Windrapportering en meting op Schiphol

27/04/2001

Jan E. Rozema

Schiphol is nog steeds drager van het predikaat 'black star' van IFALPA. Een kwalificatie die wordt toebedeeld aan vliegvelden of verkeersgebieden waar, door (al of niet) toegepaste procedures of het ontbreken van vereiste apparatuur of gekwalificeerd personeel, een onveilige situatie latent aanwezig is. In het kader van het geringe aantal toebedeelde 'black stars' valt Schiphol op, aangezien de andere 'stars' voornamelijk aan derde wereldlanden worden uitgereikt.

De toekenning van de black star door IFALPA aan Schiphol is gebaseerd op de toewijzing en/of beschikbaarheid van landingsbanen, waarbij milieu/geluidsaspecten prevaleren en de door de minister vastgestelde maximale geluidsbelasting per zone/baan is gelimiteerd. Hierdoor wordt een qua wind optimaal veilige baankeuze secundair gesteld.
Om de windproblematiek, definities, procedures en toekomstige ontwikkelingen te verduidelijken is enige uitleg nodig.

Windpatroon en meting

Wind is per definitie geen vaste waarde voor wat betreft richting en snelheid; deze beide variëren per definitie altijd - zelfs bij een constante wind - tot een oneindig kleine variatie. De constantheid is afhankelijk van de definitie van middeling van de meetwaarde. In figuur 1 (pagina 22 Op de Bok) zijn deze diverse waarden te zien:

  • De mean windspeed geeft de gemiddelde gerapporteerde wind aan.
  • De lijn actual measured windspeed geeft de (bijna) actuele wind weer (4 x per seconde uitlezing van de gemeten waarde).
  • De lijn windspeed, moving averaged, geeft de wind gemiddeld over 3 seconden aan. Deze loopt gemiddeld door de actuele windcurve heen.
  • De maximum reported windspeed geeft de maximaal gerapporteerde gust aan (over 3 seconden gemiddeld).
  • De maximum actual windspeed geeft de (ongemiddelde) maximum wind aan.

Duidelijk is dat de actuele maximum windsnelheid, zonder middeling, ruim hoger kan zijn dan de gerapporteerde (3 seconden gemiddelde) windsnelheid. Deze waarde wordt dus nooit gerapporteerd aan de vlieger!

Richtlijnen en procedures

Kennelijk bestaat er verwarring over het rapporteren van extreme windwaarden in enerzijds 'maximum en minimum' en anderzijds 'gust'. De officiële ICAO-richtlijnen zijn:

  • ATIS en ATS wind (start en landing)
    • Middeling: 2 minuten
    • Variaties: De variaties van de gemiddelde windsnelheid dienen alleen te worden gerapporteerd indien de maximum- en/of de minimumwaarde 10 kts of meer verschilt met de 2 minuten gemiddelde windsnelheid gedurende de laatste 10 minuten.
    • De maximum- en minimumwaarden worden weergegeven als max70 mnm20 of max35 nmn10. (Niet: gusting!)
    • Hierbij wordt de gust dus gerapporteerd als de maximumwaarde, welke dan gebruikt dient te worden als windcorrectie voor de aanvliegsnelheid. Variaties van de gemiddelde windrichting dienen te worden gerapporteerd indien de totale variatie meer is dan 60° en de windsnelheid op het tijdstip van waarneming 4 kts of meer bedraagt; deze variaties dienen te worden gegeven als de twee uiterste richtingen waarin de wind is gedraaid gedurende de voorafgaande 10 minuten. Daarnaast zijn er criteria voor zowel de windrichting als de windsnelheid, waardoor een niet-routinematig bericht op de ATIS beschikbaar komt.
  • METAR/SPECI
    • Middeling: 10 minuten gemiddelde voor zowel de windsnelheid als de windrichting.
    • Variaties: De maximumwaarde van de windsnelheid (gust) wordt gegeven, indien deze 10 kts of meer afwijkt van de gemiddelde waarde in de periode van 10 minuten voorafgaand aan de waarneming (de minimum windwaarde wordt niet gegeven!). Voorbeeld: 12006G18kt. Hier komt dus de g van gust voor!
  • GUST:
    • De gust wordt volgens de WMO (World Meteorological Organisation) gedefinieerd als peak gust, gemiddeld over 3 seconden. Deze 3 sec. waarde is indertijd vastgesteld als de meest relevante waarde, representatief voor de rapportering van gust in relatie tot de respons van het vliegtuig. Op het ogenblik wordt in diverse ICAO-groepen onderzocht of dit nog steeds de optimale middeling is, i.v.m. de gewijzigde grootte, aerodynamica en aan/uitvliegsnelheid van moderne vliegtuigen.

Technieken/rapportering op Schiphol

De wind wordt op meerdere manieren gerapporteerd:

  • Via de ATIS, ieder half uur ververst, tenzij er aan criteria wordt voldaan voor een update tussendoor; (zie onder ATIS Schiphol).
  • Via de verkeersleiding, via een apart Wind Information System (WIS). De windinformatie wordt iedere minuut ververst.
  • Aan de havenmeester via een apart presentatiesysteem.

Als gevolg van de aanbevelingen in het rapport van de commissie Rinnooy Kan (na het ongeval van Transavia), wordt sinds kort de door de verkeersleider verstrekte windinformatie voorzien van een gustwaarde indien deze meer bedraagt dan 5kts (dit is niet in tegenstelling tot de ICAO Annex 3 richtlijn van 10 kts of meer aangezien het altijd toegestaan is om nauwkeuriger te rapporteren dan in de Annex is omschreven). Overigens is men op internationaal niveau bezig dit ook in ICAO terug te brengen naar 5 kts. N.B.:Voor de ATIS en voor baanplanning Schiphol worden gusts van 10 kts of meer gebruikt, vanaf een gemiddelde windsnelheid van 10 kts. De wind, gegeven door ATC voor start en landing, geeft gusts vanaf 5 kts!

De criteria die Schiphol nu gebruikt voor baantoewijzing:

Hierbij is een citaat uit 'In for Safety' (KLM) interessant: "Note 2: The ICAO Annex 3 criteria for reporting gusts, a difference of 10 kts or more from the average speed, and the criteria for direction extremities are sometimes reason for doubt, for example:

  1. At a measured wind speed of 20 kts with a wind including gust of 29 kts, the report reads the 20 kts value only, while the actual wind including gust of 29 kts may cause operational inconveniences;
  2. At a measured wind direction 200 degrees with a maximum of 220 and a minimum of 170, the report reads the 200 degrees value only, while a direction of 220 of 170, in combination with the prevailing wind speed, may cause operational problems in relation to the selected or available runway.

De 20 kts dwarswind, zoals gehanteerd bij de door Schiphol gehanteerde baantoewijzing, kan dus leiden tot een actuele dwarswind van 29 kts (waarbij de maximumwaarde binnen de middeling van 3 seconden van de gust niet eens is meegerekend). Overigens wordt men dan wel door ATC vlak voor de landing geïnformeerd over gusts van 5 kts of meer. Voor de vluchtplanning is dat aan de late kant, ook omdat een andere landingsbaan in het algemeen niet wordt vrijgegeven, onder meer vanwege milieutechnische redenen.

Afwijkende procedures

De huidige ATIS Schiphol, overigens weergegeven door een computerregistratie welke geen eer doet aan kunstmatige spraakreproductietechnieken, voldoet niet geheel aan de ICAO-richtlijnen. De wind (met gustwaarden vanaf 10 kts) wordt gegeven volgens voorschrift, met maximum- en minimumwaarden en richtingvariaties. Indien echter een secundaire startbaan in gebruik is, dan wordt - in tegenstelling tot ICAO Annex 3 - zowel van de primaire als de secundaire baan in gebruik, de baanrichting niet gegeven! Bijvoorbeeld: secondary, wind 240/18 max27 mnm11. Hier wordt niet duidelijk of dit de 'touchdownzone' wind is van een tweede baan in gebruik, of het tweede gedeelte van de hoofdlandingsbaan in gebruik.

Veiligheidsaspecten

Tijdens de laatste vergadering van de commissie Vliegtechnische zaken van de VNV is de eventuele wens van rapportering van een wind voor het tweede (en eventueel laatste) gedeelte van de landingsbaan ter sprake gekomen. Reden hiervoor is dat, mede in verband met de hiervoor besproken toename van baantoewijzing onder dwarswindcondities, problemen zouden kunnen optreden met de bestuurbaarheid van het vliegtuig tijdens de uitrolfase bij sterke dwarswind. Dit kan mede worden veroorzaakt door wervelingen, veroorzaakt door toenemende bebouwing op Schiphol (rapport van de luchtvaart ongevallenraad hv462, 24 dec. 1997). Opgemerkt dient te worden, dat volgens Annex 3 de waarde van de touchdownzone representatief dient te zijn voor de gehele landingsbaan! De interactie van zogturbulentie van vliegtuigen, wervelingen door bebouwing, alsmede windvariaties door onstabiliteit (convectieve turbulentie door thermische effecten) is niet voldoende bekend, maar verwacht kan worden dat deze wel degelijk bestaat. Voor nieuwe gebouwen op Schiphol worden eerst berekeningen uitgevoerd om te zien wat de effecten zijn op het windklimaat op de betreffende landingsbaan. Deze berekeningen geven een goed inzicht in de variaties in dwarswind onder verschillende stroomrichtingen van de wind. Hierbij wordt uitgegaan van variaties op 25 kn. dwarswind. Probleem is dat wel duidelijk wordt wat de variaties zijn maar niet hoe het vliegtuig op deze variaties zal reageren. Wel kunnen we zeggen of de gemeten wind op de plaats van 'touch down' nog representatief is voor de hele baan, zoals vereist in de Annex 3. Een ander probleem dient zich aan als dit ten gevolge van de variaties in crosswind snelheden niet het geval is. In hoeverre is dit erg en toch toelaatbaar? Dit geldt met name voor variaties over de tweede helft van de landingsbaan. Daarnaast beschikt men niet over de techniek om wervels te meten. Plaatsen van windmasten ter plaatse van een dominante wervel heeft weinig zin, mede ook omdat de locatie van de wervel verschuift als gevolg van de verandering van windrichting.

Effecten van bebouwing

Wetenschappelijk onderzoek levert o.a. de volgende stellingen op over gusts:

  • De gustintensiteit is gekoppeld aan de ruwheid van het onderliggende terrein.
  • Bij toenemende hoogte blijven langere variaties (duur van de gusts) over. Deze worden namelijk niet veroorzaakt door zogeffecten van obstakels, maar door onstabiliteit van de grenslaag.
  • Ruwheidsgusts worden bepaald door de afmetingen van obstakelzoggen en hebben typisch afmetingen van 20 tot 200 meter.
  • Convectieve gusts ontstaan in de hele grenslaag, die circa 1 km hoog is, of op de schaal van breedte van een cumulus welke circa 1 km breed is.
  • De tijdsduur van een gust is afhankelijk van de gemiddelde windsnelheid.
  • De krachtafmetingen van een gust zijn afhankelijk van de duur en de gemiddelde windsnelheid.

Tijdens de laatste VTZ-vergadering is uiteengezet dat bebouwing twee soorten turbulentie kan veroorzaken: zogturbulentie en wervelstraten. Wervelstraten zijn vergelijkbaar met een wingvortex en kunnen grote turbulentie veroorzaken. Dit fenomeen was blijkbaar verantwoordelijk voor de turbulentie van de SPL-geluidswal.

Toekomstig windklimaat Schiphol

Uit bovenstaande blijkt dat bebouwing een zeer sterke invloed op het windklimaat heeft, met name bij hogere windsnelheden. Bekend is dat er uitgebreide bouwplannen bestaan voor de omgeving van de nieuw aan te leggen vijfde baan. Een hotel, viaduct met geluidsschermen, industrie en woningen. De (op dit moment onvoldoende) argumentering van veiligheidseisen voor het luchtverkeer, en dus een onvoldoende regelgeving ten aanzien van de toegestane bebouwing langs de landingsbanen in relatie tot de respons van vliegtuigen op de ontstane veranderingen in het windklimaat over de baan, kunnen deze bouwplannen waarschijnlijk niet afremmen. Het viaduct in de A5 over de ringvaart tussen de banen 19R en 18, en de vier meter hoge geluidsschermen zullen ook wervelstraten veroorzaken, en wel precies in de 'touchdown' zone 19R. Tijdens overleg met de NLA is gevraagd naar de zogturbulentie, waarop geantwoord werd dat die is berekend en geen probleem zou opleveren (!). Wellicht had de vraag wat breder gesteld moeten worden en hadden we ook specifiek naar de wervelstraten moeten vragen. Wellicht is de enige manier om op korte termijn invloed te kunnen uitoefenen, het rapporteren van problemen bij de besturing ten gevolge van dwarswind/turbulentie bij de landing en ook de uitloopfase! De commissie VTZ van de VNV is bezig met het ontwikkelen van een procedure voor deze rapportage.

Toekomstige (internationale) ontwikkelingen

Door IATA zijn in ICAO-verband (AOPG/PT3) voorstellen gedaan om te gaan naar 25kts dwarswind voor baanplanning; ten behoeve van verhoogde capaciteit en flexibeler milieubelasting! Namens IFALPA heeft de VNV de grens van maximaal 15 kts dwarswind met de meest krachtige bewoordingen verdedigd. De meteodiensten wordt verzocht om een 'forecast' te maken voor wind + gust per runway 20 min. vooruit, zijnde de tijd die nodig is om van baan te veranderen. Door nieuwe technieken (LIDAR, Doppler etc.) komt er een verbetering van onderzoek naar windpatronen en turbulentie. Andere ontwikkelingen zijn de verlaging van de 10 kts grens naar 5 kts voor gustrapportering, de internationale druk om verder- en verregaande automatisering van metingen ten behoeve van kostenbesparing van menselijke observaties door te voeren. En tot slot de mogelijkheden van betere inzage in het windklimaat van vliegvelden door toepassing van meerdere windsensors, gekoppeld aan een computersysteem.

Conclusies en aanbevelingen

De baantoewijzing op Schiphol is gebaseerd op een maximale dwarswind van 20 kts, waarbij vanaf 10 kts de gust pas meegeteld wordt in de berekening; daardoor is een (geplande) dwarswind van 29 kts mogelijk! Zonder krachtige oppositie en/of advies van vliegerzijde (VNV) zullen de bouwplannen op Schiphol worden uitgevoerd, waarbij economische aspecten zullen prevaleren boven de windproblematiek, zoals hierboven omschreven. Rapportering door vliegers is een belangrijk instrument om het VNV-advies te consolideren. Inhoud en wijze van rapporteren dient door de VNV onderzocht te worden. Nieuwe technieken om het windklimaat op de baan te kunnen bepalen dienen onderzocht te worden, zoals het installeren van multiple windsensors langs de baan.

Bronnen:

  • Ing. Wil C.M. van Dijk (KNMI)
  • Windklimaat van Nederland, van dr. J. Wieringa (KNMI)
  • In for Safety (KLM) 01-01-2000
  • Cockpit bulletin 00-10 (KLM)
  • ICAO Annex 3