İstanbul Havalimanı'nda rüzgarın uçuş operasyonlarına etkisi
The effect of wind on flight operations at Istanbul Airport
Yazar: SEHER NİLAY ÇOŞKUN
Danışman: PROF. DR. MİKDAT KADIOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Meteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Atmosfer Bilimleri Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Meteoroloji = Meteorology ; Sivil Havacılık = Civil Aviation

Özet:
Sürekli artış gösteren seyahat ihtiyacı ile birlikte son yıllarda hızlı bir gelişim gösteren havacılık sektörü, beraberinde havalimanları ve hava sahalarında kapasite problemi getirmiştir. Bu nedenle yeni havalimanları tasarlanırken maksimum kapasitede hizmet verilmesi amaçlanmaktadır. Bu ancak havalimanlarının konumu ve pist seçimi için meteorolojik şartlar dikkate alınarak sağlanabilir. Meteorolojik parametrelerin arasından rüzgar ise pist seçimini sınırlayarak havaalanının kapasitesi üzerinde en büyük etkiye sahiptir. Rüzgarın piste dik ve pistin uzantısında olan bileşkesinin belli bir şiddeti aşması halinde, pistler kullanılamaz hala gelmektedir. Bu bileşke rüzgarlara yan rüzgar, kafa rüzgarı ve kuyruk rüzgarı ismi verilmektedir.
İniş ve kalkış için doğru yan rüzgar ve arka rüzgar bilgilerinin alınması hem pilotlar hem de Hava Trafik Kontrol üniteleri için önemlidir. Son yaklaşma sırasında meteorolojik parametrelerin uçak kazalarına olan ilişkisi incelendiğinde, rüzgarın önemli bir etkiye sahip olduğu görülmektedir. Özellikle yan rüzgar şartlarında iniş esnasında kokpit iş yükünün artması ve ilave bir tecrübe gerekmesi nedeniyle, 20 Kt üzerindeki yan rüzgar şartlarında kazaların katlanarak arttığı belirlenmiştir.
Havalimanlarındaki rüzgarın bu önemine istinaden bir çok havalimanı için yapılan rüzgar analiz ve tahmin çalışmaları ile birlikte, uçuş operasyonunda yaşanılan bu aksaklıkların önüne geçilmesi amaçlanmaktadır. 
Türkiye'de en son ulaşıma açılan İstanbul Havalimanı, uçuş trafiği ve taşınması planlanan yolcu sayısı bakımından büyük bir öneme sahiptir. Bu nedenle bu çalışmada, uçuş emniyeti ve kapasite üzerine doğrudan etkisi olan rüzgarın, İstanbul Havalimanı için analizinin yapılması ve etkilerinin tespit edilmesi amaçlanmıştır. Havalimanında hali hazırda kullanımda olan 16R/34L, 16L/34R, 17R/35L ve 17L/35R farklı isimlerdeki pistler, 178°/358° olarak aynı gerçek kuzey yönünde  uzanmaktadır. Bu nedenle, pistlerin gerçek kuzey yönüne göre yan rüzgar hesaplamaları yapılarak, rüzgar limitleri tespit edilmeye çalışılmıştır.   
İstanbul Havalimanı'nın 29 Ekim 2018 tarihinde açılması nedeniyle, havalimanı meteorolojik gözlem raporu olan METAR raporları bu tarihten itibaren yayınlanmaya başlanmıştır. METAR raporları ile analiz Kasım 2018 - Nisan 2019 tarihleri arası için yapılırken, otomatik gözlem istasyon (AWOS) verileri ile rüzgar analizi daha uzun zaman aralığında yapılabilmiş ve toplamda Kasım 2017 - Nisan 2019 tarihleri arası incelenmiştir. Diğer bir taraftan ise rüzgar analizi, Mayıs 2017 – Nisan 2019 tarihleri arasındaki CFSR reanaliz verileri kullanılarak, zamansal ve alansal olarak ölçek küçültülerek çalıştırılan WRF model sonuçlarına göre yapılmıştır. Model ile elde edilen sonuçlar mevcut METAR ve AWOS verileri ile kıyaslanarak tutarlılığı test edilmiştir. 
Gözlem ve model sonuçlarının ikisi için ayrı ayrı yapılan rüzgar analizinde İstanbul Havalimanı'ndaki pistler için yan rüzgar limitlerine göre durum tespiti yapılmıştır. Tüm veriler için mevcut pislerin yan rüzgara göre kullanılabilirlik faktörü hesaplanırken, potansiyel tüm pistler için de ayrı ayrı sonuçlar verilmiştir. Bu sonuçlara göre İstanbul Havalimanı'nda yapılabilecek en iyi ilave pist tespit edilmeye çalışılmıştır.
Hem model sonuçları hem de gözlem verileri ile hakim rüzgar yönü kuzeydoğu ve ikinci hakim yön ise güneybatı olarak bulunmuştur. Gözlem ve model verilerinde aynı tarihler için hakim yön birbirine yakın olmakla birlikte, aralarında 10°-20° fark tespit edilmiştit. Ayrıca WRF model sonuçları gözlem verilerine göre genelde daha yüksek rüzgar şiddeti vermesine rağmen, ortalama rüzgar şiddeti gözlem verileri ile 10,77 Kt ve model sonuçları ile 12,40 Kt olarak birbirine yakın bulunmuştur.
ICAO, EASA ve FAA pist yönleri için kullanılabilirlik faktörünün minimum %95 olması gerektiğini belirtmiş ve ICAO ve EASA bu hesap için yan rüzgar bileşke değerlerinin farklı uçak tipine göre 20 Kt, 13 Kt ve 10 Kt olarak dikkate alınması gerektiğini belirtmiştir. Bu bilgiler ile İstanbul Havalimanı'ndaki mevcut pistler için yapılan analizde, hem gözlem hem de model sonuçlarına göre yalnızca 20 Kt yan rüzgar değeri için bu kurala uyulduğu görülmüştür. 20 Kt yan rüzgar değeri için gözlem verileri ile kullanılabilirlik faktörü %99,24 bulunurken, model sonuçlarına göre ise %99,38 olarak bulunmuştur. 13 Kt ve 10 Kt yan rüzgar bileşke değerleri için yapılan hesaplamada, mevcut pistlerin ideal pist verimini sağlayamadığı görülmüştür.
Potansiyel tüm pistler ve tüm yan rüzgar bileşke değerleri için hesaplanan kullanılabilirlik faktöründe, gözlem verilerine göre tek başına en iyi sonucu 03/21 pisti verirken, model sonuçlarına göre ise 02/20 pisti vermiştir. Ancak İstanbul Havalimanı'ndaki mevcut pistlere ilave yapılabilecek en uygun pisti tespit etmek için yapılan analizde sonuç aynı çıkmış olup, tüm uçak tipleri için en yüksek kullanılabilirlik faktörü ilave 04/22 pisti ile bulunmuştur.
Rüzgar şiddeti için model sonuçları ile gözlem verilerinin uyumunu kıyaslamak için yapılan regresyon analizinde R2 değeri 0,41 olarak hesaplanmıştır. Bu sonuç, model sonuçları ile gözlem verileri arasında hemen hemen iyi bir ilişki olduğunu göstermektedir. Model sonuçlarının gözlem verilerine göre hata değerleri hesaplandığında ise, RMSE değeri 5,51 Kt, nRMSE değeri %14,13 ve MAE değeri 4,25 Kt olarak bulunmuştur. Aylık olarak incelendiğinde ise model tutarlılığının en iyi Eylül ayında ve en kötü ise Mart ayında olduğu tespit edilmiştir.

Abstract:
The aviation sector, which has been developing rapidly with the increased need of travel in recent years, has brought the capacity problems in airports and air space. Therefore, it is aimed to provide maximum capacity service when designing new airports. This can only be achieved by considering the meteorological conditions for the location of the airports and the runway selection. Among the meteorological parameters, the wind has the greatest impact on the capacity of the airport by limiting the runway selection. If the wind is perpendicular to the runway and the wind component exceeds a certain value, the runways become unavailable. This component of wind is called crosswind and tail wind.
To obtain the correct cross and tail wind information for landing and take-off is important for both pilots and Air Traffic Control units. The final decision to continue a descent must be based on the reported tower wind during approach or before taking off. Instead of a 2-minute average wind, pilots at some airports can provide this momentarily if they wish.
When the relationship between meteorological parameters and aircraft accidents on final approach is examined, it is seen that wind has a significant effect. Due to the increase in the cockpit workload and the need for additional experience during the landing in cross wind conditions, it has been determined that the accidents are increased exponentially in the conditions of cross winds above 20 Kt. 
According to research conducted by FAA, it was found that 20.1% of aircraft accidents were caused by weather. These aircraft accidents caused by a single weather event or more than one meteorological parameters. It is observed that more than half of the total accidents related to weather were caused by wind with the value of 51.7% in a five-year period. The most important reason of the accidents caused by the wind is gusty wind and crosswind and the third reason is tail wind. In addition, this FAA study was stated that 57.7% of the accidents caused by the wind occurred in the landing phase of the flight, while another major rate of 18.8% of the accidents caused in the take-off phase.
