2. Niet alleen horizontaal: ook verticale lagen  
 
Wanneer we naar een weerkaart kijken, lijkt het alsof het weer zich vooral over het aardoppervlak verplaatst. Een buiengebied trekt van west
naar oost, de temperatuur verschilt van plaats tot plaats en de wind waait op verschillende locaties uit een andere richting.  
 
Maar de atmosfeer is natuurlijk geen platte laag.     
De lucht boven Nederland strekt zich uit over vele kilometers en de eigenschappen van de lucht veranderen voortdurend met de hoogte.
De temperatuur kan bijvoorbeeld sterk afnemen wanneer je hoger in de atmosfeer komt. Ook de windsnelheid en windrichting kunnen op
verschillende hoogtes sterk verschillen.
 
Daarom rekent HARMONIE niet alleen met een horizontaal rooster, maar ook met verticale lagen. Het KNMI omschrijft dit als een atmosfeer die
is verdeeld in een groot aantal horizontale roosterpunten en verticale lagen. 
 
 Een modelcel heeft een horizontale én verticale structuur.
 De atmosfeer wordt niet als een platte kaart berekend, 
 maar als een driedimensionaal veld met meerdere lagen.
 Bron: NOAA (2008)
 
  Harmonie 3D atmosferisch rasternetwerk Bron: onbekend
 
Een driedimensionale atmosfeer   
Je kunt het rekenmodel het beste voorstellen als een enorme driedimensionale stapel van kleine luchtvolumes. Op de kaart zie je de positie van
de roosterpunten. Het model krijgt daarmee als het ware een 3D-raster. Voor de verschillende punten en hoogtes worden de atmosferische
eigenschappen berekend. Daarbij gaat het onder andere om:  
 
  temperatuur     luchtdruk    vochtigheid    windsnelheid    windrichting    bewolking     neerslag    beweging en menging van lucht  
 
Waarom zijn die verticale lagen zo belangrijk? 
Stel dat het aan de grond windstil is. Dat betekent niet automatisch dat er ook op enkele honderden meters hoogte nauwelijks wind staat.
Op grotere hoogte kan de wind bijvoorbeeld veel sterker zijn en uit een andere richting komen.  
 
 
  Simulatie met hoge resolutie van diepe convectie
 en windstoten Bron: Onbekend
 
Ook temperatuur en vochtigheid kunnen sterk veranderen met de hoogte.
Een laag koude, vochtige lucht dicht bij de grond kan bijvoorbeeld
worden afgedekt door een drogere of warmere luchtlaag erboven.
Voor het voorspellen van het weer is het daarom belangrijk dat het model
niet alleen weet waar een bepaalde luchtmassa zich bevindt, maar ook op welke hoogte die lucht zich bevindt.   
 
Verticale luchtbeweging     
De verticale indeling is vooral belangrijk wanneer lucht omhoog of omlaag beweegt. Warme lucht aan het aardoppervlak kan opstijgen.
Tijdens het opstijgen verandert de temperatuur en kan waterdamp condenseren. Daardoor kunnen wolken ontstaan en onder de juiste
omstandigheden kunnen zich uiteindelijk buien ontwikkelen.  
 
Omgekeerd kan lucht vanuit hogere lagen naar beneden bewegen.
Het model moet daarom niet alleen berekenen hoe lucht horizontaal van
de ene plaats naar de andere beweegt, maar ook hoe lucht verticaal door
de verschillende lagen wordt verplaatst.  
 
Een belangrijk onderdeel hierbij is turbulentie en verticale menging.
Het KNMI doet specifiek onderzoek naar de manier waarop deze verticale
menging in HARMONIE-AROME wordt weergegeven, omdat dit onder
andere invloed heeft op de berekende wind.  
 
De luchtlagen beïnvloeden elkaar  
De verschillende lagen staan dus niet los van elkaar. Wat er in een bepaalde laag gebeurt, kan gevolgen hebben voor de lagen daarboven en daaronder.
Een vereenvoudigd voorbeeld:  
 
 1: Zon verwarmt het aardoppervlak   5: temperatuur en vochtigheid veranderen 
 2: lucht vlak boven de grond wordt warmer   6: wolkenvorming kan ontstaan of veranderen 
 3: warme lucht stijgt   7: onder geschikte omstandigheden kan neerslag ontstaan 
 4: lucht wordt gemengd met hogere luchtlagen   
 
Dit soort processen vinden voortdurend plaats en worden door het weermodel in de berekeningen meegenomen.   
 
Niet overal hetzelfde  
De verticale opbouw van de atmosfeer is bovendien niet overal hetzelfde. Boven land kan de atmosfeer zich anders gedragen dan boven zee.
Ook het tijdstip van de dag speelt een grote rol.  Overdag warmt het aardoppervlak op en kan daardoor meer verticale menging ontstaan.
's Nachts kan de onderste luchtlaag juist sterk afkoelen en kan de atmosfeer stabieler worden.  
 
Het KNMI gebruikt HARMONIE-AROME bijvoorbeeld ook om de invloed van windparken op de atmosfeer te onderzoeken. Daarbij wordt gekeken
naar veranderingen in windsnelheid, temperatuur, vochtigheid en turbulentie op verschillende hoogtes. Dat laat mooi zien waarom een
driedimensionaal model nodig is: het effect van een windpark beperkt zich niet tot één punt op de kaart, maar kan zich ook verticaal door de
atmosfeer verspreiden. 
 
Van het aardoppervlak tot de hogere atmosfeer 
Je kunt HARMONIE daarom zien als een enorme driedimensionale kubus die voortdurend opnieuw wordt berekend. Op ieder horizontaal
roosterpunt bevinden zich meerdere verticale lagen. In iedere laag heeft het model informatie over de toestand van de atmosfeer.In werkelijkheid
is dit natuurlijk veel complexer: het model bestaat uit zeer veel roosterpunten en lagen en berekent voortdurend hoe de atmosferische toestand verandert.  
 
Waarom dit voor weersverwachtingen belangrijk is
Dankzij deze driedimensionale aanpak kan HARMONIE processen beschrijven die met een eenvoudige tweedimensionale kaart niet zichtbaar
zouden zijn. Denk bijvoorbeeld aan:  
 
  1: sterke wind die op grotere hoogte aanwezig is   5: de ontwikkeling van wolken
  2: temperatuurverschillen tussen verschillende luchtlagen   6: convectie en onweersbuien
  3: vochtige lucht die opstijgt   7: veranderingen in de onderste luchtlaag
  4: verticale menging van lucht   9: de invloed van het aardoppervlak en de zee op de atmosfeer
 
HARMONIE-AROME is juist bedoeld als hoog-resolutiemodel voor kortetermijnverwachtingen en wordt bij het KNMI voortdurend verder ontwikkeld, onder andere op het gebied van de model-fysica.  
 
HARMONIE maakt geen eenvoudige weerkaart van Nederland. Het model probeert een driedimensionale beschrijving van de atmosfeer te maken, waarbij op verschillende plaatsen én verschillende hoogtes wordt berekend hoe temperatuur, vochtigheid, wind en andere eigenschappen zich ontwikkelen.  
 
← Hoofdstuk 1 Index Harmonie Hoofdstuk 3 →