Case study: tornado in Zierikzee op 27 juni 2022

Casestudie: tornado in Zierikzee op 27 juni 2022

Yorick de Wijs, Adrie Huiskamp (KNMI)

Op maandag 27 juni 2022 rond 13:00 lokale tijd werd Zierikzee getroffen door een tornado. Er werd aanzienlijke schade aangericht aan gebouwen en negen mensen raakten gewond. Eén persoon overleefde het extreme weer niet. Niet alleen was de meteorologische situatie bijzonder, ook de overvloed aan beeldmateriaal maakt deze casus heel inzichtelijk en interessant. Waren er indicaties dat een dergelijke situatie zich voor zou kunnen doen? In hoeverre is het mogelijk om te waarschuwen voor een dergelijk fenomeen? In dit artikel gaan we daar verder op in.

Meteorologische achtergrond Maandag 27 juni bevond Nederland zich aan de oostflank van een lagedrukgebied boven de Atlantische Oceaan in een zuidwestelijke stroming. De aangevoerde luchtsoort was maritiem van oorsprong en de opbouw onstabiel tot ongeveer 8 km hoogte. Boven Het Kanaal bevond zich een bovenluchttrog die zorgde voor destabilisatie en stijgbewegingen als gevolg van advectie van positieve vorticiteit. Aan de grond ontstond er in de loop van de ochtend een N-Z georiënteerde convergentielijn (vore), die in het zuidwestelijk kustgebied de aanzet vormde tot het ontstaan van diepe convectie.

Uit de CAPE, de convectiediepte en de effectieve verticale windschering kan de convectiemodus (de organisatiegraad van de bui) bepaald worden. CAPE staat voor Convective Available Potential Energy en is een maat voor de buoyancy (drijfvermogen) van een luchtdeeltje en zegt daarmee iets over de potentiële onstabiliteit. Verticale windschering is de verandering van de wind (zowel snelheid als richting) met de hoogte en wordt berekend als de lengte van de verschilvector van de wind op twee verschillende hoogten. Met effectieve windschering wordt de windschering bedoeld die relevant is voor/benut wordt door de bui, vaak ongeveer overeenkomend met de windschering in de onderste helft van de totale onstabiliteitsdiepte. In een regime met een CAPE van ca. 500 J/Kg en een effectieve windschering van ca. 30 knopen (15-18 m/s), was de meest waarschijnlijke convectiemodus in deze situatie een “goed georganiseerde multicel”, zoals af te leiden is uit Figuur 2 (links). De meeste tornado’s van het type dat hier is opgetreden, vormen zich echter bij de convectiemodus “supercel”. De definitie van een supercel is een buiencel waarin een persistente mesocycloon (roterende stijgstroom) aanwezig is. In Figuur 2 (rechts)

is een schematische weergave van een supercel afgebeeld. De radarecho is in het grijs afgebeeld, met een haakvorm (Engels: hook echo) aan de zuidflank van de bui en een typische V-vorm (V-notch) stroomafwaarts van de buiencel. Verder is te zien dat er sprake is van een mesoschaalciculatie, bij de haak en het ‘occlusiepunt’, waarbij de stijgstroom (updraft) gescheiden blijft van de dalende luchtstromen (downdrafts). Zoals is af te leiden uit Figuur 2 (links) bedraagt de windschering voor het ontstaan van een supercel idealiter 40 knopen of meer (20 m/s of meer). Het is echter niet onwaarschijnlijk dat er bij de convergentielijn in de kolom plaatselijk 40-50 kn (20-25 m/s) windschering beschikbaar was, hetgeen terug is te vinden in de uitvoer van het hoge resolutie weermodel van het KNMI, Harmonie. Waarnemingen & impact De hiervoor beschreven vore werd in de loop van de ochtend al duidelijk zichtbaar als een windsprong, met een zuidwestelijke wind voor de vore uit en een west- tot noordwestelijke wind aan de achterzijde. Rond 11:30 lokale tijd ontstond een eerste onweersbui net over de grens nabij Brugge, zoals te zien is in Figuur 3 (linksboven), om daarna langs de Zeeuwse kust noordoostwaarts te trekken. Figuur 1: Foto’s van de tornadoslurf (links) en rondwervelende spullen, waaronder een trampoline (rechts), bron: Johan Cats, via beeldbank KNMI.

Figuur 2. Links: versimpeld hulpschema voor het bepalen van de convectiemodus, bron: NOAA, bewerkt door het KNMI. Rechts: schematische weergave van een supercel (RFD: rear flank downdraft, FFD: front flank downdraft, V: V-notch, U: Main Updraft, I: Updraft/Downdraft Interface, H: hook echo), bron: Wikimedia Commons.

Figuur 3: evolutie van de buiencellen aan de hand van radarbeelden, met de windwaarnemingen (zwarte windvaantjes) en de positie van de convergentielijn (gele stippellijn). Bron: wow.knmi.nl (bewerkt).

Ongeveer een uur later ontstonden er meer buien op de langzaam noordoostwaarts bewegende convergentielijn en doofde de eerste buiencel geleidelijk uit. De noordelijkste nieuwe cel trok vervolgens naar Zierikzee, waar deze rond 13:00 de tornado heeft geproduceerd. De betrokken cel bleef daarna nog ruim een uur noordwaarts bewegen parallel aan de kustlijn, terwijl de zuidelijker gelegen cellen oplosten en er verder naar het oosten op de convergentielijn nieuwe cellen ontstonden. De treksnelheid van de buien was ongeveer 25-30 km/uur (7-8 m/s).

Hoewel de tornado niet direct is waargenomen op de automatische stations van het KNMI en Rijkswaterstaat, zijn er wel een paar interessante waarnemingen. Even voordat de tornado bij Zierikzee optrad, werd op het noordelijker gelegen RWS-station Oosterschelde-vier een windstoot van 70 km/uur waargenomen uit westelijke richting. Het dichterbij gelegen RWS-station Stavenisse registreerde iets later een windstoot van 50 km/uur, eveneens

Figuur 4: Dopplerradarbeelden van Jabbeke (0,5° ~ 1 km hoogte) met de reflectiviteit (boven) en de radiale snelheid (onder), voor vijf verschillende tijdstappen tussen 12:39 en 12:59 lokale tijd. De gele pijl markeert de locatie van het ‘couplet’ op dat tijdstip. Bron: KNMI, bewerkt door Bram van ‘t Veen. uit westelijke richting. Mogelijk waren deze windstoten RFD-gerelateerd (Figuur 2, rechts). Ook enkele nabijgelegen amateurweerstations (wow.knmi.nl en wunderground. com) registreerden windstoten. Ruim een uur later kreeg Rotterdam Airport nog te maken met een zware windstoot van 75 km/uur, maar die kan waarschijnlijk niet worden gerelateerd aan dezelfde buiencel.

Dat het in Zierikzee om een tornado ging, werd al snel duidelijk door de vele videobeelden op internet, waarop duidelijk te zien is dat de slurf tot aan het aardoppervlak reikte. Er is allerlei rondvliegend materiaal te zien, ook grotere objecten zoals tuinmeubels, een trampoline (Figuur 1, links), pallets, grote takken en delen van daken. Ook is te zien hoe een compleet dak van een gebouw wordt gerukt waaraan werkzaamheden plaatsvonden. De schade was groot, maar tevens zeer plaatselijk. Zeker 150 woningen raakten beschadigd of werden zelfs onbewoonbaar, waarvan vijf uiteindelijk gesloopt zouden moeten worden. Negen mensen raakten gewond en één persoon kwam om het leven door vallende dakpannen. Op basis van het schadebeeld en de videobeelden kan deze tornado waarschijnlijk worden geclassificeerd als een EF1 in de Enhanced Fujita schaalverdeling. Bij een EF0 tornado blijft de schade geringer met voornamelijk rondvliegende takken en tuinmeubelen, bij een EF2 tornado is de schade groter met losgerukte daken en ontwortelde bomen (Zie Wikipedia voor de definitie van de Enhanced Fujita schaal).

Interpretatie van de radarbeelden De ‘Zierikzee-bui’ kwam initieel langzaam op gang, maar daarna ontwikkelde snel een mesocycloon, zo’n 10-15 minuten voordat Zierikzee door de tornado werd getroffen. De circulatie is vervolgens vrij goed te volgen in de radarbeelden en bevond zich aan de zuidzijde van de buiencel. Op de Dopplerradars in Herwijnen en Jabbeke (België) is duidelijk een signatuur in de radiële windsnelheid zichtbaar, die duidt op de aanwezigheid van een mesocycloon. In Figuur 4 zien we de reflectiviteit (boven) en de radiële windsnelheid (onder) voor vijf opeenvolgende tijdstappen tussen 12:39 en 12:59 lokale tijd. De rode en groene kleuren duiden tegengestelde windrichtingen aan. Wanneer er sprake is van rotatie, wordt er dus een zogenaamd ‘couplet’ zichtbaar met een maximum in tegengestelde richtingen dicht bij elkaar.

Dat het niet om een toevallige of oppervlakkige circulatie ging maar om een goed en diep ontwikkelde mesocycloon, blijkt ook wanneer we de radiële snelheid op verschillende hoogtes bekijken. De radar scant onder verschillende elevatiehoeken, waardoor de hydrometeoren (en ook kleine objecten zoals insecten) op verschillende hoogten worden gereflecteerd. Door na te gaan tot op welke hoogte de rotatie nog zichtbaar is, kan worden geschat hoe diep de mesocycloon ontwikkeld was. In Figuur 5 staat de radiële windsnelheid (onder) afgebeeld voor vijf verschillende elevaties, waar uit af te leiden is dat de mesocycloon tot circa 3.5 km moet hebben gereikt.

Daarnaast was er ook een duidelijke V-vorm zichtbaar in het reflectiviteitspatroon (Figuur 2, rechts) en had de buienkern een (naar rechts) afwijkende trekrichting ten opzichte van de stroming op 3 à 4 km hoogte. Door de vrij grote afstand ten opzichte van beide radars was een haakvormige echo minder goed zichtbaar. Na het optreden van de tornado behield de bui nog een uur lang de kenmerken van een supercel. Overigens was dit waarschijnlijk niet de eerste supercel; de bui die eerder vanaf West-Vlaanderen over de Westerschelde trok, vertoonde ook al tijdelijk de kenmerken van een supercel.

Het is waarschijnlijk dat de plaatselijke aanwezigheid van meer windschering op de convergentielijn een sleutelrol heeft gespeeld bij de snelle ontwikkeling van de tornado. De daardoor al aanwezige rotatie in de bui heeft, in combinatie met een toenemende instroom en het uit-

rekken van de vorticiteit (Engels: ‘vorticity stretching’) in de stijgstroom, ervoor gezorgd dat de tornado (zo snel) tot stand heeft kunnen komen. Daarom zou deze tornado mogelijk ook kunnen worden gezien als een “hybride”, waarbij zowel factoren voor het ontstaan van een mesocycloon als ook factoren voor het ontstaan van een hoos (Engels: spout) een rol speelden. Waar de ontwikkeling van een tornado genoeg windschering vereist, is voor een hoos vooral sterke lokale convergentie/vorticiteit in de grenslaag belangrijk en juist weinig windschering. Ook de hoge luchtvochtigheid en daardoor vrij lage wolkenbasis (circa 700 m) speelden een rol. Niet alleen kan de rotatie van de mesocycloon dan makkelijker worden overgebracht naar het aardoppervlak, ook wordt de slurf zichtbaar omdat condensatie als gevolg van drukdalingen sneller optreedt.

Harmonie-model en verwachtingsmethodiek Voor het verwachten van convectieve fenomenen maakt het KNMI momenteel gebruik van de Harmonie modelversies 40 en 43. Harmonie 40 is de bij het KNMI operationele versie. Harmonie wordt ontwikkeld binnen een van de Europese modelconsortia. Het is een niet-hydrostatisch model met een roosterpuntsafstand van ongeveer 2.5 km met 40 (Harmonie 40) of 65 (Harmonie 43) lagen. Dergelijke modellen zijn in staat convectie met schalen vanaf ongeveer de roosterpuntsafstand expliciet te beschrijven. Supercellen kunnen door het model worden beschreven, maar tornado’s niet omdat deze zich doorgaans op een te kleine schaal afspelen. Hiervoor moet de meteoroloog dus gebruik maken van afgeleide parameters, bijvoorbeeld voor het bepalen van de convectiemodus.

In de aanloop naar 27 juni was in de uitvoer van opeenvolgende runs diepe convectie boven het zuidwesten van Nederland zichtbaar, waarbij de intensiteit per run steeds wat toenam. Dit werd voornamelijk veroorzaakt door het van run op run toenemen van de convectiediepte. Vanaf de run van 0:00 UTC op 27 juni bedroeg deze ongeveer 8 km. De (meest onstabiele ) CAPE bedroeg in het model circa 500 J/kg, de effectieve verticale windschering lag tussen de 30 en 35 knopen (15 tot 18 m/s). Bij het bepalen van de effectieve windschering is het noodzakelijk de windschering direct stroomopwaarts van de convectieve cellen te gebruiken, omdat in een model dat convectie expliciet beschrijft het windpatroon in de verticaal sterk door de convectie zelf wordt beïnvloed. Een vrij robuust hulpmiddel is daarom de uitvoer van een model dat de convectie niet expliciet beschrijft, zoals het ECMWF-model, omdat hierin veel minder verstoring van het windpatroon optreedt. Anderzijds zullen lokale windscheringsmaxima op de convergentielijn juist weer veel beter door Harmonie worden opgepikt.

Om beter inzicht te kunnen krijgen in de verticale opbouw van de atmosfeer en de bruikbare CAPE en windschering, kan de meteoroloog gebruik maken van een ‘progtemp’, een prognostisch radiosondeprofiel (Engels: sounding). Dit is een verticaal profiel van de modeluitvoer op één punt en tijdstip. In Figuur 6 zien we een progtemp van Harmonie voor Zierikzee om 11:00 UTC, waarbij allerlei (convectieve) parameters worden vermeld. Onderin valt af te lezen dat de CAPE op dit punt (rode rechthoek) een kleine 400 J/Kg bedroeg en de windschering (gele rechthoek) over 0-6 km 41 knopen (21 m/s), gezien de opgetreden onstabiliteitsdiepte overeenkomend met een effectieve schering van ca. 30 knopen (15 m/s).

In een ruimtelijke weergave van de neerslag (“synthetisch radarbeeld”) van de Harmonie uitvoer was het patroon van goed georganiseerde multicellen zichtbaar (Figuur 7, rechts). Bij de in dit geval opgetreden tornado hoort een convectiemodus “supercel” of minimaal een

Figuur 5: Dopplerradarbeelden van Herwijnen met de reflectiviteit (boven) en de radiale snelheid (onder), voor vijf verschillende elevaties (overeenkomend met ca. 1 km, 1,5 km, 2,2 km, 3,5 km & 4,6 km hoogte) rond 13:00 lokale tijd. De gele pijl markeert de locatie van het ‘couplet’. Bron: KNMI, bewerkt door Bram van ‘t Veen.

hybride tussen multicel en supercel. Het sterk convergente windveld, dat waarschijnlijk een significante bijdrage aan de rotatie van de stijgstroom heeft geleverd en daarmee de kans op het ontstaan van een tornado, was duidelijk in de Harmonie uitvoer zichtbaar (Figuur 7, links). Deze bijdrage is alleen effectief wanneer de convergentie samenvalt met de stijgstroom. Dit zal vaak het geval zijn omdat de convergentie de convectie doorgaans initieert.

In de Harmonie uitvoer waren bij de buien windstoten te zien met windsnelheden van 55 tot 75 km/uur (Figuur 7, midden). Hier trad van run op run een duidelijke spreiding in de windsnelheid en locatie van de windstoten op. Atypisch hoge windstoten kunnen duiden op een hogere organisatiegraad van de buien in het model dan op basis van andere parameters valt af te leiden. De conclusie is dus dat op grond van de modeluitvoer een tornado mogelijk, maar niet zeer waarschijnlijk was. Vanwege de zeldzaamheid zijn statistische verwachtingsmethoden die gebruikmaken van modeluitvoer (“MOS”) niet toepasbaar bij het verwachten van tornado’s.

Waarschuwingssystematiek Vanwege de kleine ruimtelijke schaal en de onzekerheid of en waar een tornado optreedt is het niet mogelijk om hier deterministisch vooraf voor te waarschuwen. Voorwaarschuwingen voor tornado’s zijn dus altijd (beschrijvende) kansverwachtingen die de waarschijnlijkheid van het optreden in een bepaald gebied en tijdvak aangeven. Voor het effectief afleiden van dergelijke uitspraken zijn behalve bovengenoemde parameters ook specifieke parameters nuttig, zoals de Updraft Helicity (UH), die vaak in de VS wordt gebruikt, of de SR(E)H (Storm Relative (Environmental) Helicity).

De Updraft Helicity (UH) is de heliciteit van de stijgstroom, gedefinieerd als de verticale integraal van het product van de verticale snelheid en de verticale vorticiteit tussen twee niveaus, en zegt iets over de rotatie van de stijgstroom. Met deze parameter zijn in de VS goede ervaringen. De SR(E)H (Storm Relative (Environmental) Helicity) geeft de mate weer waarin vorticiteit uit de omgeving van de convectieve cel op de stijgstroom wordt overgedragen, in de laag tussen 0-1 of 0-3 km. De SRH wordt berekend als de verticale integraal over het product van de windvector ten opzichte van de verplaatsing van de bui en de vorticiteit. Vooral de SRH is zeer gevoelig voor verstoring door de convectie zelf. Wel kunnen effecten van de convectie een significante bijdrage aan de SR(E)H leveren die relevant is voor een nieuwe cel die stroomopwaarts ontstaat. Een voorbeeld hiervan is convectieve uitstroom nabij het aardoppervlak die een significant effect heeft op de verticale windschering.

Bij het uitgeven van kortetermijnwaarschuwingen voor tornado’s gebruiken weerdiensten vrijwel altijd gegevens van Dopplerradars waarmee een mesocycloon gedetecteerd kan worden. Op grond van de verplaatsing van de buiencel wordt dan meestal met een kegelvormig gebied stroomafwaarts van de mesocycloon gewaarschuwd. Een mesocycloon impliceert echter niet dat er ook een tornado optreedt. Uit onderzoek is gebleken dat slechts 3 tot 25% van de mesocyclonen ook daadwerkelijk gepaard gaat met een tornado (Wakimoto et al., 1989, Jones et al., 2004; Trapp et al., 2005). Daarnaast

Figuur 7: Windvaantjes (links), windstoten in knopen (midden) en neerslagintensiteit in mm/uur (rechts) van de 00 UTC run van Harmonie versie 40, om 12 UTC op 27 juni 2022. Bron: KNMI.

wordt o.a. in de Verenigde Staten ook gebruik gemaakt van getrainde, vrijwillige waarnemers (“spotters”) die tornado’s rapporteren aan de weerdienst. Voor het verspreiden van de waarschuwing gebruikt men in de VS onder andere sirenes, speciale radio- en televisie-uitzendingen en pushberichten op mobiele telefoons. De detectie van de mesocycloon is een geautomatiseerd proces, maar wordt in Nederland nog niet toegepast op radarwaarnemingen. In de toekomst gaat het KNMI mogelijk op kleinschaliger niveau waarschuwen en zal dan ook van automatische detectie van convectieve fenomenen, waaronder mesocylonen, gebruik gaan maken.

