Soundings (Cape, LI) en meer

Een kijkje naar de CAPE

Wie wil onderzoeken of er in een bepaalde luchtsoort al dan niet felle buien gaan ontstaan, heeft heel wat rekenparameters tot zijn of haar beschikking. In de meteorologie wordt namelijk druk gewerkt met allerlei indices die de onstabiliteit van een luchtlaag aangeven. We hebben bijvoorbeeld de Cape, de Lifted Index, de Boyden, de Radcliff en de Cin. Al deze parameters geven een indicatie over de kansen op onweer, windstoten, hagel en wat al niet meer. De komende maanden zullen we geregeld één van deze indices onder de loep nemen, te beginnen met de CAPE.

Het Engelse woord CAPE is een afkorting van Convective Available Potential Energy. Het gaat hierbij dus om convectie, oftewel stromingen van warmte. Thermiek is een bekende vorm van convectie; relatief warme luchtbellen die opstijgen vanaf de grond en waar zweefvliegers en bepaalde vogelsoorten dankbaar gebruik van maken. De ooievaar is zo’n vogel die door zijn brede vleugels makkelijk opwaartse rondjes vliegt door deze stijgende luchtbellen. De term ‘potentieel beschikbare energie’, is al een stuk moeilijker. Het is de energie (warmte) die in de lucht aanwezig is en die mogelijk beschikbaar komt. Bij buivorming gaat het dan om de energie die een luchtdeeltje meekrijgt als ‘ie gaat stijgen. Een pakketje lucht stijgt in dat geval vanaf de grond (of iets hogerop) op en blijft tijdens die stijginsproces warmer dan zijn omgeving. Hoe groter het verschil tussen dat luchtpakketje en de lucht waar ‘ie doorheen koerst, des te onstabieler de luchtopbouw. En dat is dan de CAPE; des te hoger de CAPE, des te onstabieler de lucht en des te groter de kans op zware buien.

CAPE en de modellen
Diverse meteorologische rekenmodellen komen met CAPE-verwachtingen, allemaal met als eenheid Joules per kilogram. Daar waar de CAPE negatief is, is de atmosfeer stabiel en kunnen luchtpakketjes niet in stijging komen. Buien zijn er dan ook niet. Bij een CAPE van 1 tot 1000 J/kg is de atmosfeer licht onstabiel. Bij een CAPE tot 2500 J/kg is de luchtopbouw onstabiel en bij CAPE-waarden tot 5000 J/kg is er sprake van een zeer onstabiele luchtopbouw.

Modellen verschillen altijd van elkaar en dus lopen ook de CAPE-waarden uiteen. Voor vanmiddag 15.00 UTC, dat is 17.00 uur lokale tijd, is de CAPE volgens het ECMWF model in de oostelijke helft van het land 100 tot 800. De hoogste waarden zijn voor de regio’s langs de oostgrens. Bekijken we echter het Amerikaanse rekenmodel NCEP, dan wordt daar op hetzelfde tijdstip een CAPE van maarliefst 1200 tot 2000 berekend voor de oostelijke helft van het land. De hoogste waarden zitten ook hier langs de oostgrenzen, maar het verschil tussen 800 (licht onstabiel) en 2000 (beduidend onstabieler) zijn aanzienlijk.

cape2.jpg
De CAPE van het ECMWF model voor 17.00 uur deze zondagmiddag. In de oostelijke helft is de lucht licht onstabiel, langs de oostgrens loopt de CAPE tot 700/800 J/kg.

cape2.5.jpg
Hier de CAPE van het NCEP model voor 17.00 uur deze zondagmiddag. Deze waarden zijn significant hoger dan het ECMWF model. In de meest oostelijke regio’s is de CAPE maarliefst 2000 J/kg.

cape3.jpg
De CAPE voor 20.00 uur vanavond, volgens het ECMWF. De hoogste waarden zijn voor Groningen en Drenthe met 1200 J/kg.

Kaartmodel versus verticaalmodel
De diverse modellen maken ook vaak TEMP-berekeningen. Dat zijn berekeningen die niet zozeer in een plat vlak, zoals op een kaart, kijken, maar juist de atmosfeer in de verticaal duiden. Dat gebeurt in een Amerikaans uitleesprogramma dat ROAB heet. In dit programma worden ook weer net iets andere rekenslagen gemaakt, waardoor er verschillen optreden tussen de CAPE die in de modeluitvoer staat en de CAPE die uit de TEMP gelezen worden. Zo is de CAPE-waarde van het ECMWF model voor Hoogeveen om 15.00 UTC rond 500 J/kg, maar geeft de TEMP voor dat tijdstip een veel hogere CAPE aan; te weten 1223 J/kg.

cape4.jpg
De Temp-grafiek voor Hoogeveen van het ECMWF model voor 20.00 uur deze zondagavond. De linkerrode streepjeslijn is de dauwpuntstemperatuur van de lucht, de rode lijn is de luchttemperatuur. Vanaf 1 km hoogte is deze lucht uitermate onstabiel van opbouw (de groene lijn), maar doordat een opstijgend luchtdeeltje vanaf de grond in deze grafiek geen kans krijgt (rechter groene lijn toont onderin de droogadiabaat en deze is iets koeler dan de lucht zelf) zal een bui moeilijk kunnen ontstaan.

TEMP
Uit een Tempgrafiek kun je veel meteorologische informatie halen. Je hebt Temps die observaties van de lucht in de verticaal geven (weerballonnen die zijn opgelaten) en je hebt Temps die een verwachte opbouw van de lucht geven. We kijken naar die laatste soort, mbv de grafieken die links van dit verhaal staan. In de grafieken geeft de rode streepjeslijn aan de linkerzijde de dauwpuntwaarden aan op de diverse hoogten. De rechter rode lijn is de temperatuurcurve, ook met de hoogte. Daar waar een luchtpakketje vanaf de grond of enige hoogte opwaarts gaat, kan deze op een gegeven moment zo lang door blijven stijgen dat er eerst grote stapelwolken ontstaan en later forse buien. Het rode en roze gedeelte tussen de temperatuur van het stijgende luchtpakketje (de effen groene lijn) en de temperatuurcurve van de lucht, dat is de CAPE.

cape5.jpg
Nogmaals dezelfde Temp-grafiek, nu met de ingekleurde CAPE-waarden. De onderste 1 km heeft een negatieve CAPE (blauw). Als die lucht door de atmosferische omstandigheden actief in opwaartse beweging wordt gebracht (een soort van ‘trek’), kan die eerste kilometer worden overbrugd en het alsnog tot stevige buien komen. Het rode en roze gedeelte staan voor de CAPE-waarden, in dit geval 1582 J/kg.

cape6.jpg
In deze Temp-grafiek gaat het om het 17.00 uur punt van deze zondagmiddag voor Hoogeveen (ECMWF model). Het onderste deel van de groene lijn (eerste km) toont dat een luchtdeeltje dat stijgt net iets warmer is dan zijn omgeving en in dit geval dus wel als vanzelf door zal stijgen. Precies rond 1 km hoogte moet dit luchtdeeltje heel even ‘geholpen’ worden om echt door te stijgen (het kleine blauwe vlakje), daarna zit het luchtdeeltje de hele tijd geheel rechts van de omgevingsluchtcurve. Het hele rode en roze gedeelte is de CAPE. In dit geval wordt de CAPE op 1223 J/kg gesteld.

cape7.jpg
Je kunt Temp-grafieken ook zelf nog wat verbouwen. Dit is de TEMP-grafiek van Hoogeveen van 20.00 uur voor deze zondagavond. We hebben hier de temperatuur aan de grond verhoogd van 22,9 naar 25,0 graden. In dat geval zie je dat ook onderin de grafiek het stijgende luchtpakketje warmer is dan zijn omgeving en dit leidt ‘automatisch’ tot een bui. Het stijgende luchtpakketje heeft in dit geval geen hulp nodig.

cape8.jpg
In deze grafiek hebben we niet alleen de grondtemperatuur voor vanavond 20.00 uur in Hoogeveen verhoogd, we hebben ook de gemiddelde dauwpuntstemperatuur verlaagd. Met wat gepruts krijgen we er dus ook vanavond nog een forse bui uit in het noordoosten van het land. Die bui die gaat tot 11 km hoogte

Beschikbaarheid van de CAPE
De CAPE wordt pas aangesproken op het moment dat de lucht verzadigd is van vocht. Je kunt dus in theorie een hele hoge CAPE-waarde hebben, maar toch builoos blijven. Daarom zijn er ook veel meer indicatoren voor stevige buien! De CAPE komt pas vanaf het moment van stapelwolkvorming tot stand. Het proces daaraan voorafgaand is echter van groot belang. Vaak is er nog een stuk in de onderste luchtlaag aanwezig waarin de temperatuur wat hoger is dan het stijgende luchtpakketje. In dat geval heb je wat extra forcering nodig. Als die luchtlaag erg dik is, of juist erg droog, dan kan dat buivorming tegenwerken.

Zodra echter het punt van verzadiging is bereikt, daalt de temperatuur van het luchtpakketje natadiabatisch (0,6 graden per 100 meter) De omgevingstemperatuur daalt meestal met de hoogte een stukje sneller en vandaar dat een stapelwolk in een onstabiele situatie vaak snel in de hoogte weet uit te groeien. Als het luchtpakketje nu maar warmer blijft dan de luchttemperatuur, kan deze doorschieten totaan de tropopauze. In de laatste grafiek gebeurt dat ook daadwerkelijk. De stapelwolk zal in dit geval waarschijnlijk tot ruim 11 kilometer hoogte uitgroeien. Op dat moment is een aanzienlijk deel van de wolk verijsd. Het verijzingsproces begint vanaf ongeveer -13/-14 graden, in de laatste grafiek is dat vanaf een kilometer of 7 hoog. Helemaal in de top van de buienwolk is het zo’n -55 graden. Vaak schiet de wolkentop nog eventjes door de tropopauze heen, zo’n vaart hebben de stijgende luchtdeeljtes in de wolk. Er zit dan ook heel veel energie in een dergelijk hoog uitgegroeide bui. Doordat daarbij allerlei ijs- en onderkoelde druppeltjes langs elkaar heen schuiven, is de kans op onweer groot.

Disclamer
Het blijft belangrijk steeds te beseffen dat naar rekenmodellen wordt gekeken. Het blijft een weergave van de werkelijkheid zoals deze wordt berekend, maar het is niet de pure werkelijkheid. Allerlei door het model onvoorziene elementen kunnen anders uitpakken. Zit er toch niet ergens een inversie in de hogere luchtlagen? Is de lucht toch wat droger, of juist wat vochtiger? Zijn er onverwacht opklaringen op komst, waardoor de temperatuur toch nog hoger uit weet te komen zodat een stapelwolk wel kan doorgroeien en de CAPE kan worden aangesproken? Zoveel onzekerheden omringen het maken van een buienverwachting dat we in de weerkamer altijd naar veel meer kijken dan naar de CAPE alleen.

Een kijkje naar de Lifted Index

Hoe onstabieler de lucht, des te groter de kans op stapelwolken en buivorming. Deze snelle redenering is af en toe in weersverwachtingen te horen en betekent dat er een beduidend temperatuurverschil is tussen de lucht nabij de grond en de lucht hogerop. De crux daarbij is dat het op hoogte relatief koud is, en dichter bij de grond relatief warm. Door dat temperatuurverschil zal lucht gaan stijgen. Opstijgende lucht kan minder water in de gasvorm (dampvorm) bevatten en een deel van het onzichtbaar aanwezige vocht condenseert. Voilà; een wolk begint te ontstaan. Hoe groter de onstabiliteit, ergo; hoe groter de temperatuurverschillen, des te steviger de buien kunnen uitpakken. Om in te schatten in hoeverre een toekomstige bui veel regen, onweer, hagel en/of windstoten met zich meebrengt, zijn diverse rekenparameters in omloop. Bij de Cape gaat het om de energie (in Joules per kilogram) die een stijgend luchtpakketje met zich mee krijgt. Nu gaan we kijken we de Lifted Index, een maatstaf die temperatuurverschillen op een bepaalde hoogte in de atmosfeer betreft.

Lifted Index
Deze parameter geeft een indicatie van de stijgingskracht op een bepaald punt in de atmosfeer. Vaak wordt hiervoor het 500 hectoPascal vlak gebruikt, gemiddeld gesproken is dat punt rond 5 kilometer hoogte te vinden. Op dat specifieke punt/vlak wordt gekeken wat het temperatuurverschil is van een stijgend luchtpakketje dat vanaf de grond is opgestegen en de temperatuur van de lucht waar dat ‘pakketje’ in terecht komt. Bij onstabiele luchtopbouw zal het stijgende pakketje altijd warmer zijn dan zijn omgeving, bij stabiele luchtopbouw zal het stijgende pakketje kouder zijn dan zijn omgeving. Bij een stabiele opbouw is de lifted index positief, bij een onstabiele opbouw negatief.

