Handboek waarnemen -  Wolken
 
Een wolk is een verzameling zeer kleine waterdruppels of ijskristallen of beiden, waarvan de basis boven en los van het aardoppervlak gelegen is.
De maximale diameter van de vloeibare waterdeeltjes is in de ordegrootte van 200 micron (0,2 mm). Een groter formaat leidt tot neerslag van de druppels (regen, drizzle). Met uitzondering van enkele zeldzame types, zoals lichtende nachtwolken en soms cirrus in de lage stratosfeer,
bevinden wolken zich in de troposfeer. Wolken ontstaan onder meer bij verticale luchtbewegingen, zoals bij convectie, opstuwing van lucht bij bergen en heuvels, en bij grootschalige verticale bewegingen onder invloed van frontale systemen. Hierbij worden de condities geschapen die de in de lucht aanwezige waterdamp doet overgaan in de vloeibare of vaste fase.

Bedekking (cloud amount)

Onderscheiden worden de bedekking van de hemel door een specifiek aanwezig wolkentype (partial cloud amount) en de totale bedekking van de hemel door alle aanwezige wolkentypes (total cloud amount). In beide gevallen wordt de mate van bedekking, de zogeheten bedekkingsgraad wodt geschat in geval van menselijke waarnemingen c.q. berekend het in geval van automatische waarnemingen in okta’s.

Wolken basis (cloud base)

De wolkenbasis betreft de laagste zone boven het aardoppervlak waarbij in loodrechte richting naar bovengaand sprake is van een evidente verandering van heldere, doorzichtige lucht naar lucht die gevuld is met waterdruppels of ijskristallen en min of meer ondoorzichtig is. De hoogte
van de wolkenbasis is gedefinieerd als de hoogte in meters van genoemde zone boven het grondniveau van het station. In het geval van een meteorologisch luchtvaartstation is dit niveau de officiële hoogte ten opzichte van de MSL-hoogte van het vliegveld.
 
Wolkenclassificaties
Diverse classifi caties worden onderscheiden. We kennen in de eerste plaats de verdeling in karakteristieke vormen:

• Typen: basisonderverdeling van wolken, 3 typen:
   cirrus, cumulus,stratus;

• Geslachten: aanvulling op basisonderverdeling, 10 geslachten:
  cirrus, cirrocumulus, cirrostratus, altocumulus, altostratus,
  nimbostratus, stratocumulus, stratus, cumulus,cumulonimbus.

• Soorten: onderverdeling van geslacht naar vorm en structuur, bijv.
  fractus, congestus, lenticularis, castellanus, etc.;

 
• Variëteiten: kenmerken per geslacht naar toestand (cloud arrangement)
  en mate van transparantie, bijv. radiatus, undulatus, duplicatus, etc.;

• Bijzondere vormen en verschijnselen: bijv.
  incus, mamma, virga, praecipitatio, arcus, tuba, pileus, velum,
  pannus, e.a.;
 
 
• Aangroeiingen of ontwikkelingen vanuit de moederwolk: het gaat om aangroeiingen of ontwikkelingen die (kunnen) leiden tot nieuwe wolken;
  in de naam vinden we de potentieel nieuwe wolk terug alsmede de naam van de moederwolk (in deze volgorde); indien sprake is van een nieuwe
  wolk met behoud van de moederwolk dan wordt dit aangegeven met de toevoeging “genitus", is sprake van een nieuwe wolk onder gelijktijdige
  verdwijning van (het grootste deel van) de moederwolk dan wordt dit beschreven met de toevoeging “mutatus".
  Voorbeelden: stratocumulus, cumulogenitus, stratus stratocumulomutatus.
 
Voorts wordt een classifi catie gehanteerd met betrekking tot de wolkenlagen (of niveau of etage): laag, middelbaar en hoog.

• laag: 0 – 2100 m (0 - 7000 ft); beschrijving wolkencomplexen in deze laag met code CL ;
  lage wolken zijn stratocumulus, stratus, cumulus, cumulonimbus; de twee Laatstgenoemde wolkengeslachten bereiken vaak ook het middelbare
  en hoge niveau;

• middelbaar: 2100 – 5400 m (7000 – 18000 ft); beschrijving wolkencomplexen in deze laag met code CM ;
  middelbare wolken zijn altocumulus, altostratus (deze reikt vaak ook tot hoger niveau), nimbostratus (deze wolken strekken zich gebruikelijk uit
  tot lager en hoger niveau);

• hoog: > 5400 m ( > 18000 ft.) ; beschrijving wolkencomplexen in deze laag met code CH
  wolken in het hoge niveau zijn cirrus, cirrocumulus, cirrostratus.

Er zijn nog enkele andere classifi caties die echter minder relevant zijn en derhalve ook niet worden beschreven

Bedekkingsgraad:

De mate waarin de hemel bedekt is met wolken.
Deze wordt aan de hand van schattingen bepaald en uitgedrukt in achtsten. 0/8 is onbewolkt, 4/8 is halfbewolkt en 8/8 is geheel bewolkt.
 
Wolkenloos 1/8 2/8 3/8 4/8
5/8 6/8 7/8 Bewolkt Hemel niet zichtbaar
 
Instrumenten en techniek
 
Het door het KNMI operationeel gebruikte instrument voor de meting van de wolkenhoogte is een LD40 wolkenhoogte meter. Fabrikant: Vaisala (voorheen: Impulsphysik).

Meetprincipe

De sensor maakt gebruik van het zgn. LIDAR-principe: LIght Detection And Ranging.
• een lichtbron zendt een verticale laserpuls uit;
• een sensor ontvangt het gere. ecteerde cq –verstrooide signaal;
• het tijdverschil en de intensiteit van het teruggekeerde signaal bepalen respectievelijk de hoogte en de concentratie van de deeltjes
  (aantal deeltjes per volume);
• de gradiënt van het ontvangen signaal als functie van de hoogte bepaalt of de reflectie geschiedt als gevolg van bewolking, neerslag of andere
  objecten. In het laatste geval is sprake van een beperkt verticaal zicht.
 
Werking Laser ceilometer
  Lichtbron
De lichtbron is een laser die met een frequentie van 6494Hz pulsen uitzendt in het
nabije infrarood (855 nm).

Sensor

De detector ontvangt het gere. ecteerde cq –verstrooide signaal. Gemeten wordt het tijdsverschil tussen het uitzenden van een puls en de ontvangst van het teruggekaatste c.q. verstrooide licht.
Uit dit tijdsverschil kan de hoogte worden afgeleid van het deeltje dat de reflectie veroorzaakte.
De detector registreert in tijdsintervallen van 50 nsec, hetgeen correspondeert met hoogte- intervallen van 25 voet. De openingshoek van de sensor is ongeveer 1.2 mrad (ca.0,069 booggraden).
Daarmee bestrijkt het instrument een gebied met een diameter van ongeveer 12 m op 10 km hoogte. De zender en ontvanger hebben een gescheiden optisch pad. Hierdoor zullen de bundels van de uitgezonden laserstraal en de openingshoek van de detector elkaar pas overlappen boven een hoogte van ongeveer 300 voet. Een wolkenbasis lager dan 300 voet wordt gedetecteerd doordat als gevolg
van meervoudige verstrooiing in de wolk toch een signaal van de laser in de detector komt.
Door analyse van het tijdsverschil en de sterkte van het geregistreerde signaal kan dan, ondanks het onbekende traject vanwege de meervoudige re. ecties, toch een goede inschatting van de wolkenhoogte worden gemaakt.
 
Het verticale bereik van de sensor is van 25 tot en met maximaal 43000 voet met een meetnauwkeurigheid van 25 voet. De sensor geeft uiteraard alleen de bewolking die over de sensor trekt. Het maximale verticale bereik van de sensor zal in aanwezigheid van een optisch dikke wolk of in een troebele atmosfeer minder zijn. Met name bij neerslag zal de sensor een groot verstorend signaal ontvangen.

In het algemeen geeft de sensor ook in deze omstandigheden de wolkenbasis correct weer en niet de neerslag. In situaties dat de sensor compleet in de mist staat meldt de sensor bewolking op 25 voet. De sensor registreert het maximale meetbereik bij de meting. In een troebele atmosfeer of
bij een dikke wolkenlaag geeft de sensor hiermee aan dat geen informatie beschikbaar is boven het maximale bereik.
 
Opstelling wolkenhoogtemeter
De wolkenhoogtemeter staat niet verticaal opgesteld, maar helt onder een hoek van 5° naar het noorden. Er is gekozen voor deze opstelling omdat
met deze opstelling het signaal van neerslag enigszins wordt onderdrukt in vergelijking met het signaal van bewolking. Zwevende wolkendruppels zijn bolvormig en de terugverstrooiing is daarom gelijk bij een verticale of
schuine opstelling van de wolkenhoogtemeter. Vallende neerslag daarentegen is afgeplat. Bij een schuine opstelling zal het terugverstrooide signaal minder zijn dan bij een verticale opstelling omdat het deeltje niet meer symmetrisch is ten opzichte van de verstrooiingsrichting.

Signaalverwerking

De sensor meet voor iedere uitgezonden puls het terugverstrooide vermogen als functie van de tijd c.q. hoogte. Deze zogenaamde backscattercoëfficiënt is een maat voor het aantal en grootte van deeltjes zoals wolkendruppels,
regendruppels en/of aërosol (stof of andere vaste deeltjes) op de betreffende hoogte in de atmosfeer (zie Figuur 2). Omdat het uitgezonden vermogen van één laserpuls onvoldoende is om bewolking goed te kunnen detecteren, wordt het ontvangen signaal van meerdere pulsen geïntegreerd.
 
Werking Laser ceilometer
 
Op deze manier wordt de bijdrage van ruis onderdrukt in het voordeel van het werkelijke signaal. Tevens wordt de systematische bijdrage van ruis,
die per instrument gekarakteriseerd is door metingen verricht bij afgedekte ontvanger, van de meting afgetrokken. In het aldus verkregen backscatterprofiel, dat elke 15 seconden* door de sensor wordt ververst, wordt vervolgens gezocht naar de signatuur van wolken.

