Estación meteorológica automatizada para aeropuerto

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Las estaciones meteorológicas de aeropuerto son conjuntos de sensores automatizados diseñados para prestar servicios a las operaciones meteorológicas y de aviación , al pronóstico del tiempo y a la climatología . Las estaciones meteorológicas automatizadas de aeropuerto se han convertido en parte de la columna vertebral de la observación meteorológica en los Estados Unidos y Canadá y cada vez son más frecuentes en todo el mundo debido a su eficiencia y ahorro de costos.

En Estados Unidos existen diversas variedades de estaciones meteorológicas automatizadas que tienen diferencias algo sutiles pero importantes. Entre ellas se encuentran el sistema automatizado de observación meteorológica ( AWOS ) y el sistema automatizado de observación de superficie ( ASOS ).

Resumen de los programas de observación meteorológica ^[1]

Elemento reportado	Viento	Visibilidad	Temperatura y punto de rocío	Altímetro	Altímetro de densidad	Nube / Techo	Identificación de precipitaciones	Tormenta eléctrica / Rayo	Ocurrencia de precipitaciones	Acumulación de lluvia	Estado de la superficie de la pista	Aparición de lluvia helada	Observaciones
ASOS
AWOS-A
AWOS-A/V
AWOS-1
AWOS-2
AWOS-3
AWOS-3P
AWOS-3T
AWOS-3P/T
AWOS-4
Manual

Las unidades del sistema automatizado de observación meteorológica ( AWOS ) son operadas, mantenidas y controladas principalmente por gobiernos estatales o locales y otras entidades no federales y están certificadas bajo el Programa AWOS no federal de la FAA. ^[2] La FAA completó una actualización de los 230 sistemas AWOS propiedad de la FAA y los antiguos sistemas de sensores meteorológicos automatizados (AWSS) a la configuración AWOS-C en 2017. ^[3] El AWOS-C es la instalación AWOS propiedad de la FAA más actualizada y puede generar informes meteorológicos de aviación con formato METAR/SPECI. El AWOS-C es funcionalmente equivalente al ASOS. ^[4] Las unidades AWOS-C propiedad de la FAA en Alaska generalmente se clasifican como unidades AWOS-C IIIP, mientras que todas las demás unidades AWOS-C generalmente se clasifican como unidades AWOS III P/T. ^[5]

Los sistemas AWOS difunden datos meteorológicos de diversas maneras:

• Un mensaje de voz generado por computadora que se transmite por radiofrecuencia a los pilotos que se encuentran en las inmediaciones de un aeropuerto. El mensaje se actualiza al menos una vez por minuto y es la única forma obligatoria de informar sobre el tiempo en un AWOS.
• Opcionalmente, un mensaje de voz generado por computadora, disponible a través de un servicio de módem telefónico . El mensaje se actualiza al menos una vez por minuto.
• De manera opcional (pero con frecuencia), los mensajes AWOS pueden transmitirse a la FAA para su difusión nacional por computadora. Estos mensajes están actualmente en formato METAR y la frecuencia de notificación típica es de una vez cada 20 minutos. Esta opción solo está disponible para los sistemas AWOS III o IV (ver a continuación).

Las siguientes configuraciones de AWOS se definen a continuación en términos de los parámetros que miden: ^[6]

