Je leest:

Het weer gemeten en voorspeld

Het weer gemeten en voorspeld

Auteurs: en | 25 augustus 2005

De meteorologie kende in de twintigste eeuw talrijke mijlpalen op terreinen als waarnemen van het weer, theorievorming en voorspelmethodieken. In dit artikel van Baltus Zwart en Kees Floor worden de belangrijkste ontwikkelingen binnen de meteorologie van de afgelopen 100 jaar besproken.

De basis voor de meteorologie als wetenschap werd in Nederland omstreeks 1850 gelegd door Christiaan H. D. Buys Ballot. De weerkundige activiteiten bestonden aanvankelijk uit het systematisch verrichten van waarnemingen en het uitgeven ervan in jaarboeken.

C.H.D. Buijs Ballot, oprichter van het KNMI

Maar Buys Ballot had ook aandacht voor de samenhang van waarnemingen, die tegelijkertijd op verschillende locaties werden verricht. Hiermee konden weerkaarten worden getekend, waarop eerst alleen de stormwaarschuwingen en later ook andere weersverwachtingen waren gegrond. De eerste waarschuwingen waren gebaseerd op slechts enkele plotjes van Franse kuststations. Het op routinebasis tekenen van weerkaarten werd mogelijk na de oprichting van de Internationale Meteorologische Organisatie (IMO) in 1873. De IMO was een initiatief van Buys Ballot, tevens de eerste voorzitter. Daarmee begon de internationale uitwisseling van waarnemingen. De publicatie van dagelijkse weerkaarten voor algemeen gebruik startte in Nederland in 1881.

Weerkaart uit 1891: geen fronten!

Het KNMI heeft deze traditie gedurende de hele 20ste eeuw voortgezet. Rond de eeuwwisseling verhuisde het KNMI van Utrecht naar De Bilt. In de nu volgende decennia begon onder Ewoud Van Everdingen, die in 1903 in dienst van het KNMI was gekomen en er van 1905 tot 1937 hoofddirecteur was, het onderzoek naar klimaatveranderingen, veroorzaakt door de afsluiting en gedeeltelijke drooglegging van de Zuiderzee. Van Everdingen legde ook de grondslag voor de landbouwmeteorologie, aanvankelijk met name van belang bij het bestrijden van de aardappelziekte.

Meten van temperatuur en vochtigheid in een proefveld achter het KNMI ten behoeve van landbouwkundig onderzoek.

Frontmodellen en de Noorse school

In de jaren twintig en dertig werden grote ontdekkingen gedaan en zijn er belangrijke theorieën ontwikkeld. En van de belangrijkste meteorologen in het begin van de 20ste eeuw was ongetwijfeld de Zweedse meteoroloog Tor Bergeron. Samen met de Noorse meteorologen Vilhelm en Jacob Bjerknes (vader en zoon) ontwikkelde hij een geheel nieuwe methode voor het analyseren van weerkaarten. Daarbij werd uitgegaan van het bestaan van verschillende luchtsoorten, die niet mengen. Er bestonden dus scheidingsvlakken tussen deze luchtsoorten, op de weerkaart te zien als scheidingslijnen, de fronten. De fronten konden de knikken in de isobaren verklaren als gevolg van een verschillend drukverloop in de luchtsoorten voor en achter het front. Voorheen werden de knikken min of meer verdonkeremaand door de isobaren een vloeiend verloop te geven. Deze geheel nieuwe methode van analyseren staat bekend als de frontentheorie of de Noorse School. In Nederland werd de analyse volgens de Noorse School ingevoerd in 1937. Dit is vooral te danken aan de meteoroloog, latere hoogleraar en hoofddirecteur van het KNMI Wouter Bleeker.

Prof.Dr.W.Bleeker

De theorieën van de Noorse School werken met modelvoorstellingen als warmtefront, koufront en occlusie. Daarmee probeerde men de waarnemingen te ordenen en in onderlinge samenhang te plaatsen. Nieuwe typen waarnemingen, zoals bijvoorbeeld die van de radiosonde, de radar- en de satellietbeelden, genereerden nieuwe meteorologische kennis, waarbij er behoefte was aan nieuwe of bijgestelde modellen. In de loop der jaren zijn er daarom talrijke veranderingen aangebracht in de oorspronkelijke frontconcepten. Er werden bijvoorbeeld veel meer verschillende typen fronten onderscheiden omdat in de praktijk bleek dat ze ander soort weer met zich meebrachten. Voor andere verschijnselen, zoals bijvoorbeeld buiencomplexen in polaire lucht, snel ontwikkelende golfvormige storingen en omvangrijke zomerse buiencomplexen, kwamen er eveneens nieuwe modellen. Zo’n model moet onder andere aangeven hoe tijdens de levensloop van het verschijnsel uiterlijk, omvang, intensiteit en waargenomen weer variëren. Verder geeft het aan welke natuurkundige processen een rol spelen, zodat men uit de waarnemingsgegevens kan afleiden hoe het verschijnsel zich heeft ontwikkeld. Tenslotte geeft het model de meteoroloog aanwijzingen welke weervariabelen hij vooral in de gaten moet houden om de verdere weersontwikkelingen te voorspellen.

