INLEIDING & BEGRIPPEN

Posted on

INLEIDING

Hoe bepaal je het verschil tussen de tropen en de gematigde breedte. Dit kan o.a. door de schaal van bewegingen in de atmosfeer en de energie horend bij een weer fenomeen als een orkaan. Op gematigde breedte is het weerbeeld vaak onstabiel t.g.v. de tegenstellingen tussen verschillende luchtsoorten. In de tropen hebben we te maken met een homogene luchtmassa waardoor lokale effecten en mesoschaal fenomenen domineren t.a.v. synoptische schaal systemen. Met uitzondering van tropische cyclonen. Er zijn verschillende mechanismes welke zorgen voor een interactie tussen de tropen en de gematigde breedte en transport van energie, vocht en momentum tussen de tropen en de gematigde breedte.

Figuur 01: Hovmöller diagram van de beweging van tropische golven nabij de evenaar.

Figuur 01:
Hovmöller diagram van de beweging van tropische golven nabij de evenaar.

Dit hoofdstuk geeft een overzicht van grote verstoringen welke de variabiliteit binnen de tropen domineren binnen een seizoen of in een jaar. Karakteristieke paramaters voor zowel de atmosfeer en de oceaan worden voor de verschillende oscillaties gepresenteerd en de methodes om de verschillende systemen te volgen. De gevolgen van deze verstoringen in de tropen worden behandeld. Aangezien de tropen geen geïsoleerde regio is, worden eventueel ook de gevolgen voor de gematigde breedtes behandeld.

Bronnen van verstoringen binnen een seizoen:
– Madden Julian Oscillation (MJO)
– Equatorial Waves
– African Easterly Waves
– Monsoon Depression
– Hurrican / Tropical Cyclone / Typhoon (zie Tropische Cyclonen)

Bronnen van meerjarige verstoringen:
– El Niño Southern Oscillation (ENSO) System (zie Het Klimaat – El Niño La Niña)
– Quasi Biennial Oscillation (QBO) van de stratosferische winden

Bij Equatoriale golven worden behandeld:
– Kelvin Waves
– Equatoriale Rossby Waves
– Mixed Rossby-Gravity Waves

Verstoringen welke niet worden behandeld zijn:
– Pacific Decadal Oscillation
– Atlantic Multidecadal Oscillation
– North Atlantic Oscillation.

BEGRIPPEN

STABILITEIT

Een voorwerp is in stabiel evenwicht wanneer het zich in een positie bevindt met een minimum hoeveelheid potentiële energie. In onstabiel evenwicht heeft het een maximum hoeveelheid potentiële energie. Als een voorwerp uit de positie met stabiel evenwicht wordt gebracht, zal het daarnaar terugkeren. Als een voorwerp uit de positie met onstabiel evenwicht wordt gebracht, zal het zich daarvan verwijderen tot een nieuw (stabiel) evenwicht wordt bereikt. Luchtdeeltjes vormen hierop geen uitzondering.

BUOYANCE

Als een luchtdeeltje zwaarder (kouder) dan zijn omgeving is, zal het een versnelling naar beneden ondervinden (dw/dt < 0): het heeft negatieve buoyancy. Is het luchtdeeltje lichter (warmer) dan is de versnelling omhoog gericht (dw/dt > 0): het heeft positieve buoyancy.

Voor de verticale versnelling van een luchtdeeltje met een dichtheid ρ in een omgeving met dichtheid ρ’ is af te leiden:

Het rechterlid van formule noemen we de buoyancy versnelling.

De buoyancy (B) zelf wordt nu gedefinieerd door:

Een luchtdeeltje zal net zolang de buoyancy versnelling ondervinden totdat het dezelfde virtuele temperatuur (ofwel dichtheid) heeft gekregen als z’n omgeving.

ENTRAINMENT

Figuur 02: Entrainment bij een stijgend luchtdeeltje (gearceerd) in een wolk (Uit: Carlson and Lee, 1978).

Figuur 02:
Entrainment bij een stijgend luchtdeeltje (gearceerd) in een wolk (Uit: Carlson and Lee, 1978).

Een van de processen, die grote invloed uitoefent op buoyancy, is menging met de omgeving via entrainment (figuur 02). Entrainment is het “invangen” van omgevingslucht in het luchtdeeltje door turbulente menging aan de randen. Hierdoor neemt de luchtbel toe in massa en volume. Een gevolg van entrainment bij luchtbellen is dat ze groter worden naarmate ze verder stijgen, dit in tegenstelling tot de totale zichtbare wolk. Uit figuur 02 blijkt dat de omgevingslucht voornamelijk aan de onderzijde het luchtdeeltje binnenkomt. Entrainment is duidelijk geen adiabatisch proces. Detrainment, de verdamping van de wolk, vindt plaats langs de rand van het luchtdeeltje en in het kielzog van de stijgende bel. De relatieve massatoename van een opstijgend luchtdeeltje door menging met z’n omgeving heet de entrainment parameter (μ):

Er zijn entrainment parameters tot ca. 100% over 500 hPa waargenomen. De verandering van de verticale versnelling door entrainment wordt gegeven door:

Entrainment vindt plaats aan het oppervlak van de wolk (oppervlakte van een bol = 4p r2).
Het effect van entrainment wordt verspreid over het volume (volume van een bol = 4/3 p r3).
Hiermee is de entrainmentparameter over het algemeen evenredig met het oppervlakte van de wolk en omgekeerd evenredig met de inhoud:

Kleine wolkjes zullen dus in korte tijd veel omgevingslucht opnemen, zodat ze snel oplossen. Bij droge lucht boven de grenslaag worden er slechts kleine cumuli gevormd (cumulus humulis), en verdampen deze wolkjes boven de grenslaag, ten gevolge van entrainment zeer snel: de zogenaamde “mooi weer wolken” aan de top van de grenslaag (boven zee: de trade wind cumuli). In werkelijkheid gedragen wolkendeeltjes zich niet altijd als de luchtbel in figuur 03 maar vaak ook als (warme) pluimen (rising plumes) of “jets”, vooral in grotere wolken. Het blijkt, dat cumulonimbi, met een typisch oppervlak van 25 km2, zo’n grote doorsnede hebben dat ze in staat zijn luchtmassa’s vanuit de grenslaag – zonder noemenswaardige entrainment in de “kern” – tot bovenin de troposfeer te brengen. Omdat de verticale snelheden in de kern (tot enkele ms-1) het minst afgeremd worden, werken deze Cb’s als schoorstenen: door een smalle schoorsteen wordt lucht vanuit de grenslaag – terwijl ze condenseert en uitregent, adiabatisch afkoelt en condensatiewarmte vrijkomt – naar grote hoogten getransporteerd.

ENKELVOUDIGE GOLVEN

Een golf (trilling) is een periodieke beweging door een evenwichtsstand. De uitwijking (U) is de afstand tot de evenwichtsstand (voorzien van een plus- of minteken). Een ander woord voor maximale uitwijking is amplitude (A). Bij een gedempte trilling neemt de amplitude af tot nul; bij een ongedempte trilling heeft de amplitude een constante waarde. De trillingtijd of periode (T) is de tijdsduur waarin één volledige trilling wordt uitgevoerd. De frequentie (f) is het aantal trillingen dat per seconde wordt uitgevoerd. De frequentie (f) wordt uitgedrukt in hertz (Hz). Het verband tussen frequentie en trillingstijd luidt:

De fase en gereduceerde fase worden uitgedrukt in een getal zónder eenheid. De fase geeft aan hoeveel trillingen er zijn uitgevoerd, gerekend vanaf t = 0. Dit is vanaf een tijdstip waarop de evenwichtsstand, in positieve richting gaande, wordt gepasseerd. Er geldt dan de formule:

Elke trillingstoestand wordt gekenmerkt door een bepaalde waarde van de gereduceerde fase. Hierbij geldt:

In alle omstandigheden waarin een voorwerp een terugdrijvende kracht naar een mogelijke evenwichtsstand ondervindt, kan dat voorwerp in trilling komen als het uit die evenwichtsstand wordt gebracht. Als de resulterende kracht bovendien recht evenredig is met de grootte van de uitwijking, blijkt de trilling harmonisch te zijn: de uitwijking is dan een sinusfunctie van de tijd.

