Bijzondere tropische cyclonen in september 2016

In de afgelopen septembermaand is er een hele reeks tropische cyclonen actief geweest, sommige met bijzondere gevolgen voor het weer in Nederland. Dit artikel beschrijft een aantal van deze cyclonen en bekijkt onder andere in hoeverre de wet van Buys Ballot opgaat. Ook passeren een aantal andere wetten in de meteorologie de revue.
Door Rob Groenland (KNMI)

Figuur 1: De tropische cyclonen Madeline (links) en Lester (rechts) op maandag 29 augustus 2016, gemeten met de Visible Infrared Imaging Radiometer Suite (VIIRS) aan boord van de Suomi NPP-satelliet. (NASA) Figuur 1: De tropische cyclonen Madeline (links) en Lester (rechts) op maandag 29 augustus 2016, gemeten met de Visible Infrared Imaging Radiometer Suite (VIIRS) aan boord van de Suomi NPP-satelliet. (NASA)

 

 

 

Het ontstaan van tropische cyclonen

087096Een tropische cycloon, ook wel orkaan of tyfoon genoemd, is een tropische storm waarvan de windsnelheid orkaankracht (windkracht 12) overschrijdt. Een dergelijk systeem bestaat uit een ringvormig patroon van zware buien (cumulonimbuswolken), met in het midden een wolken- en windarme kern. Tropische cyclonen ontstaan in een beperkt gebied in tropische breedtegraden omdat aan twee voorwaarden moet worden voldaan: voldoende warm zeewater van minimaal 26 °C en voldoende planetaire rotatie. De eerste factor is belangrijk om de voeding van de tropische cycloon te waarborgen en de tweede factor dient om voldoende draaiing in het systeem te genereren. Het warme zeewater is nodig om voldoende water te laten verdampen. Die waterdamp ‘voedt’ vervolgens de buien die rond het oog van de cycloon draaien en is in feite de brandstof voor de motor waarop de cycloon loopt. De waterdamp stijgt op, koelt af en condenseert tot wolken. In deze fase komt zoveel condensatiewarmte vrij dat de opstijgende lucht een extra push krijgt. Dit creëert onderin aan het zeeoppervlak een relatief luchttekort, waardoor de luchtdruk daar iets daalt. Vanaf de zijkanten stroomt vervolgens lucht richting het lagedrukcentrum. Dit stimuleert de stijgbeweging verder, er wordt nog meer waterdamp omhoog gebracht en de hoeveelheid vrijkomende condensatiewarmte neemt verder toe. Zo komt een tropische cycloon in een positieve terugkoppelingsloop terecht en versterkt zichzelf. In het vakjargon wordt dit het CISK-mechanisme genoemd (Conditional Instability of the Second Kind, zie figuur 2).
Figuur 2: Dwarsdoorsnede van het CISK-principe. (KNMI)
Ter compensatie van alle opstijgende lucht moet ook een zogeheten retourstroom van boven naar beneden plaatsvinden, en dit vindt in het centrum van de cycloon plaats. Binnen de wetten in de meteorologie maakt dit proces deel uit van de natuurkundige wet van behoud van massa. Met als gevolg dat de lucht in het midden (het oog) van de cycloon daalt. Bij de davrijkomenling treden twee processen op. De dalende lucht warmt op, waardoor het eventueel aanwezige water in de vorm van wolkendruppels verdampt. De kern van een cycloon is daarom relatief warm en wolkenarm, soms helemaal wolkenloos. Overigens zien we ook stroken met dalende lucht naast de vele regenbanden die zich spiraalsgewijs rond het centrum vormen (figuur 3). De condensatie van de waterdamp leidt namelijk tot wolkenvorming, waaruit hevige neerslag valt.

De wet van Buys Ballot kunnen we niet zomaar toepassen op een tropische cycloon.

Boven in de cycloon vindt ook een horizontale uitstroming plaats van uit ijsdeeltjes bestaande wolken, de zogeheten sluier- of cirruswolken die zich tot ver buiten de eigenlijke cycloon kunnen uitspreiden. Zoals gezegd stroomt er ook lucht terug naar beneden, het oog in.
De grootste windsnelheden komen vlak rond het oog voor in een zone die varieert tussen de 10 en 100 km rond.

089095Figuur 3: Dwarsdoorsnede van een tropische cycloon. (Comet)
het middelpunt. De diameter van het oog, dat vaak niet geheel rond is maar een min of meer elliptische vorm heeft, is 20 tot 30 km. De lange as van de ellipsvorm ligt in de bewegingsrichting van het oog. Precies in het centrum is de windsnelheid vrij laag, meestal windkracht 3 of 4 (matig), soms nog iets minder.

Voldoet de wet van Buys Ballot wel?

De wet van Buys Ballot kunnen we niet zomaar toepassen op een tropische cycloon. Dit heeft alles te maken met het feit dat er geen perfect geostrofisch evenwicht heerst: de wind waait niet netjes evenwijdig aan de isobaren (zie blz. 22-23 in dit Zenit-nummer). Kijken we naar het krachtenevenwicht in een

090094Figuur 4: Krachtenevenwicht bij een tropische cycloon. Toelichting: Fp: drukgradiëntkracht; Fc: Corioliskracht; Fcen: centripetale kracht; V: wind; L: totale impulsmoment. (Comet)

tropische cycloon (figuur 4), dan zien we dat naast een drukgradiëntkracht (de kracht die ontstaat door luchtdrukverschillen) ook een centripetale kracht en in mindere mate een Corioliskracht werkzaam is. In figuur 4 ontbreekt een kracht: de wrijvingskracht. Deze kracht is werkzaam op elk bewegend luchtpakketje in de zogeheten grenslaag van de atmosfeer, ruwweg de onderste 1000 meter waar invloed van het oppervlak in de vorm van wrijving merkbaar is. Wrijving in de grenslaag veroorzaakt een iets naar het centrum gerichte beweging. Hiermee wordt er al afgeweken van het geostrofisch evenwicht. In de banden van stijgende lucht rondom het oog domineert de drukgradiëntkracht (die is daar heel groot) en de centripetale kracht.

De tropische cycloon bevindt zich immers in de buurt van de evenaar, waar de Corioliskracht onvoldoende is om de drukgradiëntkracht te compenseren. De lucht die van buiten richting het centrum van de cycloon stroomt, heeft een draaibeweging die het gevolg is van de aardrotatie (afhankelijk van de breedtegraad). Bij het naar het centrum stromen is er nog een andere belangrijke wet werkzaam, namelijk die van behoud van hoeveelheid draaiing (impulsbehoud, zie het kader). Dit betekent dat de lucht die al draaiende een beetje richting het centrum stroomt, een cirkel volgt met een steeds kleinere straal waardoor de rotatiesnelheid toeneemt.
091093

Figuur 5: Overgang van een tropische cycloon naar een restant of extra-tropische cycloon.

Impulsmoment
De wet van behoud van impulsmoment stelt dat een voorwerp dat eenmaal met een bepaalde snelheid draait, de neiging heeft om die draaiing vol te houden. Er is een moment nodig (een kracht) om dat te veranderen. Wordt dat moment niet geleverd, dan kan er geen verandering zijn van het impulsmoment en wordt dat ‘behouden’. Het is een van de behoudswetten waarop de klassieke mechanica is gebaseerd.
Passen we dit toe op een roterende massa (lucht) in een roterend systeem (de draaiende aarde), dan geldt dat het totale impulsmoment (L in figuur 4) behouden is. Het impulsmoment van een puntmassa is evenredig met de afstand tot de draai-as en de impuls (massa × snelheid). Bij een gegeven massa is het impulsmoment dus groter naarmate de afstand tot de draai-as ook groter is.
Zoals gezegd kan het impulsmoment van een draaiend systeem alleen door invloed van buitenaf veranderen, anders blijft het behouden. Een schaatser die zijn pirouette met gestrekte armen begint, slaat een deel van zijn impulsmoment op in zijn armen en handen. Als hij zijn armen daarna intrekt, wordt de afstand tot de draaias kleiner en om het impulsmoment gelijk te houden moet de omwentelingssnelheid daarom toenemen: de schaatser gaat sneller draaien.
Ook in kleinere systemen, als tornado’s en dustdevils speelt behoud van impulsmoment een rol. De verkleining van de diameter wordt in deze gevallen gedeeltelijk veroorzaakt door convergentie (de lucht stroomt naar het centrum toe), maar ook door vortexstrekking (er wordt aan de bovenkant van het systeem ‘getrokken’). In verband met massabehoud kan een vortex alleen langer worden wanneer hij ook kleiner in diameter wordt. Op grond van het behoud van impulsmoment zal zo’n systeem onder invloed van vortexstrekking dus sneller gaan draaien.

