winter in het bos
Bron: Marjan Barnajoha
Achtergrond

Gevoelstemperatuur in de winter

Bij vriezend weer voelt het op een winderige dag, ten gevolge van meer warmteverlies door de wind, kouder aan. Het KNMI hanteert de JAG/TI methode voor de berekening van de gevoelstemperatuur in de winter.

De zogenaamde gevoelstemperatuur geeft aan bij welke temperatuur op een koude winterdag zonder wind bij een volwassen mens een vergelijkbaar warmteverlies zal optreden als bij een situatie met wind. De gevoelstemperatuur wordt in het Engels 'wind chill equivalent temperature' genoemd. Het verschil tussen de luchttemperatuur en de gevoelstemperatuur is een maat voor het door de wind veroorzaakte warmteverlies. 

De gevoelstemperatuur wordt berekend uit een combinatie van luchttemperatuur en gemiddelde windsnelheid. Naast wind en temperatuur kunnen ook zonnestraling en luchtvochtigheid een rol spelen. Bij zonnig weer kan de temperatuur zoals die wordt gevoeld wel 5 tot 10 graden hoger zijn dan met de gevoelstemperatuur werd berekend. De luchtvochtigheid speelt nauwelijks een rol bij lage temperatuur (waterdampgehalte is laag, vocht wordt door vorst ook uitgevroren), maar bezwete of natte huid koelt wel sneller af door goede geleiding van de huidwarmte naar de koude lucht. Luchtvochtigheid speelt een wel een belangrijke rol bij hittestress in de zomer. 

De bepaling van de gevoelstemperatuur is gebaseerd op het warmteverlies van een gezonde, volwassen persoon van gemiddelde lengte. Er is een aantal individuele factoren die verschillende gevoelservaringen van koude bepalen. Kwetsbaarder zijn bijvoorbeeld kinderen, oudere mensen en hart- en vaatpatiënten en gebruikers van bewustzijnsverminderende genotmiddelen en medicijnen. 

Belang van waarschuwingen

Sinds de winter van 2010 geeft het KNMI een waarschuwing code geel als de gevoelstemperatuur lager wordt dan -15 graden. Bij een gevoelstemperatuur onder de -20 graden kan het KNMI opschalen naar code oranje. Het vermelden van de gevoelstemperatuur door de meteorologische diensten is noodzakelijk om koudeletsel, zoals onderkoeling en bevriezing te voorkomen.

Extreme doordringende kou met in De Bilt gedurende minstens een uur gevoelstemperaturen onder de -25 graden komt gebaseerd op een halve eeuw gegevens gemiddeld eens in de 33 jaar voor, eens in de twee jaar zakt de gevoelstemperatuur onder de -20 graden. Gemiddeld telt een jaar 3 dagen met gevoelstemperaturen onder de -15 graden. Op 10 dagen per jaar komt de gevoelstemperatuur onder -10 graden. Een hele dag onder -10 graden met een laagste gevoelstemperatuur onder -20 graden komt eens in de drie jaar voor.

Door de verder doorzettende opwarming van het klimaat wordt extreme kou steeds zeldzamer, maar ijskoude dagen blijven wel mogelijk. We raken er dus minder aan gewend waardoor de noodzaak van waarschuwingen onder zulke omstandigheden groter wordt. 

Laagste gevoelstemperatuur

Om een idee te geven van de gevolgen: bij een gevoelstemperatuur onder -25 graden kunnen binnen een half uur bevriezingsverschijnselen optreden. In Nederland is onderzoek gedaan naar het verlies van handvaardigheid (werken met blote vingers) bij toenemende windchill (Daanen, 2008). Uit dat onderzoek komt voort dat vingertoppen grip verliezen als de huidtemperatuur onder 14 graden komt. Dit impliceert dat handelingsbekwaamheid afneemt bij -10 graden na ongeveer 2,5 uur en bij -30 graden na ongeveer een kwartier. 

De laagste gevoelstemperatuur sinds 1961 berekend op uurbasis volgens de JAG/TI methode is voorgekomen in het noorden en midden van het land op 14 januari 1987. Eelde en Twente hadden toen een gevoelstemperatuur van -28 graden, De Bilt -26 graden. Ook 31 december 1978 was een berekoude dag met in het zuiden van het land gevoelstemperaturen van -26 graden. Op oudejaarsdag 1978 werd het openbare leven bovendien ontwricht door hevige sneeuwval en een harde tot stormachtige wind. De laatste zeer koude dagen maakte ons land mee rond de jaarwisseling van 1996/1997 toen De Bilt gevoelstemperaturen zijn opgetekend tussen -17 en -22 graden. Op 4 januari 1997 werd de Elfstedentocht verreden. Ook op 25 en 26 januari 1996 was de gevoelstemperatuur -19 graden. 

Verschillende methoden

Voor de berekening van gevoelstemperatuur bestaan meerdere methoden. Het KNMI maakt sinds de winter van 2010 gebruik van een in Canada ontwikkelde formule, de JAG/TI methode. Ook de Verenigde Staten, het Verenigd Koninkrijk en IJsland hanteren deze formule. Deze wetenschappelijk onderbouwde methode van Joint Action Group on Temperature Indices (JAG/TI) is gebaseerd op het warmtetransport van het lichaam naar de huid. De JAG/TI index staat dichter bij de menselijke ervaring van warmteverlies dan andere methodes. 

Hieronder worden de verschillende methoden besproken. De luchttemperatuur wordt voor de duidelijkheid aangegeven in '°C', de gevoelstemperatuur in 'graden'. In Canada wordt achter de gevoelstemperatuur zelfs geen eenheid gemeld. Voor de JAG/TI methode hanteerde het KNMI een tabel op basis van het werk van Steadman. In de Verenigde Staten en Canada werd tot 2001 de methode van Siple en Passel gebruikt, maar op hun methode was veel kritiek.

grafiek met vergelijking van de gevoelstemperatuur volgens Siplie-Passel, Steadman en JAG/TI bij luchttemperatuur -15°C en toenemende windsnelheid tot 80 km/uur. Opvallend is het afwijkende karakter van Siple-Passel.
Figuur 1. Vergelijking van de gevoelstemperatuur volgens Siplie-Passel, Steadman en JAG/TI bij luchttemperatuur -15°C en toenemende windsnelheid tot 80 km/uur. Opvallend is het afwijkende karakter van Siple-Passel ©KNMI

Methode Siple en Passel

De oudste methode is van de Amerikaanse onderzoekers Paul Siple en Charles Passel. Deze is ontwikkeld uit experimenten in 1939 tijdens de derde Poolexpeditie van Admiraal Byrd (Siple, 1945). Zij bestudeerden op Antarctica de snelheid waarmee een cilinder, gevuld met water van +10 °C, afkoelde tot de temperatuur van de omgeving. 

De formule voor de berekening van de gevoelstemperatuur volgens Siple en Passel (GSP) luidt:

G(SP) = 33 + (T - 33) * (0,474 + 0,454 * W0,5 - 0,0454 * W)

met temperatuur T in °C op 1,50 meter hoogte en windsnelheid W in m/s op 10 meter hoogte.

Het bezwaar tegen de manier waarop ze het windeffect hadden bepaald was met name de vergelijking van een afkoelende cilinder met water met de afkoeling van een tegen de kou geklede mens. Een mens kan ook warmte verliezen door uitademen, verdamping en door uitstraling. Eventueel kan een mens zich verwarmen door in de zon te gaan staan. De totale afkoeling zal dan anders verlopen dan de afkoeling van een cilinder met water. 

De onderzoekers hielden geen rekening met de luchtvochtigheid. Ook de invloed van zon werd buiten beschouwing gelaten, want op de basis in Antarctica kwam gedurende de wintermaanden de zon niet boven de horizon. 

