Hagel: gevaarlijk maar moeilijk te voorspellen!

Nu het zomerseizoen met rasse schreden nadert, neemt ook de kans op stevige onweersbuien toe. Onweersbuien die gepaard kunnen gaan met hagel. Een gevaarlijk bijproduct van grote, convectieve cellen. In dit artikel neemt Yoni Verhaegen, klimatoloog aan de VUB ons mee in de processen die (grote) hagel veroorzaken en doet hij uit de doeken met behulp van welke parameters hagel kan voorspeld worden.

Deelnemen aan discussie? Ben je geïnteresseerd om deel te nemen als weeramateur of liefhebber van weer aan het weerforum? Onderaan dit artikel krijg je bliksemsnel & gratis toegang tot alle reacties. Je kan ook je eigen weerfoto’s opladen.

  • Volg ons ook via Facebook op NoodweerBenelux.
  • Op zoek naar mooie weerfoto’s? We zijn ook actief op Instagram.
  • Het online weerbericht voor de Benelux vinden jullie op ons Youtubekanaal

Hagel

Hagel is een neerslagvorm die samengaat met stevige onweersbuien en enorme schade kan aanrichten. Uiteraard geldt dat, hoe groter de hagelstenen zijn, hoe groter de schade kan zijn door het hogere gewicht en de hogere valsnelheid van die hagelbollen (ter info: een hagelbol met een diameter van 6 cm weegt ongeveer 100 gram en valt met +/- 120 km/h uit een buienwolk). Interessant weetje: de grootste hagelsteen ooit gemeten had een diameter van 20,3 cm en werd gevonden in de Amerikaanse staat South Dakota op 23 juli 2010. Op 14 april 1986 viel er in Bangladesh dan weer een hagelsteen met een gewicht van 1 kg, de zwaarste hagelbol ooit vastgesteld, bij deze intense storm kwamen toen ook 92 mensen om het leven. Het voorspellen van de kans en op de vorming van hagel én de mogelijke diameter van de hagelbollen, is dan ook erg belangrijk…maar wel zeer moeilijk!

Een stevige supercell op 23 juni 2010 leverde in South Dakota (USA) enorme hagelstenen op. 1 inch is ongeveer 2,54 cm. (NOAA)

Het ontstaan van hagel

Hoe hoger je in de atmosfeer gaat, hoe kouder het wordt. De warme lucht die stijgt vanaf de oppervlakte koelt dan ook snel af. Koude lucht kan minder damp vasthouden dan warme lucht, met als gevolg dat de damp druppeltjes begint te vormen. De levenscyclus van hagel begint dan ook met een gewone waterdruppel. De hoeveelheid vocht en waterdruppeltjes die de wolk voeden, vaak vanaf de grond of de eerste 1 à 1.5 km waar de wolk het vocht opneemt, zal dus in belangrijke mate bepalen of grote hagel zich al dan niet zal vormen.

Voor het ontstaan van hagel is het echter belangrijk dat die vele waterdruppels nog hoger worden opgestuwd in de wolk, daar waar de temperaturen onder het vriespunt duiken. Dit gebeurt wanneer de atmosfeer erg onstabiel is en er krachtige, opwaartse luchtbewegingen ontstaan. Het is echter zo dat de meeste druppeltjes die zich daar dan bevinden nog in een ‘onderkoelde’ staat zijn, m.a.w. de temperatuur ligt onder het vriespunt, maar het water is wel vloeibaar. Dat komt omdat ijs zich niet zomaar kan vormen, maar daarbij een kristallisatiekern (Engels: ice nucleus) nodig heeft. Deze kristallisatiekernen zijn kleine, atmosferische deeltjes zoals ‘aerosolen‘.

Hagelstorm in San Jose, Californië. (Wikipedia)

Af en toe komt zo’n druppeltje zulke nuclei tegen, die ervoor zorgen dat wanneer ze botsen, de druppel hierop zal bevriezen. Dit gebeurt het meest efficiënt in de zone met een temperatuur tussen -10 en -30°C. De ijskristallen worden daar dan door turbulente stromingen in complexe banen door de wolken gestuurd, waardoor ze zullen botsen met andere deeltjes. Vanaf dan vindt er een kettingreactie plaats: alle andere onderkoelde druppels botsen met het eerder gevormde ijskristal, waardoor deze alsmaar blijft groeien: hagel. Hoe langer de bui in stand blijft, des te groter de hagelbollen kunnen worden. De levensduur van een bui wordt hierbij vooral bepaald door de windshear (het verschil tussen de windsnelheid aan het oppervlak en op enige hoogte, omdat dit de downdraft en updraft van de bui gescheiden blijft houden, zie figuur). Het hagelvormingsproces blijft doorgaan totdat de hagelstenen een groter gewicht gekregen hebben dan de zwaartekracht en dus naar beneden zullen vallen.

Het ontstaan van hagel in een onweerswolk. Zolang de updraft (rechts) gescheiden blijft van de downdraft (links), zal de bui blijven bestaan. Dit gebeurt als de wind op hoogte (zwarte grote pijl) harder waait dan de wind aan het oppervlak (kleine groene pijl), zodat het gebied waar de downdraft geproduceerd wordt (zwarte bol) sneller verder geduwd wordt dan de plek waar de bui via de updraft gevoed wordt (groene bol), iets wat men ‘windshear’ noemt. Indien de downdraft boven de updraft komt te liggen, valt de voeding van de bui weg en sterft ze uit (Bron: Socratic).

Maar ook op weg naar beneden kunnen er zich nog hindernissen voordoen. Wanneer de hagel valt in een vochtige en warme luchtlaag zal deze sneller smelten. Als de hagel in een drogere of koude luchtlaag op hoogte, vaak 2 à 5 km boven de grond, naar beneden valt, zal de smelt tegengewerkt worden door (evaporatieve) afkoeling, met gevaar voor grote hagelbollen.

Hagel voorspellen

In bovenstaande beschrijving vallen al enkele woorden op waarmee we rekening moeten houden voor hagelvoorspellingen: veel waterdruppeltjes (-> hoge hoeveelheid vocht in de onderste 0-1 km die de buienwolk voedt) moeten worden omhooggestuwd (-> zeer onstabiele atmosfeer) tot op een hoogte waar de temperatuur daalt tot ver onder het vriespunt (-> lage hoogte van het 0°C-niveau, hoge fractie van de wolken boven dit 0°C-niveau), waar deze dan, afhankelijk van de levensduur van de bui (-> hoge windshear) en hoeveelheid smelt tijdens het vallen (-> hoogte van het 0°C-niveau en droge luchtlaag op 2-5 km hoogte), grote hagelbollen kunnen opleveren.

Een dergelijk gordijn komt meestal enkel voor bij stevige hagelbuien. (Maxpixel)

Er is al behoorlijk wat onderzoek gebeurd naar hoe we verschillende meteorologische parameters kunnen gebruiken om al dan niet gevormde hagel te voorspellen met behulp van kansen (e.g. Pucik et al., 2013; Craven & Brooks, 2004; Pucik et al., 2015; Groenemeijer, 2005; Taszarek et al. 2017). De meest relevante zijn parameters met betrekking tot instabiliteit en opwaartse luchtbeweging (CAPE, Lifted index, hoogte van de wolkentoppen of EL), windshear en levensduur van de bui (0-6 km deep layershear of DLS), vocht (gemiddelde mixing ratio in de grenslaag) en de hoogte van het 0°C-niveau en de droge luchtlaag (de temperatuurgradiënt tussen 600 en 800 hPa, hoogte van de 0°C-grens en de fractie van de wolk onder deze grens).

Voor de kenners wordt hieronder een overzicht gegeven van hoe de kansen bij benadering zijn bij bepaalde parameters. Er zijn echter 2 belangrijke voorwaarden voor het ontstaan van hagel: de CAPE moet > 0 J/kg zijn (of met andere woorden: opwaartse bewegingen in de atmosfeer moeten gegarandeerd worden) en de temperatuur van de wolkentoppen moet lager zijn dan -10°C (of met andere woorden: het hagelvormingsproces moet gegarandeerd worden). Wanneer aan deze beide voorwaarden wordt voldaan, kunnen volgende parameters gebruikt worden om de kans op hagel in te schatten (zie tabel).

Bij benadering de kans op de vorming van hagel (gegeven dat er zich een onweersbui voordoet) op basis van verschillende parameters. Waarden gebaseerd op Pucik et al., 2013; Craven & Brooks, 2004; Pucik et al., 2015; Groenemeijer, 2005; Taszarek et al. 2017.
Kans op hagel (indien een onweersbui) bij een gegeven hoogte van het 0°C-niveau (x-as) en de fractie van de wolk onder dit 0°C-niveau (y-as). (Bron: Pappas, 1962; AFWA).
Processen bij de vorming van hagel.

Hagelgrootte voorspellen

Naast het voorspellen van de vorming van hagel, zijn er ook enkele indices (index) ontwikkeld die de hagelgrootte proberen te voorspellen. Zo zijn er onder andere de CAPE-based Hail size, de Significant Hail parameter, de Hail Size Index, de Large Hail Index en de Severe Index (NOAA; ESTOFEX; Craven & Brooks, 2004; Taszarek et al., 2017). Alle indices gebruiken verschillende variabelen om de hagelgrootte te berekenen, maar alle variabelen draaien daarbij wel om dezelfde ingrediënten: onstabiliteit, windshear, hoeveelheid vocht en de karakteristieken van het 0°C-niveau.

Hagelgrootte bij verschillende waarden van CAPE (x-as in J/kg) en DLS of deep layer windshear (y-as in m/s). De blauwe bolletjes zijn cases met een hagelgrootte < 2cm, de oranje vierkanten hagel tussen 2 en 5 cm en de roze driehoeken hagel groter dan 5 cm (Bron: Pucik et al., 2013).
Hagelgrootte in functie van de updraft speed = 0.5*sqrt(CAPE). Bron: (Nugent & DeCou, 2018).

Geen gouden regel of combinatie van parameters

Het voorspellen van hagel blijft moeilijk en zal vooral moeten gebeuren met behulp van ‘kansen op…’. Zoals in dit artikel aangehaald, zijn er wel een aantal parameters die ons kunnen vertellen of de omgeving waarin de onweerswolk zich bevindt, gunstig is voor het ontstaan van (grote) hagel. Aangezien het weer grillig is, is daar echter nooit garantie op. Het is dus vooral van belang na te gaan hoe gunstig de omgeving is door ‘ingrediënt-based’ te werk te gaan: het nagaan van verschillende parameters en de daarbij samenhangende kans op het optreden van hagel.

Als basis om deze zomer de kans op hagel te voorspellen, zullen we onderstaand schema gebruiken dat empirisch bepaald werd.

Kans op hagel in functie van CAPE en SHEAR.


Lees ook eens: