Achtergrond

Watertemperatuur- en ijsgroeimodel van het KNMI

Nederland is rijk aan sloten, vaarten en meren. In verband met gebruik voor transport of recreatie of in verband met milieuvragen wil men soms de watertemperatuur weten of de dikte van een eventueel ijsdek.

Metingen daarvan zijn nauwelijks beschikbaar. Het blijkt echter mogelijk deze gegevens af te leiden uit routinemetingen op een nabij gelegen weerstation. Het KNMI gebruikt hiervoor sinds 1982 een model. Dit werd sindsdien uitvoerig geverifieerd: Simulaties van de temperatuur van stilstaand zoet buitenwater blijken binnen circa 1 graad correct. IJsdikten worden binnen ca 10% benaderd. 

Warmtebalans van een waterkolom

Warmte-overdracht via een water- of ijsoppervlak vindt plaats door:

  • warmte-transport ten gevolge van het temperatuurverschil tussen water en lucht.
  • afkoeling t.g.v. verdamping; die is sterker als de lucht droog is.
  • een bijdrage in de vorm van straling, d.w.z. opwarming door binnenkomende zonnestraling of afkoeling door nachtelijke uitstraling.

Door deze effecten streeft een watermassa naar een zogenaamde evenwichtstemperatuur, die 's winters iets onder en 's zomers iets boven de luchttemperatuur ligt. De warmte-overdracht verloopt sneller als de windsnelheid groot is en ook als de lucht kouder is dan het oppervlak. Dit laatste betekent dat bij gelijk absoluut temperatuurverschil tussen de lucht en het oppervlak ijsvorming sneller gaat dan dooi. Om de bovengenoemde termen te schatten worden de volgende gegevens van een weerstation gebruikt: temperatuur, relatieve vochtigheid, bewolking en windsnelheid. Ook de neerslag kan nodig zijn om informatie te geven over een eventueel sneeuwdek op het ijs. 

Afkoeling en ijsvorming

Naarmate water dieper is duurt het langer voordat de warmtestroom door het oppervlak in staat is al dat water tot de evenwichtstemperatuur aan te passen. De aanpassingstijd voor een typische diepte van 2 meter bedraagt vele dagen. Een diep meer koelt langzamer tot het vriespunt dan een ondiepe sloot. De waterdiepte is dus een belangrijk invoergegeven voor het ijsgroeimodel. Als het water tot nabij het vriespunt is gekoeld kan zich ijs vormen. Bij stilstaand water en weinig wind gebeurt dit aan het oppervlak omdat beneden 4 graden het warmere water zwaarder is en naar de bodem zakt. 

IJsgroei

Als er ijs ligt kan dat alleen groeien als aan de onderzijde water bevriest. De vrijkomende stollingswarmte moet door het ijsdek worden afgevoerd. Bij gelijke vorst groeit een dik ijsdek dus steeds trager. De waterdiepte speelt na het eerste ontstaan van ijs nauwelijks nog een rol, afgezien van de sterkere negatieve invloed van bodemwarmte bij ondiepe sloten. Een vers sneeuwdek vormt een extra isolatie voor de warmte-overdracht en belemmert dus ijsgroei. Zulke sneeuw helpt echter ook tegen zonnestraling. Bij oudere sneeuw worden beide effecten minder. 

Varianten van het model

Het model kan rekening houden met een aantal opties:

  • diepte van het water: dit bepaalt het begintijdstip van ijsvorming.
  • verminderde ijsgroei t.g.v. nabije warm-water lozingen.
  • verminderde ijsgroei t.g.v. stroming die warmer bodemwater in contact met het ijsoppervlak brengt.
  • uitgestelde ijsgroei door het optreden van windwakken; ook versnelde vernietiging van het ijsdek door wind tijdens dooi.
  • verminderde ijsgroei onder bruggen door verminderde stralingseffecten.
  • het al dan niet ruimen van sneeuw door ijsclubs.

Voor elk weerstation kan zo een tiental verschillende modellen gedefinieerd worden.

Toepassingen

Door toepassen van het model op historische weerwaarnemingen is het mogelijk om ijsdikten in het verleden te schatten. Omgekeerd kan het model gebruikt worden om uit oude ijsdiktemetingen het weer te reconstrueren. Er bestaat bijvoorbeeld een overzicht van de ijshinder op de trekvaart Leiden-Haarlem-Amsterdam over de jaren 1634-1839. Het model is ook nuttig bij het beantwoorden van technische vragen, bijvoorbeeld naar de kans op dichtvriezen van een koelwak bij een elektriciteitscentrale. 

Door het model te voeden met weersvoorspellingen kan men ijsdikte- verwachtingen maken. In de zomer kan men tijdig geïnformeerd worden over ongewenst hoge watertemperaturen. Sinds 1996 wordt het model ook gekoppeld aan het ensemble- voorspelsysteem, waarmee gehoopt wordt een uitspraak over de actuele nauwkeurigheid van de voorspelling te kunnen doen. 

Meer informatie:

  • H.A.R.de Bruin, H.R.A.Wessels, 1990, IJs in de Lage Landen, Zenit, 17, 437-444.
  • H.A.R.de Bruin, H.R.A.Wessels, 1988, A model for the formation and melting of ice on surface waters, Journal of Applied Meteorology, 27, 164-173.
Niet gevonden wat u zocht? Zoek meer achtergrond artikelen