|
Het weer gemeten en voorspeld
|
|
De meteorologie kende in de twintigste eeuw talrijke mijlpalen op terreinen als waarnemen van het weer, theorievorming en voorspelmethodieken.
In dit artikel van Baltus Zwart en Kees Floor worden de belangrijkste ontwikkelingen binnen de meteorologie van de afgelopen 100 jaar besproken. |
|
De basis voor de meteorologie als wetenschap
werd in Nederland omstreeks 1850 gelegd door
Christiaan H. D. Buys Ballot. De weerkundige
activiteiten bestonden aanvankelijk uit het
systematisch verrichten van waarnemingen en
het uitgeven ervan in jaarboeken. |
|
Maar Buys Ballot had ook aandacht voor de
samenhang van waarnemingen, die
tegelijkertijd op verschillende locaties
werden verricht.
Hiermee konden weerkaarten worden getekend,
waarop eerst alleen de stormwaarschuwingen
en
later ook andere weersverwachtingen waren
gegrond. De eerste waarschuwingen waren
gebaseerd op slechts enkele plotjes van
Franse kuststations. Het op routinebasis
tekenen van weerkaarten werd mogelijk na de
oprichting van de Internationale
Meteorologische Organisatie (IMO) in 1873.
De IMO was een initiatief van Buys Ballot,
tevens de eerste voorzitter. Daarmee begon
de internationale uitwisseling van
waarnemingen. De publicatie van dagelijkse
weerkaarten voor algemeen gebruik startte in
Nederland in 1881. |
|
Het KNMI heeft deze traditie gedurende de
hele 20ste eeuw voortgezet. Rond de
eeuwwisseling verhuisde het KNMI
van Utrecht
naar De Bilt.
In de nu volgende decennia begon onder Ewoud
Van Everdingen, die in 1903 in dienst van
het KNMI was gekomen en er van 1905 tot 1937
hoofddirecteur was, het onderzoek naar
klimaatveranderingen, veroorzaakt door de
afsluiting en gedeeltelijke drooglegging van
de Zuiderzee. Van Everdingen legde ook de
grondslag voor de landbouwmeteorologie,
aanvankelijk met name van belang bij het
bestrijden van de
aardappelziekte. |
|
|
|
C.H.D. Buijs Ballot,
oprichter
van het KNMI |
|
|
Frontmodellen en de Noorse school |
In
de jaren twintig en dertig werden
grote ontdekkingen gedaan en zijn er
belangrijke theorieën ontwikkeld. En
van de belangrijkste meteorologen
in
het
begin van
de 20ste eeuw was
ongetwijfeld de Zweedse meteoroloog
Tor Bergeron. Samen met de Noorse meteorologen Vilhelm en Jacob Bjerknes
(vader en zoon) ontwikkelde hij een
geheel nieuwe methode voor het
analyseren van weerkaarten. Daarbij
werd uitgegaan van het
bestaan van
verschillende luchtsoorten,
die niet mengen. Er bestonden
dus scheidingsvlakken tussen deze
luchtsoorten, op de weerkaart te
zien als scheidingslijnen, de
fronten. De fronten konden de
knikken in de isobaren verklaren als
gevolg van een verschillend
drukverloop in de luchtsoorten voor
en achter het front. Voorheen werden
de knikken min of meer
verdonkeremaand door de isobaren een
vloeiend verloop te
geven.Deze geheel nieuwe methode van analyseren staat bekend als de frontentheorie of de Noorse School. In Nederland werd de analyse
volgens de Noorse School ingevoerd in 1937. Dit is vooral te danken aan de meteoroloog, latere hoogleraar en hoofddirecteur van het KNMI
Wouter Bleeker. |
|
|
Afbeelding-1 |
|
|
|
Afbeelding-2 |
|
|
1: Weerkaart uit 1891:
geen fronten |
2: Meten van temperatuur en vochtigheid in een proefveld achter het KNMI ten behoeve van landbouwkundig onderzoek. |
|
De theorieën van de Noorse School werken met modelvoorstellingen als warmtefront, koufront en occlusie. Daarmee probeerde men de waarnemingen te ordenen en in onderlinge samenhang te plaatsen. Nieuwe typen waarnemingen, zoals bijvoorbeeld die van de radiosonde,
de radar- en de satellietbeelden, genereerden nieuwe meteorologische kennis, waarbij er behoefte was aan nieuwe
of bijgestelde modellen.
In de loop der jaren zijn er daarom talrijke veranderingen aangebracht in de oorspronkelijke frontconcepten. |
|
Er werden bijvoorbeeld veel meer verschillende typen fronten onderscheiden omdat in de praktijk bleek dat ze ander soort weer met zich meebrachten. Voor andere verschijnselen, zoals bijvoorbeeld buiencomplexen in polaire lucht, snel ontwikkelende golfvormige storingen en omvangrijke zomerse buiencomplexen, kwamen er eveneens nieuwe modellen. |
|
Zo’n model moet onder andere aangeven hoe tijdens de levensloop van het verschijnsel uiterlijk, omvang, intensiteit en waargenomen weer
variëren.
