Windscherung: Plötzliche Änderung der Windgeschwindigkeit – Ausführliches Luftfahrt-Glossar

Was ist Windscherung?

Windscherung ist ein meteorologisches Phänomen, das als schnelle Änderung der Windgeschwindigkeit – also Geschwindigkeit und/oder Richtung – über eine relativ kurze Distanz, entweder horizontal, vertikal oder beides, definiert ist. Für die Luftfahrt und Meteorologie ist Windscherung besonders dann kritisch, wenn sie sich über weniger als 1 Meile horizontal und weniger als 1.000 Fuß vertikal erstreckt, da solche abrupten Änderungen den Flugweg, die Leistung und die Sicherheitsreserven eines Flugzeugs erheblich beeinflussen können.

Windscherung basiert auf dem Konzept eines Gradienten – einem Unterschied der Windeigenschaften zwischen zwei Punkten. In diesem Zusammenhang bezeichnet „Scherung“ die Änderungsrate der Windgeschwindigkeit in Bezug auf Distanz oder Höhe. Die Internationale Zivilluftfahrtorganisation (ICAO) definiert Windscherung als „eine Änderung der Windgeschwindigkeit und/oder -richtung über eine kurze Distanz, die sowohl in der horizontalen als auch in der vertikalen Ebene auftreten kann.“ Das Gefahrenpotenzial hängt vom Ausmaß der Scherung, der Strecke, auf der sie auftritt, und der jeweiligen Flugphase ab.

Windscherung kann durch verschiedene atmosphärische Phänomene wie Frontgrenzen, Temperaturinversionen, Gewitterabflüsse und Jetstreams verursacht werden. Ihre Auswirkungen sind besonders gefährlich beim Start und bei der Landung, wenn Flugzeuge nur wenig Höhe zur Wiederherstellung haben. Windscherung ist häufig unsichtbar, insbesondere wenn sie nicht mit offensichtlichen Wettermerkmalen verbunden ist, und stellt somit eine „versteckte“ Gefahr für Piloten dar.

Das Verständnis der Windscherung ist grundlegend für die operative Meteorologie und die Flugsicherheit. Ihre Messung, Erkennung und Vorhersage sind für den sicheren Flugbetrieb unerlässlich, insbesondere in Flughafennähe und in Regionen mit Gewitterneigung oder komplexem Gelände.

Erkennung und Anwendung in Meteorologie und Luftfahrt

Meteorologie:
Windscherung ist ein wichtiger Parameter in der Wettervorhersage und -analyse. Meteorologen bewerten die Windscherung, um die atmosphärische Stabilität zu analysieren, konvektive Stürme vorherzusagen und das Turbulenzrisiko einzuschätzen. Werkzeuge wie Radiosonden, Doppler-Wetterradar und Windprofiler liefern vertikale und horizontale Windprofile, die Vorhersagern helfen, Unwetter wie Gewitter, Tornados und Downbursts zu prognostizieren. Die Analyse der Windscherung ist auch entscheidend für das Verständnis des Energieaustauschs in der Atmosphäre.

Luftfahrt:
Windscherung ist ein primäres Risiko, das in der Luftfahrt, insbesondere beim Start und bei der Landung, eng überwacht wird. Behörden wie die FAA und ICAO haben verpflichtende Melde-, Erkennungs- und Beratungsprotokolle eingeführt, die Low-Level Wind Shear Alert Systems (LLWAS), Doppler-Radar und Pilotenmeldungen (PIREPs) nutzen. Moderne Verkehrsflugzeuge verfügen oft über bordeigene Windscherungs-Erkennungs- und Warnsysteme, die Radardaten und Flugdatenmanagementsysteme verwenden, um Piloten vor bevorstehender Windscherung zu warnen.

Bodengestützte Systeme wie LLWAS nutzen Netzwerke von Anemometern rund um die Start- und Landebahnen, um schnelle Windänderungen zu erkennen. Doppler-Wetterradar liefert dreidimensionale Windfelddaten und ermöglicht die Identifikation von Windscherung, die mit Fronten, Mikrobursts und Jetstreams verbunden ist. Flugwetterberichte (METARs, TAFs) und Flugplanungstools enthalten Windscherungs-Hinweise und erhöhen so die Situationswahrnehmung der Piloten.

Arten der Windscherung

Windscherung tritt in mehreren unterschiedlichen Formen auf, die jeweils eigene Ursachen und betriebliche Bedeutung haben. Das Verständnis dieser Typen ist für Piloten, Meteorologen und Fluglotsen unerlässlich.

Horizontale Windscherung

Horizontale Windscherung ist eine Änderung der Windgeschwindigkeit oder -richtung über eine kurze horizontale Distanz, typischerweise weniger als 1 Meile. Sie tritt häufig an Frontgrenzen auf, wo Luftmassen mit unterschiedlichen Eigenschaften aufeinandertreffen, oder in der Nähe von Oberflächenhindernissen wie Hallen, Gebäuden oder Geländestrukturen. Flugzeuge, die beim Anflug oder Start auf horizontale Windscherung treffen, können plötzliche Änderungen der Fluggeschwindigkeit erleben, was eine schnelle Reaktion des Piloten erfordert.

Vertikale Windscherung

Vertikale Windscherung ist eine schnelle Änderung der Windgeschwindigkeit oder -richtung mit der Höhe. Häufige Ursachen sind Temperaturinversionen, bodennahe Jets oder Gewitterabflüsse. Vertikale Windscherung ist besonders beim Start und bei der Landung gefährlich, da ein plötzlicher Wechsel von Gegenwind zu Rückenwind zu Auftriebs- und Höhenverlust führen kann, was harte Landungen oder ein Überschießen der Landebahn zur Folge haben kann.

Bodennahen Windscherung (LLWS)

LLWS tritt unterhalb von 2.000 Fuß über Grund auf und ist die gefährlichste Form für die Luftfahrt, da sie Start und Landung direkt betrifft. Ursachen sind Mikrobursts, Böenfronten, Temperaturinversionen und Oberflächenhindernisse. LLWS wird gemeldet, wenn sich die Windgeschwindigkeit innerhalb von 2.000 Fuß AGL um 15 Knoten oder mehr ändert. Erkennungssysteme und Pilotentraining konzentrieren sich stark auf diese Bedrohung.

Klarluftturbulenz (CAT)

CAT ist eine Windscherung, die in großer Höhe in klarer Luft auftritt, oft in der Nähe von Jetstreams oder starken atmosphärischen Schwerewellen. Sie ist unsichtbar und unvorhersehbar und stellt für Flugzeuge auf Reiseflughöhe ein Risiko durch plötzliche und starke Turbulenzen dar, die zu Passagierverletzungen oder strukturellen Schäden führen können.

Ursachen der Windscherung

Frontenaktivität

Frontgrenzen, an denen zwei Luftmassen aufeinandertreffen, sind Hauptorte für Windscherung. Der starke Gradient in Windgeschwindigkeit und -richtung entlang von Fronten – besonders Kaltfronten – kann bei Flugzeugen, insbesondere beim Anflug und Start, zu schnellen Fluggeschwindigkeitsschwankungen führen.

Gewitter und Mikrobursts

Gewitter erzeugen starke Abwinde und Mikrobursts, die intensive Windgradienten (manchmal über 100 Knoten am Boden) verursachen. Mikrobursts sind hoch lokalisiert und kurzlebig, können aber katastrophale Auswirkungen auf Flugzeuge haben, wie mehrere historische Unfälle zeigen. Erkennung erfolgt durch Doppler-Radar, LLWAS und Pilotenmeldungen.

Temperaturinversionen

Temperaturinversionen entstehen, wenn warme Luft kältere Luft am Boden überlagert und so die ruhige Luft darunter einschließt, während darüber stärkere Winde herrschen. Dies führt zu starker vertikaler Windscherung, besonders nachts oder früh morgens bei Ausstrahlungskühlung.

Jetstreams

Jetstreams – schmale Bänder starker Winde in großer Höhe – erzeugen scharfe horizontale und vertikale Windgradienten an ihren Rändern. Flugzeuge, die Jetstreams kreuzen, können Klarluftturbulenz und schnelle Veränderungen der Flugbedingungen erleben.

Oberflächenhindernisse

Gebäude, Berge und Bäume können den Windfluss um Flughäfen stören und lokal begrenzte Windscherung verursachen. Flughäfen in komplexem Gelände sind besonders anfällig für diese Effekte und benötigen zusätzliche Überwachung und Hinweise.