Hogere luchtlagen en straalstroom

Op wetenschappelijk gebied kreeg Nederland in de eerste helft van de twintigste eeuw naam door het onderzoek van de hogere luchtlagen; men besefte reeds aan het begin van de twintigste eeuw dat die van groot belang waren voor het weerbeeld. Wat men onder andere wilde weten was hoe hoog de dampkring zich uitstrekte, welke temperaturen er op grote hoogten heersten en welke windsnelheden. In Nederland werden in dat verband ballonvaarten uitgevoerd door Cannegieter en Schoute. Later werd een methodiek ontwikkeld voor het bepalen van de windrichting in hogere niveaus door het volgen van loodsballonen met de theodoliet. De door Schoute ontwikkelde registrerende theodoliet werd zelfs door Carl Zeiss in productie genomen. Voor het meten van temperatuur en vochtigheid in de bovenlucht maakte men gebruik van grote vliegers, waarmee deze elementen tot op een hoogte van ruim 3000 meter gemeten konden worden. Het vliegerstation was aanvankelijk gevestigd in Soesterberg. Nadat dit terrein in gebruik was genomen als basis voor militaire vliegtuigen, week men uit naar de Leusderhei. De militaire piloten waren echter bereid tussen de vleugels van hun tweedekkers een door Cannegieter ontwikkelde meteorograaf te laten monteren. Daarmee konden tot een hoogte van 5 km, het plafond van de vliegtuigen, luchtdruk, temperatuur en vochtigheid worden geregistreerd.

Meteorograaf tusssen de vleugels van een tweedekker

Voor de Tweede Wereldoorlog vonden radiosondewaarnemingen nog slechts incidenteel plaats, maar daarna werd over de gehele wereld een uitgebreid net van radiosondestations verwezenlijkt, zodat de kennis van de hogere luchtlagen in rap tempo toenam. In de loop der jaren bereikten de ballons hoogten van 30 á 35 km. Windgegevens werden verkregen door het pad van de ballon te volgen met de theodoliet en, vanaf 1955, met radar.

Weerballon in de lucht met daaronder een radarredlectieschermen 10 meter later, de radiosonde.

In de jaren tachtig kwam de radioplaatsbepaling in gebruik, waardoor de sonde niet meer hoefde te worden gevolgd. De radiosonde zelf is in de loop der jaren belangrijk in grootte en gewicht afgenomen. De bimetaalthermometer en de vochtigheidsmeter van vogeldarm werden vervangen door sensoren ter grootte van een flinke speldenknop, waardoor afscherming tegen straling overbodig werd.

Radiosonde volgens Vaisala, met speldeknopvormige sensoren (rechts). De batterij neemt het grootste volume in. De Finse sonde is niet veel groter dan 10 cm.

Men kwam al spoedig tot het inzicht dat de luchtdrukverdeling aan het aardoppervlak in belangrijke mate wordt beïnvloed door de luchtdrukverdeling in de bovenlucht. De Nederlandse meteoroloog Herman Bijvoet leidde hieruit een grafische methode af, waarmee de luchtdruk aan de grond uit die in de bovenlucht op 5 km hoogte kon worden afgeleid. Met deze grafische methode kon later uit de door computers berekende luchtstroming in de hogere luchtlagen die aan de grond worden bepaald. In het begin van de jaren veertig ging men uit van een regelmatige toename van de wind met de hoogte en van windsprongen op de scheidingsvlakken tussen de luchtsoorten, maar van luchtlagen met extreme windsnelheden was geen sprake.

Amerikaanse lange-afstand bommenwerpers, die boven Japan op vele kilometers hoogte vlogen om vijandelijk afweervuur te vermijden, troffen daar echter onverwacht zeer hoge windsnelheden aan. Op dat niveau bleken deze vliegtuigen boven hun doelen zelfs niet meer vooruit te komen. De head winds bereikten snelheden van omstreeks 450 km per uur. Dergelijke hoge windsnelheden in het bovenste deel van de troposfeer pasten niet in het toen gangbare model van de atmosfeer.

De Amerikaan H. C. Willett was de eerste die een aangepaste versie van het model publiceerde met daarin het zo karakteristieke snelle stromingslint van westelijke winden aan de top van de troposfeer. Door zijn hoge snelheid kreeg deze stroming de benaming straalstroom (jetstream). De twee straalstromen (één op het noordelijk en één op het zuidelijke halfrond) vormen in de meeste gevallen geen mooie gesloten cirkel (de westcirculatie) met zeer snel (de jetstreaks ) en langzamer stromende delen. Ze tonen een vaak wisselend aantal meanders (de Rossby-golven).

Door vereenvoudiging van de bewegingsvergelijking kon Rossby formules opstellen voor de verplaatsing van deze golven. De golfpatronen zijn meer of minder uitgesproken en kunnen in sommige gevallen leiden tot afsnoering. De zo ontstane losse wervel blokkeert door zijn vaste positie de westelijke stroming. Deze zogeheten blokkades kunnen zeer hardnekkig zijn en geven dan in onze streken aanleiding tot een standvastig weerbeeld. De ontdekking van de straalstroom direct onder de tropopauze, boven het polaire front, leidde tot een ingrijpende herziening van het atmosferische stromingsbeeld.

Er bleek ook een sprong in de hoogte van de tropopauze te bestaan boven de gematigde gebieden. De straalstroom kreeg een plaats in dit overgangsgebied tussen (sub)tropische en polaire lucht. De ontdekking van de straalstroom heeft verreikende gevolgen gehad voor de meteorologische wetenschap. Ze is even belangrijk als de ontdekking van de Golfstroom in de Noordelijke Atlantische Oceaan. De straalstroom bleek een belangrijke rol te spelen bij het ontstaan van depressies, bij het inzetten van de moessonregens boven India, bij langdurige, warme zomers (blokkades). De straalstroom bleek een hoofdrol te spelen bij het uitgroeien van zwakke storingen tot diepe depressies. Van groot belang daarbij bleek de plaats van de storing onder de straalstroom, met name onder het uitstromingsgebied (de delta) van het windmaximum. Het plotseling uitgroeien van op het eerste gezicht zwakke storingen tot diepe depressies, gepaard met zware stromen, kon door de pompwerking van de straalstroom beter worden begrepen.

Neerslagvorming en weersbeïnvloeding

Van groot belang was de theorie van Bergeron voor het ontstaan van neerslag. Wolken, die uitsluitend uit druppeltjes (stapelwolken, schapenwolken) of ijskristalletjes (windveren, sluierwolken) bestaan, geven geen neerslag. Boven de gematigde streken ontstaan regendruppels vrijwel nooit door het samenvloeien van wolkendruppeltjes of aangroeien ervan door condensatie, zoals rond 1900 nog werd gedacht.

Bergeron stelde dat een wolk alleen neerslag produceerde, wanneer daarin water en ijs naast elkaar voorkwamen. Wolken bestaan namelijk ook bij temperaturen onder nul nog geheel of gedeeltelijk uit onderkoelde waterdruppeltjes doordat druppeltjes, die uit zuiver water bestaan, pas bevriezen bij een temperatuur van -40oC. In de atmosfeer zijn echter vrieskernen aanwezig; microscopisch kleine stofdeeltjes, die door hun specifieke kristalstructuur het bevriezingsproces bevorderen. De meeste druppeltjes bevriezen bij temperaturen tussen de -10oC en de min -14oC. Het aangroeien van de ijskristalletjes in de wolk vindt plaats door het verschil in verzadigingsdampspanning tussen ijs en onderkoeld water van dezelfde temperatuur. De verzadigingsdampspanning boven ijs is lager. Dit verschil is maximaal bij een temperatuur van ongeveer -12oC.

Het proces, dat Findeisen later proefondervindelijk vaststelde, kreeg de naam Findeisen-Bergeron proces. Voor neerslagvorming moet een wolk dus onderkoelde druppeltjes èn ijskristalletjes bevatten. In de gematigde streken is de meeste regen eerst ijs geweest. Alleen in de tropen kunnen buienwolken hoog genoeg reiken om het proces van het samenvloeien van druppeltjes, het zogeheten cascade-effect, plaats te laten vinden. Maar ook hier reiken de wolken soms nog hoog genoeg om in de toppen ijskristalletjes te bevatten.

Een belangrijk jaar in de geschiedenis van de weersbeïnvloeding was 1930, toen de amateur meteoroloog August W. Veraart voor het eerst met een fysische methode ingreep in het proces van de neerslagvorming. Hij liet hoog ontwikkelde stapelwolken (Cumulus congestus) bezaaien met koolzuursneeuw (vast koolstofdioxide, -80oC). Zonder dat hij hier de juiste voorstelling van had, bevorderde hij hiermee ongetwijfeld het ontstaan van ijskristalletjes in deze wolken en daarmee het proces van de neerslagvorming, al is het laatste toen bestreden. In plaats van Veraart zijn nu de Amerikanen Langmuir, Schaefer en Vonnegut de geschiedenis ingegaan als de eersten die de vorming van neerslag in wolken kunstmatig hebben beïnvloed. Vincent Schaefer liet in 1946 vanuit een sportvliegtuigje vast koolstofdioxide strooien op een gesloten wolkendek (stratocumulus), waarvan door metingen vast stond dat het bestond uit onderkoelde druppeltjes. Er gebeurde, wat hij verwachtte: een deel van de wolkendruppeltjes bevroor en groeide aan ten koste van verdampende druppeltjes. Tenslotte dwarrelden uit de bezaaide wolk kleine sneeuwvlokken omlaag. De eerste proef tot het opwekken van kunstmatige neerslag was geslaagd, al bereikten de sneeuwvlokken door verdamping de grond niet. In feite was hier een methode ontdekt om wolken, die geen neerslag geven, op te lossen, wat later onder andere door de Russen in praktijk is gebracht.

Het bevriezingproces in de wolk wordt op gang gebracht door de druppeltjes extreem af te koelen, tot ver beneden —40oC. De poging van Schaefer om kunstmatige vrieskernen (anders dan koolzuursneeuw) te vinden was echter niet gelukt. Bernard Vonnegut slaagde hierin wel door eerst uit de kristalbouw af te leiden welke stoffen het meest geschikt waren om onderkoelde waterdruppeltjes tot bevriezing te brengen. Dit bleken de kristallen van zilverjodide te zijn. Bij experimenten in een vrieskist lukte het om al bij -4oC de druppeltjes te laten bevriezen. In 1947 liet hij vanuit een vliegtuig zilverjodide kristallen strooien op een onderkoeld stratocumulusdek en verkreeg hetzelfde resultaat als Schaefer. Het bezaaien van onderkoelde wolken met zilverjodide kristallen is later gebruikt voor het kunstmatig opwekken van neerslag boven semi-aride gebieden. In de jaren negentig zijn ook proeven gedaan om neerslag te laten vallen uit wolken, die geen ijskristallen bevatten, zogeheten warme wolken. Hiervoor worden sterk hygroscopische stoffen gebruikt zoals calciumchloride. Dit onderzoek wordt onder andere gedaan door een Amerikaan van Nederlandse afkomst, Roelof Bruintjes. Van toepassingen van het verwekken van neerslag op grote schaal is echter tot heden geen sprake.

Radar als neerslag- en turbulentiedetector

Tijdens de Tweede Wereldoorlog werd op grote schaal radar gebruikt voor het opsporen van vijandelijke vliegtuigen en het tijdens de nacht zichtbaar maken van de omgeving. Radargolven, radiogolven in het centimetergebied, bleken op het scherm echter ook door neerslag te worden gereflecteerd. Dit aanvankelijk als storend ondervonden verschijnsel, kon later bij de weersverwachtingen nuttig worden ingezet bij het opsporen en volgen van neerslaggebieden. Radargolven met een golflengte van 3 tot 5 cm zijn het meest geschikt voor het weergeven van neerslag in zware onweersbuien, zoals slagregen (grote druppels), hagel en grote sneeuwvlokken. Langere golven, tot 10 cm, kunnen ook lichte regen, motregen en lichte sneeuwval waarnemen, in sommige gevallen zelfs de kleine ijskristalletjes in wolken.

De antenne van de eerste weerradar op de toren van het KNMI.

In de Verenigde Staten wordt voor de opsporing van tornado’s de doppler-radar gebruikt. Met de doppler-radar kunnen de bewegingen van neerslagdeeltjes in een buienwolk worden gezien. Het systeem signaleert het frequentieverschil tussen de uitgezonden en de teruggekaatste radiogolfstraling. Het verschil in echobeeld tussen naar de waarnemer toe en van de waarnemer af bewegende neerslagdeeltjes wordt op het scherm met verschillende kleuren weergegeven. Een draaiende beweging van de neerslagelementen in een buienwolk, het begin van een windhoos of tornado, kan hiermee worden ontdekt. Om dergelijke gevaarlijke weersverschijnselen en ook zware windstoten, beter te kunnen signaleren, nam het KNMI in 1997 de doppler-radar in gebruik, vooral ten behoeve van de luchtvaart. In de laatste decennia zijn de Verenigde Staten en Europa bedekt met een radarnetwerk, een systeem van landelijk gekoppelde weerradars. De beelden hiervan kunnen worden samengesteld, zodat boven hele landstreken tegelijkertijd de neerslaggebieden zichtbaar zijn. Tropische cyclonen, die langs de oostkust van de Verenigde Staten trekken, kunnen met een gekoppeld radarsysteem op de voet worden gevolgd. Tijdige waarschuwingen zijn daardoor mogelijk.

Micrometeorologie en grenslaagmeteorologie

De meteorologische omstandigheden in de lucht direct boven het aardoppervlak vertonen vaak grote verschillen met die op grotere hoogten. Afhankelijk van de aard van het oppervlak (begroeiing, bebouwing, land of water) is er sprake van een verschillend weer en klimaat. Rudolf Geiger verrichtte op dit gebied baanbrekend onderzoek, met name van het klimaat in bossen en landbouwgewassen. Door de groei van de steden en het hoge energieverbruik van zijn bewoners nam vanaf de jaren zestig in de Verenigde Staten het onderzoek naar het stadsklimaat een grote vlucht. In Nederland verrichtte Louis A. Conrads een uitgebreid onderzoek naar het klimaat van de stad Utrecht, dat grote verschillen liet zien met het omgevende platteland.

Niet alleen het weer vlak boven de grond, maar ook dat van enkele tientallen tot honderden meters hoogte is in onze moderne maatschappij van groot belang, onder andere bij de verspreiding van luchtverontreiniging. In dat verband ontstond de grenslaagmeteorologie. Op dit terrein heeft Nederland een belangrijke rol gespeeld door de oprichting van een speciaal voor dit doel gebouwde 213 meter hoge meetmast bij Cabauw, die in 1973 operationeel werd.

De 212 meter hoge meetmast van het KNMI te Cabauw

Aan deze mast bevinden zich op elke 20 meter drie uithouders met meetopstellingen voor straling, temperatuur, vochtigheid en wind, waarbij de luchtstroming niet alleen in horizontale, maar ook in verticale richting kan worden gemeten. De metingen met de mast leverden temperatuur-, vocht- en windprofielen en stralingsgegevens op voor stabiele en onstabiele grenslagen. Met name kon de turbulente structuur van de wind er mee worden vastgesteld en de ontwikkeling van de Low level jet tijdens de nacht. Verder verstrekte de mast belangrijke informatie over de vorming en oplossing van door nachtelijke uitstraling gevormde mistlagen en over de dagelijkse gang van de concentratie van schadelijke gassen met de hoogte. Ten slotte is en wordt de mast gebruikt voor het testen van weer- en klimaatmodellen. Talloze wetenschappelijke publicaties zijn uit het onderzoek met de mast bij Cabauw voortgekomen. Nederland kreeg hiermee internationale bekendheid.

Weersatellieten

De eerste weersatelliet, de TIROS 1, werd door de Verenigde Staten gelanceerd op 1 april 1960. De foto’s van de aarde bevestigden niet alleen de al dertig jaar eerder ontwikkelde frontentheorie, maar zij gaven ook aan dat luchtstroming in de atmosfeer veel turbulenter was dan gedacht. Er waren voorbeelden te zien van grote draaikolken, zoals van depressies en tropische cyclonen. Maar de atmosfeer bleek bovendien vol te zitten met min of meer turbulente wolkengebieden, die niet zonder meer in het schema van de Noorse School waren in te passen. Deze wolkenzones en slecht weer gebieden bleken met andere parameters te zijn verbonden. Een voorbeeld is de zogeheten trogkomma, een op een kleine depressie gelijkend wolkenbeeld in de koude lucht achter een koufront. Ook liet het gefotografeerde wolkenbeeld zien dat occlusies veel ingewikkelder waren gebouwd dan de Noorse School suggereerde. Een geheel nieuw verschijnsel was de kopgolf, een dichte massa cirrusbewolking boven een zich ontwikkelende golf in het polaire front. De prille ontwikkeling van stormdepressies is daardoor beter te traceren. In de eerste drie jaren hadden de weersatellieten een baan, die slechts een geringe hoek maakte met het equatoriale vlak van de aarde, zodat hun opnamen niet veel verder reikten dan de subtropen. Met de lancering van TIROS 8 in 1963 en met alle andere polaire weersatellieten (de ESSA, van 1965 tot 1970 en de NOAA, vanaf 1970) kwamen er bruikbare opnamen over de gehele aardbol ter beschikking.

De gehele aarde wordt constant waargenomen en gemeten door een geostationaire satellieten en polaire weersatellieten.

Vanaf die tijd was het ook voor ieder land mogelijk de opnamen te ontvangen, omdat deze satellieten waren uitgerust met een zendsysteem, dat de informatiestroom continu naar de aarde richtte. Zeer geavanceerde installaties als die van het KNMI leveren uiteraard de duidelijkste beelden, maar radioamateurs met weerkundige belangstelling en omgekeerd weeramateurs met een flinke dosis kennis van de elektronica, konden de beelden ook ontvangen.

De Verenigde Staten plaatsten in 1966 geostationaire weersatellieten boven het aardoppervlak. Op een hoogte van 36000 km boven de evenaar is hun omloopstijd gelijk aan de draaisnelheid van de aarde. Zij verkeren dus steeds boven een zelfde punt van het aardoppervlak. Het voordeel van deze satellieten is dat zij vanaf die hoogte vrijwel de helft van het aardoppervlak continu kunnen observeren. Dit beeld wordt dan door de polaire satellieten (op 800 km hoogte) gecompleteerd. De geostationaire satellieten ATS 1, 2, en 3 waren al uitgerust met een kleurencamera.Verder konden zij meteorologische informatie relayeren. Later zijn er vijf geostationaire weersatellieten op vaste punten boven het aardoppervlak gezet, drie door de V.S., één door Japan en één door Frankrijk.

Deze vijf satellieten maken deel uit van de World Weather Watch (WWW), een initiatief van de World Meteorologiocal Organisation (WMO), die in 1947 de plaats van de IMO in nam. De oorspronkelijk Franse, later Europese METEOSAT-kunstmanen, voor het eerst gelanceerd in 1977, staan op een vast punt boven de Golf van Guinee en zenden beelden van het aardoppervlak elk half uur naar het grondstation te Darmstadt. De beelden worden daar bewerkt, van een gradennet voorzien en vervolgens teruggezonden naar de satelliet. Vandaar gaan ze naar de gebruiker. In Darmstad worden de beelden opgeslagen en gecatalogiseerd.

METEOSAT heeft nog meer taken: ondervragingssignalen gaan naar waarnemingspunten zoals automatische stations, weerboeien, schepen en andere satellieten. METEOSAT dient ook als inzamelpunt voor waarnemingen, die hij vervolgens doorzendt naar het grondstation. METEOSAT is één van de vijf weersatellieten, die samen het totale weerbeeld van de aarde continu observeren, niet alleen voor het wolkenbeeld zelf, maar ook voor de temperatuur van de wolken en het wolkenvrije aardoppervlak.

Meteosatopname in infrarood van Afrika en de Atlantische Oceaan. Let op de lijn van wolkenclusters ten noorden van de evenaar. Datum opname: 19 aug. 1978

Het laatste gebeurt door opnamen in het infrarood. Doordat de temperatuur van het wolkendek en het aardoppervlak verschillen, kan tevens een beeld worden verkregen van de bewolking aan de nachtzijde van de aarde. Door middel van speciale golflengten in het infrarood wordt tevens een beeld verkregen van het pro el van de waterdamp en de temperatuur in de atmosfeer. Door combinatie met de gemeten verticale bewegingen is het mogelijk een schatting te maken van de hoeveelheid neerslag voor de eerstvolgende etmalen. Alle weersatellieten, zowel de geostationaire als de polaire, zijn in staat van boven af met radiosondewaarnemingen vergelijkbare metingen te verrichten. Doordat de satellietmetingen minder nauwkeurig zijn en bij bewolking niet verder gaan dan de bovenzijde van het wolkendek, zijn ze vooralsnog slechts een aanvulling op de radiosondegegevens. Het nadeel van de mindere nauwkeurige metingen valt in de toekomst echter weg tegen het vrijwel onbeperkte aantal sonderingen, dat de satelliet voor elk willekeurig gebied op aarde kan verrichten. Weersatellieten verdrongen ook de 13 weerschepen, die vanaf 1945 op de noordelijke Atlantische Oceaan waren gestationeerd, geleidelijk van hun plaats. Tegen het jaar 2000 was hun aantal tot één geslonken.

Weerschip cumulus

Weersatellieten maakten eveneens duidelijk, dat tropische cyclonen, die iedere zomer en herfst het Caribische gebied en de zuidoostkust van de VS teisteren, niet al¬tijd geboren worden boven de Atlantische Oceaan of de Golf van Guinee, maar dat hun oorsprong vaak al gezocht moet worden in buienclusters, die vanuit het Sahelgebied de Oceaan op trekken. Al eerder had Palmen gevonden dat deze buienclusters zich uitsluitend tot tropische cyclonen ontwikkelden boven water van minstens 28 oC. We kunnen zeggen dat de taken van de weersatellieten steeds belangrijker zijn geworden, van oorspronkelijke leveranciers van mooie wolkenplaatjes naar geavanceerde meet- en communicatiecentra met meerdere taken, en door de fraaie wolkenbeelden niet alleen onmisbaar voor de korte termijn verwachtingen, maar ook voor het leveren van gegevens voor het rekenmodel van de atmosfeer en voor een groot aantal facetten van het meteorologische en klimatologische onderzoek.

Atmosfeermodellen

Het schema van de atmosfeer, dat ten grondslag lag aan de frontentheorie van de Noorse School, leende zich niet goed voor het uitvoeren van berekeningen aan de toekomstige ontwikkelingen van de atmosfeer. In 1904 wees Vilhelm Bjerknes echter al op de mogelijkheid te gaan rekenen aan de atmosfeer. Het oplossen van zeven vergelijkingen met zeven onbekenden moest tot de mogelijkheden behoren.

Tijdens de Eerste Wereldoorlog bracht de Engelsman Richardson die ideeën in de praktijk. Zijn grote droom was een ruimte met talrijke rekenaars, die gezamenlijk werkten aan een weersvoorspelling. Bij zijn eerste poging had hij nog alle berekeningen zelf uit moeten voeren; het resultaat was teleurstellend. Pas in het begin van de jaren vijftig kwam de doorbraak, dankzij de komst van de computer.

De meteorologen Fjortoft en Charney werkten samen met de wiskundige Von Neumann aan berekeningen van de atmosfeer. Het eerste computermodel kende slechts één laag in de atmosfeer en rekende op een beperkt gebied. Het duurde overigens nog tot 1960 voor de numerieke modellen bij de weervoorspellers in de Verenigde Staten terecht kwamen en nog later pas bij de Europese meteorologen. In de jaren zeventig werd het onderscheid van belang tussen regionale modellen voor weersverwachtingen tot 1 á 2 dagen vooruit en mondiale voorspelmodellen voor de middellange termijn.

Foto’s van weersatellieten lieten niet alleen frontale maar ook andere wolkenstructuren zien.

Regionale modellen hebben als kenmerk dat ze rekenen op een beperkt gebied en dat de waarden van de meteorologische variabelen aan de randen van dat gebied worden ontleend aan een grootschaliger of mondiaal atmosfeermodel. De Zweden hadden al in 1967 een regionaal model; de Britten volgden in 1972 en de Amerikanen in 1973. Een belangrijke doorbraak voor de verwachtingen voor de middellange termijn, drie tot tien dagen vooruit, vormde de oprichting van het Europese weercentrum ECMWF in 1975.

Het centrum moest het gat dichten tussen theorie – een voorspelbaarheidstermijn van ongeveer tien dagen – en praktijk, bruikbare verwachtingen voor twee tot drie dagen vooruit. Sindsdien is ontzettend veel winst geboekt. Verbeteringen kwamen onder andere van het beter afhandelen van de weerwaarnemingen, van het verhelpen van rekentechnische onvolkomenheden en van ontwikkelingen in de wiskunde. Daarnaast zag men steeds meer het belang in van de tropen en het zuidelijk halfrond voor weersverwachtingen op de middellange termijn. Verder kwam meer nadruk te liggen op natuurkundige processen die voor de middellange termijn relevant zijn door aansluiting te zoeken bij de praktijk van de klimaatmodellering. De resultaten waren goed; de verwachtingstermijn werd verlengd van 2 á 3 tot zeven dagen.

Andere centra, die middellange termijnverwachtingen maken, toonden eenzelfde beeld; zo had de verwachting van de Duitse Weerdienst voor dag 5 aan het eind van de twintigste eeuw dezelfde kwaliteit als de verwachting voor dag 1 in het midden van de jaren zestig. Een duidelijke trend voor de komende jaren is het fijnmaziger maken van de computermodellen. De eerste modellen rekenden op punten in de atmosfeer die honderden kilometers uit elkaar lagen en de berekeningen werden uitgevoerd voor slechts enkele lagen. Inmiddels denkt men aan roosterpuntafstanden van 10 km of minder en wil men het aantal rekenlagen opvoeren tot boven de zestig.

Klimaatverandering en broeikaseffect

In deze paragraaf worden slechts enkele kanttekeningen geplaatst in verband met het klimaatonderzoek. Voor een uitgebreider verhaal zij verwezen naar het volgende hoofdstuk. Voor het traceren van klimaatveranderingen is een lange betrouwbare meetreeks noodzakelijk, waarop statische berekeningen toepasbaar zijn en waarmee klimaatmodellen kunnen worden getoetst. Ons land kent een unieke reeks van temperatuurwaarnemingen, die begint in 1706. Deze werden aanvankelijk verricht te Delft en later te Zwanenburg. Neerslagwaarnemingen zijn bekend vanaf 1735, verricht te Delft, Zwanenburg en Hoofddorp. De officiële KNMI-waarnemingen begonnen in 1848 in Utrecht, en in 1898 in De Bilt. Voor de wereldtemperatuur staat een temperatuurreeks ter beschikking vanaf 1850.

Het KNMI met waarnemingstoren en waarnemingsterrein aan het begin van de 20e eeuw.

Genoemde reeksen zijn lang genoeg om een uitspraak te kunnen doen over mogelijke klimaatveranderingen. Bekijken we het lokale klimaat van de Europese waarnemingsstations, waarvan de meetreeksen in de 18de eeuw beginnen, zien we bij de meeste een geleidelijke temperatuurtoename vanaf 1880. Voor de temperatuurreeks van De Bilt is dit minder duidelijk. Hier komt de kromme meer overeen met die van de wereldtemperatuur. Na 1950 vertoont de temperatuur hier een dusdanige teruggang dat dit tot toen speculaties over een naderende nieuwe ijstijd leidde. Een abrupte stijging van de temperatuur deed zich echter voor in 1987. Het temperatuurniveau lag daarna bijna een graad hoger. Het jaar 1990 werd in Nederland het warmste jaar uit de gehele Biltse meetreeks. Aangezien de abrupte stijging zich vrijwel overal in het Westen Midden-Europese klimaatgebied heeft voorgedaan, lijkt het of we hier te maken hebben met een discontinuïteit of klimaatsprong. Deze opvallende klimaatverandering is goed merkbaar. Zij vertaalt zich in zachte winters en warme zomers. De belangrijkste temperatuurtoename deed zich voor in de voorjaarsmaanden, waardoor verschijnselen in de natuur, zoals bladontplooiing, bloei, terugkeer van trekvogels en broedseizoen twee tot drie weken vroeger begonnen dan in het tijdvak 1970 – 1986. Ook de winter kwam later of bracht weinig vorst zodat het groeiseizoen met twee tot drie weken is verlengd. De vraag is of we te maken hebben met een langdurige variatie van het klimaat, waarbij de temperatuur na verloop van een aantal jaren weer zal terugkeren naar een lager niveau of met een definitieve klimaatverandering. De aanwijzingen voor het laatste worden echter steeds groter. E n van de verklaringen van de toename van de wereldtemperatuur is die van het versterkte broeikaseffect.

De bijdrage van amateurmeteorologen

Aan het begin van de vorige eeuw kwam het werk van amateur-meteorologen al tot uiting in publicaties in Hemel en dampkring. De oprichting van de Nederlandse Vereniging voor Weer- en Sterrenkunde was onder meer een initiatief een amateurmeteoroloog, de NS-technicus Christiaan A. C. Nel.

De Amsterdamse plantenfysioloog Meijer Pinkhof speelde later een belangrijke rol in de vereniging op weerkundig gebied. Zijn enthousiasme leidde tot het installeren van een KNMI-termijnstation in de Amsterdamse Hortus Botanicus in 1923. Met deze waarnemingen kon voor het eerst het bestaan van een stadsklimaat worden aangetoond. Pinkhof werd later privaatdocent in de micrometeorologie aan de Universiteit van Amsterdam. Nel en Pinkhof publiceerden regelmatig in Hemel en Dampkring over de meest uiteenlopende weerkundige onderwerpen.

Van de hand van Nell verschenen een aantal handzame gidsjes met aanwijzingen hoe het weer te voorspellen uit waarnemingen. P. Tetrode schreef over het probleem van de langetermijnvoorspellingen. De vrijwillige waarnemingen van onweer werden verzameld en bewerkt door het KNMI en gepubliceerd in de jaarlijks verschijnende onweersboekjes, ononderbroken verschenen van 1882 tot en met 1965. Van 1953 tot 1965 was de Werkgroep Wolken en Onweders actief. De voorzitter, Pieter Feteris werd meteoroloog bij het KNMI.

