Isentropische benadering van weerkaarten


Isentropische benadering van weerkaarten

De stilte op deze blog in de maand juni en dus de afwezigheid van nieuw interessant leesvoer spoorde me aan om terug een artikel aan het repertoire toe te voegen waarbij we een geheel andere benadering van weerkaarten bespreken, namelijk de "isentropische benadering".

Doorheen deze blog-entry zullen we een reis maken door de interessante geschiedenis van weerkaarten en bekijken we hoe een isentropische analyse verschilt van een isobarische analyse. Geen nood... De vermelde begrippen worden in al hun facetten behandeld.

 

Alhoewel ik mijn uiterste best zal doen al deze begrippen gedetailleerd te verklaren zal dit artikel mogelijks één van de lastige zijn die op deze blog zal verschijnen aangezien isentropische analyses een van de moeilijkste aspecten zijn van de meteorologie: gewoon al omdat het zodanig afwijkt van de gewoonte om kaarten te bekijken die informatie tonen op een constant drukoppervlak.

Enige voorafgaande meteo-kennis is dus aangewezen... Toch, zoals gezegd zal ik alles uit de kast halen om het zo goed mogelijk begrijpbaar te maken.

De motivatie voor dit artikel is behoorlijk straightforward. Ik had graag het basis concept van een isentropische analyse en diens interpretatie neergezet voor diegenen die daarin geïnteresseerd zijn en de meteorologie op een andere manier willen benaderd zien.

Sinds de (weliswaar tijdelijke) ondergang van het isentropisch denken in de jaren 1940 is er een periode geweest waar de academische instellingen de topic "isentropische analyses" niet als onderdeel van hun meteorologische opleiding hebben geïntegreerd. Alhoewel die situatie na enige tijd toch terug is gedraaid is er een generatie aan meteorologen (geweest?) die een mindere kennis hebben/hadden van hoe de atmosfeer op een isentropische manier te benaderen. "Mindere kennis" is een zwaar woord. Die generatie is/was er "minder vertrouwd" mee zou ik eerder zeggen.

Veel meteorologen zijn deze benadering nu ook niet gewoon, daar het de "gewoonte" is om meteorologische features op een constant drukoppervlak te tonen: vb temperatuur op 500mb, theta-e op 850mb, windsnelheid op 250mb,...

Voor studenten duurt het een trouwens ook een x aantal weken eer zij in de universiteit met enig gemak vloeiend isentropisch kunnen denken dus wanneer je moeilijkheden hebt met het artikel, wees niet getreurd: je bent niet alleen.

Het is belangrijk te weten wat men bedoelt met "isentropisch". Het is een term die onder te verdelen is in 2 zaken 'Entropie' & 'Iso' (gelijk) en refereert dus naar een constante entropie. In die zin dat een Isentropisch oppervlak een oppervlak van constante entropie is. Aangezien entropie direct proportioneel is tot de potentiële temperatuur is een isentropisch oppervlak ene van constante potentiële temperatuur.

De potentiële temperatuur is de temperatuur dat een luchtdeeltje zou hebben wanneer het adiabatisch wordt gecompresseerd of uitgezet wanneer je het van zijn originele druk naar 1000mb brengt en is een conservatieve eigenschap van luchtdeeltjes die geen verandering in warmte hebben door instraling van de zon, mixing met andere luchtmassa's, loslaten van latente warmte (warmte-ontwikkeling door het condensatieproces) of afkoeling door verdamping.

Omgezet in mensentaal is dat: weg van de vermelde processen behoudt een luchtdeeltje zijn potentiële temperatuur wanneer het zich horizontaal door de atmosfeer verplaatst.

Alhoewel deze beperkingen (diabatische processen) de applicatie van deze thermodynamische variabele lijken te limiteren is er sterk bewijs dat die diabatische opwarming & afkoeling op synoptische schaal minder van belang zijn. Sommige onderzoekers beweren zelfs dat deze benadering (onder bepaalde condities) toe te passen is op meso-alpha schaal.

Een onderzoek van Hess (1959) toonde dat de entropie phi van een luchtdeeltje als volgt met de potentiële temperatuur wordt gerelateerd:
ϕ=Cplnθ+const

De vergelijking zegt dat wanneer een luchtdeeltje zich horizontaal verplaatst het niet enkel zijn potentiële temperatuur behoudt maar ook zijn entropie. Een oppervlak, opgesteld met luchtdeeltjes die allen dezelfde potentiële temperatuur hebben bezitten dus allen dezelfde entropie, vandaar ook een "isentropisch" oppervlak.

Met andere (maar ergens dezelfde) woorden blijft een luchtdeeltje dat zich in horizontale richting verplaatst thermodynamisch gebonden aan zijn eigen isentropisch oppervlak (weg van de vermelde diabatische warmteprocessen zoals instraling, latent heat release,...), aangezien het zijn potentiële temperatuur behoudt.

Het mooie aan heel die atmosfeer is zoals Rossby et al in 1937 noteerden: De potentiële temperatuur verhoogt richting het zuiden aan de zelfde ratio als de gewone luchttemperatuur dus kan de troposfeer gezien worden alsof die bestaat uit een groot aantal aan isentropische lagen die geleidelijk zakken van de polen naar de lagere latitudes rond de evenaar.

Hieronder zie je een verticale dwarsdoorsnede van de potentiële temperatuur over een Z-N as. Op de afbeelding is de helling mooi te zien van de warmere lucht links en de koudere lucht rechts. Isentropen hellen neerwaarts richting de warmste luchtmassa en opwaarts richting de koudste. Aan de evenaar is het dan ook warmer dan in de hogere latitudes.

Een belangrijk punt is dat we dus kunnen afleiden dat luchtdeeltjes in hun horizontale verplaatsing ook een verticaal bewegingscomponent hebben wanneer zij van punt a naar punt b trekken. Aangezien een isentropisch oppervlak een 3-dimensionaal oppervlak is en luchtdeeltjes dus langs hun isentropisch oppervlak bewegen (thermodynamisch verbonden door het behoud van entropie/potentiële temperatuur) zien we ineens het adiabatisch component van de volledige opwaarts verticale beweging in de atmosfeer uitgelegd. Prachtig!

Rossby et al (1937) en later Blackadar & Dutton (1970) vonden het nuttig om een luchtdeeltje te taggen met een andere eigenschap terwijl het langs zijn isentropisch oppervlak doorheen de atmosfeer reist. Een voorbeeld daarvan is een moisture-eigenschap zoals de mixing ratio, dewelke trouwens ook zijn waarde behoudt bij droog-adiabatische stijging of daling. Een andere eigenschap die je van een luchtdeeltje kan tracken is de IPV of Isentropische Potentiele Vorticiteit.

Ondertussen vraag je jezelf misschien af waarom er van isentropische analyses werd afgestapt terwijl het in de jaren 30 zo veelbelovend was. Een betere vraag zou zijn waarom het gebruik van isentropische analyse terug populair & heraangeleerd werd.

Het stijgen en vallen (en hergeboorte) van de isentropische analyse in de studie van systemen op synoptische schaal is behoorlijk interessant op zich. Het historisch perspectief van Bleck in 1973 is hier ferm ingekort, maar het schept een beeld.

Het verhaal begint in 1930. Wanneer ballon-observaties beschikbaar werden begon de vraag boven te drijven welk verticaal coördinatensysteem het meest nuttig was in meteorologische analyses & forecasts. Duitse meteorologen en verschillende Europese collega's hadden de mening dat een constant drukoppervlak de beste keuze was (vb 850mb), terwijl the British Commonwealth en de Verenigde Staten een constant hoogtesysteem (vb 1,5km) beter vonden.

Sommige grote namen van die tijd drongen aan om als derde optie een isentropisch coördinatensysteem te implementeren. Hun argumenten waren niet de minste en argumenteerden dat isentropische weerkaarten de echte 3D beweging van airflow kan tonen en dus veel nuttiger is dan de informatie die je vindt op een 1 enkel drukoppervlak.

Een terecht argument, want hoeveel keer gebeurt het niet dat je plots vanuit het niets een blob moisture ziet verschijnen op 850mb? Die moisture-vlek op kaart komt daar niet "zomaar". Bij zijn beweging langs het 3D-isentropisch oppervlak prikt die door de 850mb level heen. Vandaar dat je op weerkaarten soms "ineens" bepaalde waarden vanuit het niets ziet verschijnen.

