Buienvorming en windschering

Voor het ontstaan van buien spelen veel atmosferische elementen een rol. Uiteraard heb je vocht en sterke stijgbewegingen van lucht nodig. Immers, een wolk moet hoog in de verticaal uitgroeien om uiteindelijk in de toppen te bevriezen en zodoende tot een bui te leiden. Hoe vochtiger en warmer en onstabieler de lucht, des te steviger kunnen de hoosregens uitpakken. Maar ook aspecten als hagel, onweer en windstoten maken dan een grotere kans.

In onze serie over buienindices hebben we het de afgelopen tijd al gehad over CAPE, Lifted Index en CIN. Nu komt daar windscheringbij. In de meteorologie gaat het bij schering over verschuiving/verandering. Verschuiving in de windrichting of in de windkracht. Zowel in het horizontale als het verticale vlak.


Buien zijn vaak ingebed in grote wolkenpartijen, waardoor je niet kunt zien hoe hoog ze zijn uitgegroeid. De heftigste buien reiken tot aan de tropopauze. Als er windschering is, kan dat een bui extra impuls geven. Foto: Corina Magielse.

Windrichtingverschillen in de horizontaal
Veranderingen van de wind kunnen een groot aandeel hebben in het ontstaan van een stevige bui. Daar waar onstabiele lucht op enige hoogte vanuit het zuidwesten binnenschuift en aan de grond door een warme oostenwind wordt gevoed, zal een bui gemakkelijk tot ontwikkeling komen. Een deel van het buienvoedsel bestaat namelijk uit warme lucht. Vanochtend zagen we die windverschillen ook boven ons land. Terwijl de wind in een aanzienlijk deel van Nederland nog uit het oosten waaide, stak vanuit het zuiden een zuidelijk briesje op. Daar waar beide windrichtingen elkaar tegenkomen, wordt de lucht extra in stijging gebracht. Er vindt zogezegd een opwaartse forcering plaats van lucht.

Windverschillen in de verticaal
Het komt geregeld voor dat de wind aan de grond vanuit een totaal andere hoek waait, dan de wind op enkele kilometers hoogte. Als er daarbij bewolking overschuift, is dat goed te zien. Dan komen de stapelwolken bijvoorbeeld vanuit het noordwesten aandrijven, terwijl de hoge sluierbewolking vanuit het zuidwesten overtrekt. In een onstabiele luchtopbouw, dat wil zeggen met relatief warme lucht onderin en relatief koude lucht bovenin, wordt buivorming extra gestimuleerd als er windverschillen zijn met de hoogte. Dan gaat het zowel om snelheidsverschillen als om richtingsverschillen. Wie zoekt naar een hevige bui, mogelijk supercell, die zoekt vooral naar verschilen in windrichtingen op relatief geringe hoogte in de bui en windversnelling met de hoogte.


Windschering in beeld gebracht. Dit is richtingschering; de wind verandert met de hoogte van richting. Dit hoeft in een onstabiele situatie niet gelijk tot hoosbuien te leiden, maar bij een met de hoogte krimpende wind is het wel een aanwijzing voor de krachten die mogelijk zijn. Richtingsschering op relatief geringe hoogte in de bui in combinatie met snelheidsschering met de hoogte kan tot de vorming van supercells leiden.

Op het plaatje hierboven is richtingschering van de wind met de hoogte weergegeven. Dit is niet iets dat alleen bij buien voorkomt, maar ook in heldere lucht plaats kan vinden. Als er dan tegelijkertijd verschillen in windsnelheid optreden, kan dat vooral voor het vliegverkeer uitermate hinderlijk en zelfs gevaarlijk zijn. Het draagvermogen kan ineens (deels) wegvallen. Soms ook is het aan de grond windstil, met zelfs mist, terwijl op 50 of 100 meter boven de grond een zogeheten low-level-jet waait met windkracht 5 tot 7. Die low-level-jet bevindt zich dan vlak boven een inversie. Op nog weer iets groter hoogte kan het dan juist weer windstil zijn. Op de meetmast van Cabauw hadden we eind juni nog zo’n jet, net boven een stevige ochtendinversie. Maar ook in bergachtig gebied kun je vrij plotseling in een stuk met veel wind terecht komen, terwijl het daaronder en daarboven heel kalmpjes is.


Voorbeeld van een weerkaart: Een vlak lagedrukgebied ten westen van ons. In een deel van het land waait nog een oostelijke wind, in het zuiden waait de wind uit het zuiden. Twee verschillende windrichtingen op hetzelfde niveau (aan de grond) brengen de lucht extra in stijging. Bovendien, een oostenwind kan extra warmte nog in de onderste delen van een buienwolk pompen en de benodigde richtingsschering op relatief geringe hoogte leveren, nodig voor de vorming van supercells..