Verder geeft het aan welke natuurkundige processen een rol spelen, zodat men uit de waarnemingsgegevens kan afleiden hoe het verschijnsel zich heeft ontwikkeld. Tenslotte geeft het model de meteoroloog aanwijzingen welke weervariabelen hij vooral in de
gaten moet
houden om de verdere weersontwikkelingen te voorspellen. |
|
Hogere luchtlagen en straalstroom |
Op wetenschappelijk gebied kreeg Nederland
in de eerste helft van de twintigste eeuw
naam door het onderzoek van de hogere
luchtlagen;
men besefte reeds aan het begin van de
twintigste
eeuw dat die van groot belang
waren voor het weerbeeld. Wat men onder
andere wilde weten
was hoe hoog de dampkring zich uitstrekte,
welke temperaturen er op grote hoogten
heersten en welke windsnelheden. In
Nederland werden in
dat verband
ballonvaarten uitgevoerd door Cannegieter en
Schoute. Later werd een methodiek ontwikkeld
voor het bepalen van de windrichting in
hogere niveaus door het volgen van
loodsballonen met de theodoliet. De door
Schoute ontwikkelde registrerende theodoliet
werd zelfs door Carl Zeiss in productie
genomen. Voor het meten van temperatuur en
vochtigheid in de bovenlucht maakte men
gebruik van grote vliegers, waarmee deze
elementen tot op een hoogte van ruim 3000
meter gemeten konden worden. Het
vliegerstation was aanvankelijk gevestigd in
Soesterberg. Nadat dit terrein in gebruik
was genomen als basis voor militaire
vliegtuigen, week men uit naar de Leusderhei.
De militaire piloten waren echter
bereid
tussen de vleugels van hun tweedekkers een
door Cannegieter ontwikkelde meteorograaf te
laten monteren. Daarmee konden tot een
hoogte van 5 km, het plafond van de
vliegtuigen, luchtdruk, temperatuur en
vochtigheid worden geregistreerd. |
|
Afbeelding-3 |
|
|
|
Afbeelding-4 |
|
|
3: Meteorograaf tusssen de vleugels
van een tweedekker |
4: Weerballon in de lucht met daaronder een radarredlectiescherm
en
10 meter later, de radiosonde. |
|
|
Voor de Tweede Wereldoorlog vonden
radiosondewaarnemingen nog slechts
incidenteel plaats, maar daarna werd over de
gehele wereld
een uitgebreid net van
radiosondestations verwezenlijkt, zodat de
kennis van de hogere luchtlagen in rap tempo
toenam. In de loop der jaren bereikten de
ballons hoogten van 30 á 35 km. Windgegevens
werden verkregen door het pad van de ballon
te volgen met de theodoliet en,
vanaf 1955,
met radar. |
|
In de jaren tachtig kwam de
radioplaatsbepaling in gebruik, waardoor
de
sonde niet meer hoefde te worden gevolgd. De
radiosonde zelf is
in de loop der jaren
belangrijk in grootte en gewicht afgenomen.
De bimetaalthermometer en de
vochtigheidsmeter van vogeldarm
werden
vervangen door sensoren ter grootte van een
flinke speldenknop, waardoor afscherming
tegen straling overbodig werd. |
|
Men kwam al spoedig tot het inzicht dat de
luchtdrukverdeling aan
het aardoppervlak in
belangrijke mate wordt beïnvloed door de
luchtdrukverdeling
in de bovenlucht. De Nederlandse meteoroloog
Herman Bijvoet leidde hieruit een grafische
methode af, waarmee de luchtdruk aan de
grond uit die in de bovenlucht op 5 km
hoogte kon worden afgeleid. Met deze
grafische methode kon later uit de door
computers berekende luchtstroming in de
hogere luchtlagen die aan
de grond worden
bepaald. In het begin van de jaren veertig
ging men
uit van een regelmatige toename van
de wind met de hoogte en van windsprongen op
de scheidingsvlakken tussen de luchtsoorten,
maar
van luchtlagen met extreme
windsnelheden was geen sprake. |
|
|
Amerikaanse lange-afstand bommenwerpers, die
boven Japan op vele kilometers hoogte vlogen
om vijandelijk afweervuur te vermijden,
troffen daar echter onverwacht zeer hoge
windsnelheden aan. Op dat niveau bleken deze
vliegtuigen boven hun doelen zelfs niet meer
vooruit
te komen.
De head winds bereikten snelheden van
omstreeks 450 km per uur. Dergelijke hoge
windsnelheden in het bovenste deel van de
troposfeer pasten niet in het toen gangbare
model van de atmosfeer. |
|
De Amerikaan H. C. Willett was de
eerste die een aangepaste versie van het
model publiceerde met daarin het zo
karakteristieke snelle
stromingslint van
westelijke winden aan de top van de
troposfeer. Door zijn hoge snelheid kreeg
deze stroming de benaming straalstroom (jetstream).
De twee straalstromen (één op het noordelijk
en één op het zuidelijke halfrond) vormen in
de
meeste gevallen geen mooie
gesloten
cirkel (de westcirculatie) met zeer snel (de
jetstreaks ) en langzamer stromende delen.
