Fronten houden stand in de meteorologie
 
In de weerpraatjes voor radio, TV of in de krant wordt nog regelmatig gesproken over fronten, die als slecht weergebieden een terugval in het weer kunnen bewerkstelligen. De frontentheorie werd echter ontwikkeld in het begin van deze eeuw rond 1920 en is dus al zo'n 70 jaar oud. Zien de fronten van nu er nog net zo uit als toen of zijn de ideeën over fronten zodanig gewijzigd, dat het begrip moet worden losgelaten en vervangen? Hieronder wordt op deze vraag ingegaan. Er zal blijken dat het beeld dat men thans van fronten heeft gedetailleerder is en daardoor op sommige punten afwijkt van het "oerbeeld" uit de twintiger jaren. Toch is het concept front nog steeds bruikbaar bij het structureren en begrijpen van de weerwaarnemingen en weersveranderingen.

Meteorologische diensten

Sinds de vorige eeuw worden er in Europa regelmatig weerkundige waarnemingen verricht door meteorologische diensten. Het eerste land dat over zo'n dienst beschikte was België,
waar het KMI werd opgericht in 1834. Andere europese landen volgden: Pruissen in 1847, Rusland in 1849 en Nederland in 1854. In de jaren daarna kwam geleidelijk een uitwisseling van weerwaarnemingen op gang. Daarmee waren weersverwachtingen in principe mogelijk geworden. Het idee erachter was reeds in 1804 verwoord door Lavoisier en Lamarck. Zij stelden, dat het
weer zich in eerste benadering verplaatst met de wind mee, zodat via een "starre schuifmethode" weersverwachtingen kunnen worden opgesteld op basis van een weerkaart vol met waarnemingen. Bovendien vond de Nederlander Buys Ballot in 1857 experimenteel een verband tussen de windrichting en het luchtdrukpatroon dat op de weerkaart kon worden getekend. Later bleek overigens
dat deze relatie al eerder theoretisch was afgeleid door de Amerikaan Ferrel.

Het grote aantal, op het eerste gezicht als los zand samenhangende, weergegevens op een weerkaart maakte verdere structurering van de afgebeelde informatie noodzakelijk: er was behoefte
aan weerkundige begrippen en -modelvoorstellingen om de meteoroloog meer houvast te geven bij zijn beeldvorming omtrent het heersende weer. Zo werd bijvoorbeeld al in een vroeg stadium gewerkt met luchtsoorten. Gebleken was namelijk dat de lucht over omvangrijke gebieden min of meer dezelfde natuurkundige eigenschappen bezat. Deze eigenschappen hadden ze verkregen
na een langdurig verblijf boven een uitgestrekt, homogeen gebied, bijvoorbeeld boven de sneeuw- en ijsvlakten nabij de pool of boven de oceaan ter hoogte van de Azoren. Een langdurig verblijf boven zo'n zogeheten brongebied is mogelijk als het daar rustig weer is, met andere woorden als er volgens de weerkaarten op die positie een weinig van plaats veranderende hogedrukzone ligt. Aan deze voorwaarde is vaak genoeg voldaan om inderdaad tamelijk homogene luchtmassa's te verkrijgen. In het begin van deze eeuw werkte men met twee luchtsoorten; de ene was afkomstig uit de poolstreken of de oceaangebieden ten zuiden daarvan en werd aangeduid met "poollucht", de andere luchtsoort kwam uit veel zuidelijker streken en werd "equatoriale" lucht genoemd.

De koude poollucht is zwaarder dan de warme, uit zuidelijke streken afkomstige lucht. In de zone waar de beide luchtsoorten elkaar ontmoeten probeert de koudere lucht onder de warmere lucht uit te stromen. Door de draaiing van de aarde lukt dat maar gedeeltelijk. In 1906 vond de meteoroloog Margules een uitdrukking voor de helling, die het grensvlak tussen de poollucht en de equatoriale lucht gaat innemen. Pas later zou men deze grensvlakken gaan betitelen als fronten.
 
Figuur 1. (linksonder) Doorsnede door een warmtefront, naar Bergeron Figuur 2. (links boven en midden) Dwarsdoorsnede door een koufront, naar Bergeron. (2 koufrontvarianten getoond).
  De Noorse School
De meteorologische begripsvorming kwam in een stroomversnelling door het werk van de zogeheten Noorse School. Aan deze school is vooral de naam verbonden van Vilhelm Bjerkness. Hij werkte tijdens de eerste wereldoorlog in Duitsland, maar voedselschaarste en ander ongerief als gevolg van de oorlog brachten hem er toe terug te keren naar Noorwegen. Daar was net de oceanograaf Bjf rn Helland-Hansen bezig een nieuw geofysisch instituut op te zetten in samenwerking met het Bergens Museum. In 1917 werd Bjerkness hoogleraar aan dat instituut. In datzelfde jaar viel de oogst in Noorwegen door ongunstig weer flink tegen.
De Noorse boeren hadden weersverwachtingen nodig en onder zulke omstandigheden is het klimaat altijd gunstig voor subsidieaanvragen om dergelijke verwachtingen te realiseren.

Aanleiding om inderdaad tot het uitgeven van weersverwachtingen over te gaan was een bericht in het dagblad Tidens Tegn uit Kristiansand, waaruit bleek dat Zweedse boeren per telefoon weersverwachtingen konden opvragen. De directeur van de Noorse Meteorologische dienst reageert in die zelfde krant en meldt dat zo iets in Noorwegen praktisch onuitvoerbaar is. Daarop neemt Bjerkness verontwaardigd de pen ter hand en schrijft de directeur: "Wij kunnen ondanks alle beperkingen iets doen. En de omstandigheden daartoe zijn nu optimaal." Dat blijkt de aanzet te zijn tot de start van een dagelijkse weerberichtgeving op
18 september 1918. Naast Vilhelm Bjerkness zijn dan aan de "Noorse school" verbonden zijn zoon Jack, Tor Bergeron en Halvor Solberg.

Jack Bjerkness kwam in 1918 met zijn depressiemodel. Hij constateerde dat depressies aan de voorzijde als het ware warme "equatoriale" lucht aanzuigen en transporteren naar noordelijker breedten;
de depressies hebben een "warme tong". Aan de voorzijde van deze warme tong glijdt warme lucht over de koudere lucht, die ter plekke aanwezig is, omhoog. Aan de achterzijde van de warme tong stort de koude poollucht zich als het ware in de warme lucht. Hoewel de benamingen warmtefront en koufront nog niet te vinden zijn in het oorspronkelijke artikel, werden dit toch vrij snel de begrippen waarmee voor- en achterkant van de warme tong werden aangeduid.

In 1919 voert Bergeron er een derde type front aan toe: het occlusiefront. Het koufront blijkt zich namelijk sneller te verplaatsen dan het warmtefront van dezelfde depressie. Waar het koufront het warmtefront heeft ingehaald bevindt zich het occlusiefront. De hogere snelheid van het koufront is al te verklaren met het beeld van onder de warme lucht kruipende koude lucht en over de koude lucht schuivende warme lucht.
De snelheid van het koufront is dan de verplaatsingssnelheid van het totale weersysteem (depressie met fronten) plus de "onderkruipsnelheid"; bij het warmtefront moet men die onderkruipsnelheid er juist af
trekken om de verplaatsingssnelheid van het front te verkrijgen.

Uit 1920 stamt Solberg's model van depressiefamilies. De grens tussen de koude, van de poolstreken afkomstige lucht en de warme, uit de subtropen of tropen aangevoerde lucht slingert zich ergens in de zone van de gematigde breedten rond de hele aardbol. Men spreekt van het polaire
 
 front. In deze overgangszone ontwikkelen zich depressies, die zich in verschillende stadia van ontwikkeling bevinden. Wanneer zich een oude, uitgediepte depressie voor de Noorse kust bevond, kon hij aangeven in wat voor stadium de volgende depressie die zich zou aandienen, moest zijn.

Dwarsdoorsneden.

