Convective Available Potential Energy

Onweerliefhebbers zijn in de hoogste staat van paraatheid als een hoge CAPE op het programma staat. Het is een heel handig middel om aan te geven hoe sterk onweersbuien zullen worden. Toch wordt de CAPE vaak verkeerd gebruikt. Hieronder leggen we uit wat de CAPE precies is en hoe jij het zelf correct kunt gebruiken als je de kans op onweersbuien wilt berekenen.

« Vorige les: Elektrificatie van de bui: bliksem! | Lesoverzicht

Wat is CAPE?

CAPE is ook wel Convective Available Potential Energy. De stabiliteitsindex wordt gebruikt om de stabiliteit van de atmosfeer te meten of te voorspellen. Over het algemeen geldt namelijk de regel dat in een onstabielere atmosfeer zwaardere onweersbuien kunnen ontstaan. De CAPE wordt gemeten in Joules per kilogram lucht, oftewel J/kg.

Als een luchtdeeltje vanaf de grond stijgt, moet het op de een of andere manier het LFC bereiken, het Level of Free Convection. Vanaf dan kan het zonder moeite verder stijgen totdat het deeltje het EL, het Equilibrium Level, bereikt. Op het EL en hoger is de temperatuur van de omgeving warmer dan die van het luchtdeeltje. Je weet waarschijnlijk wel dat warme lucht stijgt en koude lucht daalt. Zo gaat het ook ongeveer bij het EL. Omdat de temperatuur van de omgeving warmer is dan die van het deeltje, kan het niet verder stijgen. Daarom houdt de meting van de CAPE op bij het EL. Over het gebied tussen beide niveaus – of een deel ervan – kan de energieopbouw worden gemeten: de CAPE.

Verschillende soorten CAPE

Om het nog maar wat moeilijker te maken: er zijn verschillende soorten CAPE. Hieronder gaan we in op de meestgebruikte soorten, zodat je ontdekt wat de verschillen zijn. Later gaan we in op het toepassen van al de soorten CAPE op onweersituaties. De berekening ervan gaat met de volgende formule:

Als je de wiskunde erachter niet zo interessant vindt, dan mag je de uitleg tot kopje ‘SBCAPE’ overslaan. Het is een integraal van Zf (= de hoogte van het LFC) naar Zn (= de hoogte van het EL). G is de zwaartekracht; Tv,parcel de virtuele temperatuur van het luchtdeeltje en Tv,env de virtuele temperatuur van de atmosfeer op die hoogte. En dan nu de verschillende soorten CAPEs.

SBCAPE

Surface-based CAPE, SBCAPE, is één van de veelgebruikte soorten CAPE. SBCAPE is het makkelijkst te begrijpen. De aanname is dat een bui ontstaat van de grond. Een luchtdeeltje wordt vanaf de grond opgetild totdat het deeltje het Equilibrium Level (EL) bereikt. De energie die het deeltje dan bezit, wordt SBCAPE genoemd.

Voor- en nadelen: de SBCAPE beschrijft de energie dat een deeltje over de hele troposfeer kan krijgen, maar is tijdens zomerdagen vaak te hoog om effectief te worden ingezet bij onweervoorspellingen.

Let op! Een bui ontstaat vrijwel nooit ineens vanaf de grond. Daarom moet je nooit volledig vertrouwen op de SBCAPE alleen.

MLCAPE

Ook één van de veelgebruikte soorten CAPE is MLCAPE, ook wel Mixed-layer CAPE genoemd. Bij het berekenen van de MLCAPE wordt eerst de temperatuur en het dauwpunt van de onderste laag van de atmosfeer, vaak de eerste 100 hPa, gemiddeld. Wat minder technisch: de temperatuur varieert met de hoogte waarop je je bevindt. Van pakweg de eerste duizend meter wordt de gemiddelde temperatuur en het gemiddelde dauwpunt vastgesteld.

Vervolgens wordt gekeken op welke hoogte die temperatuur daadwerkelijk geldt. Vanaf die hoogte wordt het luchtdeeltje losgelaten – en niet vanaf de grond zoals bij SBCAPE. De meting van de MLCAPE gaat net als bij de SBCAPE verder hetzelfde: er wordt gemeten wat de energie van het deeltje is als het EL wordt bereikt.

Voor- en nadelen: kan vrij efficiënt worden ingezet bij onweerdagen door het gebruiken van een gemiddelde, maar sluit niet altijd helemaal aan bij de daadwerkelijke atmosferische setting.

MUCAPE

MUCAPE staat voor Most Unstable CAPE. De meting van deze CAPE-soort gaat op vrijwel dezelfde manier als de andere CAPE-soorten, maar wederom is de starthoogte van de meting verschillend. De hoogte die als starthoogte wordt genomen, is de hoogte waarbij de MUCAPE het hoogst uitvalt. Het geeft de maximale onstabiliteit aan waarvan een bui kan profiteren.

Ook wordt de MUCAPE gebruikt bij ‘elevated convection’. Dat gebeurt wanneer de SBCAPE 0 J/kg is, terwijl op andere hoogten CAPE-waarden > 0 J/kg aanwezig zijn.

Voor- en nadelen: geeft de maximale hoeveelheid onstabiliteit aan en is handig bij elevated convection, maar is best vaak te hoog.

DCAPE

Een bui heeft een updraft en een downdraft. De updraft is de omhoogbewegende luchtstroom in een onweersbui – de downdraft de omlaag bewegende luchtstroom. Bij sommige onweersituaties, en vooral diegene waar andere CAPE-soorten op zware onweersbuien hinten, is het interessant om ook naar de kracht van de downdraft te kijken. Die downdraft komt namelijk ook aan de grond, en een krachtige downdraft kan uitgroeien naar ‘downburst’. In het filmpje hieronder kun je zien hoe krachtig zo’n downburst kan zijn.

CAPE gebruiken om onweer te voorspellen

CAPE is een belangrijke onstabiliteitsindex. In vrijwel iedere onweervoorspelling wordt er over CAPE gesproken. Maar om een goede voorspelling te maken is het belangrijk om weloverwogen keuzes te maken omtrent de CAPE en van een aantal basisprincipes uit te gaan. Daar gaan we nu op in.

» TIP: zoek als case study eens naar onze onweerverwachtingen

CAPE en de kans op onweer

CAPE is in al zijn vormen een handige manier om de onstabiliteit van de atmosfeer aan te geven vanaf verschillende startniveaus. Veel mensen maken echter de fout om de CAPE te zien als de “kans op onweersbuien”. Dat is onjuist. Je moet CAPE zien als de springstof die in een bom zit. Als de bom niet wordt aangestoken, gebeurt er ook niets met de springstof: er volgt geen explosie. Het gebeurt regelmatig dat de atmosfeer enorm onstabiel is. Dan is er dus ook een hoge CAPE. Toch gebeurt er dan helemaal niets op onweersgebied. Er is dan waarschijnlijk een inversie die de explosie tegenhoudt. Op inversies komen we in één van de volgende lessen terug, maar zorg ervoor dat je CAPE niet als de kans op onweer beschouwt.

Welke CAPE moet ik kiezen?

Je kunt zoals gezegd voor verschillende soorten CAPE kiezen. Daarom kun je nooit spreken van ‘de CAPE’ voor een bepaalde locatie. Toch gebeurt dat vaak wel: als je dat hoort kun je de klok erop gelijk zetten dat het om de MLCAPE gaat. Maar toch moet je om onweer goed te kunnen voorspellen een bepaald soort CAPE kiezen. Hieronder leggen we je uit wat voor bepaalde situaties de beste keuze is.

De regel die daarvoor geldt is bijzonder simpel: je moet de CAPE kiezen waarbij het luchtdeeltje vanaf dezelfde hoogte begint te stijgen als dat het deeltje in de praktijk in de updraft van de bui terechtkomt. De updraft is zoals gezegd de omhoogbewegende luchtstroom in een onweersbui.

Het is echter bijzonder moeilijk om dat vooraf vast te stellen. Er is een grote discussie gaande over wat dan de beste soort CAPE zal zijn om in een onweersituatie te gebruiken. Is het de SBCAPE? Of toch de MLCAPE? En welk niveau moet dan worden gebruikt? … Tsja. Laat nu net iedere weerman zijn eigen voorkeur hebben. Grof gezegd kan het volgende worden gezegd:

• Op een warme dag is de SBCAPE vaak veel hoger dan de MLCAPE. Een onweerdag is vaak zo’n typische warme dag: de SBCAPE kan dan wel 1000 J/kg hoger zijn dan de MLCAPE. Je moet dan eerst kijken waar het LFC ligt om te bepalen van welke CAPE-soort je het beste uit kunt gaan.
• Soms komt het voor dat als een deeltje van de grond stijgt, de SBCAPE 0 J/kg is, terwijl er wel CAPE is als je het deeltje van andere niveaus (ook wel ‘elevated levels’ genoemd) laat stijgen. Je moet dan de hoogste CAPE nemen: de MUCAPE dus.
• Als je een indicatie wilt hebben van de kracht van de downdraft, dan kun je de DCAPE gebruiken.

Op het moment dat je de CAPE wilt inzetten en niet teveel werk wilt hebben, dan kun je het beste de MLCAPE gebruiken. De MLCAPE maakt gebruik van een gemiddelde, waardoor het een geschikte indicator is voor veel situaties. Maar toch: als je weet dat buien van de grond af kunnen ontstaan, dan kun je het beste de SBCAPE gebruiken. Als er juist sprake is van ‘elevated’ convectie, wat betekent dat er CAPE aanwezig is terwijl de SBCAPE 0 J/kg is, dan kun je het beste van de MUCAPE uitgaan.

Waar kan ik actuele CAPE-waarden vinden?

Op verschillende weerwebsites kun je CAPE-kaarten vinden die voor verschillende regio’s CAPE-waarden aangeven. Hieronder hebben we een aantal websites op een rijtje gezet:

Basiskaarten

• Op Wetterzentrale kun je voor weermodellen GFS en WRF kaarten met CAPE en Lifted Index (LI) vinden.
• Op Wetter3 kun je voor GFS ook CAPE/LI-kaarten vinden.
• Bij MeteoVista kun je voor GFS ook CAPE/LI-kaarten vinden.

Specialistische CAPE-kaarten

• Lightningwizard heeft kaarten van MLCAPE, SBCAPE en MUCAPE, van het GFS-model.
• Als je de laatst gemeten SBCAPE (hier: Boden-CAPE) of MLCAPE (hier: InstabilsterWert-CAPE) wilt weten, dan kun je de laatste sounding in De Bilt bekijken op Wetteronline.

Wat weet je nu?

Je hebt net wat basisstappen in het voorspellen van onweer gezet. Als je wilt testen hoe goed je CAPE begrijpt, dan kun je voor jezelf de volgende vragen beantwoorden. Of leg het eens uit aan een ander, waarbij je naar dit artikel verwijst:

• Wat is de betekenis van CAPE?
• Wat is SBCAPE, MUCAPE en MLCAPE?
• Wanneer kun je het beste SBCAPE, MUCAPE of MLCAPE gebruiken?
• Waarom betekent een hoge CAPE niet altijd zwaar onweer?

We horen het graag als je vragen hebt over CAPE of onze andere artikelen. Je kunt je vragen achterlaten op onze Facebookpagina of als reactie hieronder. We zullen dan zo snel mogelijk reageren.

» Volgende les: Meer onweerparameters