Ze tonen een vaak wisselend aantal meanders
(de Rossby-golven). |
|
Door vereenvoudiging van de
bewegingsvergelijking kon Rossby formules
opstellen voor de verplaatsing van deze
golven. De golfpatronen zijn
meer
of minder uitgesproken en kunnen in sommige
gevallen leiden tot afsnoering. De zo
ontstane losse wervel blokkeert door zijn
vaste positie
de westelijke stroming. Deze
zogeheten blokkades kunnen zeer hardnekkig
zijn en geven dan in onze streken aanleiding
tot een standvastig weerbeeld. De ontdekking
van de straalstroom direct onder de
tropopauze, boven het polaire front, leidde
tot een ingrijpende herziening van het
atmosferische stromingsbeeld. |
|
Er bleek ook een sprong in de hoogte van de
tropopauze te bestaan boven de gematigde
gebieden. De straalstroom kreeg een plaats
in dit overgangsgebied tussen (sub)tropische
en polaire lucht. De ontdekking van de
straalstroom heeft verreikende gevolgen
gehad voor de meteorologische wetenschap. Ze
is even belangrijk als de ontdekking van de
Golfstroom in de Noordelijke Atlantische
Oceaan. |
|
De straalstroom bleek een belangrijke rol te
spelen bij het ontstaan van depressies, bij
het inzetten van de moessonregens boven
India,
bij langdurige, warme zomers
(blokkades). De straalstroom bleek een
hoofdrol te spelen bij het uitgroeien van
zwakke storingen tot diepe depressies. Van
groot belang daarbij bleek de plaats van de
storing onder de straalstroom, met name
onder het uitstromingsgebied (de delta)
van
het windmaximum. Het plotseling uitgroeien
van op het eerste gezicht zwakke storingen
tot diepe depressies, gepaard met zware
stromen,
kon door de pompwerking van de
straalstroom beter worden begrepen. |
|
Neerslagvorming en weersbeïnvloeding |
Van groot belang was de theorie van Bergeron
voor het ontstaan van neerslag. Wolken, die
uitsluitend uit druppeltjes (stapelwolken,
schapenwolken) of ijskristalletjes
(windveren, sluierwolken) bestaan, geven
geen neerslag. Boven de gematigde streken
ontstaan regendruppels vrijwel nooit door
het samenvloeien van wolkendruppeltjes of
aangroeien ervan door condensatie, zoals
rond 1900 nog werd gedacht. |
|
Bergeron stelde dat een wolk alleen neerslag
produceerde, wanneer daarin water en ijs
naast elkaar voorkwamen. Wolken bestaan
namelijk
ook bij temperaturen onder nul nog
geheel of gedeeltelijk uit onderkoelde
waterdruppeltjes doordat druppeltjes, die
uit zuiver water bestaan,
pas bevriezen
bij een temperatuur van -40oC. In de
atmosfeer zijn echter vrieskernen aanwezig;
microscopisch kleine stofdeeltjes, die door
hun specifieke kristalstructuur het
bevriezingsproces bevorderen. De meeste
druppeltjes bevriezen bij temperaturen
tussen de -10oC en de
min -14 oC.
Het aangroeien van de ijskristalletjes in de
wolk vindt plaats door het verschil in verzadigingsdampspanning tussen ijs en
onderkoeld water van dezelfde temperatuur.
De verzadigingsdampspanning boven ijs is
lager. Dit verschil is maximaal bij een
temperatuur van ongeveer
-12 oC.Het proces, dat Findeisen later
proefondervindelijk vaststelde, kreeg de
naam Findeisen-Bergeron proces. Voor
neerslagvorming moet
een wolk dus
onderkoelde druppeltjes èn ijskristalletjes
bevatten. In de gematigde streken is de
meeste regen eerst ijs geweest. Alleen in de
tropen kunnen buienwolken hoog genoeg reiken
om het proces van het samenvloeien van
druppeltjes, het zogeheten cascade-effect,
plaats te laten vinden. Maar ook hier reiken
de wolken soms nog hoog genoeg om in de
toppen ijskristalletjes te bevatten. |
|
Een belangrijk jaar in de geschiedenis van
de weersbeïnvloeding was 1930, toen de
amateur meteoroloog August W. Veraart voor
het eerst
met een fysische methode ingreep
in het proces van de neerslagvorming. Hij
liet hoog ontwikkelde stapelwolken (Cumulus congestus) bezaaien
met koolzuursneeuw (vast
koolstofdioxide, -80oC). Zonder dat hij hier
de juiste voorstelling van had, bevorderde
hij hiermee ongetwijfeld het ontstaan van
ijskristalletjes in deze wolken en daarmee
het proces van de neerslagvorming, al is het
laatste toen bestreden. In plaats van
Veraart zijn nu de Amerikanen Langmuir,
Schaefer en Vonnegut de geschiedenis
ingegaan als de eersten die de vorming van
neerslag in wolken kunstmatig hebben
beïnvloed. Vincent Schaefer liet in 1946
vanuit een sportvliegtuigje vast
koolstofdioxide strooien op een gesloten
wolkendek (stratocumulus),
waarvan door metingen vast stond dat het
bestond uit onderkoelde druppeltjes. Er
gebeurde, wat hij verwachtte: een deel
van
de wolkendruppeltjes bevroor en groeide aan
ten koste van verdampende druppeltjes.
Tenslotte dwarrelden uit de bezaaide wolk
kleine sneeuwvlokken omlaag. De eerste proef
tot het opwekken van kunstmatige neerslag
was geslaagd, al bereikten de sneeuwvlokken
door
verdamping de grond niet. In feite was
hier een methode ontdekt om wolken, die geen
neerslag geven, op te lossen, wat later
onder andere
door de Russen in praktijk is
gebracht. |
|
Het bevriezingproces in de wolk wordt op
gang gebracht door de druppeltjes extreem af
te koelen, tot ver beneden —40oC. De poging
van
Schaefer om kunstmatige vrieskernen
(anders dan koolzuursneeuw) te vinden was
echter niet gelukt. Bernard Vonnegut slaagde
hierin wel
door eerst uit de kristalbouw af
te leiden welke stoffen het meest geschikt
waren om onderkoelde waterdruppeltjes tot
bevriezing te brengen.
Dit bleken de
kristallen van zilverjodide te zijn. Bij
experimenten in een vrieskist lukte het om
al bij -4oC de druppeltjes te laten
bevriezen.
In 1947 liet hij vanuit een
vliegtuig zilverjodide kristallen strooien
op een onderkoeld stratocumulusdek en
verkreeg hetzelfde resultaat als
Schaefer.