Om het frontmodel verder geschikt te maken voor de beeldvorming over wat er in de atmosfeer gebeurt zijn dwarsdoorsneden door het front zeer nuttig. De plaatjes, die onder andere ook reeds door Bergeron werden gemaakt, laten zeer duidelijk zien dat het frontvlak een helling vertoont; de koude lucht bevindt zich onder, de warme boven. Doordat de warme lucht gedwongen wordt op te stijgen koelt deze af. Koude lucht kan echter minder waterdamp bevatten dan warme lucht; daardoor moet de opstijgende lucht zijn overtollige waterdamp kwijt.  Er treedt condensatie op, zodat zich wolken vormen waarin mogelijk tevens neerslag ontstaat. De dwarsdoorsneden geven de positie van de bewolkings- en regengebieden aan ten opzichte van het front.
In de oudere afbeeldingen gaat het steeds om een massieve brij bewolking met regen en/of sneeuw. (figuur 1).
 
Nog voor de tweede wereldoorlog deed zich de gelegenheid voor om de dwarsdoorsneden te toetsen op werkelijkheidsgehalte. In 1927 kwam de Rus Moltchanov namelijk met de radiosonde, een instrument waarmee het verloop van temperatuur,
vocht en wind met de hoogte kan worden gemeten. Daarnaast werd het mogelijk met vliegtuigen vergelijkbare metingen te doen. Zo waren er in de dertiger jaren in Nederland al hoogtevluchten vanaf de vliegbasis Soesterberg, terwijl routinematige radiosondeoplatingen te De Bilt plaatsvinden sinds 1946.

Metingen met de nieuwe technieken leidden er toe dat de beeldvorming over fronten reeds in de jaren 50 afweek van het klassieke Noorse school-plaatje.  begon men in koufronten steeds twee typen te onderscheiden, het minder actieve maar in onze streken meest frequente katakoufront en het wat zeldzamer maar gewoonlijk meer bewolking en regen brengende anakoufront. Een aanzet tot dit onderscheid was overigens al gegeven door Tor Bergeron (1937), maar het werd aan de hand van praktijkvoorbeelden verder uitgewerkt door de Brit Sansom (1951).

De anafronten bleken vergezeld te gaan van een scherpere windsprong. Op de weerkaart vertonen de isobaren aan het front een scherpere knik dan bij het katafront. Na een anafrontpassage blijft het langdurig bewolkt en het kan nog geruime tijd regenen; bij een katafront zitten de opklaringen vrijwel direct achter het front. De temperatuurdaling na een katafrontpassage
is minder markant dan bij een anafront, maar de vochtigheid loopt wel snel terug.

Begin zestiger jaren legde Freeman (1961) op basis van ballonoplatingen en meteorologische onderzoeksvluchten met een speciaal meetvliegtuig verdere onvolkomenheden bloot in het klassieke frontenbeeld. De dikke laag bewolking, die op plaatjes als van figuur 1 en 2 te zien is, bleek gaten te vertonen, zowel in het geval van warmtefronten als bij koufronten. De droge plekken zijn bij katafronten overigens veel significanter dan bij anafronten. Verder bleek de helling van het frontvlak niet op alle hoogtes in de dampkring gelijk; ook de dikte van de frontale zone varieert zichtbaar op één en dezelfde praktijkdoorsnede; de klassieke plaatjes tonen slechts een geïdealiseerd oneindig dun scheidingsvlak tussen de luchtsoorten aan weerszijden van het front. De neerslagzones die met een front samenhangen bleken ook minder massief en homogeen dan wat de klassieke plaatjes suggereren.
 
Bovenaanzicht anakoufront met positie van de zogeheten "warm conveyor belt" 
 
Radarstudies
Hoewel de voorgaande studies het frontmodel van de Noorse school al wat dichter bij de werkelijkheid hadden gebracht, bleven er nog problemen genoeg over. Men mag weliswaar van een model niet verwachten dat het de praktijk voor de volle 100% dekt, maar ook dan nog zijn bijvoorbeeld neerslagzones met buienwolken in de warme lucht ver voor het front uit wel erg moeilijk te rijmen met het klassieke concept. De prototypen van fronten, zoals die waren neergezet door de Noorse school bleken in sommige situaties in het gunstigste geval ontoereikend, in het ergste geval zelfs misleidend. Verdere uitwerking en detaillering van het begrip front kon daarom niet uitblijven; ze werden onder andere mogelijk gemaakt door de opkomst en technische ontwikkeling van de radar.