• AWOS A: presión barométrica y ajuste del altímetro (en pulgadas de mercurio ).
• AWOS I: velocidad del viento y ráfagas de viento (en nudos ), dirección del viento (de donde sopla el viento) y dirección variable del viento (en grados de la brújula ), temperatura y punto de rocío (en grados Celsius ), ajuste del altímetro y altitud de densidad .
• AWOS II: todos los parámetros de AWOS I, más visibilidad y visibilidad variable (en millas ).
• AWOS III: todos los parámetros de AWOS II, más la condición del cielo (en octas ), la altura del techo de nubes (en pies ) y la acumulación de precipitación líquida (en pulgadas ).
• AWOS III P: todos los parámetros de AWOS III, más identificación del tipo de precipitación ( lluvia , nieve y a veces llovizna ).
• AWOS III T: todos los parámetros AWOS III, más detección de tormentas eléctricas (a través de un detector de rayos de nube a tierra ).
• AWOS III P/T: todos los parámetros de AWOS III, más identificación del tipo de precipitación y detección de tormentas eléctricas.
• AWOS IV Z: todos los parámetros P/T del AWOS III, más detección de lluvia helada a través de un sensor de lluvia helada (Nota: esta configuración solía llamarse AWOS III PTZ).
• AWOS IV R: todos los parámetros P/T del AWOS III, más el estado de la superficie de la pista .
• AWOS IV Z/R: todos los parámetros P/T del AWOS III, más detección de lluvia helada y condición de la superficie de la pista.

También es posible realizar configuraciones personalizadas, como AWOS AV (parámetros AWOS A más visibilidad). Se pueden conectar sensores no certificados a los sistemas AWOS, pero los datos meteorológicos derivados de esos sensores deben estar claramente identificados como "avisadores" en cualquier mensaje de voz y no pueden incluirse en ninguna observación METAR.

A partir del 22 de mayo de 2022, los siguientes fabricantes proporcionan sistemas AWOS no federales certificados por la FAA: ^[7]

• All Weather Inc. (una empresa de ADB SAFEGATE) ^[8]
• DBT Transportation Services LLC (una empresa de ADB SAFEGATE)
• Mesotech Internacional, Inc. ^[9]
• Óptica Científica Inc.

Las unidades del sistema automatizado de observación de la superficie ( ASOS ) son operadas y controladas de manera cooperativa en los Estados Unidos por el NWS, la FAA y el DOD. Después de muchos años de investigación y desarrollo, el despliegue de las unidades ASOS comenzó en 1991 y se completó en 2004.

Estos sistemas generalmente informan a intervalos de una hora, pero también informan observaciones especiales si las condiciones meteorológicas cambian rápidamente y superan los umbrales de operación de la aviación. Por lo general, informan todos los parámetros del AWOS-III, y también tienen la capacidad adicional de informar la temperatura y el punto de rocío en grados Fahrenheit, el clima actual , la formación de hielo , los rayos , la presión a nivel del mar y la acumulación de precipitaciones .

Además de atender las necesidades de la aviación, ASOS actúa como red de observación climatológica primaria en los Estados Unidos, conformando la red de primer orden de estaciones climáticas. Por este motivo, no todas las ASOS están ubicadas en un aeropuerto; por ejemplo, una de estas unidades está ubicada en el Castillo Belvedere en Central Park , Nueva York ; otra está ubicada en el Observatorio Blue Hill cerca de Boston , Massachusetts .

La FAA ha convertido todas las unidades del sistema de sensores meteorológicos automatizados ( AWSS ) en unidades AWOS III P/T. No quedan sistemas AWSS en el Sistema Nacional del Espacio Aéreo (NAS) de los EE. UU. ^[3]

Las estaciones meteorológicas automatizadas de los aeropuertos utilizan una variedad de equipos sofisticados para observar el clima.

La mayoría de las estaciones meteorológicas automatizadas más antiguas de los aeropuertos están equipadas con un sistema mecánico de veleta y copa para medir la velocidad y la dirección del viento. Este sistema tiene un diseño sencillo: el viento hace girar tres copas giradas horizontalmente alrededor de la base de la veleta, lo que proporciona una estimación de la velocidad del viento, mientras que la veleta de la parte superior gira de modo que la cara de la veleta ofrezca la menor resistencia al viento, lo que hace que apunte en la dirección de donde proviene el viento y, por lo tanto, proporcione la dirección del viento.

