7-1-24. Microbursts

7-1-24. Microbursts

 

a. 마이크로버스트는 소규모의 강력한 하강기류이다. 이는 지표면에 닿은 후 하강기류 중심으로부터 사방으로 퍼져나간다. 이로 인해 vertical wind shear와 horizontal wind shear가 모두 발생하며 이는 모든 항공기에 (특히 저고도에 놓인 항공기에)매우 위험할 수 있다. 마이크로버스트는 규모가 작고 수명이 짧다. 마이크로버스트는 강수가 없는 지역에서도 발생할 수 있으므로 기존의 기상 레이더나 wind shear alert systems로는 이를 쉽게 감지할 수 없다.

 

b. 마이크로버스트 활동을 일으키는 parent clouds는 저층이나 중층의 대류성 구름일 수 있다. 허나 마이크로버스트는 보통 뇌우의 폭우 부분에서, 그리고 강수가 거의 없는 온화한 대류 세포에서 발생한다는 점에 유의한다.

 

c. 마이크로버스트의 수명 주기를 그림 7-1-13에서 확인할 수 있다. 중요한 점은 마이크로버스트가 지면에 닿은 후 약 5분 동안 강해진다는 것이다.

d. 마이크로버스트의 특징은 다음과 같다:

 

1. Size. cloud base에서 1,000 ~ 3,000ft AGL로 하강할 때 downdraft의 지름은 1마일 미만이다. 지표면 근처에서는 downdraft가 수평으로 흐르며 지름이 2.5마일까지 확장될 수 있다.

 

2. Intensity. downdrafts는 6,000fpm까지 강해질 수 있다. 지표면 근처의 수평 바람은 45노트까지 강해질 수 있다. 이는 마이크로버스트를 가로질러 90노트의 shear(정풍이 배풍으로 바뀌는 현상)를 발생시킬 수 있다. 이 강한 수평 바람이 지표면으로부터 수백 피트 이내에서 발생한다.

 

(ATP: 도플러 레이더 바람 측정에 의하면 보통 수준의 마이크로버스트 통과 시 최대 강도 지점에서 약 45kt의 풍속 변화가 예상될 수 있다 . 허나 약 100kt의 풍속 변화가 측정된 적도 있다.)

 

(ATP: 마이크로버스트의 정풍이 40kt인 경우 배풍은 짐작건대 40kt일 것이다. 그 결과 마이크로버스트를 가로질러 80kt의 shear가 발생한다.)

 

3. Visual Signs. 마이크로버스트는 대류 활동이 있는 거의 모든 곳에서 확인될 수 있다. 마이크로버스트는 뇌우와 관련된 폭우에 감춰져 있거나, 혹은 virga의 약한 비에 감춰져 있을 수 있다. 마이크로버스트가 강수를 동반하지 않는 경우 고리 모양으로 날리는 먼지가 그 존재를 알려주는 유일한 시각적 단서가 될 수 있다.

 

4. Duration. 각각의 마이크로버스트는 지면에 닿은 시점부터 소멸하기 전까지 15분미만으로 지속된다. 지면에 닿은 후 첫 5분 동안 수평 바람이 계속 증가하며 약 2 ~ 4 분 동안 최대 강도의 바람이 지속된다. 때때로 마이크로버스트가 일렬로 모이며 이 경우 마이크로버스트 활동이 한 시간 정도 지속될 수 있다. 마이크로버스트 활동이 시작된 후 동일 지역에서 여러 마이크로버스트가 발생하는 것은 드문 일이 아니며 이를 예상해야 한다.

 

e. microburst wind shear는 1,000ft AGL 이내의 항공기에(특히 이착륙 단계인 항공기에) 심각한 위험을 초래할 수 있다. 마이크로버스트가 항공기에 미치는 영향이 그림 7-1-14에 나타나 있다. 항공기는 먼저 headwind(성능 상승)를 마주한다. 그런 다음에는 downdraft와 tailwind(둘 다 성능 감소)를 마주하여 지형에 충돌할 수도 있다.

 

1번 지점 – headwind로 인하여 pitch나 power의 변화 없이도 성능이 증가한다.

2번 지점 – headwind 성분이 감소한다.

3번 지점 – 비행기가 마이크로버스트의 중심에 접근하면서 강한 downdraft를 경험한다.

