Mountain wave impact on flight conditions of high-flying aircraft

Bramberger, Martina (2019): Mountain wave impact on flight conditions of high-flying aircraft. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Ever since their discovery by glider pilots, mountain waves (MWs) are a well known atmospheric process to affect aviation as they can significantly modulate the atmospheric flow field on relatively short scales (λh ≈ 20 km). The goal of this thesis is to study the impact of such a flow field on high-flying aircraft (i.e. flight level (FL) > 20.000 ft = FL200). For that reason, two cases were studied exemplarily where MWs affected flying conditions of the High Altitude LOng Range Research Aircraft, HALO in different ways. In the first case stall warnings at FL 410 (12.5 km) occurred unexpectedly during a research flight of HALO over Italy on 12 January 2016. At the incident location, the stratosphere was characterized by large horizontal variations in the along-track wind speed and temperature. On this day, the general atmospheric circulation favored the excitation and vertical propagation of large-amplitude mountain waves at and above the Apennines, Italy. These mountain waves had achieved large vertical energy fluxes of 8 W m−2 and propagated without significant dissipation from the troposphere into the stratosphere. Strong turbulence was encountered by HALO at FL 430 (13.8 km) on 13 October 2016 above Iceland which constitutes the second case study. In this event the turbulence caused altitude changes of about 50m within about 15s of the research aircraft. Additionally, the automatic thrust control of HALO could not control the large gradients in the horizontal wind speed and, consequently, the pilot had to deactivate this system. On that day, MWs were excited and propagated vertically above Iceland. In the altitude region of the turbulence encounter the atmosphere was characterized by a pronounced negative vertical shear of the horizontal wind. Here, in situ observations together with simulations of the Eulerian semi-Lagrangian fluid solver (EULAG) suggest that HALO was flying through the center of a breaking MW field. First, the question whether aircraft speed is dominantly influenced by the temperature or the horizontal wind could be answered. Analysis of high-resolution in situ observations and recordings of HALO’s Quick Access Recorder (’blackbox’) suggests that it is the horizontal wind speed which dominantly impacts aircraft speed of high flying aircraft. Second, it was found that vertically propagating MWs can affect flight conditions of high-flying aircraft. While turbulence is a well-acknowledged hazard to aviation, the case studies reveal that non-breaking, vertically propagating mountain waves also pose a potential hazard by modulating the ambient along-track wind speed on scales for which the response time of the avionic system is too slow. This may lead on the one hand to a decrease of the aircraft speed towards the minimum needed stall speed or on the other hand to variations in the aircraft speed that cannot be controlled by the automatic thrust control. Furthermore, in situ observations are compared to European Centre for Medium- Range Weather Forecasts (ECMWF) Integrated Forecast System (IFS) forecasts and operational analyses. This comparison revealed that large-scale structures are predicted very well. However, on scales smaller than 5km observed amplitudes of all meteorological parameters are underestimated. Here, the application of the Graphical Turbulence Guidance Tool (GTG) proved to be valuable for predicting the correct magnitude and location of the maximum encountered turbulence above Iceland. However, the observed intermittency could not be reproduced and a tendency to overpredict turbulence was found.

Abstract

Seitdem Segelflieger Gebirgswellen entdeckt haben, sind diese ein wohl-bekanntes Phänomen der Atmosphäre, weil sie die atmosphärische Strömung auf relativ kurzen horizontalen Skalen (λh ≈ 20 km) maßgeblich beeinflussen. Das Ziel dieser Arbeit ist es, den Einfluss von Gebirgswellen auf hochfliegende Flugzeuge zu untersuchen(Fluglevel (FL) > 20000 ft (= FL200)). Deshalb werden zwei Fälle untersucht, in welchen Gebirgswellen den Flugzustand des Forschungsflugzeuges HALO (High Altitude LOng Range Research Aircraft) auf verschiedene Art beeinflussten. In der ersten Fallstudie werden unerwartete Warnungen vor Strömungsabriss (stall) untersucht, welche während eines Forschungsfluges von HALO am 12. Januar 2016 in 12.5km Höhe (FL410) über Italien auftraten. Am Ort des Zwischenfalls war die Stratosphäre geprägt von großen horizontalen Variationen in der Temperatur und der Komponente des Horizontalwindes entlang des Flugzeuges. An diesem Tag begünstigte die atmosphärische Grundströmung die Anregung und Ausbreitung von Gebirgswellen an und über den Apenninen, Italien. Diese Gebirgswellen hatten große vertikale Energieflüsse von 8 W m−2 und breiteten sich ohne nenneswerte Dissipation von der Troposphäre bis in die Stratosphäre aus. In der zweiten Fallstudie trat starke Turbulenz bei einem Forschungsflug von HALO am 13. Oktober 2016 über Island auf. Bei diesem Ereignis erfuhr das Forschungsflugzeug Höhenänderungen von ca 50 m innerhalb von ca 15 s. Zusätzlich konnte die automatische Schubkontrolle von HALO die großen Gradienten im Horizontalwind nicht ausregeln, weshalb der Pilot dieses System abschalten musste. An diesem Tag breiteten sich die angeregten Gebirgswellen vertikal über Island aus. Im Höhenbereich des Turbulenzereignisses war die Atmosphäre durch eine starke negative Vertikalscherung des Horizontalwindes geprägt, welche das Brechen von Wellen begünstigt. Messungen und Simulationen von EULAG (Eulerian semi-Lagrangian fluid solver) legen nahe, dass HALO durch das Zentrum eines Wellenbrechungsgebietes flog. Durch die Analyse von hoch aufgelösten in situ Messungen und Aufzeichnungen des ’Quick Access Recorder’ (”Blackbox”) von HALO konnte der Horizontalwind als maßgeblicher atmosphärischer Einfluss auf die Geschwindigkeit von hochfliegenden Flugzeugen für diesen Fall identifiziert werden. Desweiteren wurde herausgefunden, dass vertikal propagierende Gebirgswellen den Flugzustand eines hoch fliegenden Flugzeuges beeinflussen. Während Turbulenz eine anerkannte Gefahr für den Luftverkehr ist, zeigen die Fallstudien, dass nicht brechende, sich vertikal ausbreitende Gebirgswellen auch eine Gefahr darstellen, indem sie das Horizontalwindfeld auf Skalen modulieren, die durch das Avioniksystem nicht schnell genug ausgeregelt werden können. Dies kann auf der einen Seite zu einer Reduktion der Flugzeuggeschwindigkeit zu den minimal nötigen Geschwindigkeiten führen, um Strömungsabriss zu vermeiden oder auf der anderen Seite zu Variationen in der Flugzeuggeschwindigkeit, welche durch die automatische Schubkontrolle nicht ausgeregelt werden können. Desweiteren werden in situ Messungen zu operationellen Analysen und Vorhersagen des integrierten Vorhersagesystems (IFS) des europäischen Zentrums für mittelfristige Wettervorhersage (EZMW) verglichen. Dieser Vergleich zeigt, dass großskalige Strukturen sehr gut vorhergesagt wurden. Allerdings wurden die beobachteten Amplituden von Strukturen auf Skalen < 5 km in allen meteorologischen Parametern unterschätzt. Die Anwendung des graphischen Turbulenz Guiding System (GTG) stellt eine Bereicherung dar, weil der Ort und die Stärke der maximal beobachteten Turbulenz korrekt vorhergesagt wurde. Allerdings konnte die beobachtete Intermittenz nicht reproduziert werden und es wurde eine klare Tendenz zur Überschätzung der Turbulenzstärke gefunden.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Mountain waves, turbulence, aircraft safety
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 20. Mai 2019
• 1. Bericht­erstatter:in: Rapp, Markus