|
Fronten houden stand in de meteorologie
|
|
In de weerpraatjes voor radio, TV of in de
krant wordt nog regelmatig gesproken over
fronten, die als slecht weergebieden een
terugval in het
weer kunnen bewerkstelligen.
De frontentheorie werd echter ontwikkeld in
het begin van deze eeuw rond 1920 en is dus
al zo'n 70 jaar oud.
Zien de fronten van nu er nog net zo uit als
toen of zijn de ideeën over fronten zodanig
gewijzigd, dat het begrip moet worden
losgelaten en vervangen? Hieronder wordt op
deze vraag ingegaan. Er zal blijken dat het
beeld dat men thans van fronten heeft
gedetailleerder is en daardoor
op sommige
punten afwijkt van het "oerbeeld" uit de
twintiger jaren. Toch is het concept front
nog steeds bruikbaar bij het structureren en
begrijpen van de weerwaarnemingen en
weersveranderingen. |
|
Meteorologische diensten |
|
Sinds de vorige eeuw worden er in Europa
regelmatig weerkundige waarnemingen verricht
door meteorologische diensten. Het eerste
land dat
over zo'n dienst beschikte was
België,
waar het KMI werd opgericht in 1834.
Andere europese landen volgden: Pruissen in
1847, Rusland in 1849
en Nederland in 1854.
In de jaren daarna kwam geleidelijk een
uitwisseling van weerwaarnemingen op gang.
Daarmee waren weersverwachtingen
in principe
mogelijk geworden. Het idee erachter was
reeds in 1804 verwoord door Lavoisier en
Lamarck. Zij stelden,
dat het
weer zich in
eerste benadering verplaatst met de wind
mee, zodat via een "starre schuifmethode"
weersverwachtingen kunnen worden opgesteld
op basis van een weerkaart vol met
waarnemingen. Bovendien vond de Nederlander Buys Ballot in 1857 experimenteel een
verband tussen de windrichting en het
luchtdrukpatroon dat op de weerkaart kon
worden getekend.
Later bleek overigens
dat
deze relatie al eerder theoretisch was
afgeleid door de Amerikaan Ferrel. |
|
Het grote aantal, op het eerste gezicht als
los zand samenhangende, weergegevens op een
weerkaart maakte verdere structurering van
de afgebeelde informatie noodzakelijk: er
was behoefte
aan weerkundige begrippen en
-modelvoorstellingen om de meteoroloog meer
houvast te geven bij zijn beeldvorming
omtrent het heersende weer. Zo werd
bijvoorbeeld al in een vroeg stadium gewerkt
met luchtsoorten.
Gebleken was namelijk
dat de lucht over omvangrijke gebieden min
of meer dezelfde natuurkundige eigenschappen
bezat. Deze eigenschappen hadden ze
verkregen
na
een langdurig verblijf boven een
uitgestrekt, homogeen gebied, bijvoorbeeld
boven de sneeuw- en ijsvlakten nabij de
pool of boven de oceaan ter hoogte van de Azoren.
Een langdurig verblijf boven zo'n zogeheten
brongebied is mogelijk als het daar rustig
weer is, met andere woorden als er volgens
de weerkaarten op die positie een weinig van
plaats veranderende hogedrukzone ligt. Aan
deze voorwaarde
is vaak genoeg voldaan om
inderdaad tamelijk homogene luchtmassa's te
verkrijgen. In het begin van deze eeuw
werkte men met twee luchtsoorten; de ene was
afkomstig uit
de poolstreken of de oceaangebieden ten
zuiden daarvan en werd aangeduid met
"poollucht", de andere luchtsoort kwam uit
veel zuidelijker streken en werd
"equatoriale" lucht genoemd. |
|
De koude poollucht is zwaarder dan de warme,
uit zuidelijke streken afkomstige lucht. In
de zone waar de beide luchtsoorten elkaar
ontmoeten probeert de koudere lucht onder de
warmere lucht uit te stromen. Door de
draaiing van de aarde lukt dat maar
gedeeltelijk. In 1906 vond de meteoroloog
Margules een uitdrukking voor de helling,
die het grensvlak tussen de poollucht en de
equatoriale lucht gaat innemen. Pas later
zou
men deze grensvlakken gaan betitelen als
fronten. |
|
De Noorse School |
|
De meteorologische begripsvorming kwam in
een stroomversnelling
door het werk van de zogeheten Noorse
School. Aan deze school is vooral
de naam
verbonden van Vilhelm Bjerkness.
Hij werkte
tijdens de eerste wereldoorlog in Duitsland,
maar voedselschaarste en ander ongerief als
gevolg van de oorlog brachten hem er toe
terug te keren
naar Noorwegen. Daar was net de oceanograaf Bjf rn Helland-Hansen bezig een nieuw
geofysisch instituut op te zetten in
samenwerking met het Bergens Museum. In 1917
werd Bjerkness hoogleraar aan dat instituut.
In datzelfde
jaar viel de oogst in Noorwegen
door ongunstig weer flink tegen.
De Noorse
boeren hadden weersverwachtingen nodig
en onder zulke omstandigheden is het klimaat
altijd gunstig voor subsidieaanvragen om
dergelijke verwachtingen te realiseren. |
|
Aanleiding om inderdaad tot het uitgeven van
weersverwachtingen over
te gaan was een bericht in het dagblad
Tidens Tegn uit Kristiansand,
waaruit bleek
dat Zweedse boeren per telefoon
weersverwachtingen
konden opvragen. De directeur van de Noorse
Meteorologische dienst
reageert in die
zelfde krant en meldt dat zo iets in
Noorwegen praktisch onuitvoerbaar is.
Daarop
neemt Bjerkness verontwaardigd de pen ter
hand en schrijft de directeur: "Wij kunnen
ondanks alle beperkingen iets doen. En de
omstandigheden daartoe zijn nu optimaal."
Dat blijkt de aanzet te zijn tot de start
van een dagelijkse weerberichtgeving op
18 september 1918. Naast Vilhelm Bjerkness
zijn dan aan de "Noorse school" verbonden
zijn zoon Jack,
Tor Bergeron en Halvor
Solberg. |
|
Jack Bjerkness kwam in 1918 met zijn
depressiemodel.
Hij constateerde dat depressies aan de
voorzijde als het ware warme "equatoriale"
lucht aanzuigen en transporteren naar
noordelijker breedten;
de depressies hebben
een "warme tong". Aan de voorzijde van deze
warme tong glijdt warme lucht over de
koudere lucht, die ter plekke aanwezig is,
omhoog. Aan de achterzijde van de warme tong
stort de koude poollucht zich als
het ware
in de warme lucht. Hoewel de benamingen
warmtefront en koufront nog niet te vinden
zijn in het oorspronkelijke artikel, werden
dit
toch vrij snel de begrippen waarmee
voor- en achterkant van de warme tong werden
aangeduid. |
|
In 1919 voert Bergeron er een derde type
front aan toe: het occlusiefront. Het
koufront blijkt zich namelijk sneller te
verplaatsen dan het warmtefront van dezelfde
depressie. Waar het koufront
het warmtefront
heeft ingehaald bevindt zich het
occlusiefront. De hogere snelheid van
het
koufront is al
te verklaren met het beeld van onder de
warme lucht kruipende koude lucht en over de
koude lucht schuivende warme lucht.
De
snelheid van het koufront is dan de
verplaatsingssnelheid van het totale
weersysteem (depressie met fronten) plus de
"onderkruipsnelheid";
bij het warmtefront
moet men die onderkruipsnelheid er juist af
trekken om de verplaatsingssnelheid van het
front te verkrijgen. |
|
Uit 1920 stamt Solberg's model van
depressiefamilies. De grens tussen de koude,
van de poolstreken afkomstige lucht en de
warme, uit de subtropen of tropen
aangevoerde lucht slingert zich ergens in de
zone van de gematigde breedten rond de hele
aardbol. Men spreekt van het
polaire front. In deze overgangszone
ontwikkelen zich depressies, die zich in
verschillende stadia van ontwikkeling
bevinden. Wanneer zich een
oude, uitgediepte
depressie voor de Noorse kust bevond, kon
hij aangeven in wat voor stadium de volgende
depressie die zich zou aandienen,
moest
zijn.
|
Dwarsdoorsnede |
|
Om het frontmodel verder geschikt te maken
voor de beeldvorming over wat er
in de atmosfeer gebeurt zijn dwarsdoorsneden
door het front
zeer nuttig.
De plaatjes, die onder andere ook reeds door Bergeron werden gemaakt, laten zeer
duidelijk zien dat het frontvlak een helling
vertoont; de koude lucht bevindt zich onder,
de warme boven. Doordat de warme lucht
gedwongen wordt op te stijgen koelt deze af.
Koude lucht kan echter minder waterdamp
bevatten dan warme lucht; daardoor moet de
opstijgende lucht zijn overtollige waterdamp
kwijt.
Er treedt condensatie op, zodat zich
wolken vormen waarin mogelijk tevens
neerslag ontstaat. De dwarsdoorsneden geven
de positie van de bewolkings- en
regengebieden aan ten opzichte van het
front.
In de oudere afbeeldingen gaat het
steeds om een massieve brij bewolking met
regen en/of sneeuw. (figuur 1). |
|
|
Figuur links:
_ (links boven en midden) Dwarsdoorsnede door een
koufront, naar Bergeron. (2 koufrontvarianten getoond).
Figuur boven:
- (linksonder) Doorsnede door een warmtefront, naar Bergeron
|
|
Nog voor de tweede wereldoorlog deed zich de
gelegenheid voor om de dwarsdoorsneden te
toetsen op werkelijkheidsgehalte. In 1927
kwam
de Rus Moltchanov namelijk met de
radiosonde,
een instrument waarmee het
verloop van temperatuur,
vocht en wind met
de hoogte kan
worden gemeten.
Daarnaast werd het mogelijk met vliegtuigen
vergelijkbare metingen te doen.
Zo waren er in de dertiger jaren in
Nederland al hoogtevluchten vanaf de
vliegbasis Soesterberg, terwijl
routinematige radiosondeoplatingen te De
Bilt plaatsvinden sinds 1946. |
|
Metingen met de nieuwe technieken leidden er
toe dat de beeldvorming over fronten reeds
in de jaren 50 afweek van het klassieke
Noorse school-plaatje. begon men in
koufronten steeds twee typen te
onderscheiden, het minder actieve maar in
onze streken meest frequente katakoufront en
het wat zeldzamer maar gewoonlijk meer
bewolking en regen brengende anakoufront.
Een aanzet tot dit onderscheid was overigens
al gegeven
door Tor Bergeron (1937), maar
het werd aan de hand van praktijkvoorbeelden
verder uitgewerkt door de Brit Sansom
(1951). |
|
De anafronten bleken vergezeld te gaan van
een scherpere windsprong. Op de weerkaart
vertonen de isobaren aan het front een
scherpere knik
dan bij het katafront. Na een
anafrontpassage
blijft het langdurig bewolkt
en het kan nog geruime tijd regenen; bij een
katafront zitten de
opklaringen vrijwel
direct achter het front. De
temperatuurdaling na een katafrontpassage
is
minder markant dan bij een anafront, maar de
vochtigheid loopt wel snel terug. |
|
Begin zestiger jaren legde Freeman (1961) op
basis van ballonoplatingen en
meteorologische onderzoeksvluchten met een
speciaal meetvliegtuig verdere
onvolkomenheden bloot in het
klassieke
frontenbeeld. De dikke laag bewolking, die
op plaatjes als van figuur 1 en 2 te zien
is, bleek gaten
te vertonen, zowel in het geval van
warmtefronten als bij koufronten.
De droge
plekken zijn bij katafronten overigens veel
significanter dan bij anafronten. Verder
bleek de helling van het frontvlak niet op
alle hoogtes in de dampkring gelijk; ook de
dikte van de frontale zone varieert
zichtbaar op één en dezelfde
praktijkdoorsnede; de klassieke plaatjes
tonen slechts een geïdealiseerd oneindig dun
scheidingsvlak tussen de luchtsoorten
aan
weerszijden van het front. De
neerslagzones die met een front samenhangen
bleken ook minder massief en homogeen dan
wat de klassieke plaatjes suggereren. |
|
Radarstudies |
|
Hoewel de voorgaande studies het frontmodel
van de Noorse school al wat dichter bij de
werkelijkheid hadden gebracht, bleven er nog
problemen genoeg over. Men mag weliswaar van
een
model niet verwachten dat het de
praktijk voor de volle 100% dekt, maar ook
dan nog zijn bijvoorbeeld neerslagzones met
buienwolken in de warme lucht ver voor het
front uit wel erg moeilijk te rijmen met het
klassieke concept. De prototypen van
fronten, zoals die waren neergezet door de
Noorse school bleken in sommige situaties in
het gunstigste geval ontoereikend, in het
ergste geval
zelfs misleidend. Verdere uitwerking en
detaillering van het begrip front kon daarom
niet uitblijven; ze werden onder andere
mogelijk gemaakt
door
de opkomst en technische ontwikkeling van de
radar. |
|
Het gebruik van radar in de meteorologie
stamt uit de tweede wereldoorlog. De eerste
toepassing was het volgen van weerballonnen
tijdens hun
tocht omhoog door de atmosfeer;
hiertoe
werden
de radiosondes voorzien van een
reflectiescherm van aluminiumfolie. Een veel
belangrijker toepassing werd echter het
lokaliseren van neerslaggebieden en het
bepalen van de bijbehorende
neerslagactiviteiten. Bestudering van
dergelijke radarplaatjes liet zien dat
gebieden met neerslag van beperkte omvang
waren en gewoonlijk een langwerpige vorm
hadden
evenwijdig aan het warmtefront of het
koufront waar ze mee samen hingen |
|
Een derde toepassing van radar werd mogelijk
na verdere technische ontwikkelingen. Het
instrument kan thans ook gebruikt worden
voor het
volgen van kleinschalige
luchtbewegingen,
als er tenminste objecten
in voorkomen die de luchtbeweging nauwgezet
volgen. Sneeuwvlokken
voldoen aan deze eis,
regendruppels zijn wat te log, maar zijn wel
bruikbaar om gemiddelde luchtverplaatsingen
mee te verklaren. Bovendien zijn
tegenwoordig
uit de verdeling van druppels van
verschillende afmetingen over een wolk
conclusies te trekken over luchtsnelheden.
Tevens kan men temperatuur-
of vochtigheidssprongen volgen, uit de
manier waarop deze de voortplanting van de
radarstralen beïnvloeden.
Verder beschikt
men thans over de Doppler radar;
met dit
instrument is de snelheid van de deeltjes
die men volgt te bepalen. Weliswaar is het
bereik kleiner dan van de gewone radar,
namelijk slechts ongeveer 20 km, en meet men
slechts
de snelheid in de richting van de
radarantenne,
maar door gebruik te maken van
meerdere Doppler radar's zijn dergelijke
beperkingen te ondervangen. Op deze manier
konden radarmetingen
de afgelopen decennia
een belangrijke bijdrage leveren aan verdere
detaillering van de processen die zich in
frontale zones afspelen en aan
verbetering
van het klassieke frontmodel uit de
beginjaren van deze eeuw. |
Een belangrijke bijdrage aan de verfijningen
van het frontmodel werd geleverd door
Engelse onderzoekers, waarbij vooral de naam
Browning,
de huidige directeur
wetenschappelijk onderzoek
van
de Britse
meteorologische dienst, vaak valt. Browning
en medewerkers benutten niet alleen
de
mogelijkheden van de geavanceerde radars die
hun ter beschikking stonden; het gebruik van
informatie, naar de aarde geseind door
weersatellieten, was eveneens belangrijk. In
de zeventiger en tachtiger jaren brachten
krachtiger computers en steeds
kleinschaliger werkende atmosfeermodellen
verdere detaillering van de processen die
zich in de atmosfeer afspelen nabij fronten
binnen handbereik. De onderzoekers
van de engelse school bedienen zich in hun modellen
veelvuldig van zogeheten "conveyor belts",
een begrip dat nederlandse meteorologen
meestal onvertaald laten. Conveyor belts
vormen de belangrijkste bewolking- en
neerslagproducerende luchtstromingen, die in
de buurt van depressies zijn aan te treffen
en daarmee nauw verbonden zijn. De meest in
het oog springende is de "warm conveyor
belt". Het is een
luchtstroming die aan de
voorzijde van een koufront warme lucht
afkomstig van zuidelijke breedten en van
luchtlagen dicht bij het aardoppervlak
naar
noordelijker breedten voert en
tegelijkertijd naar hoger gelegen luchtlagen
in de troposfeer. Veel voorkomende
afmetingen van deze luchtstroming zijn
bijvoorbeeld 100 km als horizontale diameter
en 1 km in verticale richting; de lengte van
de conveyor belt wisselt sterk en kan
oplopen tot enkele duizenden km. In de
figuren 3 en
is de warm conveyor belt aangegeven met een
gerasterde pijl, terwijl ook de in omranding
aangegeven pijl van figuur 4 deze conveyor
belt voorstelt. De luchtstromingen, die in
de tekeningen gesuggereerd worden, vinden
plaats ten
opzichte van het zich over het
aardoppervlak voortbewegende koufront. |
|
Figuur 3. (middenboven en
linksboven) anakoufront
met positie van de zogeheten "warm conveyor belt". |
|
|
|
Figuur 4.
(rechtsboven). Dwarsdoorsnede door
anakoufront langs
de lijn AB uit
figuur middenboven. |
|
|
In het geval van figuur 3 bevindt de
stroming met warme lucht zich niet geheel
voor de positie van het koufront aan de
grond; de opstijgende luchtmassa's leunen
als het ware naar achteren
tegen het
koufront aan. De dwarsdoorsnede van figuur 4
gemaakt langs de lijn AB in figuur 3,
laat dit ook duidelijk zien. Uit figuur 4
blijkt eveneens dat zich vlak voor het
grondkoufront een
gebied bevindt met sterke
opstijgende bewegingen; ondanks de geringe
afmetingen van 3 km in verticale richting en
3 tot 10 km in de trekrichting van het front
valt er vaak zware regen, soms zelfs hagel. |
|
De neerslagzone passeert vlak voordat de
koude lucht, die zich achter het koufront
bevindt, binnendringt en voor de wind
omgaat.
Op radarplaatjes is zo'n smalle, actieve
neerslagband vaak goed te zien; op
satellietfoto's zijn ze minder duidelijk
zichtbaar, doordat extreem
hoge
of koude wolkentoppen ontbreken en de
neerslaggenererende bewolking is ingebed in
de "gewone" koufrontale bewolking. De
neerslag is overigens niet langs de volle
lengte van het front overal even fel; tussen
de verschillende zogeheten buienlijnen
bevinden zich minder actieve
overgangszones. |
|
Het op deze manier door Browning beschreven
koufront komt overeen met het anakoufront;
het heeft betrekking op depressies met een
actief koufront en een weinig of niet actief
warmtefront.
De opstijging van warme lucht
vindt hoofdzakelijk plaats langs het
koufront. |
|
Er is nog een redelijke goede overeenkomst
met de koufrontplaatjes van de Noorse
school, zeker wanneer men daarin onstabiele
zones met buienwolken heeft opgenomen. De
afwijkingen ten opzichte van het klassieke
model worden groter in het geval van het
katakoufront, de situatie waarbij het
warmtefront vaak actiever is dan het
koufront; het zwaartepunt van de
stijgbewegingen
in de
warme lucht bevindt zich aan de voorzijde
van het warmtefront. |
|
Het beeld dat de engelse school van zo'n
koufront schetst is weergegeven in de
figuren 5 en 6. De "warm conveyor belt" is
in dit model weer prominent aanwezig; ze
ligt in dit geval geheel vóór het
grondkoufront en helt enigszins naar voren. |
|
Het koufront bezit een gesleten karakter;
het "bovenaanzicht" van figuur 5 en de
dwarsdoorsnede langs de lijn AB in die
figuur, afgebeeld in
figuur 6, laten dit
goed zien. Het grondkoufront is niet erg
markant en wordt voorafgegaan door
een vochtige zone met bewolking van slechts
zo'n 3 km diep.
Boven de vochtige lucht stroomt koelere en
drogere lucht tegen de warm conveyor belt
op. Vaak wordt de opbouw van de atmosfeer
daardoor op enige afstand voor het koufront
onstabiel, zodat zich buien vormen. De
buiigheid concentreert zich in een band,
die
evenwijdig ligt aan het koufront in het
gebied dat volgens de Noorse School nog
behoort tot de "warme sector". |
|
Figuur 5. |
Figuur 5 (boven en rechtsboven). Bovenaanzicht katakoufront met positie van de
"warm conveyor belt". In de warme lucht voor het grondkoufront uit bevindt zich een hoogtekoufront U
Figuur 6: Dwarsdoorsnede door
katakoufront langs de lijn AB
in
figuur 5.
1: neerslag warmtefront.
2: buienwolken van het
hoogtekoufront.
3: neerslag van het hoogtekoufront.
4: ondiepe vochtige laag met nu en
dan wat regen of motregen.
5: neerslag van het grondkoufront. |
|
|
|
Figuur 6.. |
|
In figuur 6 is rechtsonder nog een tweede
luchtstroming met koelere en drogere lucht
te zien.
De richting van de pijl geeft de richting
van de luchtstroming ten opzichte van een
met de fronten meebewegend
coördinatenstelsel; het gaat dus niet om
oostenwinden, maar om lucht die
zich minder
snel naar het oosten verplaatst dan de
minder koele lucht in de warme tong van de
depressie. De neerslag van het warmtefront
valt
door de drogere lucht en kan al
verdampt zijn voor zij het aardoppervlak
heeft bereikt. |
|
Met fronten samenhangende
regenbanden |
|
In het voorgaande zagen we reeds dat er bij
het model voor katakoufronten sprake is van
een gespleten front; het koufront in de
bovenlucht
wordt gemarkeerd door een zone
met buiige neerslag, evenwijdig aan het
grondkoufront. Uit onderzoek van fronten met
radar, waarbij de vorm
van neerslagzones
nauwkeurig bepaald kan worden, bleek dat in
het algemeen geldt dat fronten of conveyor
belts meestal niet vergezeld gaan
van omvangrijke en gelijkmatige
regengebieden; in plaats daarvan treft men
meestal neerslagzones aan, die een
langgerekte vorm hebben en evenwijdig liggen
aan het front waar ze bijhoren.
Karakteristieke afmetingen voor zulke
regenbanden zijn bijvoorbeeld 50 km in de
richting
loodrecht op het front en 100 tot
200 km in een richting evenwijdig aan het
front. |
|
De frontale neerslaggebieden zijn dus in
veel gevallen minder homogeen dan men uit
het frontmodel van de Noorse School op het
eerste
gezicht zou kunnen afleiden. De processen die deze fijnstructuur veroorzaken zijn te
kleinschalig om met de normale
meteorologische grond-
en bovenluchtwaarnemingen te kunnen worden
waargenomen, zodat de onderzoekers uit
Noorwegen niets valt te verwijten.
Regenzones die samenhangen met een
warmtefront verlopen evenwijdig aan het
warmtefront (figuur 7, links); hangen ze
samen met het koufront, zoals bijvoorbeeld
in het geval van het hoogtekoufront, dan is
de oriëntatie evenwijdig aan het koufront
(figuur 7 midden en rechts). In al deze
gevallen gaat het om wat Browning noemt
"brede neerslagbanden". Daarnaast komen er
ook nog brede neerslagbanden voor in de
koude lucht achter het koufront; deze hangen
samen met wat de meteorologen "troggen"
noemen. Een tweede type van neerslagbanden
dat Browning onderscheidt zijn de "smalle
neerslagbanden". Ze komen hoofdzakelijk voor
bij anafronten, in het gebied met sterk
stijgende luchtbewegingen
vlak voor het
front uit
(vergelijk figuur 4). |
|
Figuur 7. Bovenaanzicht koufront met ligging warmtefront (links en midden), brede neerslagbanden die samenhangen met
respectievelijk het warmtefront (links), het hoogtekoufront (midden) en het grondkoufront (rechts). |
Literatuur:
K.A. Browning: "Conceptual models of precipitation systems", Met Mag 114 ,p293, oktober 1985M.
H. Freeman: "Fronts investigated by the Meteorological Research Flight, Met Mag 90, p189, juli 1961
H.W. Sansom: "A study of cold fronts over the British Isles", Quart. J. Roy. Met. Soc. 77, p96, 1951
|
|
|
|
|
|
|