4번 지점 – tailwind와 downdraft로 인하여 성능이 감소한다.

5번 지점 – 충돌 직전의 상황을 나타낸다.

 

f. Detection of Microbursts, Wind Shear and Gust Fronts.

 

1. FAA’s Integrated Wind Shear Detection Plan.

 

(a) FAA는 현재 wind shear 탐지를 위한 통합 계획을 사용하고 있다. 해당 계획은 몇몇 프로그램들(예를 들어 ITWS – Integrated Terminal Weather System, WSP – Weather Systems Processor, 그리고 LLWAS – Low Level Wind Shear Alert Systems)을 하나의 전략상 개념으로 통합하여 terminal area의 항공 기상 정보를 크게 향상시킨다. (그림 7-1-15 참조.)

(b) wind shear/microburst 정보 및 경보는 tower cabs에 위치한 RBDT(ribbon display terminals)에 표시된다. 이는 LLWAS, TDWR, 그리고 WSP 시스템에서 모두 동일하며 관제사가 데이터를 해석할 필요 없이 디스플레이에 표시된 정보를 조종사에게 읽어주기만 하도록 설계되어 있다. 관제사는 위험 상황을 조종사에게 신속하게 전달하기 위하여 RBDT를 지속적으로 모니터링 한다.

 

(c) wind shear/micro-burst의 조기 감지, 그리고 이착륙 항공기를 위한 후속 경보는 조종사에게 위험 상황의 가능성을 알리며 이에 대비할 수 있도록 해준다. 이러한 경보가 없다면 항공기가 해당 상황으로부터 벗어나지 못하여 재앙이 발생할 수 있다. 항공사들은 FAA와 함께 시뮬레이터를 이용한 특수 훈련 프로그램을 개발하였다. 이는 wind shear 및/혹은 microburst를 탈출하는데 필요한 항공기 절차를 훈련 및 대비하기 위함이다.

 

2. Low Level Wind Shear Alert System(LLWAS).

 

(a) LLWAS는 공항 근처의 wind shear와 microburst 존재를 감지하기 위하여 바람 정보를 제공한다. 기둥에 장착되는 바람 센서들은 활주로 중심선으로부터 5,000ft 이하에 위치한다(2,000 ~ 3,500ft 지점이 이상적임). (그림 7-1-16)

(b) LLWAS는 1988년 전국 110개 공항에 설치되었다. 이러한 시스템들 중 상당수가 새로운 TDWR 및 WSP 기술로 대체되었다. 기존의 LLWAS 시스템은 결국 단계적으로 철거될 예정이다. 허나 39개의 공항은 이를 LLWAS-NE(Network Expansion) 시스템으로 업그레이드할 예정이다. 새로운 LLWAS-NE 시스템은 관제사에게 wind shear 경보를 제공할 뿐만 아니라 활주로와 관련된 위험 요소의 위치도 제공한다. 또한 이는 새로운 활주로가 건설됨에 따라 공항과 함께 성장할 수 있는 기능을 가지고 있다. 공항 및 활주로와 관련하여 전략적으로 배치된 최대 32개의 센서가 LLWAS-NE 네트워크에 수용될 수 있다.

 

3. Terminal Doppler Weather Radar(TDWR).

 

(a) TDWR이 미국에 45개 배치되었다. 공항으로부터 8 ~ 12마일 떨어진 지점이 TDWR을 위한 최적의 위치이다. 이는 microbursts, gust fronts, wind shifts, 그리고 precipitation intensities를 탐지하기 위해 공항 주변 공역을 확인하도록 설계되었다. TDWR은 모든 활주로, 그리고 활주로 중심선으로부터 양 쪽 1/2마일 영역(final approach의 경우 3마일의 접근 경로까지, 그리고 departure의 경우 2마일의 출항 경로까지)에 영향을 미치는 wind shear나 microburst를 관제사에게 알려준다. (그림 7-1-17은 소프트웨어가 wind shear나 microburst의 위치를 결정할 때 사용하는 warning boxes의 모습이다). 해당 경고는 RBDT에 표시된다(subparagraph 5의 예시 참조).

(b) TDWR이 수행하지 않는 것을 알아야 한다:

 

(1) 이는 alert boxes 바깥의 wind shear는 경고하지 않는다.