Een voorbeeld. Als het pakketje stijgende lucht een temperatuur heeft op 500 HPA van -10 graden en de omgevingstemperatuur op dat punt -13 graden is, dan wordt de Lifted Index -3. Stevige regen- en onweersbuien worden gevoed door sterk stijgende luchtstromingen. Hoe groter het negatieve getal, des te groter de vaart van de stijgende luchtpakketjes. Deze parameter wordt ofwel aangegeven als LI, of als K. Als in Nederland de lifted index tussen 0 en min 3 zit, is de lucht onstabiel genoeg voor onweer. Wordt de lifted index tussen min 3 en min 6 berekend dan zijn zware onweersbuien mogelijk. Lager dan -6? Dan zijn het bijna Amerikaans aandoende zware exemplaren.

Hoe gaat het luchtpakketje omhoog?
De lifted index is een theoretische rekenwaarde die uitgaat van een luchtpakketje dat als vanzelf vanaf de grond opwaarts beweegt. In de Temp-grafieken hieronder is dat ook te zien. Al vanaf de grond is de lucht vandaag en morgen onstabiel en zal er dus stijging van luchtpakketten plaatsvinden.

Vanmiddag stijgt de lucht in Hoogeveen tot ongeveer 4 kilometer hoogte en lijkt op dat punt eventjes tegengewerkt te worden. Zie de eerste TEMP grafiek links naast het verhaal. Het blauwe stukje rond 4 kilometer hoogte is een stabiele zone van een paar honderd meter. Boven 5 kilometer hoogte is de lucht weer onstabiel en vandaar dat er op 500 hPa toch een negatieve LI-index is. Onthoud dat dit altijd theoretische werkelijkheden zijn! In realiteit hoeft dat stabiele stukje er niet te zijn….. En dan kan een bui inderdaad tot rond 7 kilometer hoogte doorgroeien. De Temp-grafiek voor morgenmiddag in De Bilt geeft geen stabiel stuk aan, maar laat de lucht stijgen tot ruim 7 kilometer hoogte. De bijbehorende rekenmethode laat het luchtdeeltje daarbij omhoog brengen, droogadiabatisch, tot het verzadigingspunt en dan natadiabatisch verder opwaarts. Om het verzadigingspunt te vinden, het moment waarop een deel van het vocht gaat condenseren en een wolk vormt, wordt de vochtigheid van de onderste delen van de atmosfeer gemiddeld.

Verschillende meethoogten in omloop
Vaak gaat het hier om de temperatuurverschillen op het 500 hPa, maar er zijn ook rekenmethodes waarin je de Lifted Index op een lager niveau in de troposfeer kunt bepalen. Zo is het 500 hPa vlak wat aan de hoge kant voor winterbuien, daar wordt dan ook bij voorkeur een LI-index van 700 hPa gebruikt. Binnen ons eigen Wrf-model wordt zelfs de Lifted Index van de meest bijpassende drukniveaus automatisch bepaald. Het gaat dan om een mix van de vier meest toepasselijke drukvlakken.

Disclaimer
De CAPE en LI zijn omgekeerd evenredig aan elkaar. Dat wil zeggen dat als de Lifted Index afneemt, de CAPE toeneemt. Net als bij de CAPE, is ook de Lifted Index alleen te gebruiken in samenspel met andere rekengegevens, een overall view op de weerkaarten en besef van de complexheid van de atmosfeer. Zo is in deze parameter het aandeel vocht niet inbegrepen en kun je dus zeer lage LI-waarden krijgen (en dus denken aan zware buien), terwijl er niets gebeurt door gebrek aan waterdruppeltjes om de buien te genereren. Ook werkt deze LI-index niet goed bij geforceerde optilling van lucht, bijvoorbeeld als een koufront binnenschuift en de lucht daardoor in stijging gaat. De LI-index is dus vooral van toepassing op vrije convectie, waarbij het proces aan de grond begint en niet op enige hoogte (zeg 1 of 2 km) boven de grond.

Bron: Meteo Consult.