De methode van Siple en Passel werd tot eind 2001 met name in Amerika en Canada gebruikt. Er werd in toenemende mate wetenschappelijke en maatschappelijke kritiek op geleverd; vooral bij lagere temperaturen en veel wind gaf hun berekening een zeer lage gevoelstemperatuur. Deze methode is bij het KNMI niet toegepast, maar werd tot 2008 wel gebruikt in ISO-11079: Ergonomics of the thermal environment - Determination and interpretation of cold stress when using required clothing insulation (IREQ) and local cooling effects.

Methode Steadman 

Robert G. Steadman koos in 1971 voor een andere benadering. Hij wilde weten hoeveel kleding er nodig was om mensen te kunnen beschermen tegen bittere kou. Hij bepaalde het evenwicht tussen het warmteverlies door de koude wind en de warmteproductie van een gezond, volwassen en lopende persoon (gemiddelde lengte 1,70 meter, huidoppervlak van 1,7 m2 en wandelsnelheid van 4,7 km/uur, warmteproductie van 188 W/m2). 

In zijn methode werd het warmteverlies opgebouwd uit een vijftal factoren: doordat koude lucht wordt ingeademd en verwarmd wordt uitgeademd, door verdamping, door warmteafgifte van blote huid, warmteverlies door dunner geklede handen en voeten en warmteverlies van de dikker geklede lichaamsdelen. In de laatste drie termen zit een relatie met de wind, waardoor indirect de gevoelstemperatuur kan worden bepaald. De som van alle termen moet gelijk zijn aan 188 W/m2. De invloed van de relatieve vochtigheid werd alleen meegenomen voor omstandigheden waaronder mensen door de hitte kunnen worden bevangen (Steadman, 1984). 

Quale (1998) geeft een benaderingsformule voor de gevoelstemperatuur (GS) op basis van de aanpassing van het berekende warmteverlies volgens Steadman uit 1997: 

G(S) = 1,41 - 1,162 * W + 0,98 * T + 0,0124 * W2 + 0,0185 * W * T

met temperatuur T in °C op 1,50 meter hoogte en windsnelheid W in m/s op 10 meter hoogte.

Deze formule geeft minder extreem lage gevoelstemperaturen dan de methode van Siple en Passel. Het KNMI hanteert een tabel voor de gevoelstemperatuur op basis van het werk van Steadman uit 1971, beschreven door Zwart (1992). De waarden volgens deze tabel zijn gemiddeld één graad lager dan de formule volgens Quale in 1998. In het Verenigd Koninkrijk werd na de strenge winter van 1986 de tabel van Steadman uit 1984 gebruikt (Dixons and Prayer, 1987).

Methode JAG/TI

In april 2000 organiseerde Environment Canada de Joint Action Group on Temperature Indices (JAG/TI) onder leiding van de US National Weather Service en Meteorological Service of Canada. Aan deze eerste “Global International workshop on Windchill” namen meer dan 400 deelnemers uit 35 landen deel (JAG/TI, 2003). Vrijwel iedereen was het eens met de noodzaak om te komen tot een internationale standaard voor de “wind chill equivalent temperature”. Op voorstel van Randall Osczevski en Maurice Bluestein werd door JAG/TI in 2001 een wetenschappelijk onderbouwde methode vastgesteld. De methode houdt,in tegenstelling tot de andere berekeningsmethoden, rekening met veranderend warmteverlies bij dalende huidtemperatuur. Op basis van fysiologisch onderzoek in 2002 werd de waarde voor de thermische weerstand van de huid bevestigd. Twaalf vrijwilligers liepen enkele malen op een loopband in een koeltunnel onder verschillende wind- en temperatuurcondities. Met sensoren op voorhoofd, wangen, kin, neus en in de mond werden lichaamstemperatuur en warmteverlies gemeten (Osczevski en Bluestein, 2005).

De formule voor de gevoelstemperatuur (GJ) op basis van JAG/TI-methode luidt:

GJ = 13,12 + 0,6215 * T - 11,37 * (W * 3,6)0,16 + 0,3965 * T * (W * 3,6) 0,16

met temperatuur T in °C op 1,50 meter hoogte en windsnelheid W in m/s op 10 meter hoogte.

De windsnelheid wordt met de machtsfunctie herleid van de windmeting op 10 meter hoogte naar de wind op 1,50 meter hoogte. De JAG/TI-methode is ontwikkeld voor een luchttemperatuur (in de schaduw) tussen -46 en +10 °C en voor een gemiddelde windsnelheid tussen 1,3 en 49,0 m/s, beide gemeten op standaard meethoogte (1,50 meter, resp. 10 meter) bij een wandelsnelheid van 4,8 km/uur. Voor minder wind dan 1,3 m/s zou aangenomen kunnen worden dat de luchttemperatuur vrijwel gelijk aan de gevoelstemperatuur is, JAG/TI beschrijft deze situatie niet. Bekijk een volledige tabel voor de JAG/TI-gevoelstemperatuur.

In tabel 2 wordt aangegeven hoe vaak de gevoelstemperatuur een hele dag onder een drempelwaarde van 0, -5 en -10 graden komt, waarbij tevens de laagste waarde die dag 10 graden lager is. Hoewel uit tabel 1 blijkt dat gemiddeld over vijf stations de gevoelstemperatuur op 10 dagen per jaar minstens één uur onder -10 graden komt, zien we in tabel 2 dat bijvoorbeeld een hele dag onder -10 graden en minstens één uur onder -20 graden hooguit ééns per drie jaar optreedt. 

tabel met de gevoelstemperatuur
Tabel 1: Gevoelstemperatuur
grafiek met vergelijking van de gevoelstemperatuur volgens Siplie-Passel, Steadman en JAG/TI bij luchttemperatuur -15°C en toenemende windsnelheid tot 80 km/uur. Opvallend is het afwijkende karakter van Siple-Passel.
Figuur 1. Vergelijking van de gevoelstemperatuur volgens Siplie-Passel, Steadman en JAG/TI bij luchttemperatuur -15°C en toenemende windsnelheid tot 80 km/uur. Opvallend is het afwijkende karakter van Siple-Passel. ©KNMI
tabel met de gevoelstemperatuur
Tabel 2: gevoelstemperatuur

Literatuur

  • Daanen, H.A.M., 2008: “Manual performance deterioration in the cold estimated using the wind-chill equivalent temperature”, Industrial Health, 47, 274-282
  • Groen, G., 2009: “Wind chill equivalente temperatuur (WCET)”, TR-309, KNMI, De Bilt.
  • OCFM, 2003: “Report on Wind Chill Temperature and Extreme Heat Indices: Evaluation and Improvement Projects”
  • Osczevski, R. and Bluestein, M.: “The basis for the new wind chill temperature chart”, ams.confex.com/ams/pdfpapers/48428.pdf
  • Osczevski, R. and Bluestein, M., 2005: “The new wind chill equivalent temperature chart”, Bull. Amer. Met. Soc. 86-10, 1453-1458.
  • Quale, R.G., 1998: “The Steadman Wind Chill: An Improvement over Present Scales”, Weather and Forecasting, 1187-1193.
  • Siple, P.A. and Passel, C.F., 1945: “Measurements of dry atmospheric cooling in subfreezing temperatures”, Proc. Am. Phil. Soc., 89, 177-199.
  • Steadman R. G., 1984: “A universal scale of apparent temperature”, J. Clim. and Appl. Met., 23, 1674-1687.
  • Zwart, B., 1992: “Wind chill, de door de windsnelheid veroorzaakte temperatuur gewaarwording”, KNMI TR-103a, De Bilt.
Niet gevonden wat u zocht? Zoek meer achtergrond artikelen