 

(2) 이는 마이크로버스트나 돌풍 전선이 아닌 wind shear를 탐지하지 않는다.

 

(3) 이는 돌풍성 바람 조건이나 측풍 조건을 탐지하지 않는다.

 

(4) 이는 난기류를 탐지하지 않는다.

 

이러한 시스템에 대한 개발 및 연구가 계속되고 있다. 향후에는 폭풍의 움직임, 돌풍 전선의 탐지, 폭풍의 성장 및 소멸, 마이크로버스트 예측, 그리고 난기류 감지가 포함될 수 있다.

 

(c) 또한 TDWR은 GSD(geographical situation display)를 제공한다. GSD는 6단계의 기상(precipitation), 돌풍 전선, 그리고 폭풍 예상 움직임을 표시한다. tower supervisor(s), traffic management specialists, 그리고 controllers는 이러한 정보를 사용하여 활주로 변경, 그리고 입항/출항 경로 변경을 계획한다. 이는 항공기 지연을 줄이고 공항 수용 능력을 높인다.

 

4. Weather Systems Processor(WSP).

 

(a) WSP는 controller, supervisor, traffic management specialist, 그리고 pilot에게 TDWR와 동일한 정보를 보다 저렴한 비용으로 제공한다. 이는 공항 근처에 위치한 기존 ASR-9 레이더의 weather channel 기능에 접속하는 새로운 기술을 활용함으로써 이루어진다. 그 결과 별도의 레이더 위치, 토지 확보, 그리고 지원 시설에 대한 요구사항들이 사라진다.

 

(b) WSP는 TDWR, 그리고 LLWAS와 동일한 RBDT display를 사용한다. 그리고 TDWR와 마찬가지로 GSD를 가지고 있다. WSP GSD는 TDWR display를 모방한 것이다. 즉, 이 또한 6단계의 precipitation, 돌풍 전선, 그리고 폭풍 예상 움직임을 표시하며 활주로 변경 및 입출항 경로 변경 계획에 사용된다.

 

(c) 이 시스템은 전국 34개의 공항에 설치되어 있으며 비행 안전을 크게 향상시킨다.

 

5. Operational aspects of LLWAS, TDWR, and WSP.

 

관제사와 조종사가 이 정보를 어떻게 사용하는지를 나타내기 위해 세 가지 ribbon display 예시와 그 설명이 제시된다:

 

(a) MICROBURST ALERTS

 

EXAMPLE-

다음은 tower cab의 관제사가 ribbon display에서 확인하는 것이다.

NOTE-

(TDWR/WSP가 마이크로버스트의 위치를 결정하는 방법은 그림 7-1-18을 참조한다.)

관제사는 경보 발행 시 다음과 같이 말한다.

 

PHRASEOLOGY-

RUNWAY 27 ARRIVAL, MICROBURST ALERT, 35 KT LOSS 2 MILE FINAL, THRESHOLD WIND 250 AT 20.

 

이는 활주로로 향하는 접근 경로에 마이크로버스트 경보가 발생하였음을, 그리고 final approach로부터 대략 2마일 지점(처음으로 현상을 마주하는 지점)에서 35노트의 대기속도 손실을 예상하라는 의미이다. 이 정보를 받은 후 접근을 계속하기로 결정하였다면 조종사는 wind shear/microburst escape procedures를 적용할 수 있도록 준비해야 한다. 또한 runway 27에서의 지표면 바람은 250도에서 20노트로 보고되었다.

 

NOTE-

조종사 요청 시, 혹은 관제사가 필요하다 판단 시 threshold wind가 발부된다.

 

REFERENCE-

FAA Order JO 7110.65, Para 3-1-8b2(a), Air Traffic Control, Low Level Wind Shear/Microburst Advisories.

 

(b) WIND SHEAR ALERTS

 

EXAMPLE-

다음은 tower cab의 관제사가 ribbon display에서 확인하는 것이다.

NOTE-

(TDWR/WSP가 wind shear의 위치를 결정하는 방법은 그림 7-1-19를 참조한다.)

관제사는 경보 발행 시 다음과 같이 말한다.