La nueva generación de sensores utiliza ondas sonoras para medir la velocidad y la dirección del viento. La medición se basa en el tiempo que tarda un pulso ultrasónico en viajar de un transductor a otro, que varía en función de la velocidad del viento, entre otros factores. El tiempo de tránsito se mide en ambas direcciones para varios pares (normalmente dos o tres) de cabezales transductores. En función de esos resultados, el sensor calcula la velocidad y la dirección del viento. En comparación con los sensores mecánicos, los sensores ultrasónicos ofrecen varias ventajas, como la ausencia de piezas móviles, capacidades avanzadas de autodiagnóstico y requisitos de mantenimiento reducidos.

Las estaciones ASOS del NWS y la FAA y la mayoría de las nuevas instalaciones AWOS están actualmente equipadas con sensores de viento ultrasónicos.

A diferencia de todas las demás mediciones, que se realizan entre 3 y 9 pies (0,91 y 2,74 metros) sobre el suelo, la velocidad y la dirección del viento se miden a 30 pies (9,1 metros).

Para determinar la visibilidad, las estaciones meteorológicas automatizadas de los aeropuertos utilizan uno de dos tipos de sensores:

• sensores de dispersión frontal
• transmisómetros

El sensor de dispersión frontal utiliza un haz de luz infrarroja que se envía desde un extremo del sensor hacia el receptor, pero desviado de una línea directa hacia el receptor en un ángulo determinado. La cantidad de luz dispersada por las partículas en el aire y recibida por el receptor determina el coeficiente de extinción. Este coeficiente se convierte luego en visibilidad utilizando la ley de Allard o la ley de Koschmieder.

En un transmisómetro, un haz de luz visible se transmite desde el transmisor al receptor. El coeficiente de extinción se deriva de la cantidad de luz que se pierde en el aire.

También hay sensores que, hasta cierto punto, combinan un transmisómetro con un sensor de dispersión frontal.

Los sensores de dispersión frontal son más populares debido a su menor precio, menor tamaño y menores requisitos de mantenimiento. Sin embargo, los transmisómetros aún se utilizan en algunos aeropuertos, ya que son más precisos en condiciones de baja visibilidad y son a prueba de fallos, es decir, en caso de falla, informan que la visibilidad es menor que la real.

Los sensores actuales pueden informar sobre la visibilidad en un amplio rango. Para fines de aviación, los valores informados se redondean al paso inferior más cercano en una de las siguientes escalas:

• M1/4 (menos de 1/4 de milla), 1/4, 1/2, 3/4, 1, 1-1/4, 1-1/2, 2, 2-1/2, 3, 4, 5, 7, 10 y 10+ (más de 10 millas)
• En pasos de 50 m cuando la visibilidad sea inferior a 800 m; en pasos de 100 m cuando sea de 800 m o más, pero inferior a 5 km; en pasos de kilómetros cuando la visibilidad sea de 5 km o más pero inferior a 10 km; y de 10 km cuando la visibilidad sea de 10 km o más.

Las estaciones meteorológicas automatizadas de los aeropuertos utilizan un identificador meteorológico de diodos emisores de luz ( LEDWI ) para determinar si está cayendo precipitación y de qué tipo. El sensor LEDWI mide el patrón de centelleo de la precipitación que cae a través del haz infrarrojo del sensor (aproximadamente 50 milímetros de diámetro) y determina a partir de un análisis de patrones del tamaño de las partículas y la velocidad de caída si la precipitación es lluvia o nieve . ^[10] Si se determina que está cayendo precipitación, pero el patrón no se identifica de manera concluyente como lluvia o nieve, se informa de precipitación desconocida. Las estaciones meteorológicas automatizadas de los aeropuertos aún no pueden informar granizo , bolitas de hielo y varias otras formas intermedias de precipitación.

