AGL
BKN019 5-7 Achtel Bewölkung / broken; Untergrenze 1900 Fuß AGL
OVC019 8 Achtel Bewölkung / few; Untergrenze 1900 Fuß AGL
SCT040TCU 3-4 Achtel Bewölkung / scattered; Untergrenze 4000 Fuß AGL; Wolkentyp: Towering Cumulus
SCT040CB 3-4 Achtel Bewölkung / scattered; Untergrenze 4000 Fuß AGL; Wolkentyp: Cumulonimbus
VV003 Vertikalsicht 300 Fuß


06/05 Temperatur/Taupunkt Temperatur 6, Taupunkt 5 Grad Celsius
Q1022 QNH QNH 1022 hPa
NOSIG TREND Keine signifikante Änderung des Wetters in den nächsten 2 Stunden

Die TREND-Gruppe ist dem METAR angeschlossen und ist eine grundlegende Vorhersage für die nächsten zwei Stunden. Verwendet werden die Ausdrücke NOSIG, BECMG und TEMPO in Verbindung mit Wettererscheinungen:

Meldung Erklärung
NOSIG Keine signifikante Änderung des Wetters BECMG 22005KT Innerhalb der nächsten zwei Stunden wird eine Änderung zum Wind 22005KT erwartet
TEMPO 30015G25 Innerhalb der nächsten zwei Stunden wird vorübergehend ein Wind von 30015G25KT vorhergesagt


/ Ergänzende Informationen Beispielsweise Windshear-Warning



In besonderen Fällen taucht auch der Begriff CAVOK in METARs auf. CAVOK steht für Clouds and Visibility OK und kann unter folgenden Bedingungen die Angabe der Sichtweite, der Wettererscheinungen und der Bewölkung zusammenfassen und ersetzten. Die Bedingungen sind:

  1. Sichtweite 10 Kilometer oder mehr
  2. Keine Wolken unter 5000 Fuß oder unter der Minimum Sector Altitude
  3. Keine Cumulonimbus-Bewölkung
  4. Keine Wettererscheinungen

Wolken und Niederschläge


Fluggefahren