Het gebruik van radar in de meteorologie stamt uit de tweede wereldoorlog. De eerste toepassing was het volgen van weerballonnen tijdens hun tocht omhoog door de atmosfeer; hiertoe werden
de radiosondes voorzien van een reflectiescherm van aluminiumfolie. Een veel belangrijker toepassing werd echter het lokaliseren van neerslaggebieden en het bepalen van de bijbehorende neerslagactiviteiten. Bestudering van dergelijke radarplaatjes liet zien dat gebieden met neerslag van beperkte omvang waren en gewoonlijk een langwerpige vorm hadden evenwijdig aan het warmtefront of het koufront waar ze mee samen hingen

Een derde toepassing van radar werd mogelijk na verdere technische ontwikkelingen. Het instrument kan thans ook gebruikt worden voor het volgen van kleinschalige luchtbewegingen,
als er tenminste objecten in voorkomen die de luchtbeweging nauwgezet volgen. Sneeuwvlokken voldoen aan deze eis, regendruppels zijn wat te log, maar zijn wel bruikbaar om gemiddelde luchtverplaatsingen mee te verklaren. Bovendien zijn tegenwoordig uit de verdeling van druppels van verschillende afmetingen over een wolk conclusies te trekken over luchtsnelheden.
Tevens kan men temperatuur- of vochtigheidssprongen volgen, uit de manier waarop deze de voortplanting van de radarstralen beïnvloeden. Verder beschikt men thans over de Doppler radar;
met dit instrument is de snelheid van de deeltjes die men volgt te bepalen. Weliswaar is het bereik kleiner dan van de gewone radar, namelijk slechts ongeveer 20 km, en meet men slechts de snelheid in de richting van de radarantenne, maar door gebruik te maken van meerdere Doppler radar's zijn dergelijke beperkingen te ondervangen. Op deze manier konden radarmetingen de afgelopen decennia een belangrijke bijdrage leveren aan verdere detaillering van de processen die zich in frontale zones afspelen en aan verbetering van het klassieke frontmodel uit de beginjaren van deze eeuw.

De Engelse school

Een belangrijke bijdrage aan de verfijningen van het frontmodel werd geleverd door Engelse onderzoekers, waarbij vooral de naam Browning, de huidige directeur wetenschappelijk onderzoek van
de Britse meteorologische dienst, vaak valt. Browning en medewerkers benutten niet alleen de mogelijkheden van de geavanceerde radars die hun ter beschikking stonden; het gebruik van informatie, naar de aarde geseind door weersatellieten, was eveneens belangrijk. In de zeventiger en tachtiger jaren brachten krachtiger computers en steeds kleinschaliger werkende atmosfeermodellen verdere detaillering van de processen die zich in de atmosfeer afspelen nabij fronten binnen handbereik. De onderzoekers van de engelse school bedienen zich in hun modellen veelvuldig van zogeheten "conveyor belts", een begrip dat nederlandse meteorologen meestal onvertaald laten. Conveyor belts vormen de belangrijkste bewolking- en neerslagproducerende luchtstromingen, die in de buurt van depressies zijn aan te treffen en daarmee nauw verbonden zijn. De meest in het oog springende is de "warm conveyor belt". Het is een luchtstroming die aan de voorzijde van een koufront warme lucht afkomstig van zuidelijke breedten en van luchtlagen dicht bij het aardoppervlak naar noordelijker breedten voert en tegelijkertijd naar hoger gelegen luchtlagen in de troposfeer. Veel voorkomende afmetingen van deze luchtstroming zijn bijvoorbeeld 100 km als horizontale diameter en 1 km in verticale richting; de lengte van de conveyor belt wisselt sterk en kan oplopen tot enkele duizenden km. In de figuren 3 en is de warm conveyor belt aangegeven met een gerasterde pijl, terwijl ook de in omranding aangegeven pijl van figuur 4 deze conveyor belt voorstelt. De luchtstromingen, die in de tekeningen gesuggereerd worden, vinden plaats ten opzichte van het zich over het aardoppervlak voortbewegende koufront.
 
Bovenaanzicht anakoufront met positie van de zogeheten "warm conveyor belt" 
 
Figuur 4. (rechtsboven). Dwarsdoorsnede door anakoufront langs de lijn AB uit figuur middenboven.
 
In het geval van figuur 3 bevindt de stroming met warme lucht zich niet geheel voor de positie van het koufront aan de grond; de opstijgende luchtmassa's leunen als het ware naar achteren tegen het koufront aan. De dwarsdoorsnede van figuur 4 gemaakt langs de lijn AB in figuur 3, laat dit ook duidelijk zien. Uit figuur 4 blijkt eveneens dat zich vlak voor het grondkoufront een gebied bevindt met sterke opstijgende bewegingen; ondanks de geringe afmetingen van 3 km in verticale richting en 3 tot 10 km in de trekrichting van het front valt er vaak zware regen, soms zelfs hagel.
De neerslagzone passeert vlak voordat de koude lucht, die zich achter het koufront bevindt, binnendringt en voor de wind omgaat. Op radarplaatjes is zo'n smalle, actieve neerslagband vaak goed te zien; op satellietfoto's zijn ze minder duidelijk zichtbaar, doordat extreem hoge of koude wolkentoppen ontbreken en de neerslaggenererende bewolking is ingebed in de "gewone" koufrontale bewolking. De neerslag is overigens niet langs de volle lengte van het front overal even fel; tussen de verschillende zogeheten buienlijnen bevinden zich minder actieve overgangszones. 
 
Het op deze manier door Browning beschreven koufront komt overeen met het anakoufront; het heeft betrekking op depressies met een actief koufront en een weinig of niet actief warmtefront. De opstijging van warme lucht vindt hoofdzakelijk plaats langs het koufront.

Er is nog een redelijke goede overeenkomst met de koufrontplaatjes van de Noorse school, zeker wanneer men daarin onstabiele zones met buienwolken heeft opgenomen. De afwijkingen ten opzichte van het klassieke model worden groter in het geval van het katakoufront, de situatie waarbij het warmtefront vaak actiever is dan het koufront; het zwaartepunt van de stijgbewegingen in de warme lucht bevindt zich aan de voorzijde van het warmtefront.

Het beeld dat de engelse school van zo'n koufront schetst is weergegeven in de figuren 5 en 6. De "warm conveyor belt" is in dit model weer prominent aanwezig; ze ligt in dit geval geheel vóór het grondkoufront en helt enigszins naar voren.

Het koufront bezit een gesleten karakter; het "bovenaanzicht" van figuur 5 en de dwarsdoorsnede langs de lijn AB in die figuur, afgebeeld in figuur 6, laten dit goed zien. Het grondkoufront is niet erg markant en wordt voorafgegaan door een vochtige zone met bewolking van slechts zo'n 3 km diep. Boven de vochtige lucht stroomt koelere en drogere lucht tegen de warm conveyor belt op. Vaak wordt de opbouw van de atmosfeer daardoor op enige afstand voor het koufront onstabiel, zodat zich buien vormen. De buiigheid concentreert zich in een band, die evenwijdig ligt aan het koufront in het gebied dat volgens de Noorse School nog behoort tot de "warme sector". 
 
 
Figuur 5 (boven en rechtsboven). Bovenaanzicht  katakoufront met positie van de "warm conveyor belt". In de warme lucht voor het grondkoufront uit bevindt zich een hoogtekoufront U
 
 
Figuur 6. Dwarsdoorsnede door katakoufront langs de lijn AB in 
 figuur 5. neerslag warmtefront.  buien-wolken van het  hoogtekoufront. neerslag van het  hoogtekoufront. ondiepe vochtige 
 laag met nu en dan wat regen of  motregen. neerslag van het  grondkoufront.
  In de terminologie van de Engelse school gaat het om het hoogtekoufront. Veel katakoufronten gaan vergezeld van zo'n hoogtefront;
de neerslagactiviteit is op de positie van het hoogtekoufront groter dan tijdens de passage van het grondfront.

