16. desember 2022

Varsle ising under flyging

Skrevet av: Reinhard Mook, meteorolog, UiT

En rekke små-skalerte fenomener som klar-luft-turbulens, hagl-soner eller ising under flyging er det stadig vanskelig å varsle. Prosessene som leder til nevnte fenomener forløper hurtig og er meget begrenset i luftrommet. I rom og tid lite differensierte varsler kan lett gjelde store luftvolum uten ising. Differensieres sterkt, risikeres ikke å dekke rommet ising opptrer i.

Nytte luftrommet optimalt kan kreve å planlegge tatt hensyn til sannsynlig «in-flight-icing» (IFI). Senest under flyging bør høyde og horisontal utstrekning av isende skyer være kjent. Inntreffer IFI, gjelder det å velge korteste vei ut av det isende rommet og å holde hastighet og stige-ytelse innenfor tillatte grenser.

Varsling av IFI bygger på tre komponenter: 1. prognostisere været ved regionale og lokale modeller for rimelig mange flygenivåer. 2. granske vær-prognosene på mulig ising. 3. bekrefte eller avkrefte 1. og 2. ut fra observasjoner. 

Varsling satt i system

De største usikkerheter ved å varsle ising har sin årsak i sky-fysikken på mikro-skala. Ustabile tilstander i atmosfæren er vanlige. For eksempel, om dråper og is er til stede samtidig, driver det høyere metningsdamptrykket i overflaten av skydråper vann til å kondensere og fryse på overflaten av is. Ved kondensasjon og ved frysing til is frigis følbar varme, ved fordampning av dråper skjules varme. Hvordan slike prosesser vil slå ut kvantitativt og med potensiale for IFI er stadig vanskelig å modellere. Men fremskritt gjøres slik varsling av summer for nedbør viser.

Å varsle ising omfatter primært å varsle regionale og innskrenkende lokale tilstander som ising kan forekomme i. Det nyttes modeller med gitterpunkt-avstander fra nær hundre ned til få kilometer og tidsintervaller fra ett døgn til skala av «nowcast». Modell-regninger kombineres med observasjoner fra bakken og fjernanalyse fra satellitt, radar samt pilotrapporter.

Påfølgende oversikt omtaler eksemplarisk ADWICE-systemet for å varsle ising i skyer. Det er her tale om underkjølt flytende vann som fryser spontant i kollisjon med fly. Slike vann-skyer påtreffes i lave og middels flyhøyder. Inntak av is i motorer i ellers klar luft over tropopausenivå er omtalt i en tidligere CF-artikkel («Jet-motor-ising») om «ice crystal icing».

Gamle regler, nye veier  

Fortsatt følges de klassiske regler å slutte av værkart på de regioner hvor luftmasser løftes. Det vil si å vurdere vertikalprofilen av luft- og duggpunktstemperatur registrert av radiosonde, vurdere labiliteten i luftmassen og derav konveksjon, analysere posisjonen av værfronter med hensyn til sin utvikling i rom og i tid. En vesentlig forbedring i dag er støtten ved numeriske modeller og tredimensjonale oversikter over lufttemperatur og vanndamp målt fra satellitt. Likevel er varsler av sannsynlig IFI ennå for generelle eller mangelfulle i forhold til behovet for informasjon. Det vitner hendelser og pilotrapporter om.

Nye strategier for å varsle IFI arbeides med internasjonalt det siste kvart århundre. Prognoser av den regionale og lokale utviklingen av været kombineres med skydekke og nedbør observert på bakken (SYNOP og METAR) og fra satellitt, supplert ved radar og pilotrapporter.

Den skisserte arbeidsplan har i Tyskland tatt utgangspunkt i organisasjonen Deutsche Luft- und Raumfahrt (DLR), er siden 1998 blitt fulgt opp av Deutscher Wetterdienst (DWD) i samarbeid med Universitetet i Hannover og andre institusjoner. Resultatet er systemet «Advanced Diagnosis and Warning (for Aircraft) Icing Environments» (ADWICE). Fundamentet er beskrevet i PhD-avhandlingen av Jakob Tendel: «Warning of in-flight icing risk through fusion of satellite products, ground observations, and model forecasts», Universität Hannover (2013). Koopererende arbeid pågår internasjonalt.

 

Modeller og observasjoner

I USA har «in flight icing» (IFI) ført til ising-diagnose-systemet «Current Icing Product» (CIP). Det bygger på å observere bl.a. meteorologiske kjennetegn til skytopper sett fra geostasjonære satellitter og ising rapportert av piloter. Nevnte opplegg suppleres av «Forecast Icing Product» (FIP). Modeller beregner luftrom med (forventet) ising ut fra lufttemperatur og rommets vann-innhold. Det er utviklet modellen «High Resolution Rapid Refresh (HRRR) med horisontalt gitter på 3 km og 50 nivå vertikalt.

