Meer onweerparameters

Christian Versloot • maandag 5 oktober 2015

We hebben het in de vorige les gehad over Convective Available Potential Energy, ook wel CAPE. Dat is één van de meest gebruikte onweerparameters in de wereld van de onweerliefhebbers. Een hoge CAPE betekent namelijk een onstabiele atmosfeer. Dat is een vereiste voor zware onweersbuien, want met een bom zonder springstof bereik je niet zoveel. Het punt is alleen: er zijn nog veel meer onweerparameters. In dit artikel gaan we stap voor stap langs een boel van deze parameters, die je een indicatie kunnen geven van de atmosfeer.

« Vorige les: CAPE gebruiken om onweersbuien te voorspellen | Lesoverzicht

We beginnen met een aantal andere parameters die de onstabiliteit van de atmosfeer aangeven. Daarna gaan we verder met parameters die gaan over de hoeveelheid windschering. Die zeggen vaak iets over de vorm die buien aannemen en of er zware weersverschijnselen als hagel en tornado’s kunnen ontstaan.

Onstabiliteitsparameters

Convective Available Potential Energy (CAPE)

De eerste stages van een onweersbui

De eerste stages van een onweersbui

Laten we toch nog even over onze schouder terugkijken. Uit de les over updraft en downdraft weten we dat een stijgend luchtdeeltje vrij kan stijgen als het voorbij het Level of Free Convection is. Het stijgt totdat het deeltje het Equilibrium Level bereikt. De oppervlakte van het stijggebied tussen deze twee niveaus in de atmosfeer is de CAPE, die heel veel wordt gebruikt in onweersverwachtingen. De eenheid is het aantal Joules aan energie per kilogram lucht, oftewel J/kg.

Deze CAPE staat dus eigenlijk voor de mate van onstabiliteit in de atmosfeer en is een goede graadmeter voor de zwaarte van onweersbuien. Daarbij moeten we wel uitkijken: de CAPE zegt namelijk niets over het al dan niet ontstaan van buien. Dat is de fout die veel mensen maken.

Met onderstande tabel kun je bekijken of een CAPE-waarde die je tegenkomt betekent of de atmosfeer onstabiel is of niet.

CAPE-waarde Stabiliteit atmosfeer
Negatief of 0 J/kg Stabiele atmosfeer
Tot 1000 J/kg Onstabiele atmosfeer
Tot 2500 J/kg Zeer onstabiele atmosfeer
> 2500 J/kg Extreem onstabiele atmosfeer

» Fullscreen CAPE-weerkaarten

Lifted Index (LI)

Net als de CAPE is de Lifted Index (of ook wel afgekort als LI) een veelgebruikte parameter om de onstabiliteit van de atmosfeer aan te geven. Hierbij wordt niet gekeken naar de oppervlakte van het totale stijggebied, maar naar het temperatuursverschil van een stijgend luchtdeeltje ten opzichte van de atmosfeer op het 500 hPa-vlak. Dat is een hoogte van zo’n 5,5 kilometer.

Wat is nu het idee achter deze index?

We kennen allemaal wel de bloedhitte op zolder in de zomer terwijl het een of twee etages lager een stuk minder warm is. Dat komt doordat de temperatuur de dichtheid van lucht beïnvloedt, net als die van ieder ander gas. Daardoor kun je zeggen dat lucht met een hogere temperatuur lichter is dan lucht met een lagere temperatuur. Je kunt op Wikipedia een uitgebreide uitleg vinden.

Omdat een warm luchtdeeltje lichter is, wil het stijgen. Daarom is het dus op zolder zo warm. Hetzelfde proces gebeurt ook in de atmosfeer. Als de temperatuur van een stijgend luchtdeeltje hoger is dan de temperatuur van de atmosfeer om dat deeltje heen, wil het verder stijgen. Wordt het stijgende deeltje koeler, dan stopt het met stijgen en begint het te dalen tot de temperatuur van het deeltje weer hoger is. Het Equilibrium Level (zie het stukje over CAPE) is het symbolische dak.

De Lifted Index speelt op deze temperatuursverschillen in. De rekensom is simpel: je trekt de temperatuur van het stijgende luchtdeeltje op 500 hPa af van die van de omgevingstemperatuur. Vaak doet een weermodel dit al voor je in specifieke CAPE/LI-kaarten. Als je die rekensom hebt uitgerekend, dan zie je de waarde van de Lifted Index in graden Celcius. Als je dat op een kaartje zet, dan kan dat er zo uitzien:

Screenshot_90

We zien boven Limburg LI-waardes van -11 tot -12 graden Celcius. Dat betekent dat de temperatuur van de omgeving 12 graden koeler is dan de temperatuur van het stijgende luchtdeeltje. Dat is dus op zijn beurt 12 graden warmer dan de omgeving op 5,5 kilometer hoogte en – denk aan de zolder – wil daarom (hard!) verder stijgen. Zo kun je de Lifted Index ook beschouwen als een maat voor de onstabiliteit van de atmosfeer.

Voor de Lifted Index is er ook een tabelletje met referentiewaardes, net als bij de CAPE:

LI-waarde Stabiliteit atmosfeer
> 0°C Stabiele atmosfeer
Tot -3°C Onstabiele atmosfeer, onweer is mogelijk
Tot -6°C Zeer onstabiele atmosfeer, onweer is mogelijk
Lager dan -6°C Extreem onstabiele atmosfeer, zwaar onweer is mogelijk

» Fullscreen LI-kaarten

Convective Inhibition (CIN)

Zoals je op deze doorsnede van de atmosfeer ziet (van onder naar boven is een toename van de hoogte van het punt in de atmosfeer) is de oppervlakte van de CIN (blauw) kleiner dan die van de CAPE (oranjegeel). Dat is karakteristiek voor de CIN.

Zoals je op deze doorsnede van de atmosfeer ziet (van onder naar boven is een toename van de hoogte van het punt in de atmosfeer) is de oppervlakte van de CIN (blauw) kleiner dan die van de CAPE (oranjegeel). Dat is karakteristiek voor de CIN.

De CAPE wordt gebruikt om de kracht van een stijgstroom aan te geven, mocht die ontstaan. Toch ontstaat zo’n stijgstroom niet zomaar. We hebben immers niet de hele dag door zware onweersbuien boven ons hangen. Dat is voor een deel te danken aan de Convective Inhibition, die ook wel CIN wordt genoemd. Het is de buffer aan negatieve energie die eerst moet worden overwonnen voordat de CAPE kan worden aangesproken. Tijdens zware onweersituaties hebben we vaak veel te danken aan de CIN: omdat deze aanwezig is, ontstaan er niet overal onweersbuien maar wordt de CAPE pas gebruikt op het moment dat de buienlijn ontstaat. In het geval van CAPE: op is namelijk écht op, waardoor geen onweersbuien meer ontstaan. Toch kan het ook de andere kant omslaan: als de CIN te sterk is, dan ontstaat er helemaal niets. Het is dus uitermate cruciaal dat de CIN goed gedoseerd wordt in de atmosferische setting. Anders heb je geen of op z’n mooist enkel zwak onweer.

» Fullscreen CIN-kaarten

Konvektiv-Index (KO-index)

De CAPE geeft zoals besproken de onstabiliteit in de atmosfeer aan en dus niet de kans op onweer. De KOnvektiv-index (oftewel: KO-index) doet dat wel. Het is een index die ontwikkeld is door de Duitse weerdienst DWD. Voor de Benelux lijkt hij behoorlijk aardig te werken.

Op een KO-kaartje vind je gehele getallen. Deze schetsen de kans op onweer. Middels onderstaande tabel kun je, als je een KO-index-kaartje voor je neus hebt, de kans op onweersbuien bepalen. Een voorbeeldkaartje staat onder de tabel. De isolijnen (de lijnen) stellen de KO-index voor.

KO-waarde Kans op onweer
Boven 6 Kans op onweer nihil
Tussen 2 en 6 Kans op onweersbuien
2 en lager Kans op zware onweersbuien

Kaarten met daarop de KO-index vind je op Wetter3.

KO-index-zondagavond

Thompson Index (TI)

De Thompson Index is een index die is gebaseerd op twee andere indices: de K-index (KI) en de LI. Er wordt gebruikgemaakt van een zeer eenvoudige formule bij de berekening:

TI = KI – LI

De K-index meet de sterkte van het temperatuurverval met de hoogte en de hoeveelheid vocht in de onderste lagen van de atmosfeer. Dat zijn twee belangrijke ingrediënten voor onweersbuien. Een negatieve Lifted Index, oftewel een stijgend luchtdeeltje dat op zo’n 5,5 kilometer hoogte warmer is dan zijn omgeving, draagt bij aan de vorming van onweersbuien. Daarom trekken we de Lifted Index van de K-index af (een min gevolgd door een min is plus, dus bij een negatieve LI – kans op onweer – wordt de TI hoger).

Dit is de tabel met TI-waarden en de kans op onweersbuien:

TI-waarde Kans op onweersbuien
< 25 Geen onweersbuien
25-34 Kans op onweersbuien
35-39 Kans op (lokaal) zware onweersbuien
>= 40 Kans op grootschalig zwaar onweer

Deze tabel is getest bij onweer in de Verenigde Staten. De testen tonen een verband aan tussen het ontstaan van zware onweersbuien en het voorkomen van een TI van 40 of hoger. De omstandigheden waaronder onweersbuien ontstaan in Europa zijn verschillend, maar er zijn nog geen veldtesten gedaan in Europa. Daarom houden we bovenstaande tabel aan, zij het met de opmerking dat je het eindoordeel (“er is [wel/geen] kans op onweer”) niet door deze index moet laten leiden.

Total Totals-index (TT)

De Total Totals-index is een maat voor de sterkte van een onweersbui. Het is een optelsom van de Vertical Totals-index (het temperatuursverschil tussen 2 en 5,5 kilometer hoogte) en de Cross Totals-index (het verschil tussen het dauwpunt op 2 en de temperatuur op 5,5 kilometer hoogte).

Hierdoor wordt de kracht van het temperatuursverloop gemeten, evenals de hoeveelheid vocht in de atmosfeer. Middels onderstaande tabel wordt de kracht van een bui bepalen een eitje. Let er wel op dat het de kracht van een onweersbui aangeeft, niet de kans op een onweersbui. Dat komt doordat het geen gegevens over inversies et cetera gebruikt. Ook is het geen maat voor de dynamiek in de atmosfeer, omdat windschering niet meegenomen wordt in de meting. Een aantal dynamiekparameters wordt hieronder besproken.

TT-waarde Onweerskracht
< 44 Geen onweer
44-50 Onweer
51-52 Lokaal zwaar onweer
> 53 Verspreid zwaar onweer

 

Parameters op basis van windschering

Hieronder bespreken we een groot aantal parameters en indices die de hoeveelheid windschering in de atmosfeer aangeven. Het is belangrijk deze meetinstrumenten mee te nemen in je onweersverwachting, want ze zeggen iets over de dynamische setting van de atmosfeer. Je kunt met dergelijke parameters de kans bepalen op supercells, bow echoes en zelfs tornado’s, net als de grootte van hagel.

Windschering is kortgezegd de verandering van windrichting en/of -snelheid met de hoogte. Je kunt je voorstellen dat als de windrichting verandert, de bui met de hoogte steeds een andere richting op probeert te gaan. Dat kan haast niet, want het is één bui en de meeste stuwing wordt op de wat lagere hoogtes geleverd. Wel kan een bui door sterke windschering gaan draaien. Windschering behandelen we in een andere les – hieronder de parameters.

Low level shear (LLS)

Bow_Echo_Kansas_CityBij een sterke low level shear is er een sterke snelheidstoename vlak bij de grond. Het betekent in de praktijk vaak dat er kans is op zware valwinden. Dergelijke winden, die als ze heel sterk downbursts of microbursts worden genoemd, zijn gevaarlijk voor landende en opstijgende vliegtuigen. Piloten zijn geïnstrueerd er zo ver mogelijk uit te buurt te blijven.

Een zware valwind zorgt er ook voor dat koude lucht voor de bui uit wordt geduwd. Die koude lucht duwt de warmere lucht die voor de bui hangt vooruit, waardoor nieuwe cellen zich vlak voor de oude vormen. Daardoor kan er een boogpatroon, ook wel ‘bow echo’ genoemd, ontstaan. De LLS-parameter is daarom een goede maatstaaf voor het ontstaan van boogecho’s tijdens zware onweersbuien.

Op de afbeelding hiernaast zie je een duidelijk voorbeeld van zo’n boogecho uit de VS; vooral als je naar het gebied kijkt dat rood is ingekleurd op het radarbeeld.

Onderstaande tabel toont de kans op boogecho’s gegeven de LLS.

LLS Kans op boogecho
< 22 Geen boogecho’s
23-37 Kans op boogecho’s met kans op gevaarlijke winden
>38 Boogecho’s waarschijnlijk, zeer grote kans op gevaarlijke winden

» Fullscreen LLS-kaarten

Deep layer shear (DLS)

De deep layer shear laat de windschering zien tussen het aardoppervlak en 6 kilometer hoogte. Het is een maat voor de draaiing van een stijgende stroom lucht met de hoogte. Een hoge DLS zorgt ervoor dat de updraft en downdraft van een onweersbui gescheiden van elkaar blijven. Het gevolg is dat de updraft niet al te snel door de downdraft wordt afgesneden. Hierdoor leeft de bui langer en zien we over het algemeen wat zwaardere buien op de radarbeelden. Ook zien we dergelijke buien vaak in groepjes op de radarbeelden staan. In tegenstelling tot de buien zonder veel windschering, de single cells, spreken we hier van multicells.

Lp_supercellBij een hele sterke windschering, die waarneembaar is in een bijzonder hoge DLS, is het mogelijk dat de gehele bui gaat draaien. De bui heeft dan een mesocycloon en het gaat niet meer om een multicell maar om een supercell. Er zijn twee soorten supercells: eentje waaruit veel neerslag valt (de high-precipitation ofwel HP-supercell) en waaruit weinig neerslag valt (de low-precipitation ofwel LP-supercell). Hiernaast zie je een afbeelding van een LP-supercell. Onthoud de structuur, want de meeste LP’s lijken op deze… en wie weet zie je er in het onweerseizoen ook een. De DLS is dus, naast een maat voor de windschering in een groot deel van de atmosfeer, ook een bijzonder goede manier om 1) het buientype en 2) de kans op supercells te bepalen.

Allereerst kunnen we zeggen dat bij enige DLS het buientype overgaat van single cells in multicells. Dit is zo bij een DLS van plusminus 10 m/s. Voor de kans op supercells hebben we weer een mooie tabel:

DLS Kans op supercell
< 35 Geen supercells
35-40 Kleine kans op supercells
>40 Supercells mogelijk

» Fullscreen DLS-kaarten

Storm-relative helicity (SRH)

De Storm Relative Helicity (gemeten in m2s2) is een maat voor de kans op het ontstaan van een draaiende updraft bij onweersbuien. De SRH wordt berekend van de grond tot aan 1 kilometer hoogte (SRH-1) en van de grond tot 3 kilometer hoogte (SRH-3).

Je kunt de SRH gebruiken om de kans op supercells in te schatten. Er is echter geen grenswaarde die aangeeft of er een supercell ontstaat, dus het zal altijd als ondersteunende index moeten gelden. Dat er geen grenswaarde is, komt doordat de kans op supercells meer afhangt van de DLS.

Wel is er een grenswaarde voor het ontstaan van tornado’s bij supercells. Waardes van 250 m2s2 (bij SRH-3) en 100 m2s2 (SRH-1) of hoger indiceren een hoge kans op het vormen van tornado’s bij zwaar onweer. De SRH is daarom een belangrijk element bij het samenstellen van de significant tornado parameter, die hieronder wordt behandeld.

» Fullscreen SRH-kaarten

Significant tornado parameter (STP)

seymourDe Significant Tornado Parameter, ook wel STP genoemd, is een index die de zwaarte berekent van tornado’s, mits ze optreden. Als we even gek doen en de formule geven, dan zien we dat het een flinke rekensom is.

STP = (sbCAPE/1500 J kg-1) * ((2000-sbLCL)/1000 m) * (SRH1/150 m2 s-2) * (6BWD/20 m s-1)

Het bestaat uit:

  • De Surface-based CAPE (SBCAPE);
  • De hoogte van het LCL als het deeltje van de grond af stijgt (SBLCL);
  • De SRH (zie hierboven) van de grond tot 1 kilometer hoogte (SRH-1);
  • De Bulk Wind Difference van 0-6 kilometer hoogte (6BWD).
    De BWD is een andere maat om windschering mee te berekenen, die we hier gezien de complexiteit en het praktisch nut voor Europa niet behandelen.

De waarden hiervan worden in bovenstaande formule ingevoerd waarna er een resultaat uit volgt. Dit resultaat kan worden gebruikt om de zwaarte van tornado’s in te schatten. Doordat we bovenstaande waarden gebruiken, houden we rekening met de onstabiliteit van de atmosfeer (zonder veel CAPE geen onweer, natuurlijk), de hoeveelheid windschering (SRH en BWD) en de hoogte van de basis van de bui.

Hoewel dit alles behoorlijk Amerikaans klinkt, is deze parameter ook in Europa goed te gebruiken. Het is een parameter die eigenlijk wel in je onweersverwachting moet voorkomen, omdat windschering altijd wel een rol speelt bij onweersbuien. Hoe hoger de STP-waarde, hoe zwaarder een tornado wordt. Let er wel op dat de STP geen enkele kans op tornado’s weergeeft, maar slechts de zwaarte. Wel lijkt er, uiteraard als er een tornado is, een verband te zijn tussen zware tornado’s en een STP van 1.0 of hoger.

» Fullscreen STP-kaarten

Conclusie

We hebben nu een groot aantal parameters genoemd die in de Benelux veel worden gebruikt bij het opstellen van onweersverwachtingen. We dagen je uit om de volgende keer zelf een onweerverwachting te maken en daarbij deze parameters te gebruiken. Post ‘m hieronder in de reacties, en we geven je graag feedback.

» Volgende les: Onweer: waarom vocht belangrijk is

Bedankt voor het delen

Discussieer mee!

Wat vind je van dit artikel? Ben je het met ons eens? Hoe kunnen we het de volgende keer beter doen?