Blijft dit lagedrukgebied ten westen van Europa dan zorgt het hier voor een zuidelijke luchtstroming en warm (na)zomerweer.

 

Tropische cyclonen en het weer in Nederland

Als een tropische cycloon zijn tropische kenmerken verliest, dan valt de depressie meteorologisch niet meer onder tropisch weer en de weerkundigen van bijvoorbeeld het National Hurricane Center in Miami stoppen dan met het uitgeven van waarschuwingen voor dat systeem. Er is dan sprake van een extra- tropische cycloon. Eigenlijk wil dit alleen zeggen dat het niet meer om een tropische cycloon gaat. In hun eindfase worden tropische cyclonen vaak meegenomen door westenwinden op grote hoogte, de straalstroom, en arriveren op de gematigde breedten in West-Europa als depressie. Lang niet iedere depressie van de gematigde zone is een extra-tropische cycloon. De status extra-tropische cycloon hoeft ook niets te zeggen over het potentieel gevaar van zo’n depressie, maar het systeem kan nog steeds respectabele stormwinden hebben en heel veel regenval. Een voormalige orkaan neemt veel energie en warmte mee en kan daarmee een andere depressie voeden. Ook dat kan leiden tot veel neerslag en stormachtige winden. Blijft dit lagedrukgebied ten westen van Europa dan zorgt het hier voor een zuidelijke luchtstroming en warm (na)zomerweer, zoals we overduidelijk in de afgelopen septembermaand hebben gezien .

093092092091Restanten van Gaston

De extra-tropische cycloon Gaston maakte op 2 september zijn intrede op de weerkaarten. Uiteindelijk werden de restanten van Gaston opgenomen in een gewone depressie. Belangrijk in dit proces was dat de uiteindelijk gevormde depressie met zijn zwaartepunt ten westen of noordwesten van de Britse Eilanden is gebleven. Met als gevolg dat een uitloper van hogedruk van de Azoren naar Frankrijk zich verder kon uitbouwen naar Centraal-Europa. In de loop van september waren er nog een aantal wat zwakkere restanten van tropische cyclonen die transformeerden in depressies ten westen van Ierland. Mede hierdoor konden zich voortdurend nieuwe hogedrukgebieden vormen boven het Europese vasteland, met een bijzonder warme en zonnige septembermaand als gevolg (figuur 6a en b).
De rekenmodellen waarop de weersverwachtingen zijn gebaseerd, hebben vaak moeite met orkaanrestanten, zodat de prognoses van dag tot dag kunnen veranderen.
Figuur 6 a en b: Weerkaartanalyses van respectievelijk 2 en 5 september 12 UTC. (KNMI)

Tweelingcyclonen

Eind augustus en begin september deed zich boven de Stille Oceaan iets bijzonders voor. Er ontstonden daar twee cyclonen die elkaar bewegingsrichting gingen beïnvloeden: tweelingcyclonen (figuur 1). De beschrijving hieronder van tweelingcyclonen is toegespitst op tropische cyclonen, maar het effect is van toepassing op allerlei soorten vortices, niet alleen in gassen, maar ook in vloeistoffen.
Als twee cyclonen elkaar naderen, zullen de ogen van de beide stormen in een spiraalvorm om een gemeenschappelijk punt draaien, tussen beide in gelegen. Als dit proces, dat bekend staat als het Fujiwara-effect, niet wordt onderbroken, komen de cyclonen uiteindelijk zo dicht bij elkaar dat zij in elkaar opgaan. De twee stormen draaien in dezelfderichting om elkaar waarin ook zijzelf draaien. Op het noordelijk halfrond draaien de cyclonen tegen de wijzers van de klok in om het gemeenschappelijke punt en op het zuidelijk halfrond met de wijzers van de klok mee. Als de twee cyclonen ongeveer gelijk van omvang en sterkte zijn, dan zal het gemeenschappelijke punt min of meer in het midden uitkomen. Hoe groter het verschil tussen beide cyclonen, des te dichter het gemeenschappelijke punt bij de grotere, zwaardere storm komt te liggen. Met andere woorden: bij een kleine en een grote cycloon zal het lijken alsof de kleine om de grote draait, deze steeds verder nadert en ten slotte door de grotere cycloon wordt opgeslokt . Het effect wordt vooral manifest als twee tropische cyclonen van tropische storm-status of meer elkaar naderen tot 1450 km of minder. Meestal wordt het Fujiwara- effect door factoren van buitenaf onderbroken en lopen de cyclonen weer van elkaar weg. Daarom is het samengaan van twee stormen of de opname van de een door de ander een zeldzaam verschijnsel. Het effect is vernoemd naar Dr. Sakuhei Fujiwara, de latere directeur van het Centraal Meteorologisch Bureau te Tokio, die in 1921 voor het eerst over dit fenomeen publiceerde.