Het bezaaien van onderkoelde wolken met
zilverjodide kristallen is later gebruikt
voor het kunstmatig opwekken van neerslag
boven semi-aride gebieden. In de jaren
negentig zijn ook proeven gedaan om neerslag
te laten vallen uit wolken, die geen
ijskristallen
bevatten, zogeheten warme
wolken. Hiervoor worden sterk hygroscopische
stoffen gebruikt zoals calciumchloride. Dit
onderzoek wordt
onder andere gedaan door een
Amerikaan van Nederlandse afkomst, Roelof
Bruintjes. Van toepassingen van het
verwekken van neerslag
op grote schaal is
echter tot heden geen sprake. |
|
Radar als neerslag- en turbulentiedetector |
Tijdens de Tweede Wereldoorlog werd op grote
schaal radar gebruikt voor het opsporen van
vijandelijke vliegtuigen en het tijdens de
nacht
zichtbaar maken van de omgeving.
Radargolven, radiogolven in het
centimetergebied, bleken op het scherm
echter ook door neerslag te worden
gereflecteerd. Dit aanvankelijk als storend
ondervonden verschijnsel, kon later bij de weersverwachtingen
nuttig
worden
ingezet bij
het opsporen
en volgen
van
neerslaggebieden.
Radargolven
met een
golflengte
van 3 tot 5
cm zijn het
meest
geschikt
voor het
weergeven
van neerslag
in
zware
onweersbuien,
zoals
slagregen
(grote
druppels),
hagel en
grote
sneeuwvlokken.
Langere
golven, tot
10 cm,
kunnen ook
lichte
regen,
motregen en
lichte
sneeuwval
waarnemen,
in sommige
gevallen
zelfs de
kleine
ijskristalletjes
in wolken. |
|
In de Verenigde Staten wordt voor de
opsporing van tornado’s de doppler-radar
gebruikt. Met de dopplerradar kunnen de
bewegingen van neerslagdeeltjes in een
buienwolk worden gezien. Het systeem
signaleert het frequentieverschil tussen de
uitgezonden en de teruggekaatste
radiogolfstraling. Het verschil in echobeeld
tussen naar de waarnemer toe en van de
waarnemer af bewegende neerslagdeeltjes
wordt op het
scherm
met verschillende kleuren
weergegeven. Een draaiende beweging van de
neerslagelementen in een buienwolk,
het
begin van een windhoos
of tornado, kan hiermee worden ontdekt.
Om
dergelijke gevaarlijke weers-verschijnselen
en ook zware windstoten, beter te kunnen
signaleren,
nam
het KNMI in 1997 de dopplerradar in
gebruik, vooral ten behoeve van de
luchtvaart. In de laatste decennia
zijn de
Verenigde Staten en Europa bedekt met een
radarnetwerk, een systeem van landelijk
gekoppelde weerradars. De beelden hiervan
kunnen worden samengesteld, zodat boven
hele landstreken tegelijkertijd de
neerslaggebieden zichtbaar zijn. Tropische
cyclonen, die langs de oostkust van de
Verenigde Staten trekken, kunnen met een
gekoppeld radarsysteem op de voet worden
gevolgd. Tijdige waarschuwingen zijn
daardoor mogelijk. Micrometeorologie en
grenslaagmeteorologie |
|
De meteorologische omstandigheden in de
lucht direct boven het aardoppervlak
vertonen vaak grote
verschillen met die op
grotere hoogten. Afhankelijk van de aard van
het oppervlak (begroeiing, bebouwing,
land
of water) is er sprake van een verschillend
weer en klimaat. Rudolf Geiger verrichtte op
dit gebied baanbrekend onderzoek, met name
van het klimaat in bossen en
landbouwgewassen. Door de groei van de
steden en het hoge energieverbruik van zijn
bewoners nam vanaf de jaren zestig in de
Verenigde Staten het onderzoek naar het
stadsklimaat een grote vlucht. In Nederland
verrichtte Louis A. Conrads een uitgebreid onderzoek naar het klimaat van de stad Utrecht, dat grote verschillen liet zien met het omgevende platteland. |
|
|
|
De antenne van de eerste weerradar
op de toren
van het KNMI. |
|
|
Niet alleen het weer vlak boven de grond, maar ook dat van enkele tientallen tot honderden meters hoogte is in onze
moderne maatschappij van groot belang, onder
andere bij de verspreiding van
luchtverontreiniging. In dat verband
ontstond de grenslaagmeteorologie. Op dit
terrein heeft Nederland een belangrijke rol
gespeeld door de oprichting van een speciaal
voor dit doel gebouwde 213 meter hoge
meetmast bij Cabauw, die in
1973
operationeel werd. |
|
|
De 212 meter hoge meetmast van het KNMI te Cabauw |
|
|
Micrometeorologie en
grenslaagmeteorologie |
De meteorologische omstandigheden in de
lucht direct boven het aardoppervlak
vertonen vaak grote verschillen met die op
grotere hoogten. Afhankelijk van de aard van
het oppervlak (begroeiing,
bebouwing, land of water)
is er sprake van
een verschillend weer en klimaat. Rudolf Geiger verrichtte op dit gebied baanbrekend
onderzoek, met name van het klimaat in
bossen en landbouwgewassen.
Door de groei van de steden en het hoge
energieverbruik van zijn bewoners nam vanaf
de jaren zestig in de Verenigde Staten het
onderzoek naar het stadsklimaat een grote
vlucht.
In Nederland verrichtte Louis A. Conrads een uitgebreid onderzoek naar het
klimaat van de stad Utrecht, dat grote
verschillen liet zien met het omgevende
platteland. |
|
Niet alleen het weer vlak boven de grond,
maar ook dat van enkele tientallen tot
honderden meters hoogte is in onze moderne
maatschappij van groot belang, onder andere
bij de verspreiding van
luchtverontreiniging. In dat verband
ontstond de grenslaagmeteorologie. Op dit
terrein heeft Nederland een belangrijke rol
gespeeld door de oprichting van een speciaal
voor dit doel gebouwde 213 meter
hoge meetmast bij Cabauw, die in 1973
operationeel werd. |
|
Aan deze mast bevinden zich op elke 20 meter
drie uithouders met meetopstellingen voor
straling, temperatuur, vochtigheid en wind,
waarbij de luchtstroming niet alleen in
horizontale, maar ook in verticale richting
kan
worden gemeten. De metingen met de mast
leverden temperatuur-, vocht- en
windprofielen en stralings-
gegevens op voor
stabiele en onstabiele grenslagen. Met name
kon de turbulente structuur van de wind er
mee worden vastgesteld en de ontwikkeling
van de Low level jet tijdens de nacht.
Verder verstrekte de mast belangrijke
informatie over de vorming en oplossing van
door nachtelijke uitstraling gevormde
mistlagen en
over de dagelijkse gang van de
concentratie van schadelijke gassen met de
hoogte. Ten slotte is en wordt de
mast
gebruikt voor het testen van weer- en
klimaatmodellen. Talloze wetenschappelijke
publicaties zijn uit
het onderzoek met de
mast bij Cabauw voortgekomen. Nederland
kreeg hiermee internationale bekendheid. |
|
|
Weersatellieten |
De eerste weersatelliet, de TIROS 1, werd
door de Verenigde Staten gelanceerd op 1
april 1960. De foto’s van de aarde
bevestigden niet alleen
de
al dertig jaar eerder ontwikkelde
frontentheorie, maar zij gaven ook aan dat
luchtstroming in de atmosfeer veel turbulenter was dan gedacht.
Er waren
voorbeelden te zien van grote draaikolken,
zoals van depressies en tropische cyclonen.
Maar de atmosfeer bleek bovendien vol te zitten met min of meer turbulente wolkengebieden, die niet zonder meer in het schema van de Noorse School waren in te passen. Deze wolkenzones en slecht weer gebieden bleken met andere parameters te zijn verbonden. Een voorbeeld is de zogeheten trogkomma, een op een kleine depressie gelijkend wolkenbeeld in de koude lucht achter een koufront. |
|
Ook liet
het gefotografeerde wolkenbeeld zien
dat occlusies veel ingewikkelder waren
gebouwd dan de Noorse School suggereerde.
Een geheel
nieuw verschijnsel was de
kopgolf, een dichte massa cirrusbewolking
boven een zich ontwikkelende golf in het
polaire front. De prille ontwikkeling
van
stormdepressies is daardoor beter te
traceren. In de eerste drie jaren hadden de
weersatellieten een baan, die slechts een
geringe hoek
maakte met het equatoriale vlak
van de aarde, zodat hun opnamen niet veel
verder reikten dan de subtropen. Met de
lancering van TIROS 8
in 1963 en
met alle
andere polaire weersatellieten (de ESSA, van
1965 tot 1970 en de NOAA,
vanaf 1970) kwamen er bruikbare opnamen
over
de gehele aardbol ter beschikking. |
|
|
Afbeelding-5 |
|
|
|
Afbeelding-6 |
|
|
5: 40 jaar weersatellieten:links een opname van de TIROS op 1 april 1960, rechts een opname gemaakt door de NOAA-15 op 25 maart 2000.
De grotere detailrijkdom van de laatste is opvallend. |
6: De gehele aarde wordt constant waargenomen en gemeten door een geostationaire satellieten en polaire weersatellieten. |
|
Vanaf die tijd was het ook voor ieder land
mogelijk de opnamen te ontvangen, omdat deze
satellieten waren uitgerust met een
zendsysteem,
dat de informatiestroom continu
naar de aarde richtte. Zeer geavanceerde
installaties als die van het KNMI leveren
uiteraard de duidelijkste
beelden, maar
radioamateurs met weerkundige belangstelling
en omgekeerd weeramateurs met een flinke
dosis kennis van de elektronica,
konden de
beelden ook ontvangen. |
|
De Verenigde Staten plaatsten in 1966
geostationaire weersatellieten boven het
aardoppervlak. Op een hoogte van 36000 km
boven de evenaar
is
hun omloopstijd gelijk aan de draaisnelheid
van de aarde. Zij verkeren dus steeds boven
een zelfde punt van het aardoppervlak. Het
voordeel
van
deze satellieten is dat zij vanaf die hoogte
vrijwel de helft van het aardoppervlak
continu kunnen observeren. Dit beeld wordt
dan door de
polaire satellieten (op 800 km
hoogte) gecompleteerd. De geostationaire
satellieten ATS 1, 2, en 3 waren al
uitgerust met een kleurencamera.
Verder konden zij meteorologische informatie
relayeren. Later zijn er vijf geostationaire
weersatellieten op vaste punten boven het
aardoppervlak gezet, drie door de V.S., één
door Japan en één door Frankrijk. |
|
Deze vijf satellieten maken deel uit van de
World Weather Watch (WWW), een initiatief
van de World Meteorologiocal Organisation
(WMO),
die in 1947 de plaats van de IMO in
nam. De
oorspronkelijk Franse, later Europese METEOSAT-kunstmanen, voor het eerst
gelanceerd in 1977, staan op een vast punt
boven de Golf van Guinee en zenden beelden
van het aardoppervlak elk half uur naar het
grondstation te Darmstadt. De beelden worden
daar bewerkt, van een gradennet voorzien en
vervolgens teruggezonden naar de satelliet.