 

PHRASEOLOGY-

RUNWAY 27 ARRIVAL, WIND SHEAR ALERT, 20 KT LOSS 3 MILE FINAL, THRESHOLD WIND 200 AT 15

 

이는 활주로로 향하는 접근 경로에 wind shear 경보가 발생하였음을, 그리고 final approach로부터 대략 3마일 지점에서 20노트의 대기속도 손실과 난기류를 예상하라는 의미이다. 또한 runway 27에서의 지표면 바람은 200도에서 15노트로 보고되었다.

 

NOTE-

조종사 요청 시, 혹은 관제사가 필요하다 판단 시 threshold wind가 발부된다.

 

REFERENCE-

FAA Order JO 7110.65, Para 3-1-8, Low Level Wind Shear/Microburst Advisories, Subpara b2(a).

 

(c) MULTIPLE WIND SHEAR ALERTS

 

EXAMPLE-

다음은 tower cab의 관제사가 ribbon display에서 확인하는 것이다.

NOTE-

(TDWR/WSP가 gust front/wind shear의 위치를 결정하는 방법은 그림 7-1-20을 참조한다.)

관제사는 경보 발행 시 다음과 같이 말한다.

 

PHRASEOLOGY-

MULTIPLE WIND SHEAR ALERTS. RUNWAY 27 ARRIVAL, WIND SHEAR ALERT, 20 KT GAIN ON RUNWAY; RUNWAY 27 DEPARTURE, WIND SHEAR ALERT, 20 KT GAIN ON RUNWAY, WIND 250 AT 20.

 

EXAMPLE-

해당 예시에서 관제사는 입출항 항공기에게 돌풍 전선(풍향의 상당한 변화)으로 인해 활주로에서 wind shear를 마주할 수 있음을, 그리고 돌중 전선과 관련하여 대기속도가 20노트 증가할 수 있음을 알려준다. 또한 지표면 바람은 250도에서 20노트로 보고되었다.

 

REFERENCE-

FAA Order 7110.65, Para 3-1-8, Low Level Wind Shear/Microburst Advisories, Subpara b2(d).

 

6. The Terminal Weather Information for Pilots System(TWIP).

 

(a) TDWR을 통해 제공되는 terminal weather information의 양과 품질이 증가함에 따라 이러한 정보를 ATC와의 음성 교신을 통해 전달하는 대신 조종사에게 직접 전달하는 것이 다음 단계였다. NAS는 terminal weather information을 속도와 정확성 측면에서 보다 효율적으로 조종실에 전달하는 수단을 필요로 해왔다. 이는 위험 기상에 대한 조종사의 인식을 강화하고 관제사의 업무량을 줄이기 위함이다. TWIP 기능을 통해 미국 내 46개의 공항에서는 terminal weather information을 영숫자 형식과 그래픽 형식으로 조종실에 직접 제공할 수 있다. (그림 7-1-21 참조.)

(b) TWIP 정보는 TDWR이나 ITWS(Integrated Terminal Weather System)의 기상 데이터를 사용하여 생성된다. 이러한 정보는 ACARS(Aircraft Communications Addressing and Reporting System) data link services를 사용하는 조종사가 이용할 수 있다. 운항관리사 또한 이러한 정보를 이용할 수 있으며 wind shear가 시작되거나 끝날 때마다 특정 항공기에 메시지를 보낼 수 있다.

 

(c) TWIP 정보는 microburst alerts, wind shear alerts, significant precipitation, terminal area로부터 30마일 이내의 convective activity, 그리고 공항 운영에 영향을 미치는 예상 기상에 대한 설명과 문자 그래픽을 포함한다. 날씨가 안 좋은 경우(즉, terminal area로부터 15마일 이내에 특정 수준의 precipitation이나 wind shear가 탐지된 경우) TWIP는 텍스트 메시지의 경우 1분마다, 그리고 그래픽 메시지의 경우 5분마다 업데이트 된다. 날씨가 좋은 경우(즉, 특정 수준의 precipitation이나 wind shear에 못 미치는 경우)에는 각 메시지가 10분마다 업데이트 된다. 이러한 정보는 조종사의 상황 인식을 개선하기 위한, 그리고 이착륙 이전에 비행 계획을 세우는데 도움을 제공하기 위한 것이다. TWIP의 맥락에서 좋은 날씨와 나쁜 날씨에 대해 정해진 특정 수준은 VFR/MVFR/IFR/LIFR 기준과 무관하다. 이는 precipitation, wind shears, 그리고 microbursts만을 다룬다.