Kijken naar convectieve organisatie op mesoschaal

[Jan van Ooijen]

Kijken naar convectieve organisatie op mesoschaal

Op zaterdag 7 juni 1997 trok er een zeer actieve buienlijn over Nederland. In West-Nederland was er veel schade. Tijdens de passage van de lijn werd een opvallende mesoschaalstructuur zichtbaar: de boog. Een nadere analyse leert dat er in de ruimtelijke verdeling van het grootste schadespoor, en dus het gebied met de hoogste windstoten, een nauwe samenhang met de passage van de boog is te vinden. Het is juist deze relatief smalle zone met zeer zware windstoten die de boog zo gevaarlijk maakt. Binnen dit type organisatie speelt de vorming van een zeer specifieke "low-leveljet" een cruciale rol. Met behulp van radarbeelden, synoptische en remote-sensingwaarnemingen, en een samenvatting uit een literatuurstudie wordt nader ingegaan op deze situatie.

Synoptische situatie
De grootschalige situatie op 7 juni 1997 voldoet aan alle voorwaarden voor het krijgen van zware onweersbuien in West-Europa (van Delden, 2001). Een langgerekte bovenluchttrog bevindt zich over de westrand van het continent. Op de grondweerkaart (zie figuur 1) zien we als uitgangssituatie een hogedrukgebied boven Scandinavië en een langgerekte uitzakking van lagedruk over Ierland en de Golf van Biskaje.


_{Figuur 1 : Grondkaart 07 juni 1997 12 UTC en ECMWF 500 hPa analyse 12 UTC}

Een licht golvend koufront strekt zich in de ochtend uit via Oost-Engeland naar het westen van Frankrijk. Voor het front uit stroomt in de loop van de dag nog wat warmere en vochtigere lucht uit over het zuiden en zuidwesten van het land. De radiosonde oplatingen in de Benelux en Frankrijk laten een potentieel onstabiele laag zien. Boven Noord-Frankrijk en België ontstaat op het front een squall-line, die in de middag van zuidzuidwest naar noordnoordoost over Nederland trekt. Een gebied met positieve vorticiteitsadvectie (PVA), een maat voor stijgende bewegingen, fungeert als externe forcering (SATREPmodule, KNMI).

Convectieve organisatie op de mesoschaal
In de Verenigde staten is veel onderzoek gedaan naar het optreden van diverse soorten organisaties in convectie. Men spreekt van "modes in convective organisation" (Weisman, 1993). Na aanleiding van gevoeligheidsstudies met modelsimulaties komt Weisman tot de volgende modes (figuur 2 A):


_{Figuur 2 : Overzicht typen convectieve organisatie. Dikke en dunne pijlen zijn respectievelijk de systeemrelatieve wind op 2500 m en 10 m.}

a: Zwakke cellen
b: Boog Echo cellen
c: Splitsende cellen

Daarbinnen differentiëren cellen zich naar typen als single, multi - en supercellen (Verhoef, 1996). In dit artikel zullen we ons beperken tot de boog Echo cellen. De "keuze" (modes) van organisatie blijkt sterk af te hangen van:

1: Verticale richting- en snelheidwindschering in de onderste 3 tot 5 kilometer
2: CAPE (voldoende potentieel voorhanden voor thermodynamische instabiliteit)

De boog -echo
Dit type organisatie ontstaat in een omgeving met CAPE-waarden van > 2000 J/Kg en een unidirectionele verticale windschering van > 20 m/s in de onderste 3 tot 5 kilometer (Weisman, 1993). De term bow refereert naar de boogvorm van de echo op het radarneerslagbeeld.


_{Figuur 3: Dwarsdoorsnede; ontstaan van RIJ (Rear Inflow Jet)}

a) Een initiële updraft leunt naar rechts als gevolg van de aanwezige verticale windschering (Wolk/Systeem-relatief). De windschering genereert positieve horizontale vorticiteit.

b) Er valt neerslag uit de bui. Onderin ontstaat een luchtlaag die door de neerslag is afgekoeld (de zogenaamde "surface cold pool".Aan beide zijden ontstaan nieuwe bronnen van horizontale vorticiteit, dit als gevolg van de dichtheidsverschillen tussen de door de neerslag afgekoelde vochtige laag en de drogere omgevingslucht (solenoïdterm in vorticiteitsproduktievergelijking; zie Holton, pg 91-93).

c) De horizontale vorticiteitsrollen, ten gevolge van de surface cold pool, laten de updraft nu iets naar links hellen. In de verticaal, tussen de beide vorticiteitsmaxima, ontwikkelt zich een RIJ (Rear Inflow Jet).

d) De RIJ versterkt zich verder totdat er een balans wordt bereikt tussen de door de scheringsen solenoïdterm geproduceerde vorticiteit. De RIJ bevindt zich op enige hoogte en komt vooraan, vlak voor de instroom, langs het windstotenfront, aan de grond. Uitleg symbolen open witte pijl: updraftstroom:Dunne zwarte pijl:belangrijkste bronnen van horizontale vorticiteit. Dikke onderbroken zwarte pijl: RIJ (Rear Inflow Jet) Grijs gearceerde gebied onderin is de luchtlaag die door de neerslag is afgekoeld.