Auswirkungen der Windscherung auf Flugzeuge

Windscherung kann insbesondere beim Start, Anflug und bei der Landung unmittelbare und schwerwiegende Auswirkungen auf die Flugzeugleistung und Sicherheit haben:

• Plötzlicher Verlust oder Gewinn an Fluggeschwindigkeit: Ein schneller Wechsel von Gegen- zu Rückenwind kann den Auftrieb verringern und zu einem schnellen Sinkflug führen.
• Abweichungen in Fluglage und Höhe: Flugzeuge können vom gewünschten Flugweg abkommen, was harte Landungen oder Geländekontakt zur Folge haben kann.
• Erhöhter Arbeitsaufwand: Piloten müssen schnell reagieren, Schub anpassen und Ausweichmanöver einleiten.
• Unfallgefahr: Mehrere schwere Unfälle wurden auf unerwartete Windscherung zurückgeführt, insbesondere Mikrobursts.

Moderne Flugzeuge und Flughäfen nutzen eine Kombination aus Technik, Verfahren und Schulung, um diese Risiken zu mindern. Bordsysteme können vorausschauende Windscherungswarnungen geben, während bodengestützte Systeme und Echtzeitwetterberichte die Piloten informieren.

Erkennung und Meldung von Windscherung

• LLWAS (Low-Level Wind Shear Alert System): Netzwerke von Anemometern rund um Start- und Landebahnen erkennen schnelle Windänderungen und warnen Lotsen und Piloten.
• Doppler-Wetterradar: Bietet 3D-Windfelddaten, die entscheidend für die Erkennung von Mikrobursts und Böenfronten sind.
• Windprofiler: Liefern kontinuierliche vertikale Windprofile bis in mehrere Kilometer Höhe.
• PIREPs (Pilotenmeldungen): Direkte Meldungen von Piloten, die auf Windscherung treffen, an die Flugsicherung und Meteorologen.
• METAR/TAF-Berichte: Standardisierte Flugwetterberichte und -vorhersagen enthalten Windscherungshinweise (z.B. „WS020/22035KT“).

Operative Reaktion und Pilotentraining

Piloten sind darin geschult:

• Anzeichen von Windscherung zu erkennen (plötzliche Änderungen der Fluggeschwindigkeit oder Höhe, visuelle Hinweise).
• Wiederherstellungsmaßnahmen durchzuführen: maximalen Schub anwenden, Fluglage anpassen, Ausweichanweisungen befolgen.
• Flugwetterbriefings vor dem Flug und Updates während des Flugs zu nutzen, um Windscherung vorherzusehen.
• Go-Around- und Fehlanflugverfahren einzuhalten, wenn beim Anflug Windscherung festgestellt wird.

Fluggesellschaften und Aufsichtsbehörden verlangen regelmäßiges Windscherungstraining und Simulationen für Flugbesatzungen, um die Bereitschaft für diese kritischen Situationen sicherzustellen.

Bedeutende Windscherungs-Unfälle

Mehrere aufsehenerregende Flugunfälle haben die Gefahren der Windscherung, insbesondere von Mikrobursts, verdeutlicht:

• Delta Air Lines Flug 191 (1985): Stürzte im Anflug auf Dallas-Fort Worth aufgrund eines Mikrobursts ab, was zu erheblichen Verbesserungen bei der Erkennung von Windscherung und der Pilotenausbildung führte.
• Eastern Air Lines Flug 66 (1975): Stürzte kurz vor der Landebahn des JFK-Flughafens aufgrund von Windscherung durch Gewitterabflüsse ab.

Diese Ereignisse führten weltweit zur Entwicklung fortschrittlicher Erkennungssysteme, zur Verbesserung der Pilotenausbildung und zu neuen betrieblichen Verfahren.

Zusammenfassung

Windscherung ist nach wie vor eines der kritischsten meteorologischen Risiken in der Luftfahrt. Ihre plötzliche, oft unsichtbare Natur erfordert eine Kombination aus modernster Technik, solider Berichterstattung und umfassender Pilotenausbildung, um die Sicherheit zu gewährleisten. Erkennungssysteme wie LLWAS und Doppler-Radar, zusammen mit regulatorischen Protokollen und kontinuierlicher Schulung, haben die Zahl der windscherungsbedingten Unfälle deutlich reduziert – doch Wachsamkeit bleibt unerlässlich, insbesondere da Klimaschwankungen die Wetterlagen und Extremereignisse weltweit beeinflussen.

Durch das Verständnis der Ursachen, Typen, Erkennungsmethoden und operativen Reaktionen auf Windscherung können Luftfahrtprofis diese anhaltende Bedrohung besser beherrschen und die höchsten Standards der Flugsicherheit aufrechterhalten.

Weiterführende Literatur und Ressourcen

• FAA Windshear Training Aid
• ICAO Leitfaden zur Windscherung
• National Weather Service: Windshear