Het onweer dat maar niet kwam

[Jan van Ooijen]

Het onweer dat maar niet kwam

De 20e augustus 2009 was een zeer interessante dag met potentieel gevaarlijke buien vergezeld van zeer zware windstoten. Buien zouden kunnen ontstaan in de zeer warme lucht of op de grens van deze lucht met koelere lucht achter een vore. Dit gebeurde echter niet of nauwelijks zodat de in de ochtend verwachte extreme windstoten niet optraden. In dit artikel beschrijven we de weersituatie van die dag aan de hand van de modeluitvoer die beschikbaar was voor de KNMI- en Meteo Consultmeteorologen. We laten ook de uitkomsten zien van experimenten die duidelijk maken waarom het extreme weer uiteindelijk niet optrad en die ook de toekomstige mogelijkheden voor de operationele meteorologie laten zien.

Synoptische situatie
Op donderdag 20 augustus bevindt Nederland zich tussen een lagedrukgebied boven IJsland en een hogedrukgebied boven centraal Europa. Een bij het laag behorend golvend koufront bevindt zich ten westen van ons land, beweegt oostwaarts en bereikt de westkust donderdagavond (zie figuur 1). Ten oosten van dit front wordt met een zuidelijke stroming zeer warme lucht aangevoerd met ?w,850-waarden van 19°C, en een verwachte maximumtemperatuur van circa 35°C. Boven het zuidwesten van Europa is de voorafgaande dagen een Spaanse pluim ontstaan die voor de hoge ?w,850 waarden zorgt. Mede hierdoor wordt op 20 augustus een thermische vore opgebouwd die noordoostwaarts over het land trekt. Naast de inderdaad opgetreden temperatuurmaxima van circa 35°C vallen het meest in het oog de ?w,850 waarden van circa 20°C. De hoge waarde van deze parameter is vaak een indicatie dat er MCSsen (Mesoscale Convective Systems) tot ontwikkeling kunnen komen. Ten westen van de vore ruimt de wind van zuid naar west, waardoor aan de grond convergentie plaats vindt, die een aanzet voor convectie
kan zijn.


_{Figuur 1. De analyse van 06 UTC op 20 augustus 2009.}

Het naderende koufront zorgt voor versterking van de thermische gradiënt aan de oostkant van een hoogtetrog boven de Britse eilanden. Hiermee samenhangend vindt een toename van de bovenluchtwind plaats en in combinatie met kou-advectie, levert dit een goede uitgangssituatie op voor diepe convectie. Om 18 UTC (figuur 2) zien we boven het oosten van het land nog een heel warme tong met ?w-waarden van 20°C tot bijna 700 hPa. Het grondkoufront bevindt zich boven de Noordzee rond 3°OL. Daar vooruit zien we boven het westen van het land tussen 900 en 400 hPa een potentieel onstabiele laag die op dit tijdstip werd aangesproken (o.a. door de koudere lucht die onderin begon binnen te stromen, waarbij de koude laag naar het westen toe steeds dieper werd en kennelijk voor genoeg optilling zorgde). Dit verklaart de ontwikkeling van de buienlijn die in de eerste helft van de avond van west naar oost over het land trok en zich dus nog voor het grondkoufront bevond. Gezien de sterkte van het windveld in de bovenlucht - er werd 50 knopen op 700 hPa verwacht - en het feit dat er tijdens zware neerslag (hagelstenen) een sterke downdraft verwacht kan worden is in deze synoptische situatie de kans groot op zeer zware windstoten, dat wil zeggen een windsnelheid > 28 m/s.



Opgetreden fenomenen
De dag begint op veel plaatsen met middelbare bewolking en langs de oostgrens komen door middelbare onstabiliteit enkele lichte buien tot ontwikkeling, in Zuid-Limburg vergezeld van onweer. Aan het einde van de ochtend verlaten deze buien het land. Inmiddels heeft de temperatuur op veel plaatsen al tropische waarden bereikt. De maximumtemperatuur, gemeten in het Limburgse Ell, bedroeg 37.0°C. Hierdoor verscherpte de thermische vore die zich langzaamoostwaarts verplaatst. Aan de westflank van deze vore ruimt de wind naar west waardoor er convergentie optreedt maar er tegelijkertijd door de westelijke aanvoer afkoeling plaatsvindt waardoor convectie juist wordt tegengewerkt. Dit is goed zichtbaar in de verticale profielen van Cabauw en de radiosonde profielen van De Bilt. Om 00 UTC is, met de verwachte tropische maximumtemperatuur, een grote mate van onstabiliteit aanwezig. Om 12 UTC is er echter een capping inversion aanwezig waardoor buienontwikkeling juist wordt tegengegaan. Aan het einde van de ochtend drijven er vanaf het oosten van Engeland en het noordwesten van Frankrijk buien de Noordzee op. De buienontwikkeling boven land komt pas later op gang.

Om 14.20 UTC ontstaan de eerste buien in de buurt van Rotterdam die een nieuw buienlijntje boven Noord-Holland veroorzaken. Echter deze buien zetten niet door en doven vrij snel uit. Ook komen aan de rand van de Veluwe enkele buien tot ontwikkeling maar deze doven ook vrij snel weer uit. Uiteindelijk ontstaan er boven Friesland een aantal zware onweersbuien waarbij in Bolsward hagelstenen ter grootte van pingpongballen uit de lucht vallen. Dit buiencluster (zie figuur 3) gaat ook gepaard met veel onweer, om 16.30 UTC worden er boven de Waddenzee in 5 minuten 500 ontladingen in een gebied van 50 bij 50 km waargenomen. Boven het westen van het land zien we een buienlijn die in de avond met onweer over het land trekt. Het koufront trok hier vervolgens vrijwel geruisloos achteraan. Zeer zware windstoten zijn er niet gemeten op de officiële weerstations, de maximale windstoot bedroeg 18 m/s wat ver onder het zeer zware windstotencriterium van 28 m/s ligt.



Operationele modellen: HIRLAM en ECMWF
HIRLAM laat in de vier modelruns (00, 06, 12 en 18 UTC) van 19 augustus en de 00 UTC run van 20 augustus de neerslag behorende bij de thermische vore omstreeks 14 uur lokale tijd de zuidwestkust bereiken en langzaam oostwaarts verplaatsen. Lokaal worden intensiteiten van 20-40 mm/uur berekend. Het operationele model van het ECMWF berekent de grootste neerslagintensiteit op het koufront en slechts enkele buien (5-10 mm per 3 uur) op de thermische vore. De door HIRLAM berekende CAPE-waardes van 700 J/kg en Boydenindex van 99 geven beiden een indicatie voor zwaar onweer. Verticale temperatuur- en vochtprofielen laten bovendien zien dat er buien mogelijk zijn met toppen tot 40000 voet (figuur 4). De windstoten, berekend de methode Ivens (1987), een goede indicatie bij zomerse convectie, komen bij de thermische vore uit op 55-65 knopen. Volgens de methode van Fawbush en Miller (1954), die een verband beschrijft tussen de maximale mogelijke windstoot en het verschil tussen de temperatuur voor en na passage van een buienbuienlijn, zijn zelfs windstoten tot 70 knopen mogelijk. Het ECMWF EPS (Ensemble Prediction System) laat al enkele dagen van tevoren een duidelijke piek zien in zowel het neerslagsignaal als de CAPE en de maximumtemperaturen.


_{Figuur 4. Theta-S-P diagram van De Bilt van de 00 UTC run van HIRLAM van 12 UTC.}

Experimenteel model 1: HIRLAM met ModeS waarnemingen (11 km resolutie)
Normaal gesproken wordt het HIRLAM iedere drie uur opnieuw gestart, maar het HIRLAM kan ook elk uur worden gestart, mits er voldoende waarnemingen aanwezig zijn. Over het algemeen zijn de waarnemingen van wind en temperatuur in de bovenlucht schaars en worden voornamelijk verkregen door radiosonde-oplatingen en uit vliegtuigen die uitgerust zijn met een AMDAR (Aircraft Meteorological Data Relay). Deze vliegtuigwaarnemingen worden ook internationaal uitgewisseld en zijn op dit moment al beschikbaar voor dataassimilatie in de modellen. Atmosferische informatie kan ook worden afgeleid met behulp van de Tracking and Ranging radar van de Luchtverkeersleiding Nederland (LVNL). Deze radar scant elke vier seconden het hele Nederlandse luchtruim en alle vliegtuigen geven aan de LVNL-radar via de transponder gegevens door over de positie, hoogte, vliegrichting en snelheid. Uit deze informatie zijn wind en temperatuur af te leiden met een zeer hoge ruimtelijke- en tijdsresolutie. Let wel, deze waarnemingen, die we ModeS (Mode Selective) noemen, zijn beperkt tot het bereik van de radar en de momenten dat er vliegtuigen zijn (de Haan, 2009), maar in tegenstelling tot AMDAR gegevens, die alleen doorgegeven worden door vliegtuigen met de speciale AMDAR software aan boord worden hier gegevens verkregen van alle vliegtuigen binnen het bereik van de radar waardoor het aantal bovenluchtwaarnemingen verveelvoudigt tot 1.5 miljoen waarnemingen per dag! Deze waarnemingen zijn voor de experimenten die in De Haan (2009) beschreven zijn, nog nooit gebruikt in meteorologische modellen. De vore met de sterke temperatuurgradiënt en daarachter de draaiing van de wind van zuid naar west zit vrijwel hetzelfde in de modelrun van 06 UTC als in de operationele HIRLAM run. In figuur 5 is de neerslagsom van 12 tot 13 UTC weergegeven zoals die waargenomen is door de radar (links) als verwacht door het operationele HIRLAM op het Europese gebied (midden) en in de experimentele run (rechts).


_{Figuur 5. Neerslagsom op 20 augustus 2009 tussen 12 en 13 UTC zoals gemeten met de radar (links), verwacht met het operationele HIRLAM (midden) en verwacht met het experimentele HIRLAM met de modeS-waarnemingen (rechts)..}

De radar laat ziendat de neerslag in dat tijdvak alleen op de Noordzee te vinden was. De operationele HIRLAM run laat echter een behoorlijk stevige bui of buienlijn zien boven Zuid-Holland, in de buurt van de vore. Als dit uit zou komen, dan zouden de buien op de overgang ontstaan tussen de frissere lucht achter de vore en de zeer warme lucht daarvoor. Dit was het recept voor zeer zware windstoten. In de run met de ModeS waarnemingen zijn de buien op de vore niet terug te vinden op dit moment, en ook niet verder in de verwachting. Dit betekent dat als deze run deterministisch geïnterpreteerd wordt, er geen zware windstoten meer verwacht zouden worden. Deze run zou in dit geval dus een goede guidance opleveren voor het veel later komen van het onweer dan in eerste instantie. De effecten van de ModeS-waarnemingen zijn voor het te vroeg ontstaan van buien boven land in dit geval positief te noemen. Samen met een vergelijkbaar positieve invloed in de nacht van 25/26 mei, waarbij het onweer recht over Nederland trok in de run met de ModeS-data terwijl de operationele runs het onweer buiten Nederland hielden, en met een gemiddeld positieve invloed op de objectieve verificatie in de eerste uren, laten deze experimenten zien dat het meenemen van in dit geval ModeS waarnemingen de manier is om de modelresultaten te verbeteren in de gevallen met extreem convectief weer. Omdat in-situ waarnemingen schaars en normaal gesproken erg duur zijn, zijn de ModeS-waarnemingen een zeer interessante databron en zal er in de nabije toekomst waarschijnlijk een initiatief komen om ook deze waarnemingen uit te gaan wisselen binnen Europa.

Experimenteel model 2: Harmonie (2.5 km resolutie)
Op het KNMI wordt sinds de zomer van 2007 een experimentele versie van het HARMONIE (Hirlam Aladin Research on Mesoscale Operational NWP In Euromed) model gedraaid op een resolutie van 2.5 km. Deze runs draaien tot nu nog met een beginconditie die gebaseerd is op geïnterpoleerde gegevens van HIRLAM runs: er wordt nog gewerkt aan het voor elkaar krijgen van data-assimilatie binnen dit systeem. Het model rekent op een gebied van 300 bij 300 punten, wat betekent dat de randen nog dicht bij Nederland liggen. Vooral in het geval van actieve convectieve systemen die uit Frankrijk richting Nederland trekken komt het model hierdoor nog veel tekort. Een van de problemen van het model is dat het bodemvocht niet goed geïnitialiseerd wordt, waardoor de fluxen van warmte en vocht niet optimaal zijn.

De voelbare warmteflux wordt overschat en de verdamping onderschat. In het HARMONIE model wordt convectie expliciet door het model zelf opgelost. Dit betekent dat ook de koude uitstroom uit een bui door het model zelf berekend wordt, iets wat regelmatig in het model te zien is. De vorming van koude poelen en het windveld dat daarbij hoort wordt duidelijk door HARMONIE berekend (zie een voorbeeld in figuur 6). Overigens is de wind die in die uitstroom te zien is niet gelijk aan de windstoten die te meten zijn omdat er altijd nog turbulente fluctuaties te vinden zijn rond de gemiddelde wind die door het model berekend wordt. De factor waarmee de HARMONIE wind vermenigvuldigd moet worden is echter veel kleiner dan de 1.5 die we normaal hanteren. Afhankelijk van de stabiliteit in de stroming is deze ongeveer 1.2, dus als er 20 m/s door het model in de outflow (koude uitstroom) van buien berekend wordt, dan zou dit neerkomen op een maximale windstoot van ongeveer 24m/s.



In de HARMONIE run van 20 augustus die de randen en beginconditie kreeg van de HIRLAM H11 run van dezelfde dag van 00 UTC, ontstonden de buien al erg vroeg, om 10 UTC op de Noordzee. Om 12 UTC liet het model de eerste bui boven Zuid-Holland ontstaan en dit complex trekt sterk activerend naar het noord-noordoosten. Een uur later ligt het boven het noordelijke deel van Noord-Holland. Nog een uur later is het complex uitgegroeid tot een buienlijn die reikt van de Waddeneilanden tot in België. Gedurende de rest van de middag ontstaan er steeds meer buien, waarbij de buien die op de grens van de warmste lucht en de koelere lucht die vanuit het westen binnenstroomt (de vore ligt wel ongeveer goed in het model) het zwaarst zijn, met het zwaartepunt van de buien boven de noordelijke provincies van Nederland. Als kers op de taart ontstaat aan het begin van de avond nog een buienlijn op het koufront die om 19 UTC van noord naar zuid over het midden van Nederland ligt. Deze buien zijn duidelijk minder heftig dan die van de middag. Bij veel buien is koude uitstroom te vinden die heftiger is dan hiervoor is berekend in de HARMONIE runs vanaf juli 2007. Op verschillende tijdstippen zijn in het model windsnelheden van 25 m/s te vinden bij de buien wat overeenkomt met windstoten tot 30 m/s (108 km/u), en zij vallen hiermee in de categorie van zeer zware windstoten die bij 28 m/s begint. De maximale wind in de HARMONIE runs is meer dan 28 m/s wat overeenkomt met windstoten tot bijna 34 m/s. Uit de HARMONIE runs was dus op te maken dat de windstoten makkelijk zwaar tot zeer zwaar zouden kunnen uitvallen, als de buien zouden ontstaan in de warme lucht of op de vore. Dit ondersteunt het beeld dat de situatie van 20 augustus potentieel zeer gevaarlijk was.

Een vergelijking tussen de HIRLAM data van de run van 00 UTC en die van 06 UTC (waarin de buien niet op de vore ontstonden) laat zien dat de lucht vlak boven de grenslaag om 12 UTC in de 06 UTC run warmer was, waardoor er een deksel op de atmosfeer zat. Dit betekent dat ook de HARMONIE run van 00 UTC met een te koele luchtlaag boven de grenslaag rekende en de buien veel makkelijker konden ontstaan dan in werkelijkheid het geval was. Daarnaast is de gebruikte modelversie nog uitgerust met een oud verticaal diffusieschema dat buien ook eerder laat ontstaan. Een derde punt van zorg is dat de grenslaag waarschijnlijk nog eens extra te warm werd door de te grote voelbare warmteflux en als laatste hebben we het gevoel (alhoewel nog niet objectief geverifieerd) dat het model een te sterke outflow vertoont, mogelijk als gevolg van een te warme en droge grenslaag die de vorming van koude lucht door verdamping van doorvallende neerslag versterkt. Een goede initialisatie van het bodemvocht, een verbeterd turbulentieschema en bovenlucht plus oppervlakte dataassimilatie moeten dit allemaal gaan verbeteren.

Experimenteel model 3: MG incorporating WRF®
Sinds 2007 draait MG incorporating WRF® operationeel bij Meteo Consult. Dit model is gebaseerd op het WRFARW MODEL (Advanced Research WRF) en is verder ontwikkeld binnen het bedrijf. WRF gebruikt in zijn operationele versie het ECMWF-model voor de initialisatie en heeft een genest domein van 3km resolutie in het 9km resolutie grote domein. De focus van de analyse ligt op het 3km domein. Tijdens de start van het model worden SYNOP-observaties aan het model toegevoegd. De onweerssituatie van 20 augustus willen we gebruiken om te testen wat het toevoegen van grondobservaties in de eerste paar uur van de modelrun kan bijdragen aan de kwaliteit van WRF. Voor dit doeleinde is met WRF twee maal de situatie doorgerekend: een keer met en een keer zonder toegevoegde observaties, beide met initialisatietijd 00 UTC. Bij de run met observaties worden van 1436 SYNOP observatiestations (1436 voor het 9 km domein en 1264 voor het 3km domein) uurlijkse waarnemingen tussen 00 en 06 UTC met behulp van statistische (3DVAR) technieken uurlijks toegevoegd aan het model. Voor de bepaling van bodem en vegetatie eigenschappen is een gedetailleerde landgebruik- en ruwheidsdataset gebruikt van ESA.



Een verhoogd detailniveau in de set landgebruikdata resulteert in een betere bepaling van de fluxen aan het aardoppervlak. Dat leidt tot een realistischer verwachting van convectieve bewolking en neerslag (Pielke, 2001; Beringer and Tapper, 2002) en windrichting en -snelheid (van Dijke et al., 2009). Het toevoegen van (grond)observaties aan een numeriek model wordt in de literatuur omschreven als een goede methode om de modelverwachting bij te sturen tijdens de opstartfase en zo een betere verwachting te krijgen (Liu et al., 2005). De vraag is in hoeverre grondobservaties kunnen bijdragen aan situaties waarbij de bovenlucht van belang is, zoals grootschalige convectie in deze case studie.  Als eerste kwam op 20 augustus, halverwege de middag, de vore het land vanuit het westen binnentrekken. Dat ging gepaard met een windsprong en een sterke temperatuurdaling van ongeveer 8 graden. De sterke temperatuurdaling en de windsprong op de vore worden goed verwacht door beide WRF-3km runs. De run met grondobservaties zit qua absolute waarden en timing dichter bij de waargenomen waarden. Daar waar de observaties ten oosten van de convergentielijn tot 35°C reiken, komt de run zonder observaties boven 36°C uit op plekken waar nog geen bui gevallen is. De run met observaties zit met gemiddeld rond 34°C beter bij de gemeten temperatuur. In figuur 7a en b zien we de positie van de convergentielijn om 16 UTC.

Vergeleken met de waarnemingen is ook de timing in de run met observaties beter. Twee uur later ligt de vore boven het meest oostelijke puntje van Twente. Deze positie klopt exact met de positie van de vore in de WRF run met observaties (niet getoond, zie materiaal op de website). Wanneer in de avond de vore gepasseerd is en het koufront boven Nederland ligt, wijken de verschillende modelruns niet meer zoveel van elkaar af.

Wanneer we naar het neerslagpatroon (figuur 7) van de vore in beide runs kijken, valt op dat, hoewel ze beiden wat neerslag op de vore zelf genereren, in de run zonder grondobservaties er ook grote buien ontstaan in de warme lucht voor de vore uit (zie ook de plekken met lagere temperaturen in figuur 7). Deze door opwarming gegenereerde buien zijn zelfs intenser dan de neerslag die op de vore verwacht wordt. Dit is niet het geval volgens de radar die op die tijd slechts lichte buien geeft in het oosten. Dat er geen buien in de warme lucht van de run met observaties ontstaan, heeft te maken met de opbouw van de atmosfeer. Figuur 8 laat een verticale dwarsdoorsnede zien boven Nederland (52°NB en 3-8°OL) van het verschil in dauwpuntsdepressie tussen beide runs. Bij positieve (rode) waarden is de run met observaties droger en bij negatieve (blauwe) waarden juist vochtiger. De verticale as representeert de WRF modelniveaus. Niveau 10 ligt op ongeveer 950 hPa, niveau 20 op 500 hPa en niveau 30 net onder 100 hPa. In figuur 8 is te zien dat er ten oosten van de vore duidelijke verschillen zijn tussen de twee modelruns. Allereerst is de lucht onderin de atmosfeer vochtiger in de run met observaties, terwijl die run tussen niveau 15 en 20 (ongeveer 750-500 hPa) juist droger is. Dit is een teken dat de aan het aardoppervlak geproduceerde latente warmtefluxen niet naar grotere hoogten worden getransporteerd zoals dat in de run zonder observaties wel gebeurt.Dit heeft te maken met de diepe convectie die voor de vore uit optreedt in de run zonder observaties en die in die run buien laat ontstaan in de warme lucht.



In de run met observaties is de convectie minder hevig waardoor er geen buien ontstaan en het geproduceerde vocht in de grenslaag blijft. Zo kunnen grondobservaties, hoewel ze geen directe invloed hebben op de bovenlucht, wel indirect daar invloed op hebben door de processen die zich binnen het model afspelen. Het toevoegen van observaties kan dus bijdragen tot een significante verbetering van het model.

Conclusies
De vier Hirlamruns van 19 augustus en de 00 UTC run van 20 augustus waren op het KNMI bepalend voor het te verwachten weer op 20 augustus. Er was zowel consistentie te vinden in de passage van de thermische vore alsmede ook de daaraan gekoppelde buienontwikkeling. De progtemps voor de middaguren wezen op een hoge mate van onstabiliteit in een diepe laag die vanaf de grond bij 34 graden, in combinatie met convergentie langs de vore, kon worden aangesproken. Het berekende windprofiel liet via voldoende verticale impulsuitwisseling zware tot lokaal zeer zware windstoten toe in de actiefste buien. Uit de waarnemingen later op de dag en de 06 UTCrun van Hirlam bleek dat de inversie sterker was en dat tevens de nog iets drogere lucht boven de inversie eenmaal ontstane convectie door menging met de omgeving deed uitdoven.

Ook kreeg de outflow van eenmaal gevormde cellen hierdoor in de omgeving geen kans om actieve nieuwe buien te doen laten ontstaan. De HARMONIE en WRF run zonder waarnemingen lijken op elkaar met de ontwikkeling van buien die sterke outflow genereren. De zeer hoge resolutie modellen maken het mogelijk om een directe inschatting te maken van de mogelijke sterkte van de windstoten die bij buien te verwachten zijn, als die buien tenminste op de juiste plek en in de juiste luchtsoort ontstaan. Het meenemen van (meer) waarnemingen valt positief uit voor zowel HIRLAM als WRF en is noodzakelijk om goede verwachtingen te krijgen voor het moment van optreden van convectie (HIRLAM met ModeS data) en de algemene parameters als T2m (WRF). De HARMONIE run overschat de convectieve activiteit duidelijk.

Bron KNMI

[Dennis]

Super om dat te weten/lezen : TOP Jan

[Pascal Soomers]

Mooi stuk en zeker informatief, maar pff... Je moet er wel even royaal de tijd voor nemen! Wat een lang stuk...