Die Qualität von Wettervorhersagen wird im Wesentlichen von drei Faktoren bestimmt: vom Verständnis der physikalischen Prozesse im Erdsystem und den daraus abgeleiteten Vereinfachungen im Wettermodell, von der verfügbaren Rechenleistung für die Modellberechnung sowie von der Dichte der Messdaten, mit denen der aktuelle Zustand der Atmosphäre initialisiert wird.
Am ersten Punkt arbeitet die meteorologische Forschung weltweit kontinuierlich. Die Rechenleistung verbessert sich automatisch, da ihre Kosten pro Einheit stetig sinken. Und bei der Datendichte könnten wir Piloten der Allgemeinen Luftfahrt künftig selbst einen spürbaren Beitrag leisten.
Dazu dient AIRforschen, ein Forschungsprojekt des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt, der Q.met GmbH und des Deutschen Wetterdienstes. Fördermittelgeber ist das Bundesministerium für Verkehr. Ziel ist es, Flugbewegungen der Allgemeinen Luftfahrt als Plattform für atmosphärische Messungen nutzbar zu machen. Die Idee: Mit einer kompakten Sensorbox ausgerüstete Flugzeuge erfassen während des Flugs relevante Wetterdaten und stellen sie anschließend den Wetterdiensten zur Verfügung.
Ohne anständige Wettervorgersage wären viele VFR-Flugvorhaben nicht planbar.
Wenige Messwerte von "weiter unten"
Derzeit stammen Wetterdaten vor allem von bodengebundenen Messstationen an Land. Auf den Meeren liefern Schiffe und dafür ausgebrachte Messbojen zusätzliche Informationen. Um Daten aus höheren Luftschichten zu gewinnen – die bekannten Temps –, werden Wetterballone eingesetzt; deren Betrieb ist jedoch kostspielig, sodass sie nur punktuell gestartet werden. Auch Verkehrsflugzeuge erfassen meteorologische Daten, allerdings überwiegend in großen Flughöhen. Unverzichtbar sind zudem die Beiträge der Wettersatelliten.
Aus der für viele Wetterprozesse besonders relevanten unteren Troposphäre liegen jedoch erstaunlich wenige Messwerte vor. Genau dort aber bewegt sich die Allgemeine Luftfahrt. Es liegt daher nahe, ihre Luftfahrzeuge als zusätzliche Messplattformen zu nutzen.
Minisensor fürs eigene Flugzeug
Die am Projekt beteiligten Wissenschaftler entwickeln hierfür eine kompakte Sensorbox, die außen am Flugzeug angebracht werden kann und in etwa die Größe einer GoPro-Kamera hat. Die Box misst primär Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftdruck. Über eine Bluetooth-Verbindung ist sie mit dem Smartphone des Piloten gekoppelt, von dem sie die GPS-Position erhält. Zusammen mit den Daten eines integrierten Staurohrs und Magnetsensors erlaubt dies die indirekte Bestimmung von Windrichtung und -geschwindigkeit. Alle erfassten Daten werden an das Smartphone übertragen und von dort via Mobilfunk an die Wetterdienste gesendet.
Die Box soll, abgesehen von der kabellosen Bluetooth-Verbindung, autark arbeiten und nicht an die Bordelektrik des Flugzeugs angebunden sein. Ein eigener Akku sowie gegebenenfalls eine Solarzelle sollen sicherstellen, dass das System bis zu zehn Tage lang Messwerte aufzeichnen kann, bevor es über einen USB-Anschluss wieder geladen werden muss.
Der Sensor im Vergleich zu einer Euromünze.
Piloten profitieren von den Daten
Die Smartphone-App übernimmt allerdings weit mehr Aufgaben, als nur Messdaten zu empfangen und weiterzuleiten. Zum einen überwacht sie die Qualität der eingehenden Daten und stellt sicher, dass nur plausible Werte übertragen werden. Zudem soll auch der Pilot über die Werte informiert werden, um selbstständig oder zusammen mit Support Abhilfe zu schaffen, falls nötig. Ein vereistes oder verdrecktes Staurohr, ein alterndes Thermometer oder starke Vibrationen können Messungen verfälschen.
Idealerweise erkennt die App solche Störungen und filtert die betroffenen Daten heraus. Außerdem komprimiert sie die Datensätze, um das Datenvolumen so gering wie möglich zu halten. Um möglichst viele Piloten zum Mitmachen zu motivieren, bietet die App zudem einen direkten Nutzen während des Flugs. So können etwa Vereisungswarnungen abgeleitet oder der aktuell gemessene Wind angezeigt werden.
Wettermodelle arbeiten grundsätzlich in zwei Modi. Der erste Modus ist die eigentliche Vorhersageberechnung, bei der der aktuelle Zustand der Atmosphäre mithilfe der im Modell hinterlegten Gleichungen in die Zukunft fortgeschrieben wird. Der zweite Modus ist die Datenassimilation. Dessen Zweck ist, aus neuen Messwerten einen in sich konsistenten atmosphärischen Zustand abzuleiten. Wenn ein neuer Messwert für einen bestimmten Ort und Zeitpunkt vorliegt, muss die Umgebung physikalisch dazu passen: Die Atmosphäre darf sich nicht sprunghaft oder anderweitig "unphysikalisch" verändern. Entsprechend fließt ein erheblicher Teil der verfügbaren Rechenleistung eines Wettermodells nicht in die Vorhersage selbst, sondern in die Herstellung dieses konsistenten Anfangszu-stands. Deswegen können neue Messwerte nicht beliebig häufig oder jederzeit eingearbeitet werden.
Wettermodell mit 2-km-Auflösung
Im Fall von AIRforschen ist geplant, die gewonnenen Daten in ICON-D2 einzuspeisen – ein regionales Wettermodell mit einer horizontalen Auflösung von rund zwei Kilometern. Damit lassen sich beispielsweise Gewitterzellen bereits recht gut erfassen. Da solche regionalen Wetterphänomene kurzlebig sind, wird das Modell alle drei Stunden neu gerechnet.
Genau hier liegt der Vorteil der GA-Messdaten: Sie fallen zeitlich über den gesamten Tag verteilt an und aus genau den Höhen, in denen lokale und schnell wechselnde Wetterprozesse dominieren. Es gilt als sicher, dass diese Daten die Vorhersagen verbessern werden. Unklar ist jedoch noch, wie stark und in welchen Situationen. Die quantitative Bewertung dieses Effekts ist ein zentrales Forschungsziel des Projekts. Parallel dazu, und unabhängig von AIRforschen, wird daran gearbeitet, wie man häufiger und schneller Messdaten an das Modell assimilieren kann. Radar- und Satellitendaten fallen beispielsweise im Minutentakt an, und mithilfe von KI-Methoden könnten die Rechenzeiten künftig deutlich reduziert werden.
GA-Flugzeuge sind nahezu den ganzen Tag unterwegs und können Daten von Sonnenauf- bis Sonnenuntergang liefern.
Ein weiteres Forschungsziel betrifft die oben erwähnte Anomalie-Erkennung und Datenkomprimierung in der App. Für beides gibt es bewährte Verfahren: Anomalien lassen sich etwa anhand physikalischer Prinzipien (Temperaturen ändern sich nicht abrupt in kurzer Zeit oder über kurze Distanzen) sowie statistischer Methoden erkennen. Komprimierungsverfahren sind aus Kommunikationsprotokollen oder aus Audio-, Bild- und Videocodecs bekannt. Das Projekt soll untersuchen, inwieweit Methoden aus der künstlichen Intelligenz zu noch besseren Ergebnissen beitragen können.
Um weitere Nutzungsmöglichkeiten durch Dritte zu eröffnen, sollen die erfassten Daten auch der Öffentlichkeit zugänglich gemacht werden – in anonymisierter Form und nur mit Zustimmung des betroffenen Piloten. Dennoch lässt sich aus zeitlich korrelierten Messwerten entlang einer Strecke im Prinzip rekonstruieren, dass zu einem bestimmten Zeitpunkt ein Luftfahrzeug von A nach B unterwegs gewesen sein muss, weswegen Start- und Landeort in einem angemessenen Radius ausgeblendet werden. Dies ist eine Forderung der Betreiber von Polizei- und Rettungshubschraubern. Da Flugbewegungen ohnehin über ADS-B- und FLARM-
Tracker nahezu lückenlos nachvollziehbar sind, teilweise sogar inklusive Kennzeichen, scheint diese Lücke in der Anonymisierung vertretbar.
Erfolg hängt an der Verbreitung
Die Meteorologen sind überzeugt, dass jede zusätzliche Messung in diesen Höhen einen Mehrwert für die Vorhersagequalität bringt. Um dennoch eine gewisse Datendichte zu erreichen, war zunächst geplant, sich auf Thüringen zu konzentrieren und mit dort ansässigen kommerziellen Betreibern zu kooperieren. Doch das Projekt sprach sich schnell herum, und das Interesse in der Pilotengemeinschaft wuchs erheblich. Daher kann inzwischen jeder Pilot in Deutschland an AIRforschen teilnehmen.
Ob sich die Wettermessung durch die Allgemeine Luftfahrt langfristig durchsetzt, hängt vor allem davon ab, wie viele Sensorboxen tatsächlich installiert und betrieben werden. Für Deutschland wären mindestens einige Hundert wünschenswert. Ausschlaggebend wird dabei sein, wie hoch der finanzielle und zulassungstechnische Aufwand für die Halter der Luftfahrzeuge ist. Die gute Nachricht: Die Boxen werden den Piloten kostenlos zur Verfügung gestellt. Ursprünglich waren lediglich 50 Boxen vorgesehen. Wegen des großen Zulaufs ist jetzt eine Projekterweiterung auf 1000 Boxen vorgesehen.
Etwas komplexer ist der rechtskonforme Anbau der Boxen – ein einfaches Anschrauben ist nicht zulässig. Zwei Ansätze erscheinen realistisch. Der erste basiert auf einem Standard Change gemäß EASA CS-STAN. Für die Sensorbox ist insbesondere CS-SC061a oder CS-SC104b relevant. Das Projekt würde die erforderliche Dokumentation vorbereiten, sodass der Aufwand für den Halter minimal bleibt, wenn die Box an existierenden Verankerungspunkten befestigt wird.
Unkomplizierter Anbau via STC
Der zweite Ansatz sieht vor, ein STC Minor Change für eine Reihe von Mustern zu entwickeln. Dieses würde einmalig durch das Projekt erstellt, und Betreiber der entsprechenden Luftfahrzeuge könnten die Box anschließend ohne großen Aufwand an den zugelassenen Positionen montieren. Im Endeffekt ist nur eine Abzeichnung durch den Prüfer nötig. Für Segelflugzeuge wird zudem an einer Lösung gearbeitet, die ohne externe Anbauten auskommt, schließlich kostet jedes außen angebrachte Bauteil Leistung. Eine Idee ist, die Messungen im Luftstrom der Kabinenlüftung durchzuführen. Außerdem laufen Gespräche mit LX Nav, denn viele der benötigten Daten liegen im LX9000 bzw. Hawk ohnehin vor.
Darüber hinaus haben sich zahlreiche Piloten gemeldet, die bereits heute mit ihrer eigenen Hardware Wetterdaten im Flug erfassen. Daher plant das Projekt, die Schnittstellen zum Hochladen der Daten zu standardisieren und öffentlich zugänglich zu machen, um auch externe Lösungen nahtlos einzubinden.
Risiko "Schönwetterbias"
Ein konzeptionelles Problem könnte sein, dass ein gewisser "Schönwetterbias" entsteht, da bei gutem Wetter eben am meisten geflogen wird. Um diese Verzerrung zu begrenzen, soll auch mit Betreibern kooperiert werden, die bei marginalen Wetterlagen fliegen. Außerdem ist denkbar, dass man bei gutem Wetter Ballonaufstiege einsparen könnte, um diese Kapazitäten dann bei IFR-Bedingungen einzusetzen.
Das "Risiko": Aufgrund der Tatsache, dass die GA vor allem bei Schönwetter fliegt, kann es zu Verzerrungen kommen.
Alles in allem scheint sich rund um das Projekt eine Dynamik zu entwickeln, die tatsächlich dazu führen könnte, Wettervorhersagen gerade auch für die Luftfahrt deutlich zu verbessern.
Wer mitmachen möchte, kann auf der Webseite des Projekts sein Interesse an einer Sensorbox bekunden.