På bakgrunn av IFI-problematikken har FAA for sertifiseringen av fly definert følgende ising-kategorier: Skyfritt, ikke isende skyer, ising ved dråper maksimalt mindre enn 100 µm (= 10-6 m), dråper maksimalt mellom 100 og 500 µm (frysende yr), dråper maksimalt større enn 500 µm (frysende regn).  

Det franske «nowcast»-systemet «System of Icing Geographic identification in Meteorology for Aviation» (SIGMA) bygger på nedbørområder påvist ved radar og forventet av en regional prognose-modell. Den beregner også lufttemperatur og vanndamp. Disse kombineres med sky-data hentet ved satellitt. – COSMO-EU, europeisk «COnsortium for Small-scale Modelling», har utviklet et ising-produkt som dekker hele Europa i geografisk utstrekning og varsler spesifisert for 40 flyhøyder.

Det tyske systemet ADWICE bygger på en tredimensjonal meget lokal varslingsmodell. Også dette produktet beror på romlig fordelt varme (temperatur), trykk, spesifikk fuktighet. Det bestemmes skyluftens innhold av flytende vann, nedre og øvre grense for konveksjon, diagnostiserer ising ut fra bakke-observasjoner og aktuelle pilot-rapporter. Det tette stasjonsnett for SYNOP- og METAR-meldinger og flytrafikk i og over sentrale Europa styrker systemet i det arten av skyer, deres endring, form og forløp av nedbør, er korrelerte med ising og kan bekreftes av piloter. Også ADWICE bruker data fra radar og satellitt.

Til tross for ulikheter de enkelte varslings-systemer imellom, bygger de nevnte og tilsvarende på observasjoner kombinert med numeriske prognosemodeller. Sannsynligheten for ising eller ei sluttet på av observasjoner kan oppfattes som spesifisert kontroll av modellers numeriske vær-prognoser. En vesentlig forskjell modellene imellom ligger i avstanden av gitter-punkter.

Over hav-områder er den spektrale analysen av stråling mottatt av satellitt eneste kilde av observerte tilstander, pilotrapporter sett bort fra. Særdeles viktige er profiler av temperatur og vanndamp. (Den spesifikke fuktigheten beskriver masse vann i forhold til masse tørr luft, kg/kg).

 ADWICE tilbys siden 2004 av den tyske værtjeneste DWD, siden 2021 «Icing Intensity Harmonized via AMQP».

Underkjølte dråper

Ising som risiko er sterkt avhengig av tilgangen på underkjølt vann. Varsling av IFI bygges på rent meteorologisk grunnlag. Ulike flytypers aerodynamiske følsomhet for ising under flyging er et felt overlatt til flyenes konstruktører, sertifisering (FAA, se ovenfor), og erfaringskunnskap. Meteorologien er opptatt av hvor meget av flytende underkjølt vann i skyluft som samles opp, avhengig av flytid og hastighet. Men utgangspunktet er alltid konsentrasjonen av underkjølt skyvann.

Til vanlig er størrelsen av svevende skydråper, dannet ved kondensasjon på finkornet (hygroskopisk) aerosol («kondensasjonskjerner») fra 5 til 10, maksimalt 30 til 40 µm (10-6 m) i diameter. Dette til svær forskjell fra regndråper av størrelsesorden 500 til 1000, i varmt klima inntil 2000 µm. Regndråper er som regel smeltet is, partikler vokst store ved det lavere damptrykk over is enn i de meget sterkt krummete overflater av dråper. Også dannelse av is er i utgangspunktet avhengig av «frysekjerner», aerosol som fremmer vannets krystallisasjon.

Underkjølt regn er en risiko ved det store vannvolumet (det øker med 3. potens av radius!) som kan fryse. Underkjølt regn forutsetter at regnet faller gjennom et tilstrekkelig kaldt luftlag (temperatur-inversjon) som til vanlig lett kan varsles.   

Størst risiko for IFI synes i vårt klima knyttet til dråper med hyppigst diameter 70 til 90 µm, typisk for yr. Slike dråper (yr) dannes når ulike synkehastigheter gjør at mindre dråper hentes inn og kolliderer med større («collision-coalescence process»). Verdens Meteorologiske Organisasjon (WMO) definerer som underkjølte store dråper («supercooled large droplets», SLD) slike med diameter større enn 50 µm.  

Underkjølte vanndråper er meget vanlig ned i -12 0C, vanlig til -20 0 (som ADWICE legger til grunn), ikke uvanlig til -40 0C. Men masse vann i atmosfæren avtar med temperaturen. Maksimal IFI påtreffes få grader under frysepunktet, avhengig også av flydelenes overflatetemperatur og muligheten å fjerne frysevarme.

   

Indikatorer for underkjølt vann

Senest som «nowcast» bør verifiseres eller utelukkes om skyer inneholder underkjølt vann. Skyer og nedbør observert fra bakken har alltid vært brukt som indikatorer av atmosfærens tilstand. Skyenes form, arten og intensiteten av nedbør henger, som nevnt, sammen med forekomsten av underkjølt vann. Lett snøfall, for eksempel, tyder på at luften mellom bakken og høyden snøen kommer fra neppe inneholder meget underkjølt skyvann (damptrykkdifferanse dråper- is!). Men ovenfor nivået snøfallet utløses i, kan raten av nydannet underkjølt vann overgå raten av damp kondensert på is og vann fjernet som nedbør.

Hagl derimot fra cumulonimbus (Cb) klart indikerer rikelig med underkjølt flytende vann, hurtig løftet konvektivt. Også høyden av underkanten til skyer, deres topper og densiteten av eventuell nedbør er indikatorer. Disse kan suppleres ved radar-ekko som både kan gi informasjon om nedbør og oppdrift.

Pilotrapporter er «bevis» for IFI, i alle fall for tidspunktet og strekningen IFI er blitt påtruffet. Men hva som er lett, middels eller sterk («severe») ising er ikke definert og erfares avhengig av flytype og subjektivt skjønn. Også ising-varsler nøyer seg så langt med graderingen på tre trinn, fordi en finere gradering det ikke er grunnlag for. Overgangene mellom vanndamp og dråper og is kan ennå ikke beskrives kvantitativt tilfredsstillende.

Varsler av IFI er avhengige av nevnte observasjoner. ADWICE-systemet gransker værprognosene på å oppdage definerte scenarier relevante for IFI-vilkår. Her inngår luftrom-dekkende profiler gjennom atmosfæren med hensyn til temperatur og frysing, konvektive og stratus-skyer, over-mettet vanndamp og flytende vann-innhold.

Meteorologiske tilstander

Små underkjølte dråper, om de fryser på flater av fly, danner gjerne rim-is. Inklusjoner av luft gir is-belegget et hvitaktig utseende. Større dråper flyter utover kontaktflaten og fryser til klar is. Store dråper med stor mekanisk treghet har større sannsynlighet for å kollidere med eksponerte flater enn små dråper som lettere følger luftstrømmen. Under ellers like vilkår vil med massen av vann øke tiden det tar å føre bort fryse-varme, rikelig og ennå flytende vann i fartsvinden spre seg over en flate.  

ADWICE har definert ulike skytyper som meteorologisk sett fremmer ising. Slike typer er vannrike konvektive skyer, særlig kombinert med stratus, eller stratus alene med relativt varm overkant. En spesiell situasjon er frysende regn i den aktuelle flyhøyden.  

Over Norge er rollen av topografien ved IFI muligens undervurdert. Underkjølte store vanndråper fremmes som kjent i hurtig hevet skyluft. Vertikal løfting resulterer når luft bremses i pålandsvind. Ytterligere tvinges luft til værs av fjell langs med en sone innenfor den norske vestkyst, særlig langs med Vestlandet og fra Nordland til Vest-Finnmark. Men også østsiden av Langfjella i vannrik luft fra østlig kant fremmer ising. Neppe tilfeldig har ising-hendelser inntruffet nær vestkysten, områder som klimatisk-hydrologisk utmerker seg ved stort spesifikt avløp (masse vann/areal) og antagelig store nedbørintensiteter.  

Prinsippet for varsling

De regionale eller lokale prognoser (modellregnet) prøves på luftrom som bestemte scenarier for ising kan knyttes til. De prognostiserte rom kontrolleres og prøves på rimelighet mot aktuelt observerte bakke- (SYNOP og METAR) og satellitt-data. For de forventete skyer beregnes blandingsforhold i mettet vanndamp («water vapor saturation mixing ratio») i skyfoten og i skyluften. Men derav å forutsi korrekt kvantifisert innholdet av underkjølt vann i skyene strander, meg bekjent, fortsatt på utilstrekkelig kontroll med de skyer pågående prosesser.

Siste nyheter:

31. januar 2023

Trist for norsk luftfart

Norsk Flygerforbund beklager sterkt at Flyr er begjært konkurs. Dette er trist for norsk luftfart, for alle ansatte som nå mister jobben og for passasjerene. De ansatte har det tøft, og vårt hovedfokus nå er å ta vare på medlemmene våre, sier forbundsleder Aleksander Wasland i Norsk Flygerforbund.  

30. desember 2022

Bli med på seminar om arv

LO Favør Advokatforsikring inviterer til seminar om arv torsdag 12. januar kl. 08.00. Det er kun 50 plasser til det fysiske seminaret, men det er også mulig å delta digitalt. 

19. desember 2022

Byttet jobb? Husk å gi oss beskjed!

Er du ferdig student, og jobbsøkende pilot? Eller har du nylig byttet arbeidsgiver? Da er det viktig å holde NF oppdatert, slik at vi får oppdatert våre medlemssystemer.