Waarschuwingen voor wind- en waterhozen of tornado’s worden in Nederland slechts uitgegeven op basis van visuele waarnemingen door derden. De verspreiding van de waarschuwing vindt via de in Nederland gebruikelijke kanalen plaats (website KNMI en sociale media). Een doelgericht verspreidingskanaal in Nederland zou een pushbericht naar mobiele apparaten kunnen zijn.

Bij het waarschuwen voor tornado’s is het tegelijk belangrijk te realiseren dat het een zeldzaam fenomeen is. De kans om door een tornado getroffen te worden is zeer klein. Ook bij doelgerichte waarschuwingen is het percentage valse alarmen (onterechte waarschuwingen) groot.

Handelingsperspectief bij waarschuwingen Om een waarschuwing effectief te laten zijn (het kunnen vermijden van letsel of schade), dient de ontvanger van de waarschuwing een handelingsperspectief te hebben. Dat wil zeggen: zodanig kunnen handelen dat er een reductie van het risico optreedt. Ten eerste is hiervoor noodzakelijk dat de ontvanger kennis heeft van het mogelijke effect van het fenomeen waarvoor gewaarschuwd wordt. Omdat tornado’s die schade of letsel veroorzaken in Nederland zeldzaam zijn, is deze kennis niet grootschalig aanwezig.

Ten tweede dient de ontvanger maatregelen te kunnen nemen. In Nederland is dat in zekere mate mogelijk. De effectiefste maatregel is het dekking zoeken in een ruimte zonder ramen, bij voorkeur een kelder van een gebouw van voldoende constructieve sterkte (bijvoorbeeld een huis of bedrijfsgebouw). Hierdoor verkleint men het risico dat men getroffen wordt door rondvliegende voorwerpen of glas, een belangrijke oorzaak van letsel bij tornado’s. Omdat instorting van gebouwen pas optreedt bij tornado’s van een sterkte die in Nederland zelden optreden, is dekking zoeken vrijwel altijd effectief. Buiten kan men het beste dekking zoeken in een sloot of greppel en zich zo klein mogelijk maken.

Het vermijden van materiële schade is beperkt mogelijk en bestaat vooral uit het opbergen van voorwerpen die los kunnen raken, het binnen plaatsen van auto’s en het sluiten van ramen en deuren. Gezien de korte tijd tussen de uitgifte van de waarschuwing en het getroffen worden door de tornado moet de ontvanger van de waarschuwing snel handelen en de juiste keuzes maken. Hiervoor moet de ontvanger weten wat te doen en liefst ook geoefend hebben (vergelijk dit met bijvoorbeeld het gebruik van een AED).

Of het KNMI in de toekomst ook vooraf voor tornado’s wil en kan gaan waarschuwen hangt vooral af van het mogelijke effect van de waarschuwing en niet zozeer van de technologische mogelijkheden. Voordat een dergelijke waarschuwing kan worden ingevoerd, moet vooraf ook uitgebreid overleg en afstemming plaatsvinden met betrokkenen in de veiligheidsketen.

Dankwoord Dank aan Rutger Boonstra (KNMI) voor de visualisatie van de “progtemp” en zijn kritische bijdragen en aan Bram van ‘t Veen (KNMI) voor de visualisatie van de radarwaarnemingen.

Referenties

Enhanced Fujita scale Wikipedia : https://en.wikipedia.org/wiki/Enhanced_Fujita_scale Wakimoto, R.M., and J.W. Wilson, 1989: Non-Supercell Tornadoes. Mon. Weather Rev., 117, 1113-1140. Jones, T. A., K. M. McGrath, and J. T. Snow, 2004: Association between NSSL Mesocyclone Detection Algorithm-detected vortices and tornadoes. Wea. Forecasting, 19, 872-890. Trapp, R. J., G. J. Stumpf, and K. L. Manross, 2005: A Reassessment of the Percentage of Tornadic Mesocyclones. Wea. Forecasting, 20, 680-687.

Contact: yorick.de.wijs@knmi.nl en Adri.huiskamp@knmi.nl