Windruiming met de hoogte
Een windrichtingverschil in de verticaal dat met de wijzers van de klok meedraait, wordt een windruiming genoemd. Bij een ruimende wind, zal op grote hoogte in de bui altijd relatief warme lucht binnenschuiven. Voor een heftige bui, wil je juist relatief koude lucht op hoogte en dus zal een windruiming met de hoogte de buivorming enigszins kunnen onderdrukken. Uiteraard geldt dat er veel atmosferische elementen zijn die op elkaar inspelen en de windruiming er dan maar één van is. Ruiming van de wind op relatief geringe hoogte in de bui, introduceert draaiing in de stijgende luchtkolom. Wordt die draaiing door een toename van de wind in de hogere delen van de bui versterkt, dan kan een supercell ontstaan.


Voorbeeld TEMP van De Bilt van 11 uur in de ochtend. Aan de rechterzijde zijn de windrichtingen en -snelheden per hoogte af te lezen. Aan de grond stond nog een oostelijk briesje. Vanaf iets onder de 1 km hoogte waaide de wind uit het zuiden, vanaf 4 km hoogte vanuit het zuidwesten: richtingsschering dus. De wind neemt in deze TEMP toe met de hoogte, maar de wind ruimt ook met de hoogte. De vorming van een supercell is in extreme gevallen mogelijk


De TEMP van De Bilt van delfde dag 14.00 uur. Het koufront is aan de grond al bijna doorgetrokken, de wind is aan de grond ook meer vanuit zuid, hogerop vanuit het zuidwesten. Rond 9 km hoogte waait een zuidwestenwind met 50 knopen (dichte pijl). De wind ruimt met de hoogte, dat werkt in principe iets tegen, maar we weten inmiddels dat heel veel elementen een rol spelen. De CAPE is hier bijvoorbeeld erg hoog, de onstabiliteit loopt helemaal door tot voorbij de 9 km.

Windkrimping met de hoogte
Bij een windkrimping met de hoogte, oftewel een windrichtingenpatroon dat in de verticaal tegen de wijzers van de klok in draait, zal op hoogte altijd relatief koude lucht binnenschuiven. Dat is nu juist hetgeen een ontwikkelende bui een extra impuls meegeeft. Als daarbij de wind met de hoogte ook nog eens flink in sterkte toeneemt, krijg je een soort van schoorsteeneffect. Dat is zuiging van bovenaf, waarbij de hogere delen van de bui voor de bui uit gaan lopen. Daarmee wordt het buienmechanisme extra versterkt. Immers, een bui kent zowel updrafts als downdrafts. De updrafts bestaan uit de warme stijgende vochtige lucht en de downdrafts zijn de koude ‘valwinden’ vanuit hoge delen van de wolk die in en ook langs de bui plaats vinden. Richtingsschering op geringe hoogte in de bui op basis van krimpende winden komt in Nederland eigenlijk niet voor.


Wederom TEMP van De Bilt voor dezelfde dag 20.00 uur. Aan de grond waait een westenwind, tussen 1 en 3 km hoogte krimpt de wind met de hoogte. Positief voor het ontstaan van buien. Echter, de onstabiliteit is klein.

Als een bui goed is ontwikkeld in de verticaal, zullen de stijg- en daalbewegingen tegen elkaar in gaan werken en zodoende binnen beperkte tijd de bui laten uitdoven. Als de updrafts en de downdrafts echter los van elkaar worden gekoppeld doordat de bui als het ware onder een vrij grote helling staat, kan de bui langer bestaan en bovendien zichzelf in stand houden. Ook zijn dat soort buien, juist de complexen waar hagelstenen tot een fors formaat kunnen uitgroeien.


Hier een figuuur waarin de updraft en de downdraft van de bui van elkaar worden gescheiden. Dit proces vindt het makkelijkst plaats bij een krimpende wind met de hoogte. Een wind ook die met de hoogte sterk toeneemt, waardoor de hogere delen van de bui ver vooruit gaan lopen ten opzichte van de rest van de bui.

Disclaimer
We hebben nu weer alleen naar 1 parameter gekeken, de windschering. Het verwachten van buien of supercells behelst het kijken naar heel veel elementen. Hoe onstabiel is de lucht, wat is de CAPE, de Lifted Index, hoeveel warmte is er aan de onderzijde voorradig, komt de benodigde windruiming op geringe hoogte onder bui voor en wat al niet meer. De taak in de weerkamer is om zoveel mogelijk van deze aspecten mee te nemen en van daaruit een inschatting van de heftigheid van de buien te maken.Windschering alleen zegt niets, het gaat -zoals altijd- om het totaalplaatje.