Soundings (LI, CAPE, CInh en Cap)

Hier een sterk vereenvoudigd plaatje van de atmosfeer, de blauwe lijn geeft het temperatuur verloop aan, hoe hoger in het plaatje, hoe hoger in de atmosfeer.

In dit soort plaatjes wordt de hoogte altijd aangegeven met de luchtdruk. Hoe hoger je komt, hoe lager de luchtdruk. Ik heb bij 500mb een lijn gezet omdat dit een belangrijke hoogte is. Dit komt ongeveer overeen met 5km hoogte.

cap1.png

De rode lijn geeft aan hoe de temperatuur van een stijgende luchtbel verandert als deze vanaf de grond omhoog getild wordt. Ik zal nu niet ingaan op de details hiervan, neem maar even aan dat de lijn er ongeveer zo uitziet.

Om uitzichzelf stijgende lucht te krijgen, moet de lucht warmer zijn dan de lucht uit de omgeving. Of te wel… de rode lijn moet rechts van de blauwe lijn liggen.

Een punt waar daar vaak naar gekeken wordt, is op een hoogte van 500mb:

cap2.png

Het groene lijntje is het verschil in temperatuur tussen de blauwe en de rode lijn. Als je dit als volgt berekent: TempOmgeving – TempStijgendeLucht dan krijg je een negatieve waarde als de StijgendeLucht warmer is. Deze waarde is de Lifted Index. Deze wordt dus in graden uitgedrukt en een negatieve LI geeft aan dat de stijgende lucht warmer is en dus vanzelf verder kan stijgen, wat goed is voor buien.

Neem je nu het hele gebied waar de stijgende lucht warmer is dan de omgeving, het groene vlak dus:

cap3.png

Dan kun je dus iets zeggen over het totale temperatuursverschil tussen de omgeving en de stijgende lucht. De totale oppervlakte van het groene stuk… dat is de CAPE. Om netjes te zijn: die geeft niet het totale temperatuursverschil weer, maar de energie die beschikbaar is om de lucht op te tillen. Omdat in de berekening van de CAPE de omgevings temperatuur afgetrokken wordt van de ‘stijgende lucht’ temperatuur is een positieve CAPE goed voor onweer.

Kijken we echter onderin de grafiek, dan zien we ook twee vlakken waar de stijgende lucht kouder is dan de omgeving, hier in het oranje getekend:

cap4.png

Als op dit stuk dezelfde berekening los laat als voor de CAPE, krijg je een negatieve waarde. Dit is de energie die stijgende lucht zal tegenwerken. Dit wordt CIn of CInh genoemd: Convective Inhibition (Convectieve Afremming) Lucht zal in dit gebied dus niet vanzelf gaan stijgen en zal dus ook nooit vanzelf in het gebied met CAPE komen. Er is een trigger nodig die lucht vanaf de grond optilt totdat de lucht in het gebied met CAPE komt.

En dan… is er nog de Cap (Geen CAP, Cap is het gewone Engelse woord voor Pet/Deksel/Dop). De Cap geeft het grootste temperatuursverschil weer tussen de stijgende lucht en de omgeving in het gebied waar de omgeving warmer is. De Cap is hieronder weergegeven in het oranje:

cap5.png

De Cap wordt ook uitgedrukt in graden, vaak wordt gezegd: De Cap Strength is 1.5 graden. Waarmee aangegeven wordt dat het stijgende pakketje 1.5 graden te koud is om door te kunnen stijgen tot in de CAPE.

Dus:

– LI in graden, negatief is goed
– CAPE in Joules per KG, positief is goed
– CInh in Joules per KG, -150/-100 in de ochtend teruglopend naar 0 in de namiddag is perfect
– Cap in graden, 1.5 in de ochtend teruglopend naar 0 in de namiddag is perfect

Wat kan de trigger zijn ?

Om de Cap te overwinnen kunnen verschillende dingen helpen:

– Verdere opwarming aan de grond
– Afkoeling van de warmere laag boven de grond door binnenstromen koelere lucht
– Grootschalige lucht stijging door een bovenlucht trog
– Linker uitgang of rechter ingang van een jetstreak (zorgen voor lagere druk op hoogte, lucht eronder gaat stijgen)
Convergentie aan de grond: botsende winden door windsprong bij een koufront of door lucht die uit andere buien komt
– Optilling van lucht aan de grond door heuvels en bergen (Orografische lift)
– Massa’s mensen die gaan BBQ’en smile.gif

Meestal zal het een combinatie zijn.

In de openingspost heb ik heel veel details weggelaten voor de duidelijkheid. Als je echter zelf dit soort plaatjes wilt maken heb je wat extra informatie nodig. Laten we hieronder eens naar een echt plaatje kijken. Dit plaatje is voor maandag 27 juni, voor Eindhoven om 20u00, op basis van de GFS voorspelling.

lift1.png

Het eerste wat opvalt is de wirwar aan lijnen. De meesten zullen hieronder wel ter sprake komen. Een ander verschil is dat dit plaatje niet direct de omgevinstemperatuur en de stijgende lucht laat zien, maar de omgevingstemperatuur (rood) en het dauwpunt (groen). Het temperatuur verloop van de stijgende lucht moet je er zelf bijtekenen.

Een laatste eigenschap die het ingewikkelder maakt is dat de temperatuurlijnen niet recht van onder naar boven lopen, maar schuin:

lift2.png

Als je van een punt op de rode of groene lijn de temperatuur wilt weten moet je dus vanaf de lijn schuin naar onderen, in het plaatje heb ik de 10 graden lijn funky paars gemaakt.

In dit voorbeeld gaan we kijken wat er gebeurt als je een luchtbel vanaf de grond laat opstijgen. De temperatuur waarmee we beginnen is dus precies de temperatuur van de onderkant van de rode lijn, hier met een funky paarse stip aangegeven:

lift3.png

Wat gebeurt er nu met de temperatuur van die luchtbel als je de luchtbel optilt? Dat is precies weergegeven met de kromme, doorgetrokken lijn in het plaatje. Je tekent vanaf het beginpunt gewoon een lijn parallel aan die kromme lijnen en je hebt het temperatuurprofiel van de stijgende luchtbel:

lift4.png

De stijgende lucht (de funky paarse lijn) is dus overal flink kouder dan de omgeving en zal dus niet vanzelf stijgen. Er is geen CAPE en de kans op onweer is 0.

Maar is dit wel alles? Nee, het is niet voor niks dat vocht ontzettend belangrijk is voor onweer. Natuurlijk is het nodig om wolken te vormen maar vocht zorgt ook voor extra energie voor de stijgende lucht. Om dit duidelijk te maken moeten we een zijsprongetje maken en het begrip dauwpunt uitleggen.

Lucht heeft een bepaalde temperatuur en bijna iedereen kent het begrip Relatieve Luchtvochtigheid (RH) wel. Deze luchtvochtigheid geeft aan hoeveel procent vocht er in de lucht zit opgelost. Het percentage geeft aan hoeveel water er in zit ten opzichte van hoeveel er maximaal in opgelost kan worden. Bij een RH van 0% zit er geen vocht in de lucht, bij een RH van 100% is de lucht verzadigd met vocht er kan niet meer bij.

Als je lucht opwarmt, kan er meer vocht in opgelost worden. Het gevolg hiervan is dat de relatieve luchtvochtigheid daalt. Als lucht afkoelt, stijgt de relatieve luchtvochtigheid.

