Weersystemen en weer

Om bewolking te krijgen, zijn opwaartse luchtbewegingen nodig; de opstijgende lucht koelt af en raakt oververzadigd, zodat condensatie optreedt. Zo ontstaan wolken waaruit neerslag kan vallen. In de hoofdstukken over vocht (6) en over neerslag en buien (10) gingen we hier uitvoeriger op in.

Stijgende luchtbewegingen komen onder andere voor in lagedrukgebieden. Neerslagwolken worden dus vooral aangetroffen in en rond lagedrukgebieden. Bij zo’n lagedrukgebied kunnen nog specifieke systemen onderkend worden die neerslag produceren, namelijk fronten en buienzones.

In hogedrukgebieden treden dalende luchtbewegingen op. Deze doen eventueel aanwezige bewolking oplossen en geven in het algemeen aanleiding tot fraai weer.

Frontale zones en weer

Boven verschillende delen van Europa en de Atlantische Oceaan toont de lucht gewoonlijk uiteenlopende eigenschappen: er zijn verschillende luchtsoorten aanwezig. De overgangszones tussen twee luchtsoorten zijn tamelijk smal; deze zogeheten frontale zones zijn slechts enkele tientallen kilometers breed. De luchtmassa’s zijn voortdurend in beweging; daarbij is het onvermijdelijk dat de ene luchtmassa de andere verdringt.

De koudere luchtmassa, die zwaardere lucht bevat, dringt onder de warme lucht; de warme luchtmassa wordt daardoor gedwongen tegen de koude massa op te glijden. Dat is een langzaam proces en de frontale zone waar dit gebeurt, blijkt ook niet verticaal te staan, maar te hellen.

Wordt koude lucht verdrongen door warme, dan glijdt de opdringende warme lucht tegen de koude lucht op en wel in de richting waarin de luchtmassa’s bewegen. Het scheidingsvlak tussen de koude en warme lucht is in dit geval van een warmtefront. Wordt warme lucht daarentegen verdrongen door koude, dan wrikt de koude lucht zich onder de warme; die wordt dan dus eveneens gedwongen tegen de koude lucht op te stijgen, maar nu tegen de bewegingsrichting in. De frontale zone van dit zogeheten koufront helt daarom tegen de verplaatsingsrichting in.

In de figuren is schematisch weergegeven hoe de fronten hellen als verschillende luchtmassa’s bewegen en op elkaar botsen. De warme lucht is in principe warme massa, die niet spontaan opstijgt, maar daartoe gedwongen wordt. Dit is een situatie waarbij vooral horizontaal uitgestrekte, gelaagde bewolking ontstaat, die echter wel geleidelijk tot grote hoogte kan reiken.

De koude lucht daarentegen is koude massa; hierin kunnen luchtbellen wel spontaan opstijgen. In die koude luchtmassa’s ontstaat daardoor gewoonlijk verticaal ontwikkelde bewolking: cumuluswolken die uiteindelijk over kunnen gaan in cumulonimbus, zodat er buien optreden. Dat betekent dat het weer tijdens het passeren van een warmtefront wezenlijk verschilt van dat tijdens de passage van een koufront.

Voordat we dat in wat meer detail bespreken, zullen we eerst nagaan hoe de verschillende luchtmassa’s ten opzichte van depressies en hogedrukgebieden gesitueerd zijn.

Weersystemen en luchtmassa’s

De lagedrukgebieden die bij ons het weer bepalen, ontstaan vaak op de scheiding tussen warme, vochtige luchtmassa’s die zich in het zuiden bevinden en koude, drogere luchtmassa’s ten noorden daarvan (figuur onder, 1). Dat gebeurt middels een ingewikkeld proces, waarop hier niet in detail ingegaan wordt. Het komt er in het kort op neer dat in de scheidingszone, het zogeheten polaire front, golvingen ontstaan (figuur onder, 2), die onder bepaalde omstandigheden groter worden (figuur onder, 3 en 4). Het ontstaan van deze golvingen hangt nauw samen met stromingen op 5 tot 10 kilometer hoogte in de atmosfeer, waar zich de zogeheten straalstroom bevindt.

Een zich ontwikkelende golf gaat gepaard met dalingen van de luchtdruk aan het aardoppervlak en versterkte stijgende luchtbewegingen, uiteindelijk resulterend in een lagedrukgebied met afmetingen van honderden kilometers. Gezien het stromingspatroon rond een lagedrukgebied (tegen de wijzers van de klok in), beweegt de koudste lucht aan de achterkant van de depressie naar het zuiden (figuur onder, 4 en 5) en de warme lucht aan de voorkant naar het noorden.

De voorste begrenzing van de koude lucht, het koufront (blauwe lijnen met driehoekjes), verplaatst zich sneller dan de voorste begrenzing van de warme lucht (warmtefornt, rode lijnen met halve bolletjes). Waar de warme lucht de koude lucht heeft ingehaald, of beter opgetild, ligt het occlusiefront; dat is in de tekeningen in paars weergegeven.

Doordat er eerst een uitstulping van warme lucht in de koude lucht is geweest, bevindt zich helemaal aan de voorkant van de depressie ook koude lucht, die door een vorig lagedrukgebied daar terecht is gekomen. Trekt een depressie voorbij, dan zitten we dus eerst in koude lucht. Vervolgens passeert een warmtefront en komen we in warme lucht. Na enige tijd passeert een koufront en komen we weer in koude lucht. Meestal is deze koude lucht nog een stuk kouder dan de koude lucht aan de voorkant van de depressie.

Passage van een warmtefront

De helling van een warmtefront is maar klein, zodat het proces langzaam en geleidelijk verloopt. De snelheid waarmee de lucht stijgt, ligt in de orde van enkele honderden meters per uur. Merk op dat stijgsnelheden liggen in de orde van centimeters per seconde, terwijl horizontale windsnelheden in de orde van meters per seconde liggen.

Ver voor het front uit, dus op honderden kilometers afstand, nemen we de warme lucht al waar in de hogere luchtlagen, dat is op zo’n 8 tot 10 kilometer hoogte. Hier is de temperatuur laag, en er komen meest ijskristallen voor. We zien de bewolking in de vorm van windveren: cirrusbewolking. In de onderste luchtlagen is de lucht nog koud; er kan zich daar wat cumulusbewolking hebben gevormd. In dat stadium is er nog weinig bewolking en overdag dus veel zon.

De bewolking in de hogere luchtlagen wordt, naarmate het warmtefront dichterbij komt, dichter en komt ook op lagere niveaus. Tenslotte is de bewolking via cirrostratus, en altostratus in een dik pak nimbostratus overgegaan waaruit neerslag valt. De wind krimpt en trekt aan; een krimpende wind draait tegen de wijzers van de klok in. De luchtdruk daalt, eerst langzaam, dan sneller. De situatie bij een warmtefront is in de figuur hieronder weergegeven. Uit zo’n dik pak bewolking valt langdurig regen, in de winter ook sneeuw of ijsregen vallen.

Warme sector

Na het passeren van het warmtefront zijn we terecht gekomen in het gebied tussen het warmtefornt en het koufront, de zogeheten warme sector.. De wind ruimt, dat wil zeggen draait met de wijzers van de klok mee; hij neemt veelal echter nauwelijks in kracht af. De luchtdruk daalt niet verder, maar stijgt ook niet. Soms klaart het in de warme sector op en blijft het droog. Vaak is het echter egaal bewolkt, bestaat de bewolking uit stratus, altostratus en stratocumulus en valt er wat motregen. De luchttemperatuur ligt hoger dan voor de warmtefrontpassage.

Passage van een koufront

Na enige tijd neemt de bewolking in de warme sector op de nadering van het koufront weer toe; ook neemt ze grote verticale afmetingen aan. De koude lucht dringt vaak met geweld onder de warme lucht, waardoor deze gedwongen wordt snel op te stijgen. De stijgsnelheid bedraagt soms enkele m/s, de zelfde orde van grootte dus als de horizontale snelheid. Vlak voor het koufront ontstaan door deze ontwikkelingen soms heftige regen- of onweersbuien. De wind krimpt tijdelijk, draait dus tegen de wijzers van de klok in, en neemt sterk in kracht toe.

In de buien voor het front komen windstoten voor. De luchtdruk daalt onafgebroken. Op het moment dat het koufront passeert, ruimt de wind sterk en bereikt zijn grootste kracht, terwijl de luchtdruk op z’n laagst is. Na de koufrontpassage stijgt de luchtdruk weer, zelfs tot boven de waarde aan de voorzijde van het front. In de figuur is schematisch de passage van een koufront weergegeven.

Passage van een occlusie

Een occlusiepassage vertoont de kenmerken van zowel een koufrontpassage als een warmtefrontpassage. De warme sector ontbreekt.

Luchtmassabuien

Achter het koufront stroomt er koude lucht binnen. Die lucht heeft het karakter van koude massa; er ontwikkelen zich gemakkelijk de typische cumuluswolken, die uit kunnen groeien tot buien. Men spreekt dan van luchtmassabuien, omdat ze kenmerkend zijn voor de luchtmassa.

Buienlijnen en troggen

Soms zijn de buien min of meer langs een lijn georganiseerd. Die buien zijn dan zwaar en gaan vergezeld van heftige windstoten. Zo’n lijn waarlangs de buien gerangschikt zijn heet wel een squall-line. Soms komt er achter een koufront een zone voor waarin de buienactiviteit sterk toeneemt en waar het ook harder waait. In dat geval spreekt men van een trog. Soms zijn de weerverschijnselen in zo’n trog heftiger dan tijdens de passage van het koufront. Buienlijnen en troggen zijn op radarbeelden goed te volgen. De neerslagintensiteit is vaak erg hoog.

Conceptuele modellen

In het voorgaande werd uitgebreid stilgestaan bij het begrip: front. Fronten vormen, zoals eerder beschreven, de scheidingslijn tussen warme, vochtige lucht, die vanuit de tropen of de subtropen naar het noorden stroomt enerzijds en koudere, van de noordelijke oceaan of uit de poolstreken afkomstige lucht, die zuidwaarts trekt, anderzijds.

De frontentheorie werd ontwikkeld in de periode kort na de Eerste Wereldoorlog aan de universiteit van Bergen in Noorwegen; nog steeds spreekt men daarom van de Noorse School als men het heeft over de wetenschappers die er werkten of het gedachtegoed dat zij vertegenwoordigen.

De theorieën van de Noorse School vormden destijds een eerste antwoord van de meteorologische gemeenschap op de complexiteit aan waarnemingen die beschikbaar zijn om weersverwachtingen te maken; door te werken met zogeheten conceptuele modellen als warmtefront, koufront en occlusie probeerde men de waarnemingen te ordenen en in hun onderlinge samenhang te kunnen plaatsen.

In de huidige situatie is het aantal beschikbare waarnemingen veel groter dan destijds; de complexiteit van de patronen van de verschillende elementen die eruit kunnen worden afgeleid, is gegroeid. Vandaar dat er binnen de zogeheten synoptische meteorologie nog steeds een sterke behoefte is aan de ordening en de relatieve eenvoud die conceptuele modellen kunnen verschaffen.

Nieuwe ontwikkelingen

In de loop der jaren zijn er talrijke verfijningen aangebracht in de oorspronkelijke frontconcepten; nieuwe typen waarnemingen, zoals bijvoorbeeld de radiosondewaarnemingen, de radar- en de satellietbeelden, genereren nieuwe meteorologische kennis, waarin behoefte is aan nieuwe ofbijgestelde modellen. Zo worden er verschillende typen warmtefront, koufront en occlusie onderscheiden, omdat in de praktijk blijkt dat ze uiteenlopende karakteristieken vertonen en dus ander soort weer met zich meebrengen.

Voor andere verschijnselen, zoals bijvoorbeeld buiencomplexen in polaire lucht, snel ontwikkelende golfvormige storingen en omvangrijke zomerse buiencomplexen, kwamen er eveneens conceptuele modellen. Elk model beschrijft een verschijnsel in termen van kenmerken die zichtbaar zijn op satellietbeelden of in andere typen weerwaarnemingen. Daarnaast moet zo’n model aangeven hoe tijdens de levensloop van het verschijnsel uiterlijk, omvang, intensiteit en waargenomen weersverschijnselen variëren. Verder geeft het aan welke natuurkundige processen een rol spelen, zodat men uit de beschikbare waarnemingsgegevens kan proberen af te leiden hoe sterk het verschijnsel is ontwikkeld.

Tenslotte geeft het conceptuele model de meteoroloog aanwijzingen welke meteorologische variabelen hij of zij het best in de gaten kan houden om de verdere weersontwikkelingen te voorspellen, met name of er sprake is van activering of van oplossing van het verschijnsel dat het conceptueel model beschrijft. De afbeelding hieronder toont een voorbeeld van een ‘weerkaart’ met een satellietbeeld als ondergrond en daarin aangegeven de relevante conceptuele modellen.

Uit:“Weerkunde, Meteorologie voor iedereen”, door Kees Floor/KNMI; Uitgeverij Elmar, Rijswijk, ISBN 90389 1489 x; 2004.