Na een aantal jaar isentropisch denken werd deze methode uiteindelijk niet meer gebruikt en werd er toch geopteerd voor het constant drukoppervlak: hetgeen wat iedereen nu op Wetterzentrale, Wetter3, Lightningwizard of whatever zoekt.

Het uitbreken van wereldoorlog 2 bracht het belang van standaardisatie in de kijker en het feit dat de meeste meteorologen in Europa een constant drukoppervlak gebruikten speelde hiermee beslist een factor in de keuze van het drukoppervlak. Ook was isentropisch denken in de pre-computer era heel moeilijk en minder praktisch voor de meteroloog van dienst. Als kers op de taart werd er dan nog een fout ondtdekt in de montgommery-streamfunction: het equivalent van hoogte contouren, vb op een constant oppervlak: 500mb geopotential height. Geen goed nieuws voor de isentropische toekomst.

Nadat de fout werd opgelost in de Montgommery streamfunction werd het pad schoon gemaakt voor de hergeboorte van het isentropisch denken en werd als basis gebruikt voor enkele hoogstaande onderzoeken die de meteorologie gevormd hebben tot wat we ze nu kennen. De tumult van WO2 is intussen al enige tijd verstreken (1959).

Een greep uit enkele onderzoeken waarin isentropische analyses prominent waren
Studie van de wisselwerking tussen de stratosfeer en de troposfeer langs tropopauze-features (Danielson 1959 & 1968; Shapiro, 1980 & Uccellini et al 1985 en anderen)Onderzoek van airflow geassociëerd met extratropische cyclonen om de typische wolkenpatronen op satelliet te kunnen verklaren (waaronder Danielsen 1966, Danielsen & Bleck 1967, Browning 1986)Het opmaken van isentropische parceltrajecten om de verticale beweging & ageostrophic flow geassociëerd met jetstreaks te kunnen verklaren (oa. Petersen & Uccellini 1979, Haagenson & Shapiro 1979)Gebruik van isentropische analyse technieken om een betere resolutie van wind & moisture te verkrijgen in de nabijheid van frontale zones: zowel diagnostisch als op vlak van modellering. (Petersen, 1986)

Zoals je ziet: niet de minste meteorologische figuren die isentropische analyse hebben gebruikt bij boeiende topics. Tijd dus om dit uniek isentropisch perspectief eens te proeven...

Als we terug gaan naar onze cross section kunnen we een gedachte experiment uitvoeren. Stel: we hebben in de onderste 500mb een gemiddelde flow van zuid naar noord. Als we herinneren dat luchtdeeltjes bij hun horizontale verplaatsing thermodynamisch gebonden blijven aan hun isentropisch oppervlak en we markeren 2 plaatsen op die Z-N as, nl a & b zien we duidelijk dat het luchtdeeltje over de lengte van zijn traject ook in hoogte klimt. Dit noemen we "Isentropic upglide".

Het omgekeerde vinden we in het traject van b naar c. De lucht (nog steeds verbonden aan zijn isentropisch oppervlak) gaat in het horiontaal traject van b naar c in hoogte dalen. Dit noemen we "Isentropic downglide" en leidt tot subsidentie: neerdalende lucht

Maar we hadden het over a & b. We weten ook dat het in het zuiden warmer is dan noordelijk (wat zich ook toont in de helling van links nr rechts & de waarden van de isentropen). Als die warme lucht noordelijk trekt spreken we dus over WAA: Warm Air Advection want de koudere lucht wordt vervangen door warmere.

Bij de horizontale WAA van punt a naar punt b beklimt het luchtdeeltje de theta-heuvel bij wijze van spreken en trekt die omhoog. Als het luchtdeeltje met zijn moisture content dan zo verder gelift wordt langs het isentropisch oppervlak (Isentropic upglide) bestaat er een punt (hoogte) waar dit luchtdeeltje zal condenseren en op termijn eventueel neerslag zal produceren afhankelijk van de moisturecontent en de helling/hoogte van het isentropisch oppervlak.

Bam! Isentropische klim biedt een antwoord op hoe WAA lift, wolken en mogelijke neerslag genereert!

Wanneer we de structuur van het hedendaags extratopisch cyclonenmodel bestuderen kunnen we prachtig zien dat deze ook volledig op het isentropisch denken is gebaseerd.

We zien de typische structuur van een lagedrukgebied met de frontale features (koufront, warmtefront & occlusie) waarbij de 3D airflow van de extratropische cycloon wordt afbeeld. Voor het koufront zien we de Warm Conveyor Belt. Waar de staart van de pijl begint zie je een hoogte van 900mb, klimmend naar 850, richting 700, 500 & 300 mb. Die klim in milibar die je ziet, is de reis dat een luchtdeeltje langs zijn isentropisch oppervlak maakt en richting lagere druk klimt (hoger in de atmosfeer dus) wanneer het langs het koufront over het warmtefront trekt.

Het is trouwens die isentropische klim van de warm conveyor belt die verantwoordelijk is voor de regen voor het warmtefront uit. Weet je de treksnelheid & moisture content van de atmosfeer kan je zo afleiden hoeveel neerslag er verwacht wordt.

Langs het warmtefront vinden we de Cold Conveyor Belt en is een band met lucht die origineert rond de 850mb, en trekt in horiontaal in de richting van het lagedrukgebied om daarna terug weg te draaien. Deze band met lucht klimt ook isentropisch richting de 800mb naar de 600 & 500mb. Daar vinden we dus ook die "Isentropic upglide" terug.

Wanneer je er bij stil staat is alles in de meteorologie op een isentropische manier te benaderen en biedt het nieuwe inzichten en andere invalshoeken in moeilijke forecast-situaties. Het loont altijd om de 2 methodes samen te gebruiken.

Alles wat we hebben besproken doet zich voor op plaatsen waar er weinig of geen diabatische processen aan het werk zijn zoals latent heat release door condensatie, instraling van de zon, lange golf radiatie van het aard oppervlak en mixing met kolere/warmere luchtmassa's & evaporative cooling. Wanneer deze processen zich voor doen trekt een luchtdeeltje niet langer langs zijn isentropisch oppervlak, maar wordt de toegevoegde warmte omgezet in een instante sprong naar een isentropisch oppervlak hoger. Een afkoeling door een diabatisch proces doet het luchtdeeltje van zijn huidig isentropisch oppervlak een isentroop lager springen.

Wanneer de diabatische effecten dan weer geen invloed meer uitoefenen blijft het luchtdeeltje terug langs zijn huidige isentroop verder 3-dimensionaal trekken in zijn isentropisch traject om door een ander systeem opgeschept te worden waardoor zijn quasi-horizontale reis wordt verder gezet.

Wetend dat de diabatische effecten in de atmosfeer minder zijn in de winter dan in de zomer zijn isentropische benaderingen accurater in de winterperiode waardoor ze heer en meester zijn in het forecasten van winterse neerslag. TROWAL cases zijn ook sterk aan een isentropisch framework gekoppeld, maar dat verhaal kan ik onmogelijk nog toevoegen aan het artikel. Misschien dat ik ooit wel eens een wintercase doe die ik dan bekijk door de isentropische lens, want de TROWAL is een interessant verhaal: zeker voor de winterliefhebbers.

We hebben nog niet eens bekeken welk isentropisch oppervlak je wilt bestuderen om zijn verticaal component te anticiperen tijdens zijn isentropische queeste, dus ik ben er zeker nog niet over uitgetikt.

Is er een keuze? Zijn er meerdere keuzes? Is er een belang van de juiste isentroop te kiezen? Hoe verschilt dit tussen de winter en de zomer? Wat met stabiliteit? Vinden we uitingen van stabiliteit of onstabiliteit in de manier hoe de isentropische oppervlakken t.o.v. elkaar liggen? Mss heeft dat wel te maken met de dikte, of de verticale ruimte tussen de isentropen. Zijn er nadelen verbonden aan het isentropisch framework?

Allemaal vragen die met tijd wel eens op de blog kunnen toegelicht worden. Wordt ongetwijfeld nog vervolgd in latere artikels.