Convectieve organisatie op de mesoschaal

In de Verenigde staten is veel onderzoek gedaan naar het optreden van diverse soorten organisaties in convectie. Men spreekt van “modes in convective organisation” (Weisman, 1993). Na aanleiding van gevoeligheidsstudies met modelsimulaties komt Weisman tot de volgende modes.

Figuur 1 : Overzicht typen convectieve organisatie. Dikke en dunne pijlen zijn respectievelijk de systeemrelatieve wind op 2500 m en 10 m.

a Zwakke cellen
b Boog Echo cellen
c Splitsende cellen
Daarbinnen differentiëren cellen zich naar typen als single, multi – en supercellen (Verhoef,1996). In dit artikel zullen we ons beperken tot de boog echo cellen.
De “keuze” (modes) van organisatie blijkt sterk af te hangen van
1 Verticale richting- en snelheidwindschering in de onderste 3 tot 5 kilometer
2 CAPE (voldoende potentieel voorhanden voor thermodynamische instabiliteit)

De boog echo
Dit type organisatie ontstaat in een omgeving met CAPE-waarden van > 2000 J/Kg en een unidirectionele verticale windschering van > 20 m/s in de onderste 3 tot 5 kilometer (Weisman, 1993). De term bow refereert naar de boogvorm van de echo op het radarneerslagbeeld.

Figuur 2: Dwarsdoorsnede; ontstaan van RIJ (Rear Inflow Jet)
a)Een initiële updraft leunt naar rechts als gevolg van de aanwezige verticale windschering (Wolk/Systeem-relatief). De windscheringgenereert positieve horizontale vorticiteit.
b)Er valt neerslag uit de bui. Onderin ontstaat een luchtlaag die door de neerslag is afgekoeld (de zogenaamde “surface cold pool”.Aan beide zijden ontstaan nieuwe bronnen van horizontale vorticiteit, dit als gevolg van de dichtheidsverschillen tussen de door de neerslag afgekoelde vochtige laag en de drogere omgevingslucht (solenoïdterm in
vorticiteitsproduktievergelijking; zie Holton, pg 91-93).
c) De horizontale vorticiteitsrollen, ten gevolge van de surface cold pool, laten de updraft nu iets naar links hellen. In de verticaal, tussen de beide vorticiteitsmaxima, ontwikkelt zich een RIJ
d)De RIJ versterkt zich verder totdat er een balans wordt bereikt tussen de door de scheringsen solenoïdterm geproduceerde vorticiteit. De RIJ bevindt zich op enige hoogte en komt vooraan, vlak voor de instroom, langs het windstotenfront, aan de grond.
Uitleg symbolen open witte pijl: updraftstroom:Dunne zwarte pijl:belangrijkste bronnen van
horizontale vorticiteit. Dikke onderbroken zwarte pijl: RIJ (Rear Inflow Jet)Grijs gearceerde
gebied onderin is de luchtlaag die door de neerslag is afgekoeld

Ten tijde van boog echo organisatie krijgt een oorspronkelijk lineaire lijn aan echo’s een uitstulping in de richting van de 700-850 hPa wind. De uitstulping is het gevolg van het ontstaan van een krachtige instroom van lucht vanaf de achterkant van de bui naar voren toe. Dit wordt de “Rear Inflow Jet” (RIJ) genoemd. De RIJ wordt opgewekt door een samenspel van vorticiteitscentra. Zowel de solenoïdale term (die werkt op het grensvlak tussen de omgevinglucht en de door de neerslag afgekoelde lucht) als de scheringsterm spelen hierin een belangrijke rol. Is de boog echo eenmaal ontstaan dan krijgt de RIJ nog eens een extra versterking. Namelijk aan beide zijden van de boog-uitstulping ontstaat een cyclonale- en anti-cyclonale vortex. De Feitelijk zit de RIJ dus “ingeklemd” tussen beide vortices. Dit
genereert aan de binnenkant een versterking van de RIJ (kijk naar de rotatierichting) en aan de buitenkant juist een verzwakking. Op enige afstand achter het gustfront houdt de RIJ zich op enige hoogteop. Aan de voorkant van de boog komt de RIJ aan de grond en genereert daar een versnellend en bijzonder krachtig windstotenfront.

Van symmetrie naar anti-symmetrie
De symmetrie in de boog-echo structuur weet zich op een typische tijdschaal van enkele uren te handhaven. Na verloop van tijd begint de corioliskracht vat te krijgen op deze mesoschaalorganisatie. We zien de anticyclonale vortex in sterkte afnemen terwijl de cyclonale vortex de boog-structuur gaat deformeren (zie figuur 4).

Figuur 3: Vier stadia in de evolutie van een ideale boog –echo
a: vanuit een cel vindt radieël uitstroom van lucht plaats.
b: Als de cel naar rechts beweegt dan zal de uitstroom in het midden van de cel iets sneller naarvoren bewegen. Denk aan optelsom radiële wind met translatie-snelheid. In dit stadium is overigens de RIJ al tot ontwikkeling die het midden van de cel ook al een stuk naar voren duwt. Het netto- effect is dat de beide randen van de cel “achterblijven”. Feitelijk ontstaan hier door horizontalewindschering twee vortexen.
c: is de boog helemaal symmetrisch. Op de punt van de boog komen de zwaarste windstoten (DB = downburst) voor; feitelijk de RIJ die aan de grond komt. Aan beide zijden hebben zich een anti-cyclonale en cyclonale vortex gevormd.
d en e:;Onder invloed van de corioliskracht, verdwijnt de anticyclonale vortex en wordt de structuur antisymmetrisch. Er verschijnt een Comma-echo.
Bij afbeelding C is bij A en C de mogenlijkheid aanwezig voor het ontstaan van een tornado, bij C is deze het grootst.

Figuur 4: Een schematische representatie van een ideaal 2-D koppel van vortices. Let op de versterking van de stroming tussen beide vortices(optelsom van de cyclonale en anticyclonale circulatie; versterking in het midden en verzwakken aan de buitenkant). 

Bron: Rob Groenland i.s.m KNMI.

3 afbeeldingen met hoe het groei proces van de bow-echo verloopt inclusief korte samenvatting
Door inwerking van hoogtewinden op de achterkant van de buienlijn (Rear Inflow Jet) kan deze bol gaan staan tegen de trekrichting in. Dit geeft op radarbeelden een boogvormige echo. Bij een boog echo is het erg belangrijk om met name de Noordelijke helft van de formatie in de gaten te houden. Goed ontwikkelde bow-echo-formaties zijn ruwweg om en nabij 100 kilometer groot en kunnen één of meerdere supercellen bevatten. Bow-echo’s  kunnen zeer zwaar weer veroorzaken zoals zware regen, hagel, onweer, windstoten/downbursts en soms tornado‘s.

Een bow-echo met 3D animatie afbeelding er bij