Op satellietfoto's in het infrarood is het hoogtekoufront veel markanter aanwezig dan het grondkoufront. Doordat de ermee samenhangende wolkentoppen hoger en dus kouder zijn, verschijnen ze helder wit op de foto; de bewolking aan de bovenzijde van de ondiepere vochtige laag voor het koufront uit is warmer, heeft op de foto een grijzere tint en contrasteert daardoor minder sterk met de opklaringen, die zich in de koude lucht achter het front bevinden. Het optreden van buien in de warme sector is nog niet eens het grootste verschil met het klassieke model; veel ingrijpender is dat de helling van het katakoufront, zeker in de onderste 6 km van de dampkring, tegengesteld is aan wat men volgens het Noorse School model zou verwachten.

In figuur 6 is rechtsonder nog een tweede luchtstroming met koelere en drogere lucht te zien. De richting van de pijl geeft de richting van de luchtstroming ten opzichte van een met de fronten meebewegend coördinatenstelsel; het gaat dus niet om oostenwinden, maar om lucht die zich minder snel naar het oosten verplaatst dan de minder koele lucht in de warme tong van de depressie. De neerslag van het warmtefront valt door de drogere lucht en kan al verdampt zijn voor zij het aardoppervlak heeft bereikt.

Met fronten samenhangende regenbanden

In het voorgaande zagen we reeds dat er bij het model voor katakoufronten sprake is van een gespleten front; het koufront in de bovenlucht wordt gemarkeerd door een zone met buiige neerslag, evenwijdig aan het grondkoufront. Uit onderzoek van fronten met radar, waarbij de vorm van neerslagzones nauwkeurig bepaald kan worden, bleek dat in het algemeen geldt dat fronten of conveyor belts meestal niet vergezeld gaan
 
 van omvangrijke en gelijkmatige regengebieden; in plaats daarvan treft men meestal neerslagzones aan, die een langgerekte vorm hebben en evenwijdig liggen aan het front waar ze bijhoren. Karakteristieke afmetingen voor zulke regenbanden zijn bijvoorbeeld 50 km in de richting loodrecht op het front en 100 tot 200 km in een richting evenwijdig aan het front. 

De frontale neerslaggebieden zijn dus in veel gevallen minder homogeen dan men uit het frontmodel van de Noorse School op het eerste gezicht zou kunnen afleiden. De processen die deze fijnstructuur veroorzaken zijn te kleinschalig om met de normale meteorologische grond- en bovenluchtwaarnemingen te kunnen worden waargenomen, zodat de onderzoekers uit Noorwegen niets valt te verwijten. Regenzones die samenhangen met een warmtefront verlopen evenwijdig aan het warmtefront (figuur 7, links); hangen ze samen met het koufront, zoals bijvoorbeeld in het geval van het hoogtekoufront, dan is de oriëntatie evenwijdig aan het koufront (figuur 7 midden en rechts). In al deze gevallen gaat het om wat Browning noemt "brede neerslagbanden". Daarnaast komen er ook nog brede neerslagbanden voor in de koude lucht achter het koufront; deze hangen samen met wat de meteorologen "troggen" noemen. Een tweede type van neerslagbanden dat Browning onderscheidt zijn de "smalle neerslagbanden". Ze komen hoofdzakelijk voor bij anafronten, in het gebied met sterk stijgende luchtbewegingen vlak voor het front uit (vergelijk figuur 4).
 
 
Figuur 7. Bovenaanzicht koufront met ligging warmtefront (links en midden), brede neerslagbanden die samenhangen met
 respectievelijk het warmtefront (links), het hoogtekoufront (midden) en het grondkoufront (rechts).
 
 
Literatuur:
K.A. Browning: "Conceptual models of precipitation systems", Met Mag 114 ,p293, oktober 1985M.H. Freeman: "Fronts investigated by the Meteorological Research Flight, Met Mag 90, p189, juli 1961H.W. Sansom: "A study of cold fronts over the British Isles", Quart. J. Roy. Met. Soc. 77, p96, 1951 

C. Floor; geplaatst in Zenit, november 1991, en in Schip en Werf De Zee, maart 1992 
 
 
 
 
 
web design florida