De theorieën van de Noorse School vormden een eerste antwoord van de meteorologische gemeenschap op de complexiteit aan waarnemingen die beschikbaar zijn om weersverwachtingen te maken; door te werken met conceptuele modellen als warmtefront, koufront en occlusie probeerde men de waarnemingen te ordenen en in hun onderlinge samenhang te kunnen plaatsen.

In de huidige situatie is het aantal beschikbare waarnemingen veel groter dan destijds; de complexiteit van de patronen van de verschillende elementen die eruit kunnen worden afgeleid, is gegroeid. Vandaar dat er binnen de zogeheten synoptische meteorologie nog steeds een sterke behoefte is aan de ordening en de relatieve eenvoud die conceptuele modellen kunnen verschaffen.

In de loop der jaren zijn er talrijke verfijningen aangebracht in de oorspronkelijke frontconcepten; nieuwe typen waarnemingen, zoals bijvoorbeeld de radiosondewaarnemingen, de radar- en de satellietbeelden, genereerden nieuwe meteorologische kennis, waarin behoefte was aan nieuwe of bijgestelde modellen. Zo werden er verschillende typen warmtefront, koufront en occlusie onderscheiden (zie de artikelen over frontvarianten in voorgaande nummers van Thermiek), omdat in de praktijk bleek dat ze uiteenlopende karakteristieken vertonen en dus ander soort weer met zich meebrachten. Voor andere verschijnselen, zoals bijvoorbeeld buiencomplexen in polaire lucht, snel ontwikkelende golfvormige storingen en omvangrijke zomerse buiencomplexen, kwamen er eveneens conceptuele modellen. Elk model beschrijft een verschijnsel in termen van kenmerken die zichtbaar zijn op satellietbeelden of in andere typen weerwaarnemingen. Daarnaast moet zo’n model aangeven hoe tijdens de levensloop van het verschijnsel uiterlijk, omvang, intensiteit en waargenomen weer variëren. Verder geeft het aan welke natuurkundige processen een rol spelen, zodat men uit de beschikbare waarnemingsgegevens kan proberen af te leiden hoe sterk het verschijnsel is ontwikkeld. Tenslotte geeft het conceptuele model de meteoroloog aanwijzingen welke meteorologische variabelen hij of zij (hierna kortheidshalve uitsluitend nog ‘hij’) het best in de gaten kan houden om de verdere weersontwikkelingen te voorspellen, met name of er sprake is van activering of van uitdovende activiteit van het verschijnsel dat het conceptueel model beschrijft.

In de SATREP-methode wordt systematisch gebruik gemaakt van een groot aantal bekende conceptuele modellen van weersverschijnselen. Ze zijn verzameld, beschreven, in een handboek opgenomen (Winkler en Zwatz-Meise1999) en voor gebruikers van de methode en andere belangstellenden opvraagbaar via de internetsite van de Oostenrijkse weerdienst ZAMG.

Een heel andere aanpak dan bij de conceptuele modellen wordt gehanteerd, vinden we bij de computermodellen van de atmosfeer [zie bijvoorbeeld Groen (1999) op de internetsite van de Nederlandse Vereniging van Beroepsmeteorologen]. In de zogenoemde numerieke meteorologie wordt de atmosfeer gezien als een dunne gasvormige schil rond een bol, waarop wetten uit de stromingsleer en uit andere delen van de natuurkunde van toepassing verklaard kunnen worden. Relevante wetten zijn bijvoorbeeld de bewegingswetten van Newton, de algemene gaswet en behoudswetten voor massa en energie. De natuurkundige kennis wordt omgezet in wiskundige formules, waarmee een computerprogramma aan de slag kan. Uitgaande van een begintoestand, bepaald uit weerwaarnemingen, berekent de computer de waarde van allerlei meteorologische variabelen voor enkele uren tot enkele dagen vooruit. Het liefst zouden we voor alle punten in de atmosfeer de waarden van meteorologische grootheden kennen, maar dat is natuurlijk onmogelijk. Daardoor wordt er gewerkt met een beperkt aantal zogeheten roosterpunten (figuur 2), verspreid over de aardbol, met boven elk punt een aantal lagen. Naarmate de mogelijkheden van de computers toenemen en door de ontwikkelingen van de numerieke wiskunde, die het mogelijk maken efficiënter met beschikbare computercapaciteit om te springen, kan de afstand tussen de roosterpunten kleiner worden gekozen en het aantal lagen worden uitgebreid. Dit leidt tot nauwkeuriger verwachtingen en de mogelijkheid ontwikkelingen op steeds kleinere schaal in de berekeningen mee te nemen. Op dit moment gebruiken wereldwijdrekenende atmosfeermodellen roosterpuntafstanden van bijvoorbeeld 60 km bij 30 lagen; bij modellen die een kleiner gebied bestrijken, wordt incidenteel al gewerkt met een rooster van 5 km! (figuur 3).

Figuur 2 (boven): Voorbeeld van de verdeling van roosterpunten op de aardbol voor berekeningen van de toestand van de atmosfeer en de te verwachten ontwikkelingen. Inmiddels wordt veelal gewerkt met fijnmaziger roosters (vergelijk figuur 3).   Figuur 3 (rechts): Uitvoer van een weermodel met hoge resolutie. Elk windvaantje correspondeert met een roosterpunt; de roosterpuntafstand bedraagt 5 km.

Om een verschijnsel in de atmosfeer te kunnen beschrijven, zijn toch zeker twee of drie roosterpunten nodig; bij een roosterpuntafstand van 60 km komt dat neer op ongeveer 150 km. Er zijn talrijke natuurkundige processen die plaatsvinden op een kleinere schaal en die van wezenlijk belang zijn voor de ontwikkelingen op grotere schaal. Het gaat om zaken als de vorming van stapelwolken en buien en de uitwisseling van warmte en vocht tussen het aardoppervlak en de dampkring. In de atmosfeermodellen worden ook deze processen gesimuleerd en in de berekeningen betrokken.

De computerberekeningen leveren grote aantallen waarden op van meteorologische variabelen op alle roosterpunten en voor alle lagen; ze worden onder andere gepresenteerd in kaartvorm (figuur 4; zie voor actuele kaarten bijvoorbeeld de internetsite van het Europees Centrum voor weersvoorspellingen op middellange termijn ECMWF). Dit maakt directe vergelijking mogelijk met wat er op een weerkaart, of op een satelliet- of radarbeeld is te zien. We zullen later zien dat deze mogelijkheid in de SATREP-methode volledig wordt benut. Figuur 4: Presentatie van een computerprognose voor drie dagen vooruit, opgesteld door het Europees centrum voor weersvoorspellingen op de middellange termijn (ECMWF) in Reading (Engeland).

Satellietbeelden De ontwikkelingen in de synoptische meteorologie en de numerieke meteorologie die hierboven werden beschreven, werden mede mogelijk gemaakt door een derde terrein van vooruitgang: dat van de satellietmeteorologie. De eerste weersatelieten werden gelanceerd in 1960 en in de veertig jaar die sindsdien zijn verstreken, werden de beelden steeds gedetailleerder en kwamen ze steeds frequenter; bovendien is de dekking inmiddels wereldwijd. Op de beelden die werden ontvangen, kwamen verschijnselen voor die niet eerder konden worden opgemerkt, doordat ze te grootschalig waren om door een menselijke waarnemer aan het aardoppervlak te kunnen worden gezien maar toch klein genoeg om door de mazen van het waarnemingsnetwerk te glippen. De satellietbeelden zijn beschikbaar in meerdere zogeheten kanalen. Beelden in een zichtbaarlichtkanaal (VIS) tonen gereflecteerd zonlicht; ze zijn direct te vergelijken met opnamen die we zelf met een fototoestel zouden maken bij gebruik van een zwart-witfilm. Op de beelden is bewolking licht van tint; het aardoppervlak is donker. De beelden leveren alleen overdag informatie; ’s nacht is de zon er niet, wordt er dus ook geen zonlicht gereflecteerd en zijn de beelden egaal zwart. Beelden in een infraroodkanaal (IR) zijn 24 uur per dag beschikbaar; vergelijk de infraroodfotografie en het gebruik van nachtkijkers. De beelden geven een inzicht in de temperatuur van het aardoppervlak of van de bovenkant van de bewolking. Ze worden zo gepresenteerd dat lichte tinten overeenkomen met lage temperaturen en donkere tinten met hoge temperaturen. Daardoor lijken de VIS- en IR-beelden enigszins op elkaar: bewolking is veelal koud en licht van tint, het aardoppervlak is relatief warm en daardoor donker gekleurd. Toch zijn de beelden nooit identiek en bieden de verschillen waardevolle aanknopingspunten voor aanvullende informatie, bijvoorbeeld over de hoogte en de waterinhoud van bewolking.

Figuur 5: Satellietbeelden in het zichtbaarlichtkanaal (linksboven), het infraroodkanaal (rechtsboven) en het waterampkanaal (rechts) van de Europese weersatelliet METEOSAT.

Sommige weersatellieten, bijvoorbeeld de Europese METEOSAT-satelliet die van 36000 km hoogte boven het snijpunt van de evenaar en de meridiaan van Greenwich elk halfuur beelden naar een ontvangststation in Italië zendt, leveren ook beelden in een zogeheten waterdamkanaal (WV). De waterdampbeelden geven inzicht in de vochtigheidsverdeling in de hogere niveaus van de atmosfeer.

De zichtbaarlicht-, infrarood- en waterdampkanalen stellen de meteoroloog in staat door drie verschillende ‘brillen’ naar de atmosfeer en de processen die zich daarin voordoen, te kijken. Op internet kan iedereen meekijken, bijvoorbeeld op de website van EUMETSAT.

Door het beschikbaar komen van grote aantallen producten van atmosfeermodellen en van frequente satellietbeelden in drie of meer kanalen, is de informatie waarover meteorologen die verwachtingen maken, vandaag de dag beschikken, uiterst omvangrijk. Het effectief combineren van satellietbeelden en modeluitvoer en het begrijpen van wat er in de atmosfeer aan de hand is in termen van conceptuele modellen, is voor hen een intrigerende uitdaging. De SATREP-methode blijkt een effectieve manier om deze uitdaging op te pakken. SATREP staat voor satellite report; de methode werd ontwikkeld in Oostenrijk en wordt nu verder uitgewerkt in Nederland en in Finland. Op het KNMI in De Bilt wordt elke middag op basis van de satellietbeelden van 12 UTC een SATREP opgesteld, die de atmosfeer boven Europa en het aangrenzend gedeelte van de Atlantische Oceaan in kaart brengt. Op andere tijdstippen van de dag gebeurt hetzelfde voor een kleiner gebied rond Nederland.

Bij de SATREP-methode gaat de meteoroloog als volgt te werk. Hij begint met het zorgvuldig bestuderen van de wolkenpatronen die zichtbaar zijn op de laatst binnengekomen METEOSAT-beelden. Daarna vergelijkt hij het actuele weer uit de binnengekomen weerrapporten met de bewolkingspatronen op de satellietbeelden. Vervolgens duidt hij interessante gebieden aan in termen van een conceptueel model, bijvoorbeeld warmtefront met open warme sector, anakoufront, golf, komma enzovoort. Afkortingen van het betreffende conceptuele model worden op de juiste plaats in de satellietfoto gezet (zie figuur 6). Hij weet dan ook welke meteorologische parameters hij het best kan gebruiken om een verschijnsel dat zich gedraagt volgens een bepaald conceptueel model, aan een nader onderzoek te onderwerpen; zo nodig gebruikt hij daarbij het hierboven reeds genoemde en op internet beschikbare SATREP-handboek. De waarden van de relevante parameters of de patronen die op een presentatie daarvan zichtbaar zijn, moeten verder uitsluitsel geven of het gekozen conceptueel model het meest geschikte is voor de actuele situatie; verder krijgt hij een indruk hoe actief het verschijnsel is en in welke mate het beantwoordt aan de in het handboek beschreven ‘schoolvoorbeelden’.

Nog meer details over wat er precies aan de hand is in de atmosfeer ontleent de meteoroloog aan dwarsdoorsneden van de atmosfeer; hierin zijn gegevens afkomstig uit atmosfeermodellen en van weersatellieten overzichtelijk weergegeven. Als volgende stap in de SATREP-methode laat hij de luchtstromingen berekenen en presenteren ten opzichte van de bewegende weersystemen die hij onderzoekt. Doordat in de theorie over conceptuele modellen meestal wordt gewerkt met luchtbewegingen ten opzichte van het zich verplaatsende weersysteem, wordt zo de vergelijking tussen theorie en actuele situatie verder vergemakkelijkt.

Als op de hierboven beschreven manier een duidelijk inzicht is verkregen in de actuele toestand van de atmosfeer en de processen die er spelen, worden vervolgens producten van atmosfeermodellen voor 6, 12 en 18 uur vooruit geprojecteerd op de satellietbeelden; je krijgt zo een indruk hoe de weersystemen die je op de satellietopnamen ziet, zich verplaatsen en ontwikkelen.

Tenslotte wordt de eigenlijke SATREP-gemaakt, meestal een satellietbeeld met daarin aanduidingen van de verschillende conceptuele modellen en voorzien van een geschreven toelichting. De SATREP gaat naar collega-meteorologen in binnen- en buitenland, die hem gebruiken als basis voor het begrijpen van de actuele weersituatie en de daarop gebaseerde weersverwachtingen.

Figuur 6: Voorbeeld van een satellite report (SATREP).