Las estaciones meteorológicas automatizadas de los aeropuertos no tienen un sensor independiente para detectar obstrucciones específicas a la visión. En cambio, cuando la visibilidad se reduce por debajo de 7 millas terrestres , el sistema utiliza la temperatura y el punto de rocío informados para determinar una obstrucción a la visión. Si la humedad relativa es baja (es decir, hay una gran diferencia entre la temperatura y el punto de rocío), se informa de neblina . Si la humedad relativa es alta (es decir, hay una pequeña diferencia entre la temperatura y el punto de rocío), se informa de niebla o neblina , según la visibilidad exacta. Se informa de niebla cuando la visibilidad es de 1/2 milla o menos; se informa de niebla para visibilidades mayores de 0,5 millas (0,80 km) pero menores de 7 millas (11 km). Si la temperatura está por debajo del punto de congelación , ^{[11] [12]} la humedad es alta y la visibilidad es de 1/2 milla o menos, se informa de niebla helada . ^[13]

Las estaciones meteorológicas automatizadas de los aeropuertos utilizan un ceilómetro de haz láser que apunta hacia arriba para detectar la cantidad y la altura de las nubes. El láser apunta hacia arriba y el tiempo necesario para que la luz reflejada regrese a la estación permite calcular la altura de la base de las nubes. Debido a la zona de cobertura limitada (el láser solo puede detectar nubes directamente sobre la cabeza), la computadora del sistema calcula una cobertura y un techo de nubes promediados en el tiempo , que se informa a los usuarios externos. Para compensar el peligro de que la cobertura del cielo cambie rápidamente, el promedio se pondera hacia los primeros 10 minutos del período de promedio de 30 minutos. El alcance del ceilómetro es de hasta 25 000 pies (7600 m) según el modelo. ^[14] Las nubes por encima de esa altura no son detectables por las estaciones automatizadas en la actualidad.

Las estaciones meteorológicas automatizadas de los aeropuertos utilizan un sensor de temperatura/punto de rocío (higrotermómetro) diseñado para un funcionamiento continuo que normalmente permanece encendido en todo momento, excepto durante el mantenimiento.

La medición de la temperatura es sencilla en comparación con el punto de rocío. Un termómetro resistivo de alambre de platino, que funciona según el principio de que la resistencia eléctrica varía con la temperatura, mide la temperatura del aire ambiente. El termómetro ASOS actual se denomina HO-1088, aunque algunos sistemas más antiguos aún utilizan el HO-83.

En cambio, la medición del punto de rocío es considerablemente más compleja. El sensor de punto de rocío original que se utilizó en los sistemas ASOS utilizaba un espejo enfriado hasta el punto en que se forma una fina película de condensación en la superficie del espejo. La temperatura del espejo en esta condición es igual a la temperatura del punto de rocío. El higrómetro mide el punto de rocío dirigiendo un haz de luz desde un pequeño diodo infrarrojo hacia la superficie del espejo en un ángulo de 45 grados. Se montan dos fototransistores de modo que midan un alto grado de luz reflejada cuando el espejo está despejado (directa) y luz dispersa cuando el espejo está nublado con condensación visible (indirecta). Con la formación de condensación en el espejo, el grado de nubosidad de la superficie del espejo aumenta y el transistor directo recibe menos luz y el indirecto más luz. La salida de estos fototransistores controla el módulo de enfriamiento del espejo, que es una bomba de calor electrónica que funciona de forma muy similar a un termopar en sentido inverso, produciendo un efecto de calentamiento o enfriamiento. Cuando se activa el sensor por primera vez, el espejo está despejado. A medida que la temperatura de la superficie del espejo se enfría hasta la temperatura del punto de rocío, se forman condensaciones en el espejo. La electrónica intenta continuamente estabilizar los niveles de señal que llegan al amplificador de potencia para mantener la temperatura del espejo en el punto de rocío. Si el punto de rocío del aire cambia o si el circuito se ve perturbado por el ruido, el circuito realiza las correcciones necesarias para volver a estabilizarse en el punto de rocío y mantener el funcionamiento continuo.

Debido a problemas con el sensor de espejo enfriado, los sitios ASOS de NWS ahora utilizan el sensor DTS1 de Vaisala, que mide la humedad solo a través de la capacitancia . El sensor se basa en un elemento de humedad relativa capacitivo de estado sólido que incorpora un pequeño calentador para que el elemento sensor esté siempre por encima de la temperatura ambiente, eliminando la formación de rocío o escarcha. El sensor informa directamente el punto de rocío a través de un cálculo basado en la humedad relativa medida y la temperatura medida del elemento capacitivo calentado. ^[15]

Los sistemas AWOS más antiguos utilizaban un sensor de punto de rocío de cloruro de litio. Los sistemas AWOS actuales utilizan sensores de humedad relativa capacitivos, a partir de los cuales se calcula el punto de rocío. ^[16]

Los datos de un sensor de presión barométrica se utilizan para calcular el ajuste del altímetro QNH . Los pilotos se basan en este valor para determinar su altitud . Para garantizar una separación segura del terreno y otros obstáculos, se requiere un alto grado de precisión y confiabilidad de un sensor de presión.

La mayoría de las estaciones meteorológicas de aviación utilizan dos (requeridos para un AWOS) o tres transductores de presión independientes. Los transductores pueden o no compartir sus tubos asociados y puertos externos (diseñados para minimizar el efecto del viento o las ráfagas de viento). Si las presiones informadas difieren en más de un máximo preestablecido, los valores de presión se descartan y la configuración del altímetro no se informa o se informa como "faltante".

El ajuste del altímetro se calcula en función de la presión barométrica, la elevación del sitio, la elevación del sensor y, opcionalmente, la temperatura del aire.

El ajuste del altímetro se informa en pulgadas de mercurio (en pasos de 0,01 inHg) o hectopascales enteros, redondeados hacia abajo.

El dispositivo original de medición de la acumulación de precipitaciones utilizado para las estaciones meteorológicas automatizadas de los aeropuertos era el pluviómetro de cubeta basculante calentada . La parte superior de este dispositivo consta de un colector de 1 pie (0,30 m) de diámetro con una parte superior abierta. El colector, que se calienta para derretir cualquier precipitación congelada, como nieve o granizo , canaliza el agua hacia un recipiente pivotante de dos cámaras llamado cubo . La precipitación fluye a través del embudo hacia un compartimento del cubo hasta que se acumulan 0,01 pulgadas (0,25 mm) de agua (18,5 gramos). Esa cantidad de peso hace que el cubo se incline sobre sus pivotes , vertiendo el agua recogida y moviendo la otra cámara debajo del embudo. El movimiento de inclinación activa un interruptor (ya sea un interruptor de láminas o un interruptor de mercurio ), que envía un pulso eléctrico por cada 0,01 pulgadas (0,25 mm) de precipitación recogida.

Debido a los problemas que presenta el balde basculante calentado para medir correctamente la precipitación congelada (en particular, la nieve), se desarrolló el medidor de acumulación de precipitación para todo clima ( AWPAG ). Este sensor es esencialmente un medidor de peso en el que la precipitación se acumula continuamente dentro del colector y, a medida que aumenta el peso, se registra la precipitación. Solo algunas unidades NWS ASOS seleccionadas han sido equipadas con el AWPAG. ^[17]

Las estaciones meteorológicas automatizadas de los aeropuertos informan de la lluvia helada mediante la frecuencia de resonancia de una varilla vibratoria. La frecuencia de resonancia disminuye con el aumento de la acumulación (masa adicional) de hielo , escarcha , niebla helada, llovizna helada , escarcha o nieve húmeda.

Para informar sobre lluvia helada, el sistema combina la salida del sensor de lluvia helada con los datos del LEDWI. El LEDWI debe proporcionar una indicación positiva de precipitación o lluvia desconocida antes de que el sistema pueda transmitir un informe de lluvia helada. Si el LEDWI informa que no hay precipitación o que nieva, el sistema ignorará la entrada del sensor de lluvia helada. El sensor está diseñado para detectar e informar sobre la formación de hielo en todas las condiciones climáticas.