Supertyphoon Meranti

In de periode van 9 tot 16 september trok er een actieve tropische cycloon met de naam Meranti over de Stille Oceaan, net ten zuiden van Taiwan richting China. Op 13 september was de cycloon het sterkst en werd een opvallend oog zichtbaar (figuur 7). Het systeem lag toen net ten zuidoosten van Taiwan en bereikte sterkte 5 in de Saffir- Simpson-schaal (zie kader). Daarmee werd Meranti een van de sterkste cyclonen – in Azië tyfoon geheten- van de afgelopen tientallen jaren.
095089094090Figuur 7a en b: 13 september 2016 17.35 UTC, Supertyphoon Meranti, gemeten met de Visible Infrared Imaging Radiometer Suite (VIIRS) aan boord van de Suomi NPP-satelliet. Beide beelden zijn in het infraroodkanaal van 11 μm gemeten, waarvan figuur 7a een inzoom is. Het kleurenpallet correspondeert met de diverse temperauurschalen. (NOAA/NASA CIMSS/SSEC)

 

 

 

 

 

096088Figuur 7c: Kaart met daarop de trekrichting en activiteit in kleuren van typhoon Meranti van 9 tot 16 september 2016. De kleuren refereren aan de de Saffir-Simpson-schaal voor tropische cyclonen. De rode cirkeltjes staat voor categorie 5. (ncdc.noaa.gov))

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

098087
Figuur 8: de Saffir-Simpson-schaal.

Saffir-Simpson-schaal
De meteorologie hanteert de schaal van Saffir en Simpson om tropische cyclonen naar hun kracht in te delen. Alle tropische cyclonen zijn gevaarlijk, maar sommige zijn gevaarlijker dan andere. Daarom is er een classificatie ontwikkeld om onderscheid te kunnen maken tussen bijvoorbeeld krachtige en verwoestende cyclonen en om zich beter op de te verwachten schade te kunnen voorbereiden. De schaal werd opgesteld in 1969 door consultant Herbert Saffir, gespecialiseerd in stormschade aan gebouwen, en Bob Simpson, directeur van het National Hurricane Centre. De schaal kent vijf verschillende categorieën gebaseerd op windsnelheid, barometrische druk en de hoeveelheid stormvloed. Het U.S. National Hurricane Center classificeert orkanen van categorie 3 en groter als grote orkaan. De meeste weerbureaus gebruiken de definitie van de Wereld Meteorologische Organisatie (WMO), die windsnelheidsmetingen specificeert als de gemiddelde windsnelheid op een hoogte van 10 meter gedurende 10 minuten. De nationale weerdienst van de Verenigde Staten (NWS) definieert echter continue windsnelheid als gemiddelde windsnelheid over een periode van één minuut, gemeten op 10 meter hoogte. De vijf categorieën lopen op in intensiteit. Als er in waarschuwingen wordt gesproken over een extremely dangerous hurricane, dan wijst dat op een orkaan van de vierde of de vijfde categorie.
De windsnelheden van orkanen worden door het National Hurricane Center in de V.S. gegeven als de maximale 1-minuut gemiddelde windsnelheid. Op de Schaal van Beaufort heeft een orkaan kracht 12, maar voor die schaal wordt meestal een 10-minuten of uurgemiddelde windsnelheid gebruikt.

 

Weersverwachting

Foto van de dag

Tweets over sterrenkunde

Contact

Stip Media

Louise de Colignystraat 15 

1814 JA Alkmaar

+3172 531 49 78

info@zenitonline.nl