Estación meteorológica automatizada del aeropuerto

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 de su propiedad y los antiguos sistemas automatizados de sensores meteorológicos (AWSS) a la configuración AWOS-C en 2017. ^{[ 3 ]} El AWOS-C es la instalación AWOS más moderna propiedad de la FAA y puede generar informes meteorológicos aeronáuticos en formato METAR /SPECI. El AWOS-C es funcionalmente equivalente al ASOS. ^{[ 4 ]} Las unidades AWOS-C propiedad de la FAA en Alaska se clasifican generalmente como unidades AWOS-C IIIP, mientras que todas las demás unidades AWOS-C se clasifican generalmente como unidades AWOS III P/T. ^{[ 5 ]}

Los sistemas AWOS difunden datos meteorológicos de diversas maneras:

• Mensaje de voz generado por computadora que se transmite por radiofrecuencia a los pilotos en las proximidades de un aeropuerto. El mensaje se actualiza al menos una vez por minuto, y esta es la única forma obligatoria de reporte meteorológico para un AWOS.
• Opcionalmente, se puede acceder a un mensaje de voz generado por computadora mediante un servicio de módem telefónico . El mensaje se actualiza al menos una vez por minuto.
• Opcionalmente (aunque se hace con frecuencia), los mensajes AWOS pueden transmitirse a la FAA para su difusión nacional por vía informática. Estos mensajes están actualmente en formato METAR y la frecuencia de notificación habitual es de una vez cada 20 minutos. Esta opción solo está disponible para los sistemas AWOS III o IV (véase más abajo).

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 (desde dónde 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 oktas ), la altura del techo de nubes (en pies ) y la acumulación de precipitación líquida (en pulgadas ).
• AWOS III P: todos los parámetros AWOS III, además de la identificación del tipo de precipitación ( lluvia , nieve y, a veces, llovizna ).
• AWOS III T: todos los parámetros de AWOS III, más la detección de tormentas eléctricas (mediante un detector de rayos nube-tierra ).
• AWOS III P/T: todos los parámetros de AWOS III, además de la identificación del tipo de precipitación y la detección de tormentas eléctricas.
• AWOS IV Z: todos los parámetros P/T de AWOS III, más detección de lluvia helada mediante un sensor de lluvia helada (Nota: esta configuración solía llamarse AWOS III PTZ).
• AWOS IV R: todos los parámetros P/T de AWOS III, más la condición de la superficie de la pista .
• AWOS IV Z/R: todos los parámetros AWOS III P/T, además de la detección de lluvia helada y el estado de la superficie de la pista.

Asimismo, son posibles 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 dichos sensores deben identificarse claramente como "de aviso" en cualquier mensaje de voz y no pueden incluirse en las observaciones METAR.

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

• All Weather Inc. (una empresa ADB SAFEGATE) ^{[ 8 ]}
• DBT Transportation Services LLC (una empresa de ADB SAFEGATE)
• Mesotech International, Inc. ^{[ 9 ]}
• Científico Óptico Inc.

Las unidades del sistema automatizado de observación de superficie ( ASOS ) son operadas y controladas de forma conjunta en Estados Unidos por el Servicio Meteorológico Nacional (NWS), la Administración Federal de Aviación (FAA) y el Departamento de Defensa (DOD). Tras muchos años de investigación y desarrollo, el despliegue de las unidades ASOS comenzó en 1991 y finalizó en 2004.

Estos sistemas suelen informar a intervalos de una hora, pero también registran observaciones especiales si las condiciones meteorológicas cambian rápidamente y superan los límites de operación aérea. Generalmente informan todos los parámetros del AWOS-III, además de poder reportar la temperatura y el punto de rocío en grados Fahrenheit, el tiempo 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 funciona como una red de observación climatológica primaria en los Estados Unidos, conformando la red de primer orden de estaciones climáticas. Por ello, no todas las estaciones ASOS se encuentran en un aeropuerto; por ejemplo, una de ellas está ubicada en el Castillo Belvedere en Central Park , Nueva York ; otra se encuentra en el Observatorio Blue Hill, cerca de Boston , Massachusetts .

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

La mayoría de las estaciones meteorológicas automatizadas más antiguas de los aeropuertos están equipadas con un sistema mecánico de veleta y cazoletas para medir la velocidad y la dirección del viento. Este sistema es de diseño sencillo: el viento hace girar tres cazoletas dispuestas horizontalmente alrededor de la base de la veleta, lo que proporciona una estimación de su velocidad, mientras que la veleta superior gira de manera que su cara ofrezca la menor resistencia posible al viento, apuntando así en la dirección de donde proviene y determinando dicha dirección.

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, el cual varía según, entre otros factores, la velocidad del viento. El tiempo de tránsito se mide en ambas direcciones para varios pares (generalmente dos o tres) de cabezales transductores. A partir de estos 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 partes móviles, capacidades avanzadas de autodiagnóstico y menores requisitos de mantenimiento.

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

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 con un cierto ángulo de desviación respecto a la línea recta. La cantidad de luz dispersada por las partículas en el aire y recibida por el receptor determina el coeficiente de extinción. Este valor se convierte posteriormente en visibilidad mediante 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 obtiene a partir de la cantidad de luz que se pierde en el aire.

También existen 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, tamaño reducido y menores requisitos de mantenimiento. Sin embargo, los transmisómetros todavía 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 fallo, informan de una visibilidad inferior a la real.

Los sensores actuales son capaces de informar sobre la visibilidad en un amplio rango. Para fines aeronáuticos, los valores informados se redondean a la baja al paso 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 es menor de 800 m; en pasos de 100 m cuando es de 800 m o más, pero menor de 5  km; en pasos de un kilómetro cuando la visibilidad es de 5  km o más, pero menor de 10  km; y de 10  km cuando la visibilidad es de 10  km o más.

Las estaciones meteorológicas automáticas de los aeropuertos utilizan un identificador meteorológico de diodo emisor de luz ( LEDWI ) para determinar si hay 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 (de aproximadamente 50 milímetros de diámetro) y determina, mediante un análisis del patrón del tamaño de las partículas y la velocidad de caída, si la precipitación es lluvia o nieve . ^{[ 10 ]} Si se determina que hay precipitación, pero el patrón no se identifica de manera concluyente como lluvia o nieve, se informa de precipitación desconocida. Las estaciones meteorológicas automáticas de los aeropuertos aún no pueden informar sobre granizo , granizo y otras formas intermedias de precipitación.

Las estaciones meteorológicas automatizadas de los aeropuertos no tienen un sensor separado para detectar obstrucciones visuales específicas. En cambio, cuando la visibilidad se reduce por debajo de 7 millas terrestres , el sistema utiliza la temperatura y el punto de rocío reportados para determinar una obstrucción visual. Si la humedad relativa es baja (es decir, hay una gran diferencia entre la temperatura y el punto de rocío), se reporta neblina . Si la humedad relativa es alta (es decir, hay una pequeña diferencia entre la temperatura y el punto de rocío), se reporta bruma o niebla , dependiendo de la visibilidad exacta. Se reporta niebla cuando la visibilidad es de 1/2 milla o menos; se reporta bruma para visibilidades mayores a 0.5 millas (0.80 km) pero menores a 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 reporta niebla helada . ^{[ 13 ]}  

Las estaciones meteorológicas automatizadas de los aeropuertos utilizan un ceilómetro láser de haz apuntando hacia arriba para detectar la cantidad y la altura de las nubes. El láser apunta hacia arriba, y el tiempo que tarda la luz reflejada en regresar a la estación permite calcular la altura de la base de la nube. Debido al área de cobertura limitada (el láser solo puede detectar nubes directamente encima), el ordenador del sistema calcula una cobertura nubosa y un techo de nubes promedio en el tiempo , que se informa a los usuarios externos. Para compensar el peligro de cambios rápidos en la cobertura del cielo, 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 la del punto de rocío. Un termómetro resistivo de hilo de platino mide la temperatura ambiente basándose en el principio de que la resistencia eléctrica varía con la temperatura. El termómetro ASOS actual se denomina HO-1088, aunque algunos sistemas más antiguos todavía utilizan el HO-83.

En cambio, la medición del punto de rocío es considerablemente más compleja. El sensor de punto de rocío original implementado en los sistemas ASOS utilizaba un espejo refrigerado que se enfriaba hasta el punto en que se formaba una fina capa de condensación en su superficie. La temperatura del espejo en estas condiciones es igual a la temperatura del punto de rocío. El higrómetro mide el punto de rocío dirigiendo un haz de luz de un pequeño diodo infrarrojo a la superficie del espejo en un ángulo de 45 grados. Dos fototransistores están montados de manera que miden un alto grado de luz reflejada cuando el espejo está limpio (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, recibiendo el transistor directo menos luz y el transistor indirecto más. La señal de estos fototransistores controla el módulo de refrigeración del espejo, que es una bomba de calor electrónica que funciona de forma similar a un termopar a la inversa, produciendo un efecto de calentamiento o enfriamiento. Cuando el sensor se activa por primera vez, el espejo está limpio. A medida que la superficie del espejo se enfría hasta alcanzar el punto de rocío, se forma condensación. El sistema electrónico intenta continuamente estabilizar los niveles de señal del amplificador de potencia para mantener la temperatura del espejo en el punto de rocío. Si el punto de rocío del aire varía o si el circuito se ve afectado por ruido, el bucle realiza las correcciones necesarias para restablecer la estabilidad en el punto de rocío y mantener el funcionamiento continuo.

Debido a problemas con el sensor de espejo enfriado, las estaciones NWS ASOS ahora utilizan el sensor DTS1 de Vaisala, que mide la humedad únicamente mediante capacitancia . El sensor se basa en un elemento capacitivo de humedad relativa de estado sólido que incorpora un pequeño calentador para que el elemento sensor se mantenga siempre por encima de la temperatura ambiente, eliminando la formación de rocío o escarcha. El sensor informa directamente el punto de rocío mediante 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 fiabilidad del sensor de presión.

La mayoría de las estaciones meteorológicas aeronáuticas utilizan dos (necesario para un AWOS) o tres transductores de presión independientes. Estos transductores pueden o no compartir sus tuberías y puertos externos (diseñados para minimizar el efecto del viento y las ráfagas). Si las presiones registradas difieren en más de un máximo preestablecido, los valores se descartan y la configuración del altímetro no se registra o se marca como "ausente".

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

El ajuste del altímetro se indica en pulgadas de mercurio (en incrementos de 0,01 inHg) o en hectopascales enteros, redondeando hacia abajo.

El dispositivo original para medir la acumulación de precipitación utilizado en las estaciones meteorológicas automatizadas de los aeropuertos era el pluviómetro de cubeta basculante calentada . La parte superior de este dispositivo consiste en un colector de 0,30 m (1 pie ) de diámetro con la 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 cubeta . La precipitación fluye a través del embudo hacia un compartimento de la cubeta hasta que se acumulan 0,25 mm (0,01 pulgadas ) de agua (18,5 gramos). Esta cantidad de peso hace que la cubeta se incline sobre sus pivotes , vaciando el agua recogida y desplazando la otra cámara bajo el 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 0,25 mm (0,01 pulgadas ) de precipitación recogida.   

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

Las estaciones meteorológicas automáticas de los aeropuertos informan sobre la lluvia helada mediante la frecuencia de resonancia de una varilla vibrante. La frecuencia de resonancia disminuye a medida que aumenta la acumulación (masa adicional) de hielo , escarcha , niebla helada, llovizna helada , escarcha o nieve húmeda.

Para informar sobre la lluvia helada, el sistema combina la señal del sensor de lluvia helada con los datos del LEDWI. El LEDWI debe indicar la presencia de precipitaciones o lluvia desconocidas antes de que el sistema pueda transmitir un informe de lluvia helada. Si el LEDWI no detecta precipitaciones o nieva, el sistema ignorará la señal del sensor de lluvia helada. El sensor está diseñado para detectar e informar sobre la formación de hielo en cualquier condición climática.

Muchas estaciones meteorológicas automatizadas de aeropuertos en los Estados Unidos utilizan la Red Nacional de Detección de Rayos ( NLDN ) para detectar rayos mediante el 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 envían a ALDARS, que a su vez envía mensajes a cada estación automatizada del aeropuerto informándole de la proximidad de cualquier rayo. Los rayos que caen a menos de 8 km (5 millas ) de la estación generan un informe de tormenta eléctrica en la estación (TS). Los rayos que caen a más de 8 km (5 millas ) pero menos de 16 km (10 millas ) de la estación generan un informe de tormenta eléctrica en las proximidades de la estación (VCTS). Los rayos que caen a más de 16 km (10 millas) pero menos de 48 km (30 millas ) de la estación solo generan una observación de rayo distante (LTG DSNT). ^{[ 18 ]}     

Sin embargo, algunas estaciones ahora cuentan con su propio sensor de rayos para medir directamente las descargas eléctricas 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 una diferencia de pocos milisegundos, la estación registra una posible descarga eléctrica. Si se detecta una segunda posible descarga eléctrica dentro de los 15 minutos posteriores a la primera, la estación registra una tormenta eléctrica. ^{[ 19 ]}