Het KNMI is in de jaren zeventig met het inzamelen van deze en andere vrijwillige waarnemingen gestopt, deels door afstoting van onderzoeksgebieden, deels door automatisering van de waarnemingen. Ontladingen in onweer konden met bliksemtellers worden geregistreerd dank zij door de bliksem uitgezonden radiogolven. Later kom men zelfs de afzonderlijke ontladingen precies te lokaliseren. Het KNMI maakt sinds 1998 hiervoor gebruik van het in Frankrijk ontwikkelde SAFIR bliksemdetectiesysteem in samenwerking met de Koninklijke Luchtmacht, de Koninklijke Marine en het KMI van België. Het SAFIR systeem is in staat verticale en horizontale ontladingen te onderscheiden. De oorspronkelijk wijze van waarnemen (donder hoorbaar) werd voortgezet door de in 1974 opgerichte werkgroep Weeramateurs, die zich in 1975 aansloot bij de NVWS en zich er in 1997 weer van los maakte. Deze onweerswaarnemingen werden gepubliceerd in het tijdschrift WEERSPIEGEL.

Ook de waarnemingen van optische verschijnselen en poollicht werden door de werkgroep voortgezet en verzameld door Peter Paul Hattinga Verschure. Ook op andere terreinen heeft het KNMI gebruik gemaakt van inspanningen door amateur-meteorologen, met name door samenwerking met de Werkgroep Weeramateurs, onder andere via speciale projecten. Dit heeft geleid tot de publicatie van een aantal van deze onderzoeksprojecten zoals Verficatie van het weersverwachtingen van het KNMI, speciaal in de grensgebieden (Harry Geurts), Sneeuwdek en sneeuwhoogten in Nederland (Joop Piekema en Jan van der Horst), en Weerhistorische jaarboeken1959 tot en met 1964 (Piekema).

40 jaar weersatellieten:links een opname van de TIROS op 1 april 1960, rechts een opname gemaakt door de NOAA-15 op 25 maart 2000. De grotere detailrijkdom van de laatste is opvallend.

Belangrijk werk werd verricht door Huub Mizee, die jarenlang de onweerswaarnemingen van de weeramateurs verzamelde en deze geschikt maakte voor directe opname in het computersysteem van het KNMI. Dit was nodig in de periode waarin het KEMA-bliksemdetectiesysteem getest moest worden op zijn betrouwbaarheid. Nog steeds is er een samenwerking met leden van de werkgroep Weeramateurs, thans de Vereniging voor Weerkunde en Klimatologie, zoals bij het waarnemen van en waarschuwen voor extreme weersomstandigheden.

Enkele onderzoeken, die min of meer buiten het KNMI om tot stand kwamen, waren van dusdanig hoge kwaliteit, dat ze door het instituut zijn uitgegeven als wetenschappelijke rapporten. Dit was het geval met het werk van F. IJnsen, statisticus bij Rijkswaterstaat. Onderzoek naar het optreden van winterweer in Nederland (het IJnsengetal voor de mate van strengheid) en met het eveneens van IJnsen afkomstige onderzoek ‘de zomers in Nederland thermisch bekeken’. IJnsen werd in 1972 hiervoor onderscheiden met de dr. J. Van der Bilt-prijs. Deze prijs werd ook uitgereikt aan Piekema en Van der Horst in 1984 en aan Mizee in 1990. De bijdrage van amateurs kwam ook tot uiting in regelmatige publicaties in Hemel en Dampkring en ZENIT. Onder meer Hans de Jong spoorde in originele artikelen amateurs aan tot het verrichten van waarnemingen, het plotten van weerkaarten met gegevens uit radioberichten en het maken van weersverwachtingen voor de eigen regio.

Het werk van wolkenfotograaf A. J. Aalders mag evenmin onvermeld blijven. Aalders legde al voor de Tweede Wereldoorlog een grote verzameling wolkenfoto’s aan, eerst in zwart-wit, na de oorlog ook in kleur, van alle geslachten, soorten en variëteiten, foto’s van uitzonderlijke kwaliteit. Hij kreeg hiervoor in 1945 de dr. J. Van der Bilt prijs. Zijn foto’s zijn onder andere gebruikt bij het samenstellen van de nieuwe wolkenatlas door de WMO. De unieke fotoverzameling is thans ondergebracht in de bibliotheek van het KNMI.

Ten slotte is daar het magnifieke oeuvre van de leraar aardrijkskunde Jan Buisman: Duizend jaar weer, wind en water in de lage landen, waarvan thans vier delen zijn verschenen. Buisman schreef/schrijft dit omvangrijke geschiedkundige werk in samenwerking met de klimatologische dienst van het KNMI.

Radarbeeld van de neerslaggebieden rond een lage-drukgebied, 28 mei 2000, 9.30 uur UTC.

Uit

_Uit: “Evolutie in Weer- en Sterrenkunde; 100 jaar Nederlands Onderzoek” Eindredactie: prof. Cornelis de Jager, prof. Hugo van Woerden en Mat Drummen; Uitgave: Stichting ’De Koepel, Utrecht; ISBN 90-6638-041-1; 2001. _

Meer weten?

Dit artikel is een publicatie van Kees Floor.
© Kees Floor, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 25 augustus 2005
NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.