28 juni 2021 - 9 min. lezen
2 reacties 2

Hevige (onweers)buien of stortbuien komen in de Benelux in alle seizoenen voor. Vooral tijdens de zomer kunnen deze buien stevig uitpakken en schade veroorzaken. Ze gaan dan ook geregeld gepaard met (tijdelijk) hevige regenval en diverse randverschijnselen. Vaak zijn onweerhagelwindstoten tijdens deze hevige buien dan ook van de partij. Hierbij is CAPE een belangrijke parameter die we moeten raadplegen om te zien hoe zwaar het onweer zal uitpakken. Maar wat is CAPE nu eigenlijk? Welke parameters beĆÆnvloeden deze CAPE? Wat houdt het in en hoe wordt het voorgesteld en berekend?

Deelnemen aan discussie? Ben je geĆÆnteresseerd 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 opladen.

CAPE: maat voor atmosferische instabiliteit

De term CAPE staat voor “Convective Available Potential Energy”. Vrij vertaald betekent dit de hoeveelheid beschikbare energie voor convectie (of dus verticale luchtmassaverplaatsing). Dit betekent dat hoe hoger deze waarde is, hoe meer energie er beschikbaar is om (onweers)buien, die ontstaan via convectie, te voeden.

Voor onweerssituaties kijken we dan ook vaak naar deze parameter, aangezien het ons een idee geeft over hoe zwaar de onweersbuien kunnen uitpakken. Er bestaan echter verschillende vormen van CAPE, zoals SBCAPE (surface based CAPE), MLCAPE (mixed layer CAPE) en MUCAPE (most unstable CAPE). Elke parameter heeft zo zijn voor- en nadelen, daarover zullen we het later in een ander artikel hebben. Voorlopig beschouwen we hier enkel SBCAPE.

CAPE op een sounding

Verticaal atmosferisch profiel

De hoeveelheid CAPE wordt doorgaans voorgesteld op een sounding. Deze geeft de verticale opbouw van de atmosfeer weer boven een bepaalde plaats. De manier om dit te doen leggen we hieronder uit met een voorbeeld. Bekijken we bijvoorbeeld onderstaande sounding. Deze geeft weer hoe de temperatuur (dikke rode lijn) en het dauwpunt (dikke blauwe lijn) met de hoogte veranderen boven het centrum van Belgiƫ.

Sounding voor het centrum van Belgiƫ met bijbehorende parameters.

De wolkenbasis (LCL) vinden

Om de CAPE te berekenen moeten we eerst de wolkenbasis (LCL) vinden. Dit doen we door 2 lijnen te trekken, vanaf het dauwpunt (blauwe bolletje) en de temperatuur (rode bolletje) aan de oppervlakte. Voor het dauwpunt trekken we de lijn evenwijdig aan de zogenaamde “mixing ratio” lijnen (de dunne lichtblauwe lijnen op onze sounding), en voor de temperatuur doen we dit evenwijdig aan de “droog-adiabatische” lijnen (de dunne paarse lijnen op onze sounding). Waar beide lijnen elkaar kruisen, vinden we het LCL (Lifting Condensation Level) of het niveau waar de wolk zich vormt (paarse bolletje). Dit ziet er als volgt uit wanneer we dit toepassen op onze sounding. Op de sounding zal de wolkenbasis op zo’n 1.3 km hoogte liggen (871.6 hPa). In dit geval is de LCL (Lifted Condensation Level) ook de LFC (Level of Free Convection), omdat er geen CIN is.

Procedure voor het vinden van het Lifting Condensation Level (LCL). Start van het dauwpunt aan de oppervlakte en ga omhoog via de mixing ratio lijn. Dan start van de oppervlaktetemperatuur en ga omhoog via de droog-adiabaat. Waar de 2 lijnen elkaar kruisen ligt het LCL.