Ten tijde van boog-echo organisatie krijgt een oorspronkelijk lineaire lijn aan echo's een uitstulping in de richting van de 700-850 hPa wind. De uitstulping is het gevolg van het ontstaan van een krachtige instroom van lucht vanaf de achterkant van de bui naar voren toe. Dit wordt de "Rear Inflow Jet" (RIJ) genoemd. De RIJ wordt opgewekt door een samenspel van vorticiteitscentra. Zowel de solenoïdale term (die werkt op het grensvlak tussen de omgevinglucht en de door de neerslag afgekoelde lucht) als de scheringsterm spelen hierin een belangrijke rol. Is de boog-echo eenmaal ontstaan dan krijgt de RIJ nog eens een extra versterking. Namelijk aan beide zijden van de boog-uitstulping ontstaat een cyclonale en anti-cyclonale vortex. Feitelijk zit de RIJ dus "ingeklemd" tussen beide vortices. Dit genereert aan de binnenkant een versterking van de RIJ (kijk naar de rotatierichting) en aan de buitenkant juist een verzwakking. Op enige afstand achter het gustfront houdt de RIJ zich op enige hoogteop. Aan de voorkant van de boog komt de RIJ aan de grond en genereert daar een versnellend en bijzonder krachtig windstotenfront.

Van symmetrie naar anti-symmetrie
De symmetrie in de boog-echo structuur weet zich op een typische tijdschaal van enkele uren te handhaven. Na verloop van tijd begint de corioliskracht vat te krijgen op deze mesoschaalorganisatie. We zien de anticyclonale vortex in sterkte afnemen terwijl de
cyclonale vortex de boog-structuur gaat deformeren (zie figuur 4).


_{Figuur 4: Vier stadia in de evolutie van een ideale boog –echo}

a: Vanuit een cel vindt radieël uitstroom van lucht plaats.

b: Als de cel naar rechts beweegt dan zal de uitstroom in het midden van de cel iets sneller naar voren bewegen. Denk aan optelsom radiële wind met translatie-snelheid. In dit stadium is overigens de RIJ al tot ontwikkeling die het midden van de cel ook al een stuk naar voren duwt. Het netto- effect is dat de beide randen van de cel "achterblijven". Feitelijk ontstaan
hier door horizontale windschering twee vortexen.

c: Is de boog helemaal symmetrisch. Op de punt van de boog komen de zwaarste windstoten (DB = downburst) voor; feitelijk de RIJ die aan de grond komt. Aan beide zijden hebben zich een anti-cyclonale en cyclonale vortex gevormd.

d en e: Onder invloed van de corioliskracht, verdwijnt de anticyclonale vortex en wordt de structuur antisymmetrisch. Er verschijnt een Comma-echo.


_{Figuur 5: Een schematische representatie van een ideaal 2-D koppel van vortices. Let op de versterking van de stroming tussen beide vortices (optelsom van de cyclonale en anticyclonale circulatie; versterking in het midden en verzwakken aan de buitenkant).}

Bow-evolutie op 7 juni 1997
De squall-line vormt zich tussen 10 en 11 UTC op de grens van Noord-Frankrijk met België. Uit het modificeren van de beschikbare TEMPS valt af te leiden dat boven het zuidwesten van Nederland de volgende condities gelden:

CAPE: tussen 1800 en 2200 J/Kg
Schering: uni-directioneel met een waarde van 40 knopen over een laag van 5 kilometer
Hieronder is de ontwikkeling in chronologische volgorde beschreven. De tijden zijn gegeven in UTC.


_{Figuur 6 : Aantal radarbeelden (13:00, 13:30, 1400, 15:30): Op 07 juni 1997 was de radar van De Bilt niet operationeel. De radarbeelden zijn afkomstig van de destijds nieuw geplaatste C-band Dopplerradar van Gematronik (golflengte rond 5 cm) in Den Helder. Uitsluitend is hier de conventionele radarflectiviteit gebruikt.}

11.00 -12.00 uur:
NW-ZO liggende squall-line vormt zich over België en heeft nog een lineaire structuur. Op de zuidelijke Noordzee, zo'n 50 tot 80 kilometer uit de Nederlandse kust bevindt zich een N-Z georiënteerde buienlijn. Deze lijn genereert een zogeheten "outflowboundary". Om 12 UTC is deze outflow langs de lijn Den-Oever- Zaandam- Rotterdam tot stilstand gekomen.