Voor deze trilling geldt:

Voorbeeld van een golf in de meteorologie zijn lijgolven (lee waves).

Figuur 03: Lijgolven ontstaan door verstoring van het verticale evenwicht van de atmosfeer door gedwongen stijging van lucht bij stroming over een bergrug waarna de lucht achter de rug weer een evenwicht tracht te bereiken.

Figuur 03:
Lijgolven ontstaan door verstoring van het verticale evenwicht van de atmosfeer door gedwongen stijging van lucht bij stroming over een bergrug waarna de lucht achter de rug weer een evenwicht tracht te bereiken.

 

CONDITIONAL INSTABILITY OF THE FIRST KIND

Dit is de situatie waarin t.g.v. onstabiliteit convectieve bewolking ontstaat. Deze onstabiliteit kan op verschillende manieren ontstaan. De lucht is over-adiabatisch van opbouw. Op enige hoogte wordt koude lucht aangevoerd waardoor de lucht onstabiel wordt. Geforceerde optilling zorgt er voor dat het vrije niveau van convectie wordt bereikt of potentiële onstabiliteit wordt vrijgemaakt.

CONDITIONAL INSTABILITY OF THE SECOND KIND

Figuur 04: Conditional Instability of the Second Kind.

Figuur 04:
Conditional Instability of the Second Kind.

 

Bij CISK wordt de onstabiliteit niet alleen bepaald door de TSK maar ook door het vochtprofiel. Indien het dauwpunt nabij de grond toeneemt, neemt de onstabiliteit toe omdat vochtige lucht lichter is dan droge lucht. Maar dit is niet de voornaamste reden. Wanneer deze lucht wordt opgetild, komt met een toenemend dauwpunt ook meer latente warmte vrij bij het condenseren. Het vrijkomen van deze latente warmte zorgt voor extra opwarming van de luchtkolom waarmee het hoog in de bovenlucht versterkt wordt. Met een sterker hoog in de bovenlucht neemt de divergentie in de bovenlucht toe en daarmee de drukdalingen aan de grond.

WAVE CISK

Wave CISK is een combinatie van onstabiliteit ten gevolge van een Kelvin Wave en de onstabiliteit ten gevolge van CISK.

WIND INDUCED SURFACE HEAT EXCHANGE

Is het mechanisme waarbij een positieve terugkoppeling optreed tussen de oceaan en de atmosfeer. In de atmosfeer is een circulatie aanwezig waarmee lucht over de oceaan wordt getransporteerd. Een sterke warmte-flux van de oceaan naar de atmosfeer zorgt voor een versterking van de circulatie in de atmosfeer waardoor de warmte-flux weer toeneemt.

Figuur 05: Rossby Waves.

Figuur 05:
Rossby Waves.

ROSSBY WAVES

In de synoptische meteorologie een glooiend golf-vormig patroon op een isobaarvlak met een golflengte van ongeveer 2000 km aanwezig op middelbaar of hoog niveau in de troposfeer. Afhankelijk van het seizoen zijn op de gematigde breedte vier of vijf golven aanwezig. In de winter zijn de tegenstelling tussen de pool en de tropen het grootst zijn. Hierdoor zijn de golven groter waardoor er minder golven op een breedtecirkel passen.

Uitgaande van een golflengte L in een barotropische atmosfeer zonder viscositeit en waar de absolute vorticiteit behoudend is, geldt de formule:

waarbij c de fasesnelheid van de golf is (positief oostwaarts, negatief westwaarts), U de gemiddelde zonale wind en β de Rossby parameter. De Rossby parameter kan bijvoorbeeld de verandering van de coriolis met de breedte zijn. De formule geldt voor progressieve, stationaire en retrograde golven (c > 0, c = 0, c < 0) maar niet voor golven welke sneller lopen dan de zonale stroming (c > U).

QUASI BIENNIAL OSCILLATION (QBO)

Een oscillatie in de zonale wind component in de equatoriale stratosfeer met een periode van ongeveer 27 maanden. De waarschijnlijke oorzaak zijn equatoriale stratosferische golven welke op hun beurt ontstaan t.g.v. verstoringen in de equatoriale troposfeer welke momentum en energie transporteren door de tropopauze.