De wolkentop (EL) vinden

Vanaf het moment dat we de kruising van de 2 lijnen gevonden hebben (paarse bolletje onderaan op de sounding hieronder), kunnen we gaan bepalen hoe ver de wolk of bui kan doorgroeien. Dat doen we nu volgens de verzadigd-adiabaat. In onze sounding zijn dit de dunne oranje lijnen. We volgen dus deze lijn evenwijdig, tot deze opnieuw de temperatuurcurve kruist. Dit impliceert dat het pakketje lucht dat aan de oppervlakte is vertrokken, verder kan blijven doorgroeien zolang het warmer is dan de omgeving. De wolk stopt met groeien als het EL (Equilibrium Level) bereikt is (paarse bolletje bovenaan). In onze sounding groeit de wolk door tot ongeveer 11.5 km hoogte (238.7 hPa). De oppervlakte tussen de temperatuurcurve (rode dikke lijn) en de temperatuur van het luchtpakketje (paarse stippellijn) is de CAPE.

Procedure voor het vinden van het Equilibrium Level (EL) en CAPE. Vanaf het LCL ga omhoog via de verzadigde adiabaat totdat de temperatuur van het luchtpakketje de omgevingstemperatuur bereikt.
De wolk kan doorgroeien van het LCL tot aan het EL.

CAPE en Lifted Index

We kunnen CAPE dus verstaan als een maat voor onstabiliteit, of met andere woorden hoe vlot een luchtpakketje vanaf de grond verder kan stijgen hogerop in de atmosfeer. Zolang de temperatuur van dit luchtpakketje hoger is dan de omgevingslucht, blijft de luchtbel verder stijgen en de wolk verder verticaal groeien. Hoe hoger de CAPE, hoe efficiƫnter dit gebeurt. De zogenaamde Lifted Index (LI), een andere veelgebruikte parameter in onweerssituaties, is het verschil tussen de temperatuur van het luchtpakketje en de omgevingstemperatuur op 500 hPa. In ons voorbeeldje bedraagt deze -4.5 graden.

Procedure voor het vinden van de Lifted Index (LI).

CAPE mathematisch uitgedrukt

Wiskundige formule

De term CAPE valt ook mathematisch uit te drukken via een formule. Deze wordt als volgt voorgesteld:

Dit lijkt een ingewikkelde voorstelling, maar we overlopen ze stap voor stap zodat ze duidelijk wordt. Allereerst zien we het integraalteken, gaande van LFC (Level of Free Convection) tot EL (Equilibrium Level). Dit betekent dat de hele verticale kolom van de atmosfeer boven een plaats, waarin de wolk groeit van wolkenbasis tot wolkentop over een afstand z, in rekening wordt gebracht voor de berekening van CAPE.

Voorts zien we de Tlp (de temperatuur van het luchtpakketje) en To (de temperatuur van de omgevingslucht) in de formule. Dit is gerelateerd aan wat we zagen in de sounding: hoe groter het verschil tussen de temperatuur van het luchtpakketje (paarse dikke lijn) en de omgevingstemperatuur (rode dikke lijn), hoe groter CAPE is. Dit komt omdat het luchtpakketje blijft stijgen zolang het warmer is dan de omgeving. Als we de CAPE willen weten moeten we dus voor elke atmosferische laag berekeningen gaan maken.

Manuele berekening CAPE: voorbeeld

Een voorbeeld van een berekening ziet er als volgt uit. We nemen opnieuw de sounding van hierboven als voorbeeld. We dienen elke atmosferische laag in rekening te brengen om de uiteindelijke hoeveelheid CAPE te kunnen berekenen. Zowel de temperatuur van de lucht (rode dikke lijn) als de temperatuur van het luchtpakketje (dikke paarse stippellijn) dienen laag per laag geanalyseerd te worden. Uiteindelijk klopt de totale hoeveelheid CAPE met de sounding goed: er wordt een waarde van 1350 J/kg berekend.

Manuele berekening van de totale hoeveelheid CAPE uit een sounding.

Welke parameters beĆÆnvloeden CAPE?

Temperatuur aan de oppervlakte

De temperatuur aan de oppervlakte kan de hoeveelheid CAPE sterk beĆÆnvloeden. Wanneer het warmer is aan de oppervlakte, wordt ook de hoeveelheid CAPE groter. Wanneer het kouder is, wordt de hoeveelheid CAPE duidelijk lager. Vergelijk onderstaande sounding bijvoorbeeld met ons voorbeeld. Hier werd enkel de temperatuur aan de oppervlakte 3 graden warmer gemaakt tegenover de originele situatie. We merken meteen dat de hoeveelheid CAPE sterk stijgt (1959 J/kg tegenover 1350 J/kg in de originele sounding), bijvoorbeeld doordat de convectietemperatuur sneller wordt bereikt, en dat de wolk hoger kan doorgroeien.

Hetzelfde profiel maar met een temperatuur aan de oppervlakte die 3 graden hoger is. De parameters in de hoogte zijn dezelfde.

Dauwpunt aan de oppervlakte

Hetzelfde geldt voor de dauwpunttemperatuur aan de oppervlakte. Wanneer we deze met 3 graden laten stijgen (dus het wordt vochtiger), dan zal ook de CAPE gaan toenemen. Dit is te zien in onderstaande sounding. Wanneer deze vergeleken wordt met de originele situatie, is de CAPE nu 2760 J/kg, tegenover 1350 J/kg in de originele sounding. Een duidelijk onstabieler profiel dus met de mogelijkheid tot stevigere onweersbuien!

Hetzelfde profiel maar met een dauwpunt aan de oppervlakte die 3 graden hoger is. De parameters in de hoogte zijn dezelfde.

Temperatuur op hoogte

Ook de temperatuur in de bovenlucht kan de hoeveelheid CAPE veranderen. Wanneer het kouder wordt hogerop in de atmosfeer, kan de bui namelijk gemakkelijker doorgroeien. Dat komt omdat het luchtpakketje dan langer warmer blijft dan haar omgeving, en dus verder kan blijven stijgen. In onderstaande sounding hebben we de temperatuur in de atmosfeer 1 graad kouder gemaakt dan de originele situatie. De temperatuur en het dauwpunt aan de oppervlakte zijn hetzelfde gebleven. Opnieuw is de hoeveelheid CAPE toegenomen, van 1350 J/kg naar 1730 J/kg!

Hetzelfde profiel maar met een koudere temperatuur op hoogte, die 1 graad kouder is dan de originele situatie. De parameters aan de oppervlakte zijn dezelfde.

Conclusie: Wat is CAPE en hoe wordt het berekend?

De CAPE-parameter is een veelgebruikte parameter die de onstabiliteit van de atmosfeer kan kwantificeren. Het omvat de totale energie die een stijgend luchtpakketje via convectie kan benutten en gebruiken om zich om te vormen tot een wolk en een (onweers)bui. De parameter wordt vaak voorgesteld op soundings en de berekening ervan dient elke laag van de atmosfeer in rekening te brengen, van wolkenbasis tot wolkentop. CAPE kan toenemen door zowel een stijging van de temperatuur en het dauwpunt aan de oppervlakte, als door koudere temperaturen hogerop in de atmosfeer.

Atmosferische instabiliteit in een notendop: hoe vochtiger/warmer onderaan en hoe kouder bovenaan, hoe onstabieler de atmosfeer en hoe hoger de CAPE-waarde. Hierdoor kunnen buien fel doorgroeien.

De manuele berekening van CAPE vergt dan ook behoorlijk wat werk. Gelukkig zijn er weercomputers die deze parameters voor ons uitrekenen. Hoe hoger de totale hoeveelheid CAPE, hoe onstabieler de atmosfeer is en hoe steviger de onweersbuien bijgevolg kunnen uitpakken. Zoals eerder aangehaald zijn er wel verschillende soorten CAPE, waarbij we in dit artikel enkel de SBCAPE hebben aangehaald. Een verdere bespreking van CAPE en andere parameters is echter voer voor een ander artikel!

Yoni

Door Yoni

Afgestudeerd geograaf aan de KULeuven en doctorandus binnen klimatologie/glaciologie aan de VUBrussel. Binnen NoodweerBenelux ben ik vooral bezig met het schrijven van artikels en het programmeren van tools om bepaalde weerelementen te voorspellen.


Verder lezen

Alles bekijken