Hiervoor wordt gebruik gemaakt van de waarde van de backscattercoefficiënt alsmede de gradiënt ervan om neerslag en aërosol van wolkendruppels te kunnen onderscheiden. Afhankelijk van de hoogte wordt het backscatter signaal geïntegreerd over 15 tot 120 seconden en worden andere criteria voor wolkendetectie gebruikt. Om de detectie van hoge cirrus bewolking mogelijk te maken vindt zelfs integratie over 10 minuten plaats in combinatie met middeling over hoogte-intervallen.

Detectie meerdere wolkenlagen

De sensor kan melding maken van de volgende situaties:
• een onbewolkte situatie;
• 1, 2 of 3 wolkenlagen gedetecteerd;
• er is een obstructie waargenomen, maar deze voldoet niet aan de criteria voor bewolking.

De laatste situatie wordt door de sensor gemeld als onbewolkt, maar met een verticaal zicht. Deze situatie komt soms voor bij hevige neerslag of sneeuw. De sensor kan maximaal 3 wolkenlagen tegelijk detecteren (indien aanwezigen mits de onderliggende wolkenlagen voldoende transparant zijn). Bovendien kunnen hogere lagen zonder optische beperking waargenomen worden,indien gedurende een deel van de middelingstijd tijdelijk
geen sprake was van lagere wolkenlagen (bijvoorbeeld omdat deze lagen bestaan uit voortdrijvende losse wolken).

Kwaliteitscontrole meting

De sensor bevat een referentie detector en een referentie laser. Deze worden gebruikt om het vermogen van laser en de gevoeligheid van de
detector te meten en zo nodig bij te stellen. Een aparte detector bij de zender registreert eventuele verstrooiing aan het venster van de zender.
De mate van verstrooiing bepaalt de mate van vervuiling. Indien het verstrooide signaal boven een bepaalde drempelwaarde uitkomt (50%), wordt
een waarschuwing gegenereerd. Daarnaast wordt regelmatig een (verwarmde) luchtstroom over het venster geblazen om neerslag te verwijderen
 
Sensoroutput
a) wolkenbasishoogte van 3 lagen:
    C1, C2, C3 (eenheid: voet);
b) verticaal zicht ZV (eenheid: voet);
c) maximaal verticaal bereik CX (eenheid: voet);
d) backscatter aan venster van zender WBS
   (eenheid: %)

De actuele meetwaarden C1, C2, C3, ZV en CX worden geleid naar de CX4. De wolkenbases en het bereik worden opgeslagen in tientallen voet (d.i. door de sensorwaarden te delen door 10 en af te ronden).
Het verticaal zicht wordt in meters opgeslagen (d.i. conversie van de sensor waarden van voet naar meter). De actuele sensorwaarden, die elke 15 seconden ververst worden, worden gemeld als de instantane waarde. Deze waarden zijn gebaseerd op een integratie periode variërende van 15 seconden tot en met 10 minuten 

opstellingseisen en –voorzieningen

De wolkenmeter is geplaatst op vlak terrein.
De opstelling is niet geheel verticaal, maar helt onder
een hoek van 5° naar het noorden. Aldus kan het signaal van reflectie door neerslag enigszins worden onderdrukt in vergelijking met het signaal van reflectie door bewolking.
 
opbouw wolkenhoogtemeter
 
Wolkenhoogte meter
 
De uittredende bundel mag niet onderbroken worden door objecten in de nabijheid van de meetlocatie, zoals boomtakken, kabels, e.d. In de omgeving mogen geen bronnen zijn die door verstuiving het bovenglas van de meter kunnen bevuilen, vgl. zandhopen, e.d.

condities m.b.t. omgeving en meetlocatie, c.q. representativiteit waarnemingen

De condities zijn gerelateerd aan onderstaande functionaliteiten:

• synoptische berichtgeving (SYNOP) van wolkeninformatie (bedekking, hoogte wolkenbases, type bewolking): de wolkenwaarneming/-meting
  dient representatief te zijn voor de omgeving van het waarneemstation;
• in het geval van een meteorologisch waarneemstation op een vliegveld, berichtgeving aan de luchtvaart van wolkeninformatie (bedekking,
  hoogte wolkenbases, type bewolking) ter verspreiding buiten de luchthaven (METAR, SPECIAL): de wolkenwaarneming/-meting dient
  representatief te zijn voor het vliegveldterrein (aerodrome), alsmede voor de onmiddellijke (immediate) omgeving van het vliegveld, alsmede voor
  de aanvliegroutes (approach area) in verband met de reports for landing;
• in het geval van vliegtuiglandingen op precision approach runways: de wolken waarneming/ -meting (bedekking, hoogte wolkenbases,
  type bewolking) dient representatief te  zijn voor de situatie ter hoogte van de ILS (Instrument Landing System) middle marker site in de
  aanvliegroute. 

Bron: KNMI handboek waarnemen