Muchas estaciones meteorológicas automatizadas de aeropuertos en los Estados Unidos utilizan la Red Nacional de Detección de Rayos ( NLDN ) para detectar rayos a través del sistema automático de detección e informe de rayos ( ALDARS ). La NLDN utiliza 106 sensores en todo el país para triangular los rayos. Los datos de la red de detección se introducen en ALDARS, que a su vez envía mensajes a cada estación automatizada del aeropuerto para informarle de la proximidad de cualquier rayo. Los rayos que caen a menos de 8 km de la estación dan como resultado un informe de tormenta eléctrica en la estación (TS). Los rayos que caen a más de 8 km pero a menos de 16 km de la estación dan como resultado un informe de tormenta eléctrica en las proximidades de la estación (VCTS). Los rayos que caen a más de 16 km pero a menos de 48 km de la estación dan como resultado solo un comentario de rayo distante (LTG DSNT). ^[18]

Sin embargo, algunas estaciones ahora tienen su propio sensor de rayos para medir los rayos que caen en el sitio en lugar de requerir un servicio externo. Este sensor de tormentas eléctricas funciona detectando tanto el destello de luz como el cambio momentáneo en el campo eléctrico producido por el rayo. Cuando ambos se detectan con unos pocos milisegundos de diferencia, la estación registra un posible rayo. Cuando se detecta un segundo posible rayo dentro de los 15 minutos posteriores al primero, la estación registra una tormenta eléctrica. ^[19]

La difusión de datos se realiza normalmente a través de una radiofrecuencia de banda aérea VHF automatizada (108-137 MHz) en cada aeropuerto , que transmite la observación meteorológica automatizada. Esto suele hacerse a través del servicio automático de información de terminal (ATIS). La mayoría de las estaciones meteorológicas automatizadas también tienen números de teléfono discretos para recuperar observaciones en tiempo real por teléfono o a través de un módem.

En Estados Unidos, el sistema de adquisición de datos AWOS/ASOS (ADAS), un sistema informático administrado por la FAA, sondea los sistemas de forma remota, accede a las observaciones y las difunde a nivel mundial electrónicamente en formato METAR .

En la actualidad, las estaciones meteorológicas automatizadas de los aeropuertos no pueden informar sobre una variedad de condiciones meteorológicas, entre ellas:

• niebla superficial o irregular
• polvo que sopla
• fumar
• ceniza cayendo
• erupciones volcánicas
• tornados
• Precipitación que no se presenta en forma de lluvia o nieve, como granizo, granizos y granos de nieve.
• Múltiples formas de precipitación cayendo al mismo tiempo
• profundidad de la nueva nevada
• profundidad total de nieve
• Relámpagos en las nubes y de nube a nube
• Nubes que no están directamente encima de la estación.
• Nubes que están a más de doce mil pies sobre el nivel del suelo.
• tipo de nube

Dado que muchos de estos fenómenos pueden suponer un peligro para las aeronaves y que todos ellos son de interés para la comunidad meteorológica, la mayoría de los aeropuertos más concurridos también cuentan con observadores humanos a tiempo parcial o completo que amplían o proporcionan información adicional a las observaciones de la estación meteorológica automatizada del aeropuerto. Se están realizando investigaciones para permitir que las estaciones automatizadas detecten muchos de estos fenómenos.

Las estaciones automatizadas también pueden sufrir averías mecánicas que requieran reparación o sustitución. Esto puede deberse a daños físicos (naturales o provocados por el hombre), desgaste mecánico o formación de hielo intensa durante el clima invernal. Durante las interrupciones del sistema, a menudo se requieren observadores humanos para complementar las observaciones faltantes o no representativas de la estación automatizada. También se están realizando investigaciones para producir sistemas más robustos que sean menos vulnerables a los daños naturales, el desgaste mecánico y la formación de hielo.

• Servicio automático de información de terminales
• Mesoneta
• Observación y análisis del clima de superficie
• SINOPSIS

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• Sistema automatizado de observación de la superficie - NWS
• Frecuencias AWOS de Canadá
• Beneficios sociales y económicos de ASOS según la iniciativa del sitio web "NOAA Socioeconomics"