Stel in lucht van 20 graden kunnen 3 druppels vocht, in lucht van 25 graden 4 druppels en in lucht van 30 graden 5 druppels. We hebben bijvoorbeeld een luchtbel van 25 graden, met daarin 3 druppels vocht. Er kunnen er 4 in, maar er zitten er maar 3 in. De RH is dan 3/4 = 75%. Als je de luchtbel opwarmt naar 30 graden zonder er vocht aan toe te voegen, dan heb je dus lucht met nogsteeds 3 druppels erin, maar er kunnen er 5 in. De RH is nu 3/5 = 60%. Zou je de luchtbel van 25 graden afkoelen naar 20 graden, dan kunnen er nog maar 3 druppels vocht in en die zitten er ook in. De RH is nu dus: 3/3 = 100%.

Stel nu dat je lucht hebt van 25 graden, met 4 druppels vocht, maximaal dus en de RH = 4/4 = 100%. Als je deze lucht tot 20 graden gaat afkoelen, zou de RH 5/4 = 120% worden. En dat kan niet. Het extra druppeltje water moet dus uit de lucht te voorschijn komen. Dit is precies wat er bij bijvoorbeeld mist gebeurt.

Het dauwpunt is nu de temperatuur tot waar je lucht kunt afkoelen totdat er vocht uit de lucht moet. En dit is dus helemaal afhankelijk van hoeveel vocht er in de lucht zit. Of de luchtbel met 3 druppels vocht nu 25 of 30 graden is, dat maakt niet uit. Je moet hem tot 20 graden afkoelen voordat er druppels uit te voorschijn komen. Het dauwpunt van de lucht met 3 druppels is 20 graden.

Waarom is dit dauwpunt zo belangrijk? Om water in lucht op te verdampen moet je flink veel warmte aan toevoegen. Maar als water weer uit lucht condenseert, komt er juist warmte vrij (vandaar dat je je handen ook zo kunt branden aan de stoom boven kokend water).

In het laatste plaatje zagen we dat de stijgende lucht veel te snel afkoelde, maar we hebben geen rekening gehouden met het dauwpunt. Zoals we in het stukje hierboven zagen, zal de afkoelende lucht op een gegeven moment het dauwpunt bereiken. Als de bel dan nog verder afkoelt moet er vocht condenseren en hierbij komt warmte vrij. Deze warmte zorgt ervoor dat de luchtbel minder snel afkoelt.

Ook dit process is eenvoudig in het plaatje te tekenen.

Het dauwpunt van onze luchtbel komt overeen met de onderkant van de groene lijn. Het verandert ook iets met hoogte en dit is eenvoudig te volgen door vanuit het dauwpunt een lijn parallel aan de korte schuine lijnen te trekken, hieronder de blauwe lijn:

lift5.png

We zien nu dat de funky paarse lijn en de blauwe lijn elkaar kruizen. Op dat punt is de temperatuur van de stijgende lucht gelijk geworden aan het dauwpunt van de stijgende lucht. Vanaf dat punt komt er dus warmte vrij als de luchtbel verder stijgt en daardoor koelt de stijgende lucht minder snel af. De temperatuur van de stijgende lucht zal nu parallel lopen aan de kromme onderbroken lijnen:

lift6.png

We zien nu dat de stijgende lucht wel warmer wordt dan de omgeving. Met de meeste ruis weggehaald:

lift7.png

En om de plaatjes te vinden:

http://ready.arl.noaa.gov/READYcmet.php

– Vul een locatie in
– Continu
– Kies ‘GFS 0-192’ bij Sounding
– Go
– Next
– Kies datum
– Vul code in
– Get Sounding

In Formule !

Klopt, maar de formule is niet minder moeilijk

CAPE.jpg

EL = Equilibrium Level (Punt boven in de atmosfeer waar omgeving en stijgende lucht zelfde temp hebben = bovenkant van het CAPE gebied)

LFC = Level of Free Convection (Punt onder in de atmosfeer waar omgeving en stijgende lucht zelfde temp hebben = onderkant van het CAPE gebied)

Tp = Temp van stijgende lucht (T parcel)
Te = Temp van omgeving (T environment)
g = Valversnelling (zwaartekracht, 9.8 m/s/s)
Z = hoogte