Temperatuur in de bovenlucht en stralingsbalans

Wellicht heeft u het wel vaker gehoord bij NoodweerBenelux: de temperaturen in de bovenlucht. We halen het regelmatig aan in onze artikels, dit komt doordat het een belangrijke indicator is voor het weer. In dit artikel hopen we jullie meer inzicht te geven in de invloed van de temperatuur in de bovenlucht op ons weer aan het aardoppervlak. Ook gaan we nog een slag verder de diepte in, door de stralingsbalans onder de loep te nemen. 

Relatie tussen temperatuur in de bovenlucht (1.500 meter) en maximumtemperaturen

De belangrijkste reden dat we de temperatuur in de bovenlucht zo vaak gebruiken, is omdat we de maximumtemperaturen ermee kunnen inschatten. We doen dit met behulp van de temperaturen op 1.500 meter hoogte (= 850 hPa). Dit hoogteniveau bevindt zich net boven de grenslaag, maar net onder de bases van de meeste wolkensoorten. Daardoor is het een goede thermische indicator, die niet te veel beïnvloed wordt door lokale omgevingsfactoren.

De temperatuur aan het oppervlak kent het hele jaar door een sterk verband met de temperatuur op 850 hPa. Bij lage 850-hPa-waarden zijn de temperaturen aan de grond ook laag. Bij hoge 850-hPa-waarden zijn de temperaturen aan de grond meestal eveneens hoog. Gerelateerd aan de tijd van het jaar, is er een gebruikelijk verschil tussen de 850-hPa-waarden en de temperaturen op 2 meter.

In de zomer is dit verschil veel groter dan in de winter, omdat de zon dan meer kracht heeft en de luchtkolom in het onderste deel van de atmosfeer veel sterker opwarmt. Hartje zomer mag je gemiddeld zo’n 14°C bij de 850-hPa-waarde optellen voor een goede inschatting van de maximumtemperatuur. ’s Winters bedraagt het verschil circa 7°C.

temperatuur in de bovenlucht bij bewolkingsgraad

Verschil in temperatuur tussen 1.500 meter hoogte en het aardoppervlak in °C. Blauwe lijn = onbewolkt weer; rode lijn = half bewolkt weer; groene lijn = (zwaar) bewolkt weer. Opmerkelijk is dat het verschil in temperatuur in de bovenlucht ’s winters kleiner is bij onbewolkt weer dan bij (zwaar) bewolkt weer. We komen daar later in het artikel nog op terug. (KNMI)

temperatuur 1500 meter

De temperatuur in de bovenlucht op 1.500 meter voor dinsdag,20 november ’18. Gemiddeld was het rond de -5°C op die hoogte, eind november mag je daar normaliter een graad of 8 bij optellen om bij benadering de maximumtemperatuur in te schatten. En die regel ging voor dinsdag aardig op: het werd maximaal circa 4°C aan de grond. (Meteociel)

Temperaturen op 5,5 kilometer

Er is nog een andere parameter die van belang is voor het weer: de temperaturen op 5,5 kilometer (= 500 hPa). Hiermee wordt geen temperatuur bepaald, maar wel de stabiliteit van de atmosfeer. Bij een verschil tussen de 500-hPa-waarde en de grondtemperatuur van meer dan 30°C is de atmosfeer onstabiel.

Dit betekent dat er gemakkelijk stapelwolken kunnen ontstaan, die de potentie hebben om door te groeien tot zware buien met onweer. Is het verschil 40°C of meer, dan heb je ook kans op hagel. Vooral bij winterse buien moet de 500-hPa-temperatuur goed in de gaten gehouden worden.

temperatuur 5500 meter

De temperatuur in de bovenlucht op 5,5 kilometer voor dinsdag, 20 november ’18 (Meteociel)

Stralingsbalans

In de eerste paragraaf hebben we gezien dat het gemiddelde verschil tussen de temperatuur in de bovenlucht (1.500 meter) en aan de grond behoorlijk uiteenloopt gedurende het jaar. Zo is dit verschil ’s winters veel kleiner dan ’s zomers. Om de reden hiervoor nader te analyseren, gaan we dieper in op de stralingsbalans.