12.00 - 13.00 uur:
Er ontwikkelt zich een krachtige RIJ. Aan de voorkant van de squall-line ontstaat een duidelijk boog-structuur. In het extreme noordelijk deel van Zeeland en in de zuidelijke secties van Rotterdam komt de RIJ met windvlagen van 70 tot 75 knopen aan de grond.

13.00 - 14.00 uur:
Met gemiddeld 75 km/uur trekt de boog, met aan beide zijden een goed ontwikkelde vortex, over de randstad. In een ongeveer 50 kilometer brede strook worden windvlagen van meer dan 70 en plaatselijk meer dan 75 knopen gemeten. Rond 13.30 uur wordt in de omgeving van Woubrugge een windhoos waargenomen door een drietal onafhankelijke ooggetuigen. De boog-echo is op dat moment volledig symmetrisch. De afstand tussen de anticyclonale en cyclonale vortex bedraagt tussen de 50 en 75 km.

14.00 - 15.00:
De symmetrische structuur wordt snel anti-symmetrisch als de anticyclonale vortex verdwijnt en een lineaire buienlijn achterlaat. De cyclonale vortex neemt nog verder in activiteit toe en trekt west van IJmuiden de Noordzee op. In het oostelijk deel van Noordelijk Noord-Holland alsmede het zuidwesten van Friesland worden nog zware windstoten gemeten.

Opgetreden windstoten:
In figuur ... zien we een ongeveer 50 kilometer brede zone van windstoten meer dan 50 knopen en daarbinnen zones met windstoten tot 80 knopen. Het gebied valt samen met de RIJ die, "ingeklemd" tussen de twee vortices, een zzw-nno geörienteerd gebied met maximale windstoten van het zuiden van Rotterdam, via Amsterdam naar Hoorn in West-Friesland
veroorzaakt.


_{Figuur 7: Links overzicht positie van de boog met opgetreden hoogste ffgusts tussen 12 en 18 UTC. Gearceerde gebied; windstoten > 70 knopen. Iets daarbuiten zien we dwars op de boog twee lijnen (ongeveer 50 kilometer uit elkaar) waarin windstoten meer dan 50 knopen zijn gemeten. De zwarte blokjes zijn enkele referentiewaarnemingsstations. Rechts: Overzicht positie boog met intersectie convergentielijn (De onderbroken lijn over Noord- en Zuid-Holland) om 13.30 UTC. De zwarte blokjes zijn respectievelijk Cabauw en De Bilt.}

De boog-echo met beide vortices heeft boven het zuidwesten een typische lengte-schaal van rond 75 kilometer (gemeten vanuit de geschatte buitenkant van de vortices). Als we naar de opgetreden windstoten net buiten het boog -systeem kijken; bijvoorbeeld pal op de kustlijn van Zuid-Holland, maar ook in het gebied net oost van Cabauw, dan zien we aanmerkelijk minder zware windstoten. Dit klopt ook wel omdat in deze zone's (de buitenkant van beide vortexen) de rotatie-wind tegen de gradiëntwind instaat.

Tornadogenesis:
Gedurende de ochtenduren houdt zich op de Noordzee langs het front een lijn met actieve onweersbuien op. De "outflow" van deze lijn bereikt aan het einde van de ochtend de Nederlandse kust en komt daarna in het achterland van Noord- en Zuid-Holland tot stilstand. Deze lijn fungeert als een convergentielijn. In Amerika is naar dergelijke grensvlakken veel onderzoek gedaan. Langs het grensvlak worden gebieden met verhoogde vorticiteit gegenereerd. Vaak zijn deze in de vorm van niet-zichtbare vortexen aanwezig met een typische diameter van enkele kilometers (Wakimoto, 1989). Het moment van de windhoos in Woubrugge vindt plaats op de intersectie tussen de bestaande uitstroom (convergentielijn in figuur 7) en de voorkant van de cyclonale vortex (daar waar de cyclonale vortex-circulatie overgaat in de lineaire luchtuitstroom behorende bij de RIJ. De sterke convergentie van
cyclonale vorticiteit in combinatie met een sterke stijgschacht (de instroom aan de voorkant van de squall-line) heeft vermoedelijk het proces "stretching van vorticiteit" in gang gezet. Dit heeft geleid tot tornadogenesis. Het ging om een kortdurende hoos van het type landspout die aan de rand van het grootschalige RIJ-schadespoor een ongeveer 5 kilometer lang hoosschadespoor achterliet. In de literatuur zijn talrijke voorbeelden te vinden van tornadogenesis op de intersectie van een bestaande convergentielijn en de voorkant van de cyclonale boog-vortex (Wakimoto, 1983).

Profiler data van Cabauw:
Met een verticale doorsnede van de boog kunnen we een beter inzicht in de interne structuur verkrijgen. De 1290 MHz Windprofiler/RASS systeem van Cabauw (voor details zie artikel van Bosveld, Klein Baltink en Lenderink in het juni 2001 nummer van Meteorologica) biedt hierin uitkomst. Het toeval wil dat de boog -lijn tijdens zijn maximale ontwikkeling over Cabauw trekt.


_{Figuur 8: Profilergrafiek Cabauw, daaronder een inzoom.}



Met name de tijdsperiode tussen 13.00 en 14.30 UTC is de moeite waard om nader te bekijken (figuur . Om 13.15 bereikt de voorkant van het gustfront Cabauw. Opvallend is dat in de laag tussen 500 en 3750 meter er een scherpe windruiming- en toename plaatsvindt. Het windmaximum zit in de onderste 2 kilometer. In een tijdsbestek tussen 10 en 15 minuten hierna komt de neerslag binnen. Om 13.30 in de wind weer teruggekrompen naar ZZW en het windmaximum is nu geconcentreerd rond 1500 meter, terwijl onderin de wind iets is afgenomen. In de volgende 2 sonderingen verschuift het windmaximum langzaam verder naar boven toe. Kwalitatief is dit patroon goed terug te vinden met wat in de literatuur bekend is van de interne structuur van een boog -echo. De profilerwaarnemingen van Cabauw laten namelijk goed het binnenkomen van de RIJ zien. Precies op het windstotenfront (voorste begrenzing van de uitstroom van de bui (downdraft)) bevindt de RIJ zich vlak aan het aardoppervlak. De tijdelijk flinke windruiming is waarschijnlijk voor een deel te verklaren door de positie van de anticyclonale vortex. Deze bevindt zich om 13.15 UTC net zuidzuidoost van Cabauw. In de sonderingen van 13.30 t/m 14.15 zien we dat de RIJ geleidelijk steeds hoger wordt gedetecteerd. Dit komt overeen met de beschrijving van andere cases in de literatuur; namelijk dat hoe verder je achter de boog -echo komt, hoe hoger de RIJ komt te liggen.


_{Figuur 9: opname van rolwolk 07 juni 1997 net noord van Rotterdam (Menno v/d Haven)}

Rolwolk
Veel mensen in de randstad hebben die middag vlak voor het doorkomen van de RIJ een goed ontwikkelde rolwolk/shelfcloud kunnen waarnemen. Menno van der Haven maakten een reeks opnamen.

Bron KNMI

[Wilfred Janssen]

Een pittig stukje leesvoer, maar zeker interessant. Heel netjes Jan!

[GekkeLeo]

Mooi stukje Jan! Komt bij de collectie Ik vergeet die dag ook niet snel meer, hier is er toen een deel van het dak van een supermarkt naar beneden komen zetten en idd voorafgaand met een dikke shelf!

[Marsel]

Niets aan toe te voegen. Compleet verhaal...Deze zag ik ook ergens anders voorbij komen  .

EDIT: ik zie het al, bron KNMI, dus openbaar beschikbaar.

[zorba]

Mooi stukje Jan! Komt bij de collectie Ik vergeet die dag ook niet snel meer, hier is er toen een deel van het dak van een supermarkt naar beneden komen zetten en idd voorafgaand met een dikke shelf!

Ik was 12 destijds (moest nog 13 worden dat jaar ), kan me er werkelijk niks van herinneren Net zo min de tornado (windhoos in mediatermen) bij Woubrugge (op steenworp van hier), jammerlijk genoeg

[Stephanie]

Ik vrees dat ik nog wel een keer of 3 opnieuw zal moeten lezen voor ik het enigszins  ga begrijpen, maar het is reuze interessant!

[GekkeLeo]

Ik was 12 destijds (moest nog 13 worden dat jaar ), kan me er werkelijk niks van herinneren Net zo min de tornado (windhoos in mediatermen) bij Woubrugge (op steenworp van hier), jammerlijk genoeg

Was de c1000 in de herenhof, me zus was toen aan het werk en ik was aan het zwemmen in de zegerplas. Ben naar huis gegaan omdat er onweer aankwam volgens die Kalteneker (geen idee of je het zo schrijft) Was hing hier nog aan de lijn nou werkelijk waar de sokken vlogen door de lucht.

[Marcel1976]

Een pittig stukje hierboven, maar wel interessant!

[zorba]

Was de c1000 in de herenhof, me zus was toen aan het werk en ik was aan het zwemmen in de zegerplas. Ben naar huis gegaan omdat er onweer aankwam volgens die Kalteneker (geen idee of je het zo schrijft) Was hing hier nog aan de lijn nou werkelijk waar de sokken vlogen door de lucht.

Kalteneker, brings back memories

Kan me er echt niks van herinneren jammer genoeg.
Enige filmpje wat ik kan vinden van 7 juni 1997 op YouTube: