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Sergio Fernández González, Juan Iglesias Gómez, Julián Palacios García, Eroteida Sánchez García, María Rosa Pons Reynés, Iñaki Akarregi Cuadra y Daniel Suárez Milford. Miembros del Grupo de Trabajo de AEMET sobre el LIDAR de Bilbao
Problemática del Aeropuerto de Bilbao
Debido a su emplazamiento en un entorno con orografía compleja, el Aeropuerto Internacional de Bilbao (IATA: BIO, OACI: LEBB) se ve afectado de forma recurrente por fenómenos de cizalladura y turbulencia del viento. Como resultado, se producen importantes afecciones a las operaciones aeronáuticas, que se traducen en riesgos para la seguridad aérea y pérdidas económicas asociadas a retra sos de vuelos y desviaciones a otros aeropuertos. Consciente de esta problemática, la Agencia Estatal de Meteorología (AEMET) instaló en la década de los 2000 un sistema automático de detección de cizalladura a baja altura (LLWAS, Low Level Windshear Alert System), basado en una malla de sensores de viento que rodeaban el aeropuerto y caracterizaban el viento en superficie (la altura a la que se encontraban los sensores de viento variaba entre los 11 y 22 m). Debido a un exceso de falsas alarmas, el sistema fue mejorado en el 2013 con la renovación de parte de los sensores y la corrección de los algoritmos de filtrado. A pesar de las mejoras, la verificación de las alarmas generadas no obtuvo unos resultados suficientemente satisfactorios como para implantar este sistema de forma operativa, posiblemente porque los LLWAS están diseñados principalmente para detectar cizalladura horizontal, mientras que los fenómenos más frecuentes en Bilbao son la cizalladura vertical y la turbulencia. Simultáneamente a las últimas intervenciones sobre el sistema LLWAS, un estudio impulsado por una línea de actuación AEMET-COPAC —en el que también colaboraron AENA, ENAIRE, APROCTA y las aerolíneas— permitió caracterizar los fenómenos de cizalladura y turbulencia que afectan al Aeropuerto de Bilbao. Los resultados de este estudio, que se pueden consultar en la Guía Meteorológica del
Qué es la cizalladura
La cizalladura del viento se define como la diferencia de velocidad del aire —en módulo o dirección— entre dos puntos de la atmósfera separados cierta distancia entre si. En función de su intensidad y de las características de la aeronave puede resultar imperceptible o constituir uno de los fenómenos atmosféricos de mayor peligrosidad para la navegación aérea. En aeronáutica, la cizalladura se expresa como la ganancia o pérdida del viento en cara que experimenta una aeronave al recorrer un espacio determinado. En función de la dimensión espacial en la que se esté produciendo la variación del viento que da lugar a esa ganancia o pérdida, pueden distinguirse dos tipos: cizalladura vertical —cambio en la velocidad horizontal del viento con la altura (perceptible cuando el avión asciende o desciende)— y cizalladura horizontal —cambio en la velocidad horizontal del viento a lo largo de una trayectoria horizontal—. Durante la aproximación final y el despegue inicial, la velocidad y altura de las aeronaves se sitúan cerca de los valores críticos, por lo que, para garantizar la seguridad de las operaciones, sería valioso conocer si existe cizalladura en la capa inferior de la atmósfera (a una altura por debajo de 1600 ft). Según el Manual sobre cizalladura del viento a poca altura de la Organización de Aviación Civil Internacional (Doc 9817 OACI), se considera que existe cizalladura cuando se produce una ganancia o pérdida de viento en cara igual o superior a 15 kt en una distancia igual o inferior a 4 km (2,16 millas náuticas), considerándose como microrráfaga o microrreventón (microburst) si se rebasan los 30 kt de pérdida.
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Figura 1. Fotografía aérea del Aeropuerto de Bilbao con la localización del LIDAR doppler 3D y las distintas configuraciones de despegue y aterrizaje por la pista principal 12-30. Fuente: elaboración propia AEMET (2022).