Vandaar gaan ze naar de gebruiker.
In Darmstad worden de beelden opgeslagen en
gecatalogiseerd. |
|
METEOSAT heeft nog meer taken:
ondervragingssignalen gaan naar
waarnemingspunten zoals automatische
stations, weerboeien, schepen en andere
satellieten. METEOSAT dient ook als
inzamelpunt voor waarnemingen, die hij
vervolgens doorzendt naar het
grondstation.
METEOSAT is één van de vijf weersatellieten,
die samen het totale weerbeeld van de aarde
continu observeren, niet alleen voor het
wolkenbeeld zelf, maar ook voor de
temperatuur van de wolken en het wolkenvrije
aardoppervlak. |
|
Het laatste gebeurt door opnamen in het
infrarood. Doordat de temperatuur van het
wolkendek en het aardoppervlak verschillen,
kan tevens een beeld worden verkregen
van de
bewolking aan de nachtzijde van de aarde.
Door middel van speciale golflengten
in het
infrarood wordt tevens een beeld verkregen
van het pro el van de waterdamp en
de
temperatuur in de atmosfeer. Door combinatie
met de gemeten verticale bewegingen
is het
mogelijk een schatting te maken van de
hoeveelheid neerslag voor de eerstvolgende
etmalen. Alle weersatellieten, zowel de
geostationaire als de polaire, zijn in staat
van
boven af met radiosondewaarnemingen
vergelijkbare metingen te verrichten. |
|
|
|
Meteosatopnamen
in infrarood van Afrika en de
Atlantische Oceaan. Datum: 1
september 2003. |
|
|
Doordat de satellietmetingen minder
nauwkeurig zijn en bij bewolking niet verder
gaan dan de bovenzijde van het wolkendek,
zijn ze vooralsnog slechts een aanvulling op
de radiosondegegevens. Het nadeel van de
mindere nauwkeurige metingen valt in de
toekomst echter weg tegen het
vrijwel
onbeperkte aantal sonderingen, dat de
satelliet voor elk willekeurig gebied op
aarde kan verrichten. Weersatellieten
verdrongen ook de 13 weerschepen, die vanaf
1945 op de noordelijke Atlantische Oceaan
waren gestationeerd, geleidelijk van hun
plaats. Tegen het jaar 2000 was hun aantal
tot één geslonken. |
|
|
Weerschip Cumulus |
|
|
Weersatellieten maakten eveneens duidelijk,
dat tropische cyclonen, die iedere zomer
en
herfst het Caribische gebied en de
zuidoostkust van de
VS teisteren, niet al¬tijd geboren worden
boven de Atlantische Oceaan of de Golf van
Guinee, maar dat hun oorsprong vaak al
gezocht moet
worden in buienclusters, die
vanuit het Sahelgebied
de Oceaan op trekken.
Al eerder had Palmen gevonden dat deze
buienclusters zich uitsluitend
tot tropische
cyclonen ontwikkelden boven water van
minstens 28 oC.
We kunnen zeggen dat de taken van de weersatellieten steeds belangrijker zijn
geworden, van oorspronkelijke leveranciers van mooie wolkenplaatjes naar
geavanceerde meet- en communicatiecentra met meerdere taken, en door de fraaie wolkenbeelden niet alleen onmisbaar voor de korte termijn verwachtingen, maar ook
voor het leveren van gegevens voor het rekenmodel van de atmosfeer en voor een
groot aantal facetten van het meteorologische en klimatologische onderzoek. |
|
Atmosfeermodellen |
Het schema van de atmosfeer, dat ten
grondslag lag aan de frontentheorie van de
Noorse School, leende zich niet goed voor
het uitvoeren van berekeningen aan de
toekomstige ontwikkelingen van de atmosfeer.
In 1904 wees Vilhelm Bjerknes echter
al op
de mogelijkheid te gaan rekenen aan de
atmosfeer. Het oplossen van zeven
vergelijkingen met zeven onbekenden moest
tot de mogelijkheden behoren. |
|
|
|
Tijdens de Eerste Wereldoorlog bracht de
Engelsman Richardson die ideeën in de
praktijk. Zijn grote droom was een ruimte
met talrijke rekenaars,
die gezamenlijk
werkten aan een weersvoorspelling. Bij zijn
eerste poging had hij nog alle berekeningen
zelf uit moeten voeren; het resultaat was
teleurstellend. Pas in het begin van de
jaren vijftig kwam de doorbraak, dankzij de
komst van de computer. |
|
De meteorologen Fjortoft en Charney werkten
samen met de wiskundige Von Neumann aan
berekeningen van de atmosfeer. Het eerste
computermodel kende slechts één laag in de
atmosfeer en rekende opeen beperkt gebied.
Het duurde overigens nog
tot 1960 voor de numerieke modellen bij de
weervoorspellers in de Verenigde Staten
terecht kwamen en nog later pas bij de
Europese meteorologen. In de jaren zeventig
werd het onderscheid van belang tussen
regionale modellen voor weersverwachtingen
tot 1 á 2 dagen vooruit en mondiale
voorspelmodellen
voor de middellange
termijn. Regionale modellen hebben als kenmerk dat ze
rekenen op een beperkt gebied en dat de
waarden van de meteorologische variabelen
aan de randen van dat gebied worden ontleend
aan een grootschaliger of mondiaal atmosfeermodel. |
|
De Zweden hadden al in 1967 een regionaal model; de Britten volgden in 1972 en de Amerikanen in 1973. Een belangrijke doorbraak voor de verwachtingen voor de middellange termijn, drie tot tien dagen vooruit, vormde de oprichting van het Europese weercentrum ECMWF in 1975.
Het centrum moest het gat dichten tussen theorie – een voorspelbaarheidstermijn van ongeveer tien
dagen – en praktijk, bruikbare verwachtingen
voor twee tot drie dagen vooruit. Sindsdien
is ontzettend
veel winst geboekt. Verbeteringen kwamen
onder andere van het beter afhandelen van
de
weerwaarnemingen, van het verhelpen van
rekentechnische onvolkomenheden en van
ontwikkelingen in de wiskunde. Daarnaast zag
men
steeds meer het belang in van de tropen
en het zuidelijk halfrond voor
weersverwachtingen op de middellange
termijn. Verder kwam meer
nadruk te liggen
op natuurkundige processen die voor de
middellange termijn relevant zijn door
aansluiting te zoeken bij de praktijk van de
klimaatmodellering. De resultaten waren
goed; de verwachtingstermijn werd verlengd
van 2 á 3 tot zeven dagen. |
|
Andere centra, die middellange
termijnverwachtingen maken, toonden
eenzelfde beeld; zo had de verwachting van
de Duitse Weerdienst voor
dag 5 aan het eind
van de twintigste eeuw dezelfde kwaliteit
als de verwachting voor dag 1 in het midden
van de jaren zestig. Een duidelijke
trend
voor de komende jaren is het fijnmaziger
maken van de computermodellen.
De eerste
modellen rekenden op punten in de atmosfeer
die honderden kilometers uit elkaar lagen en
de berekeningen werden uitgevoerd voor
slechts enkele lagen. Inmiddels denkt men
aan roosterpuntafstanden van
10 km of minder en wil men het aantal
rekenlagen opvoeren tot boven de zestig. |
Klimaatverandering en broeikaseffect |
In deze paragraaf worden slechts enkele
kanttekeningen geplaatst in verband met het
klimaatonderzoek.
Voor een uitgebreider verhaal zij verwezen
naar het volgende hoofdstuk. Voor het
traceren van klimaat-
veranderingen is een lange betrouwbare meetreeks noodzakelijk,
waarop statische berekeningen toepasbaar
zijn
en waarmee klimaatmodellen kunnen
worden getoetst. Ons land kent een unieke
reeks van temperatuur-waarnemingen, die
begint in 1706. Deze werden aanvankelijk
verricht te Delft en later te Zwanenburg.
Neerslagwaarnemingen zijn bekend vanaf 1735,
verricht te Delft, Zwanenburg en Hoofddorp.
De officiële KNMI-waarnemingen begonnen in
1848 in Utrecht, en in 1898 in De Bilt. Voor
de wereldtemperatuur
staat een
temperatuurreeks ter beschikking vanaf 1850. |
|
Afbeelding rechts: De 212 meter hoge meetmast van het KNMI te Cabauw |
|
|
|
|
Genoemde reeksen zijn lang genoeg om een
uitspraak te kunnen doen over mogelijke
klimaatveranderingen. Bekijken we het lokale
klimaat van
de Europese waarnemingsstations,
waarvan de meetreeksen in de 18de eeuw
beginnen, zien we bij de meeste een
geleidelijke temperatuur
toename vanaf 1880.
Voor de temperatuurreeks van De Bilt is dit
minder duidelijk. Hier komt de kromme meer
overeen met die van de wereldtemperatuur. Na
1950 vertoont de temperatuur hier een
dusdanige teruggang dat dit tot toen
speculaties over een naderende nieuwe
ijstijd leidde. Een abrupte stijging van de
temperatuur deed zich echter voor in
1987. Het temperatuurniveau lag daarna bijna
een graad hoger.
Het jaar 1990 werd in
Nederland het warmste jaar uit de gehele Biltse meetreeks. Aangezien de abrupte
stijging zich vrijwel overal in het Westen
Midden-Europese klimaatgebied heeft
voorgedaan, lijkt het of we hier te maken
hebben met een discontinuïteit of
klimaatsprong. |
|
Deze opvallende
klimaatverandering is goed merkbaar. Zij
vertaalt zich in zachte winters en warme
zomers. De belangrijkste temperatuur
toename
deed zich voor in de voorjaarsmaanden,
waardoor verschijnselen in de natuur, zoals
bladontplooiing, bloei, terugkeer van
trekvogels en broedseizoen twee tot drie
weken vroeger begonnen dan in het tijdvak
1970 – 1986. Ook de winter kwam later of
bracht weinig vorst zodat het groeiseizoen
met twee tot drie weken is verlengd. De
vraag is of we te maken hebben met een
langdurige variatie van het klimaat, waarbij
de temperatuur na verloop van een aantal
jaren weer zal terugkeren naar een lager
niveau of met een definitieve
klimaatverandering. De aanwijzingen voor het
laatste worden echter steeds groter.
Een van
de verklaringen van de toename van de
wereldtemperatuur is die van het versterkte
broeikaseffect. |
|
|
|
Het KNMI met waarnemingstoren en waarnemingsterrein aan het begin van de 20e eeuw. |
|
|
|
De bijdrage van amateurmeteorologen |
Aan het begin van de vorige eeuw kwam het
werk van amateur-meteorologen al tot uiting
in publicaties in Hemel en dampkring. De
oprichting
van de Nederlandse Vereniging
voor Weer- en Sterrenkunde was onder meer
een initiatief een amateurmeteoroloog, de NS-technicus
Christiaan A. C. Nel.De Amsterdamse plantenfysioloog Meijer
Pinkhof speelde later een belangrijke rol in
de vereniging op weerkundig gebied.
Zijn
enthousiasme leidde tot het installeren van
een KNMI-termijnstation in de Amsterdamse
Hortus Botanicus in 1923. Met deze
waarnemingen
kon voor het eerst het bestaan
van een stadsklimaat worden aangetoond.