De aarde heeft te maken met inkomende straling in de vorm van zonnestraling en uitgaande straling in de vorm van warmte. Gemiddeld genomen, over heel  de aarde,  is er altijd sprake van een evenwicht: er komt evenveel straling binnen als erbuiten gaat. Daardoor blijft de aarde in zijn totaliteit altijd min of meer dezelfde hoeveelheid energie behouden.

Een deel van de inkomende zonnestraling wordt door toedoen van ozon, stofdeeltjes, bewolking en het aardoppervlak (bij voorkeur met een hoog albedo) onmiddellijk weer teruggekaatst in de ruimte, dit heet reflectie. Het resterende deel wordt opgenomen door het aardoppervlak en de atmosfeer en omgezet in warmte, dit is absorptie.

De bodem straalt echter ook weer energie uit, in de vorm van aardse straling (aardwarmte). Een aanzienlijk deel van deze uitgaande aardse straling wordt onderweg via wolken en broeikasgassen weer teruggekaatst naar de aarde, dit is het natuurlijke broeikaseffect. Daardoor blijft de temperatuur op aarde relatief behaaglijk in vergelijking met andere planeten. Slechts een beperkt deel van de aardse straling baant zich uiteindelijk een weg naar boven en verlaat de atmosfeer.

  • Wil je meer weten over het versterkte broeikaseffect ,waar ook de mens invloed op heeft, lees dan dit artikel.
stralingsbalans

Schematische weergave van de stralingsbalans (Klimaatverandering)

Ongelijk

Zoals al vermeld, is het schema hierboven een theoretisch gemiddelde over de gehele aarde. Zoomen we echter in op een afzonderlijke plek, dan is de hoeveelheid straling absoluut niet gelijk verdeeld. Aan de polen is de uitgaande straling namelijk groter dan de inkomende straling, rond de evenaar is dit juist andersom.

Ook zien we verschillen tussen de seizoenen: ’s winters is de uitstraling groter dan de inkomende straling, terwijl de zomer juist gekenmerkt wordt door een overschot aan inkomende straling. Dit heeft grote gevolgen voor de temperatuur. Er treedt netto-opwarming op rond de evenaar in het zomerhalfjaar. Daarentegen vindt netto-afkoeling, vooral rond de polen, plaats in het winterhalfjaar.

incoming and outgoing radiation

De jaarlijkse verhouding van inkomende en uitgaande straling verspreid over de aarde. Tussen 35° NB en 35° ZB is sprake van een netto-instraling, daar waar er op hogere breedtes sprake is van netto-uitstraling, gemiddeld over een heel jaar. (UCL)

Impact van bewolking

Zijn we er al? Nee, het verhaal is nog complexer. Wolken hebben een groot effect op de hoeveelheid in-/uitstraling en daarmee ook op de temperatuur. Bij bewolkt weer neemt de hoeveelheid instraling af, maar ook de uitstraling is kleiner bij een hoge bedekkingsgraad. In het winterhalfjaar, waarin de uitstraling overheerst, leidt bewolking dus tot een hogere netto-straling aan het aardoppervlak.

De warmte zal in deze situatie langer behouden blijven dan wanneer het helder is. In het zomerhalfjaar, als de instraling dominant is, veroorzaakt bewolking daarentegen een lagere netto-straling aan het aardoppervlak. Wolken hebben dan juist een verkoelend effect.

Gevolg van stralingsbalans voor temperaturen

Nu wordt het ineens duidelijk waarom het verschil in temperatuur tussen 1.500 meter en het aardoppervlak ’s winters kleiner is dan ’s zomers. In de winter zijn de dagen kort en is er sprake van netto-uitstraling. De atmosfeer is daardoor een groter deel van de dag aan het afkoelen dan dat ze opwarmt. Aangezien de afkoeling van de atmosfeer van onder (het aardoppervlak) naar boven plaatsvindt, koelt het ’s winters aan de grond sterker af dan op 850 hPa en in de korte periode waarin de zon schijnt, is er niet genoeg tijd meer om tot maximale opwarming te komen.

Ervan uit gaande dat er ’s winters sprake is van netto-uitstraling, is het dan ook niet verbazingwekkend dat er bij onbewolkt weer een kleiner verschil tussen 850 hPa en grondtemperatuur is dan bij (half)bewolkt weer.


Lees ook eens: