1

In de meteorologie is vorticiteit een essentieel concept dat helpt bij het begrijpen van de dynamica van de atmosfeer. Maar nog belangrijker is de manier waarop vorticiteit zich verplaatst en verandert in de tijd en ruimte, een proces dat bekend staat als vorticiteitsadvectie. Deze verschuiving en transport van vorticiteit is cruciaal voor het verwachten van weerpatronen en het analyseren van atmosferische processen. Laten we dieper ingaan op wat vorticiteitsadvectie precies inhoudt en waarom het zo belangrijk is voor meteorologen.

ggg

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

Wat is vorticiteit?

Vorticiteit is een maat voor de rotatie in een vloeistof, zoals lucht of water. In de context van de atmosfeer verwijst het naar de mate en richting van de draaiing van luchtstromen. Een positieve vorticiteit duidt op cyclonale rotatie (tegen de klok in op het noordelijk halfrond), terwijl negatieve vorticiteit wijst op anticyclonale rotatie (met de klok mee). Dit concept is fundamenteel in de dynamische meteorologie omdat het nauw verbonden is met de vorming en evolutie van weerpatronen zoals lagedrukgebieden.
Er zijn verschillende soorten vorticiteit die meteorologen onderscheiden:

  • Relatieve vorticiteit: Dit is de rotatie van een luchtpakket ten opzichte van het aardoppervlak. Het houdt geen rekening met de draaiing van de aarde zelf.
vergelijking van de relatieve vorticiteit
Vorticiteit is aanwezig als in de x-richting de v-component van de wind verandert en/of in de y-richting de u-component van de wind.
  • Planetaire vorticiteit: Dit is de component van de vorticiteit die uitsluitend te wijten is aan de draaiing van de aarde. Op het noordelijk halfrond draagt de corioliskracht positief bij aan de vorticiteit.
  • Absolute vorticiteit: Dit is de som van de relatieve en de planetaire vorticiteit. Het geeft een compleet beeld van de totale draaiing van de lucht in de atmosfeer.
vergelijking van de absolute vorticiteit
Bij de vergelijking van de absolute vorticiteit is f de coriolisparameter (die gelijk is aan ϕsin2Ω, met Ω de hoeksnelheid van de aarde en φ de geografische breedte).

Relatieve vorticiteit is met name gerelateerd aan verstoringen op synoptische schaal, zoals depressies, fronten en troggen. Op 500 hPa is de divergentie klein, daarom verandert de absolute vorticiteit daar niet of nauwelijks.

Scherings- en krommingsvorticiteit

Wanneer in een natuurlijk coördinatenstelsel gewerkt wordt, kan een duidelijk onderscheid gemaakt worden tussen twee typen vorticiteit: scherings- en krommingsvorticiteit. Een natuurlijk coördinatenstelsel is georiënteerd in de bewegingsrichting met V de snelheid in de richting van de stroming.

In de vergelijking van de scherings- en krommingsvorticiteit is V de horizontale windsnelheid, n is de vector loodrecht op de bewegingsrichting en Rs de kromtestraal van de beweging die de lucht beschrijft. Rs is positief gedefinieerd voor cyclonaal gekromde stroming. De eerste term (-∂V/∂n) is de scheringsvorticiteit, de tweede (V/Rs) is de krommingsvorticiteit.
Schematische weergave van krommingsvorticiteit
Schematische weergave van krommingsvorticiteit, waarbij bewolking ongelimiteerd rond kan spiralen.
Schematische weergave van krommingsvorticiteit
In deze schematische weergave van scheringsvorticiteit wordt zichtbaar gemaakt dat het ronddraaien aan een limiet is gebonden.

De structuur van bewolkingspatronen op synoptische schaal, zoals te herkennen op satellietbeelden, is in grote mate afhankelijk van de vorticiteitscomponent die domineert in het betreffende gebied. Depressies en structuren in de koude lucht noordelijk van de polaire straalstroom worden voornamelijk gevormd door krommingsvorticiteit. Het spiraliseren van deze systemen lijkt in principe niet aan een limiet gebonden te zijn, waardoor bewolking meerdere keren om zijn as kan krullen.

Spiraalstructuur door vorticiteit
Krommingsvorticiteit is verantwoordelijk voor de karakteristieke spiraalstructuur van frontale golven, volwassen depressies en verschijnselen in (koude) polaire lucht (bron: EUMeTrain).

Uitgaande van alleen hoogte- of drukkaarten kan het lastig of onmogelijk zijn om het teken van de vorticiteit af te leiden. Dit komt bijvoorbeeld voor als schering en kromming elkaar tegenwerken, zoals bijvoorbeeld wanneer lucht door een 300 hPa trog stroomt en dus de bocht om gaat. De kromming is cyclonaal en dus is de krommingsvorticiteit positief, maar de scheringsvorticiteit is negatief. Daardoor heffen deze twee effecten elkaar (grotendeels) op.

Tegenwerkende vorticiteit op een weerkaart
Geopotentiële hoogte (Φ) op 300 hPa (in gpm) in een situatie met een trog boven West-Europa. Geïllustreerd wordt dat scherings- en krommingsvorticiteit elkaars effect kunnen opheffen.

Locatie vorticiteit

Wanneer gekeken wordt naar een veel voorkomend hoogteveld van een NO-ZW-georiënteerde bovenluchttrog, dan kan een aantal kenmerken worden samengevat. Er kunnen extremen in krommingsvorticiteit worden gevonden in het centrum van het lagedrukgebied alsook bij de trog die zuidwest van het laag ligt. Er is zowel een maximum als een minimum in scheringsvorticiteit te vinden stroomafwaarts van de trog, noordoost van de trogas.

In het zuidelijk deel van de trog valt een maximum in positieve krommingsvorticiteit samen met een maximum in negatieve scheringsvorticiteit. Wanneer beide componenten van vorticiteit bij elkaar worden opgeteld ontstaat een minimum in totale relatieve vorticiteit.

Locatie van vorticiteit in een trog
Locatie van positieve (+) en negatieve (–) maxima in scherings- (ζsh) en krommingsvorticiteit (ζc) in een trog (bron: ZAMG).

Invloed van de straalstroom op vorticiteit

In de nabijheid van de straalstroom is een sterke horizontale gradiënt aanwezig in de windsnelheid. De wind is maximaal in de jetas en neemt aan beide zijden sterk af waardoor hier een sterke vorticiteit aanwezig is.

Positieve en negatieve scheringsvorticiteit bij de straalstroom
Positieve (+) en negatieve (–) scheringsvorticiteit aan weerszijden van de straalstroom.

Dit is niet de enige invloed die de straalstroom heeft op ons weer:

  • Versterking van vorticiteitsgradiënten: De sterke windsnelheden in de straalstroom kunnen de gradiënten van vorticiteit versterken, wat resulteert in scherpere verschillen tussen gebieden met hoge en lage vorticiteit. Dit kan leiden tot meer uitgesproken weerpatronen, zoals sterke lagedrukgebieden en stormen.
  • Interactie met frontale systemen: De straalstroom speelt een cruciale rol in de dynamiek van frontale systemen. Fronten die zich onder de straalstroom bevinden, kunnen sterker en actiever worden door de versterkte vorticiteitsadvectie. Dit kan leiden tot intensieve neerslag en snelle cyclogenese.
  • Transport van vorticiteit: De straalstroom kan vorticiteitsgebieden snel over grote afstanden verplaatsen. Dit kan leiden tot de ontwikkeling van weerpatronen op nieuwe locaties, ver van hun oorsprong. Dit is vooral belangrijk voor de ontwikkeling van stormsystemen en fronten.

Het laatste stipt een belangrijk punt aan, transport van vorticiteit, ook wel vorticiteitsadvectie genoemd. Maar wat houdt vorticiteitsadvectie precies in?

Wat is vorticiteitsadvectie?

Advectie is een term die in de meteorologie wordt gebruikt om het transport van een eigenschap van de atmosfeer door de wind te beschrijven. Vorticiteitsadvectie verwijst specifiek naar het transport van vorticiteit door windstromen. Dit proces kan aanzienlijke invloed hebben op de dynamiek van de atmosfeer, omdat het de ruimtelijke verdeling en de tijdsverandering van vorticiteit beïnvloedt.
Er zijn twee hoofdtypen vorticiteitsadvectie:

  • Positieve Vorticiteitsadvectie (PVA): Dit vindt plaats wanneer gebieden met hogere vorticiteit worden getransporteerd naar gebieden met lagere vorticiteit. PVA is vaak geassocieerd met stijgende luchtbewegingen en kan leiden tot de ontwikkeling van bewolking en neerslag.
  • Negatieve Vorticiteitsadvectie (NVA): Dit gebeurt wanneer gebieden met lagere vorticiteit worden getransporteerd naar gebieden met hogere vorticiteit. NVA is meestal geassocieerd met dalende luchtbewegingen en kan leiden tot heldere, stabiele weersomstandigheden.

Positieve vorticiteitsadvectie

Positieve voriticiteitsadvectie is vaak een voorbode van slechter weer. PVA wordt vaak gezien in de rechteringang en de linkeruitgang van de straalstroom. In deze gebieden vinden we convergentie van vorticiteit en stijgende luchtbewegingen. Dit kan leiden tot de ontwikkeling van bewolking en neerslag, en zelfs tot de vorming van stormsystemen. In de context van cyclogenese (de vorming van een cycloon), speelt PVA een sleutelrol bij het intensiveren van lagedrukgebieden. Meteorologen gebruiken kaarten van PVA om gebieden te identificeren waar stijgende luchtbewegingen waarschijnlijk zullen plaatsvinden en om gebieden te identificeren waar slecht weer waarschijnlijk is. Als alle parameters (met ook temperatuuradvectie) “goed” vallen, kan een systeem extreem snel uitdiepen en spreken we van snelle cyclogenese (rapid cyclogenesis of RACY in het Engels). Stormen Henk en Louis van begin 2024 zijn daar een goed voorbeeld van.

Negatieve vorticiteitsadvectie

Aan de andere kant wordt NVA vaak gezien in de linkeringang en de rechteruitgang van de straalstroom. Hier divergeert de lucht, wat resulteert in dalende luchtbewegingen en stabieler weer. Dit kan leiden tot heldere luchten en rustig weer. Meteorologen gebruiken NVA om gebieden te identificeren waar de lucht waarschijnlijk zal dalen en de weersomstandigheden zullen verbeteren (hoge druk).

Positieve en negatieve vorticiteitsadvectie

Het belang van vorticiteitsadvectie in weersverwachtingen

Vorticiteitsadvectie speelt een cruciale rol bij het verwachten van weersystemen. Door te begrijpen hoe vorticiteit wordt getransporteerd door de atmosfeer, kunnen meteorologen beter anticiperen op de ontwikkeling van stormen, fronten en andere weerpatronen.

Positieve vorticiteitsadvectie op een weerkaart

Praktische toepassingen

Het begrip van vorticiteitsadvectie heeft verschillende praktische toepassingen in de meteorologie en andere sectoren:

  • Weersverwachting: Door het analyseren van vorticiteitsadvectie kunnen meteorologen nauwkeuriger verwachtingen maken over de ontwikkeling en beweging van weersystemen.
  • Luchtvaart: Piloten kunnen profiteren van kennis over vorticiteitsadvectie om turbulentie en ongunstige weersomstandigheden te vermijden.
  • Maritieme operaties: Schepen kunnen routes plannen om gebieden met hoge PVA te vermijden, wat de veiligheid op zee kan vergroten.

Numerieke weermodellen

Numerieke weermodellen integreren vorticiteitsadvectie in hun kernalgoritmen om de dynamica van de atmosfeer te simuleren. Deze modellen gebruiken gegevens over windsnelheden en -richtingen om de advectie van vorticiteit te berekenen en te verwachten hoe dit de ontwikkeling van weersystemen zal beïnvloeden. Door het integreren van vorticiteitsadvectie kunnen deze modellen realistische en gedetailleerde weersimulaties creëren die meteorologen helpen bij het maken van nauwkeurige verwachtingen.

Conclusie

Vorticiteitsadvectie is een fundamenteel concept in de meteorologie dat de dynamica van de atmosfeer helpt verklaren. Het begrip en de analyse van vorticiteitsadvectie stellen meteorologen in staat om beter te begrijpen hoe weersystemen zich ontwikkelen en evolueren. Dit leidt tot nauwkeurigere weersverwachtingen en betere voorbereiding op extreme weersomstandigheden. Of je nu een meteoroloog bent of gewoon geïnteresseerd in weerpatronen, het begrijpen van vorticiteitsadvectie biedt waardevolle inzichten in de complexe wereld van de meteorologie.

Delen


Verder lezen

Alles bekijken