Aeródromo de Bilbao1 y que fueron incluidos en el AIP del aeropuerto, corroboraron que la mayoría de fenómenos de cizalladura y turbulencia locales están asociados a vientos del SW superiores a 25 kt por encima de 1600 ft. En superficie, el viento puede ser del S-SE —canalizándose por el valle en el que se ubica el aeropuerto— o del SW —perturbándose el flujo al atravesar zonas de orografía compleja cercanas al aeropuerto. La velocidad del viento en superficie se sitúa generalmente entre 12 y 25 kt, aunque en ocasiones puede producirse cizalladura y turbulencia con viento en superficie inferior a 10 kt. Por tanto, el viento en superficie no siempre es representativo del viento con el que se encontrarán las aeronaves durante la aproximación y el despegue. Durante estos episodios, las aeronaves pueden experimentar tanto ganancias como pérdidas de viento en cara superiores a 15 kt. La cizalladura suele producirse de forma previa a la entrada de frentes fríos, que a su vez están asociados al paso de borrascas atlánticas. La ocurrencia de estos fenómenos es más frecuente durante los meses comprendidos entre octubre y marzo, periodo del año en el que es más habitual el paso de borrascas atlánticas por latitudes medias. Entre las conclusiones de este estudio se incluía la predominancia de los fenómenos de turbulencia y cizalladura vertical en aire claro, al producirse ambos de forma previa a la llegada de nubosidad y precipitaciones asociadas al paso de los frentes fríos. Por este motivo, y con base en experiencias similares en otros aeropuertos (Hong Kong o Niza, entre otros), AEMET consideró la posibilidad de instalar un LIDAR doppler 3D para ayudar en la detección de estos fenómenos de viento en tiempo real. Finalmente, en diciembre de 2020 AEMET adquirió para su instalación en el Aeropuerto de Bilbao un LIDAR doppler 3D, modelo Windcube-400SAT de la marca Leosphere (Vaisala), cuyo alcance, funcionalidad y tamaño compacto lo hacían ideal para esta localización. Actualmente, el sensor se encuentra situado en las inmediaciones del equipamiento meteorológico de la cabecera 28, a 240 m del eje de la pista 12-30 (véase figura 1).
1 http://www.aemet.es/documentos/es/conocermas/aeronautica/Guias_aerodromo/guiaLEB B.pdf
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Figura 2. Esquema de funcionamiento de un LIDAR doppler 3D. Fuente: elaboración propia AEMET (2022).
Características del LIDAR doppler 3D
La tecnología LIDAR (Light Detection And Ranging) se fundamenta en la emisión de un haz láser pulsado, cuya señal es dispersada por aerosoles presentes en la troposfera, siendo una fracción de esta radiación devuelta en la dirección en la que se encuentra el LIDAR y detectada por el equipo. Midiendo el tiempo transcurrido desde la emisión del haz hasta la recepción de la señal devuelta se puede determinar la distancia a la que se encuentran los aerosoles responsables de la dispersión del láser. El LIDAR instalado en el Aeropuerto de Bilbao dispone también de función doppler, lo que permite medir el desplazamiento entre la longitud de onda de la señal emitida y la dispersada. Basándose en el efecto doppler, es posible determinar la velocidad del viento radial, es decir, la velocidad del viento proyectada sobre la dirección del haz láser emitido. Para que las medidas registradas por el LIDAR sean válidas y precisas se requiere la ausencia de nubes bajas y precipitación, pues ambas apantallan las señales. Los LIDAR doppler 3D disponen además de un cabezal móvil que les permite orientar su emisor/receptor en cualquier dirección de la bóveda celeste (figura 2). De este modo, estos equipos son capaces de medir el viento radial en cualquier posición de interés dentro del alcance teórico del instrumento (que en el caso del Windcube-400S-AT ronda los 10 km, unas 5,4 millas náuticas). El conjunto de azimuts y elevaciones en las que un LIDAR doppler 3D realiza mediciones constituye la estrategia de escaneo de ese equipo, que se diseña específicamente para adaptarse al problema que se pretende solucionar. En el caso del equipo instalado en el Aeropuerto de Bilbao, la cercanía al eje de la pista principal, su situación centrada en el aeródromo y la ausencia de obstáculos en el entorno que puedan bloquear la señal posibilitan —con la estrategia de escaneo adecuada— la medición del viento radial en las sendas de planeo y de despegue, independientemente de la configuración operativa que tenga el aeropuerto en un momento determinado (véase figura 2).
Sistema de alarmas de cizalladura
En septiembre de 2021, la Agencia Estatal de Meteorología inició un proyecto —enmarcado dentro del Plan Empresarial Aeronáutico 2022-2026—
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de desarrollo de un sistema de alarmas de cizalladura y turbulencia para el Aeropuerto de Bilbao basado en datos LIDAR. Este proyecto, acometido íntegramente con medios propios de la organización, tiene como objetivo principal diseñar, desarrollar, verificar y desplegar un sistema de alarmas de cizalladura y turbulencia a partir de las mediciones de viento radial proporcionadas por el LIDAR doppler 3D instalado en el aeródromo. Para ello, se está desarrollando y evaluando un algoritmo que genera alarmas cuando en las últimas/primeras millas de las sendas de planeo/despegue de las aeronaves se registran ganancias o pérdidas de viento en cara superiores a 15 kt. Durante los meses de octubre de 2021 a marzo de 2022, se realizó una primera campaña de obtención de datos de cizalladura y turbulencia, que contó con la colaboración de pilotos y controladores aéreos, cumplimentando estos últimos unos formularios diseñados al efecto. Los datos obtenidos en esta campaña se están empleando en la validación de las primeras versiones del algoritmo desarrollado. De esta primera campaña se obtuvieron casi 250 reportes, de los cuales 170 indicaban la percepción de turbulencia por parte de la tripulación (tabla 1). El 62 % de estos reportes de turbulencia se correspondían con aterrizajes, mientras que el 38 % fueron durante despegues. Respecto a la configuración operativa durante casos de turbulencia, predominan claramente aproximaciones y despegues por la pista 12 (89 % de los casos de turbulencia) frente a la 30 (11 %). En relación con la cizalladura, el 88 % de los reportes fueron en aterrizajes, y el 71 % se produjeron con la cabecera 12 operativa. No obstante, es preciso tener en cuenta que, en situaciones de cizalladura y turbulencia, las operaciones se desarrollan siempre por la pista que entraña menos peligro para las aeronaves, por lo que una mayor notificación de fenómenos en una configuración frente a la otra no indica necesariamente que el fenómeno sea más frecuente en dicha configuración. El 43 % de las frustradas registradas entre octubre de 2021 y marzo de 2022 fueron debidas a cizalladura y el 6 % a turbulencia, a pesar de que durante esos meses hubo menos episodios de viento de componente sur de lo que suele habitual en esta localización y época del año. Por último, si se consideran también fenómenos directamente relacionados con la cizalladura y la turbulencia —como viento en cola, fuertes rachas o viento cruzado— se puede concluir que el 68 % de las operaciones frustradas estuvieron relacionadas con cizalladura y turbulencia. Otro fenómeno meteorológico que también ocasionó frustradas fue la visibilidad reducida, aunque en un porcentaje muy inferior (11 %) a los anteriores. El 21 % restante fueron debidas a causas no meteorológicas (Tabla1).
Algoritmo de cizalladura
El proceso de generación de alarmas de cizalladura a partir del viento radial medido por el LIDAR comienza con la selección de la estrategia de escaneo. El objetivo de esta fase es asegurarse de que las medidas proporcionadas por el equipo son de buena calidad y sirven para caracterizar el campo de viento radial en la zona de interés — sendas de aterrizaje y despegue— y sus proximidades. Con esta idea, la estrategia ideal pasaría por caracterizar todo el entorno del aeródromo, a la máxima resolución y alcance, realizando mediciones en los 360º de azimut y a múltiples elevaciones. Sin embargo, cualquier decisión para aproximarse a esta estrategia ideal tiene un coste: el tiempo que tarda el equipo en completar toda la estrategia de escaneo. En este sentido, interesa que el tiempo que tarda en completarse un ciclo completo de escaneo sea lo más bajo posible, no solo porque los fenómenos significativos de viento tienen una escala de variación temporal que, en ocasiones, es inferior al minuto, sino también porque una mayor frecuencia implica una actualización más rápida de la información a los usuarios. Por todo ello, es preciso encontrar un compromiso entre obtener datos de buena calidad que representen una amplia
RWY 12 RWY 30 Total Aterrizaje Despegue Aterrizaje Despegue
Ligera 38 33 4 3 78 Turbulencia Moderada 47 20 5 3 75 Fuerte 7 6 4 0 17
Cizalladura
Frustradas
25 4 11 1 41
17 - 14 - 31
Tabla 1: Número de reportes registrados durante la campaña de obtención de datos comprendida entre los meses de octubre de 2021 y marzo de 2022. Fuente: Elaboración propia AEMET (2022).