Pinkhof werd later privaatdocent in de
micrometeorologie aan de Universiteit van
Amsterdam. |
|
Nel en Pinkhof publiceerden regelmatig in
Hemel en Dampkring over de meest
uiteenlopende weerkundige onderwerpen. Van
de hand van Nell verschenen een aantal
handzame gidsjes met aanwijzingen hoe het
weer te voorspellen uit waarnemingen. P.
Tetrode schreef over het probleem
van de langetermijnvoorspellingen. De vrijwillige
waarnemingen van onweer werden verzameld en
bewerkt door het KNMI en gepubliceerd in de
jaarlijks verschijnende onweersboekjes,
ononderbroken verschenen van 1882 tot en met
1965. Van 1953 tot 1965 was de Werkgroep
Wolken
en Onweders actief. De voorzitter,
Pieter Feteris werd meteoroloog bij het
KNMI. |
|
Het KNMI is in de jaren zeventig met het
inzamelen van deze en andere vrijwillige
waarnemingen gestopt, deels door afstoting
van onderzoeksgebieden, deels door
automatisering van de waarnemingen.
Ontladingen in onweer konden met
bliksemtellers worden geregistreerd
dank zij
door de bliksem uitgezonden radiogolven.
Later kom men zelfs de afzonderlijke
ontladingen precies te lokaliseren. Het KNMI
maakt sinds 1998 hiervoor gebruik van het in
Frankrijk ontwikkelde SAFIR bliksemdetectiesysteem in samenwerking met
de Koninklijke Luchtmacht,
de Koninklijke
Marine en het KMI van België. Het SAFIR
systeem is in staat verticale en horizontale
ontladingen te onderscheiden. De
oorspronkelijk wijze van waarnemen (donder
hoorbaar) werd voortgezet
door de in 1974
opgerichte werkgroep Weeramateurs, die zich
in 1975 aansloot bij de NVWS en zich er in
1997 weer van los maakte. Deze
onweerswaarnemingen werden gepubliceerd in
het tijdschrift WEERSPIEGEL. |
|
Ook de waarnemingen van optische
verschijnselen en poollicht werden door de
werkgroep voortgezet en verzameld door Peter
Paul Hattinga Verschure. Ook op andere
terreinen heeft het KNMI gebruik gemaakt van
inspanningen door amateur-meteorologen, met
name door
samenwerking met de Werkgroep
Weeramateurs, onder andere via speciale
projecten. Dit heeft geleid tot de
publicatie van een aantal van
deze
onderzoeksprojecten zoals Verficatie van het
weersverwachtingen van het KNMI, speciaal in
de grensgebieden (Harry Geurts), Sneeuwdek
en sneeuwhoogten
in Nederland (Joop Piekema
en Jan van der Horst), en Weerhistorische
jaarboeken1959 tot en met 1964 (Piekema).
Belangrijk werk werd verricht door Huub Mizee, die jarenlang de onweerswaarnemingen
van de weeramateurs verzamelde en deze
geschikt
maakte voor directe opname in het
computersysteem van het KNMI. Dit was nodig
in de periode waarin het KEMA-bliksemdetectiesysteem
getest moest
worden op zijn betrouwbaarheid. Nog steeds
is er een samenwerking met leden van de
werkgroep Weeramateurs, thans de
Vereniging
voor Weerkunde en Klimatologie, zoals bij
het waarnemen van en waarschuwen voor
extreme weersomstandigheden. |
|
Enkele onderzoeken, die min of meer buiten
het KNMI om tot stand kwamen, waren van
dusdanig hoge kwaliteit, dat ze door het
instituut zijn uitgegeven als
wetenschappelijke rapporten. Dit was het
geval met het werk van F. IJnsen,
statisticus bij Rijkswaterstaat. Onderzoek
naar het optreden van winterweer in
Nederland (het IJnsengetal voor de mate van
strengheid) en met het eveneens van IJnsen
afkomstige onderzoek
de zomers in Nederland
thermisch bekeken’. IJnsen werd in 1972
hiervoor onderscheiden met de dr. J. Van der
Bilt-prijs. Deze prijs werd ook uitgereikt
aan Piekema en Van der Horst in 1984 en aan
Mizee in 1990. De bijdrage van amateurs kwam
ook tot uiting in regelmatige publicaties in
Hemel en Dampkring en ZENIT. Onder meer Hans
de Jong spoorde in originele artikelen
amateurs aan tot het verrichten van
waarnemingen, het plotten van weerkaarten
met gegevens uit radioberichten en het maken
van weersverwachtingen voor de eigen regio. |
|
Het werk van wolkenfotograaf A. J. Aalders
mag evenmin onvermeld blijven. Aalders legde al voor de Tweede Wereldoorlog een grote verzameling wolkenfoto’s aan, eerst in zwart-wit, na de oorlog ook in kleur, van alle geslachten, soorten en variëteiten, foto’s van uitzonderlijke kwaliteit.
Hij kreeg hiervoor in 1945 de dr. J. Van der Bilt prijs. Zijn foto’s zijn onder andere gebruikt bij het samenstellen van de nieuwe wolkenatlas door
de WMO. De unieke fotoverzameling is thans ondergebracht in de bibliotheek van het KNMI. Ten slotte is daar het magnifieke oeuvre van de leraar aardrijkskunde Jan Buisman: Duizend jaar weer, wind en water in de lage landen, waarvan thans vier delen zijn verschenen. Buisman schreef dit omvangrijke geschiedkundige werk in samenwerking met de klimatologische dienst van het KNMI. |
|
|
|
|
|
|
|