Inversies die onweersbuien tegenhouden

Uit de vorige lessen weten we dat een stijgend luchtdeeltje door kan stijgen op het moment dat deze warmer is dan zijn omgeving. Op die manier kunnen zware onweersbuien tot ontwikkeling komen. In de les over onweerparameters hebben we de CIN kort behandeld, maar daar gaan we in dit artikel verder op in. De CIN geeft namelijk de geïnverteerde CAPE weer, de energie die moet worden overwonnen voordat buien kunnen groeien. Kortom: er moet een inversie worden overwonnen vóórdat het tot pittig onweer kan komen.

« Vorige les: Onweer: waarom vocht belangrijk is | Lesoverzicht

We beginnen deze les weer onderin de atmosfeer, op het moment dat een luchtdeeltje gaat stijgen. Daarna volgt een uitleg over wat een inversie is en hoe deze is terug te vinden op de weerkaarten. Tot slot benadrukken we wat de gevolgen zijn van een inversie voor zwaar onweer, en waarom de dosering van deze te overbruggen CAPE precies goed moet zijn.

Een stijgend luchtdeeltje

Uit de les over updraft en downdraft weten we dat een luchtdeeltje in de onderste laag van de atmosfeer kan gaan stijgen. Dit kan gebeuren door middel van thermiek (warmte door zonne-opwarming), maar ook door dynamische lifting (bij een naderende convergentielijn of koufront, bijvoorbeeld). Afhankelijk van de soort stijging ontstaan verschillende soorten onweer.

Goed, terug naar dat deeltje. We weten ook dat de waterdamp in het deeltje condenseert zodra het deeltje het Lifted Condensation Level (LCL) bereikt. Daarna stijgt het mogelijk verder, met behulp van de aanwezige “motor” achter het stijgen (thermiek, lijn, front…), tot het deeltje het Level of Free Convection (LFC) bereikt. Daarna hoeft het niet meer gebruik te maken van de motor, maar kan het vrij doorstijgen tot aan het Equilibrium Level (EL). Voor een schets van deze niveaus in de atmosfeer verwijzen we je terug naar de les over updraft en downdraft.

Als ieder stijgend deeltje zo kon stijgen, hadden we bij een beetje zomerweer continu onweersbuien. Dat is lang niet altijd zo, en vaak wordt dat veroorzaakt door een inversielaag in de atmosfeer. In vaktermen wordt deze ook wel ‘capping layer’ genoemd. Let wel op: zo’n laag lijkt een slechte betekenis te hebben, maar dat hoeft niet altijd zo te zijn. Het kan ook de spreekwoordelijke deksel op de pan kokend water zijn (de atmosfeer eronder), waardoor de inhoud van de pan (de energie voor het onweer) explodeert zodra de boel overkookt.

Maargoed, eerst even een stapje terug.

De inversie!

De vuistregel om te bepalen of een luchtdeeltje stijgt is deze, zoals we weten uit de voorgaande lessen:

Als het deeltje warmer is dan de omringende atmosfeer, dan stijgt het; is het koeler, dan daalt het.

Wat nu als we over het algemeen een “stijgend” profiel in de atmosfeer hebben, maar ergens tot aan het Equilibrium Level een laag waar een “dalend” profiel is? Waar het deeltje koeler is dan zijn omgeving, en het deeltje dus daalt? We zien dat “stijgend” en “dalend” en de temperatuurwaarden “warmer” en “koeler” precies het tegenovergestelde – het geïnverteerde – van elkaar zijn. Daarom wordt zo’n laag in de atmosfeer een inversie genoemd.

In onweersituaties heet deze inversielaag ook wel ‘capping layer’. Dat komt doordat je deze laag kunt zien als een deksel op een pan. Wat onder het deksel bevindt wil zo snel mogelijk uit de pan borrelen, maar wordt tegengehouden door de deksel die op de pan ligt. Kortom: alleen binnen de pan is er behoorlijke activiteit. Wat nu als we de onderste laag van de atmosfeer als pan zien, de inversielaag als deksel en de atmosfeer daarboven als de daarboven gelegen ruimte? Dan komen we op de schets hiernaast uit.

De schets hiernaast, of als je via mobiel surft hierboven, beschrijft namelijk de atmosfeer met de hoogte op de verticale as. De horizontale as is de tijdsas. We zien in het wit op zo’n 1500 meter hoogte de ‘capping inversion’ die in de nacht ontstaat. De residual layer is de onderste laag van de atmosfeer tijdens de nacht, waar weinig gebeurt. Op het moment dat de zon weer gaat schijnen, ontstaat er thermiek en dus stijgende luchtbewegingen. Eerst (tussen S4 en S5) botsen die tegen de capping inversion aan, wat er dus voor zorgt dat lucht niet verder kan stijgen dan de eerste 1500 meter van de atmosfeer. Maar we zien ook dat vanaf een moment tussen S5 en S6 de “convective layer” (de laag met stijgende luchtbewegingen) boven de inversie uitkomt. Het betekent dat de inversie is doorbroken en dat de stijgende lucht dus verder kan stijgen in de “free atmosphere” (zie afbeelding). Nu de stijgende lucht door de inversie heen is, is het ontstaan van grote cumulonimbuswolken mogelijk, met als mogelijk gevolg zwaar onweer.

Gevolgen van inversies voor zwaar onweer

Als onweerliefhebber willen we natuurlijk zwaar onweer hebben. Dan is het uitermate belangrijk hoe gedoseerd de inversie is. Want deze regels gelden in zo’n onweersituatie:

• Is er geen inversie aanwezig in de atmosfeer, dan ontstaan er meestal geen zware onweersexemplaren. Dat komt doordat stijgende lucht eerst niet wordt tegengehouden, wat betekent dat overal losse buitjes ontstaan.
• Is de inversie te sterk (dus: te hoog), dan is het mogelijk dat de thermiek en/of de dynamische trigger deze inversie niet kan doorbreken.

Kortom: we moeten wel een inversie hebben, maar hij mag niet te sterk zijn. Erg lastig allemaal. Om de kans op onweer te voorspellen, moeten we dus weten hoe sterk deze laag precies gaat worden.

Een inversie meten

Voor het opstellen van een onweerverwachting is het heel erg belangrijk om rekening te houden met een mogelijke inversie. Is de inversie sterk genoeg, dan ontstaan er namelijk geen onweersbuien. We weten ook dat bij een inversie die precies sterk genoeg is, de capping layer uiteindelijk doorbroken wordt en met de enorme hoeveelheid energie onderin de atmosfeer buien razendsnel tot ontwikkeling kunnen komen. Dan gaat het snel en kunnen er zeer zware onweersexemplaren ontstaan, die lokaal veel schade kunnen aanrichten, evenals het achterlaten van veel water.

Kortom: we moeten weten of er een inversie aanwezig is en op welke laag dat is. Daarvoor kunnen we een Skew-T-soundingdiagram gebruiken. Dat is een dwarsdoorsnede van de atmosfeer die is samengesteld door een weerballon op te laten in de atmosfeer. Dat gebeurt in onze regio één keer in de 24 uur. Dergelijke metingen worden over het algemeen als ijkpunt gebruikt om ‘progtemps’ te ondersteunen. Dat zijn ook Skew-T’s, maar dan niet op basis van metingen, maar computerberekeningen.

Op zo’n Skew-T diagram zien we een heleboel lijnen, maar meestal ook een aantal vlakken. De CAPE en de CIN staan hiernaast in een voorbeeld aangegeven. Wat tijdens onweersituaties vooral belangrijk is, is dat er genoeg CIN aanwezig is om initiële convectie tegen te houden, maar dat er niet té veel CIN aanwezig is. Afhankelijk van de trigger is het vaak een beetje inschatten, maar een paar honderd J/kg aan CIN zou goed moeten zijn bij een dynamische trigger.

CIN staat voor ‘convective inhibition’, ‘convectieve blokkering’ in het Nederlands. Je zou de CIN kunnen zien als negatieve CAPE, die het beginsaldo van de CAPE op een negatief aantal J/kg zet. Deze negatieve energie moet eerst worden overbrugd voordat buien kunnen groeien.