According to another study on diverted flight caused by weather in Turkey, it was detected that 13% of diverted flights occurred because of wind during approach.  When diverted flights caused by wind were examined separately, it was seen that 40% of the flights were diverted because of crosswind, 35% of the flights were diverted due to tail wind and 17% of the flights were diverted due to windshear. 8% of diverted flights occurred due to the increasing in traffic density in the conditions of the southern wind at Istanbul Atatürk Airport. In addition, 84% of these diverted flights were caused only by the out of the wind limits, 13% were caused by below visibility limits with the wind and 3% of diverted flights caused by the thunderstorm with the wind.
Due to this importance of wind at airports, wind analysis and estimation studies are carried out for many airports in the world to prevent these problems in flight operations. 
Istanbul Airport which is recently opened in Turkey, has a great importance in terms of the capacity of passengers and flight traffic. Therefore, the aim of this study is to analyze and determine the effects of wind which has a direct impact on flight safety and capacity. As the current runways 16R/34L, 16L/34R, 17R/35L and 17L/35R are in the same true north direction as 178°/358°, the cross wind is calculated and wind limits are determined according to this direction.  
Because Istanbul Airport was opened on 29 October 2018, METAR reports, the meteorological observation report of the airport, have been published since then. For this reason, analysis can only be performed between November 2018 and April 2019 with METAR reports, which is the best represent of the meteorological conditions at the airports. However, since the automated weather observation station (AWOS) data recorded before the airport was opened were healthy for wind speed and direction, a longer period of time for wind analysis could be conducted and examined between November 2017 and April 2019. 
On the other hand, the wind analysis was also conducted with the WRF model results which were run by using CFSR reanalysis data between May 2017 - April 2019. The results obtained with the model were compared with existing METAR and AWOS data and their consistency was tested.
In the wind analysis conducted with both observations and model results, the situation was examined according to the crosswind limits for runways at Istanbul Airport. While calculating the usability factor of the available runway, the results are given separately for all potential runways as well. According to these results, the best additional runway at Istanbul Airport was determined.
Both the model results and observation data show that the prevailing wind direction is northeast and the second prevailing direction is southwest. The prevailing wind directions with observation and model data for the same period are close to each other, but there is a 10 ° -20 ° difference between them. Seasonal similarity was observed between the model results and observation data in the prevailing wind direction graphs drawn separately for each months. In general, it is seen that the prevailing wind direction is south western in winter, while it is both north-eastern and south-western in spring and north-eastern in summer.
Although WRF model results generally gave higher wind speed than observation data, average wind speed were found 10.77 Kt with observation data and 12.40 Kt with model results. According to the monthly analyzing, it was seen that while the difference between model and observation in the winter months was high, it was reduced in the spring months, and in the summer the results of the model are quite close to the actual wind speed values. In addition, while the maximum wind speed was found to be 39 Kt according to the observation values, it was found to be 35 Kt with the model results. For this reason, when the wind blows in storm and stormy form at Istanbul Airport, it can be said that the model gives the wind speed relatively lower.
ICAO, EASA and FAA recommend usability factor as minimum %95 for the best runway orientation. Besides ICAO and EASA state that the crosswind component for this calculation should be considered as 20 Kt, 13 Kt and 10 Kt according to aircraft type.
To calculate usability factor for the current runways,  20 Kt, 13 Kt and 10 Kt crosswind limits were taken into account, and it was seen that only the result for 20 Kt were within limits. While the usability factor was found to be 99.24% with the observation data for 20 Kt crosswind, it was found to be 99.38% according to the model results, so the results were obtained close to each other. 
The usability factor with 13 Kt and 10 Kt crosswind values which are for smaller aircrafts do not meet this rule. The availability factor was found to be 92.08% and 82.64% for the observation data, and 91.44% and 80.33% for the model results, respectively.
When the usability factor were calculated for all potential runways and aircraft type,  03/21 runway gives the best result alone with observation data and 02/20 runway gives the best result alone with model results. However, in the analysis conducted to determine the most suitable runway to be added to the existing runways at Istanbul Airport, the results were the same and the highest usability factor for all aircraft types was found with additional 04/22 runway.
In the regression analysis, the R2 value was calculated as 0.41 in order to compare the model results with observation data for the wind speed. It can be concluded that there is almost a good relationship between model results and observation data. 
When the error values of the model results were calculated according to the observation data, the results were found good, although it is not very good. As a result of the calculation, RMSE value was found to be 5.51 Kt, nRMSE value was 14.13% and MAE value was 4.25 Kt. Monthly analysis showed that model consistency was the best in September, while observations and model results were found to be the most different from each other in March.