Hydrologische wetenschappen

Neerslag

Een neerslag ontstaat door de condensatie van water uit de atmosfeer wanneer de lucht wordt afgekoeld tot het dauwpunt, de temperatuur waarbij de lucht verzadigd raakt ten opzichte van waterdamp. Het afkoelingsproces wordt gewoonlijk op gang gebracht door het opstijgen van de lucht, wat het gevolg kan zijn van een aantal oorzaken, waaronder convectie, orografische effecten boven bergketens, of frontale effecten aan de grenzen van luchtmassa’s met verschillende kenmerken. Condensatie in de atmosfeer vereist de aanwezigheid van condensatiekernen om de druppelvorming op gang te brengen. Een deel van het condensaat kan als wolk over aanzienlijke afstanden worden getransporteerd voordat het, afhankelijk van de plaatselijke temperaturen, als regen of sneeuw vrijkomt. Sommige neerslag in de vorm van dauw of mist is het gevolg van condensatie aan of nabij het landoppervlak. In sommige gebieden, zoals het noordwesten van de kust van de Verenigde Staten, kunnen dauw- en mistdruppels een aanzienlijke bijdrage leveren aan de waterhuishouding. Voor de vorming van hagel is een opeenvolging van condensatie- en bevriezingsperioden nodig, die het gevolg zijn van opeenvolgende perioden van opwaartse druk. Hagelstenen vertonen gewoonlijk een patroon van concentrische ringen van ijs als gevolg daarvan.

Directe metingen van neerslag worden gedaan door een verscheidenheid van meters, die alle bestaan uit een of andere vorm van trechter die het instromende water naar een of andere opslagcontainer leidt. Opslagmeters slaan de neerslag gewoon op, en het verzamelde water wordt meestal dagelijks, wekelijks of maandelijks gemeten. Met registratiemeters kan de neerslaghoeveelheid worden bepaald.

Hoeveelheden neerslag worden meestal omgerekend naar eenheden van diepte-volume per oppervlakte-eenheid. Metingen die zijn verkregen met verschillende soorten regenmeters zijn niet direct vergelijkbaar vanwege de verschillende blootstelling, wind en spateffecten. Het nauwkeurigste type meter is de maaiveldmeter, waarbij de opening van de meter op gelijke hoogte met het grondoppervlak is geplaatst en is omgeven door een antispatrooster. De vangsten van regenmeters nemen af naarmate de opening hoger boven de grond wordt geplaatst, vooral in gebieden met veel wind. In gebieden met veel sneeuwval kan het echter nodig zijn de regenmeter zo te verhogen dat de opening vrij is van het sneeuwoppervlak. Verschillende afschermingen voor de opening van de meter zijn uitgeprobeerd in een poging om de windeffecten te compenseren. Windeffecten zijn groter voor sneeuw dan voor regen en voor kleine druppels of lichte regenval dan voor grote druppels.

Een indruk van de ruimtelijke verdeling van de neerslagintensiteit kan worden verkregen door indirecte metingen van de neerslag, met name radarverstrooiing. De relatie tussen neerslagintensiteit en gemeten radarsignalen is afhankelijk van verschillende factoren, waaronder het type neerslag en de verdeling van de druppelgrootte. Radarmetingen worden vaak gebruikt in combinatie met regenmeters om on-line kalibratie mogelijk te maken bij de omrekening van het radarsignaal naar neerslaghoeveelheden. De radarmetingen gebeuren echter op een veel grotere ruimtelijke schaal. Een resolutie van 5 tot 10 vierkante kilometer is gebruikelijk voor operationele systemen. Toch geeft dit een veel beter beeld van de ruimtelijke patronen van neerslag over grote stroomgebieden dan voorheen mogelijk was. Het gebruik van teledetectie met behulp van satellieten om neerslaghoeveelheden te bepalen staat nog in de kinderschoenen, maar het ziet ernaar uit dat deze techniek nuttig zal blijken voor het ramen van neerslaghoeveelheden in afgelegen gebieden.

Het meten van de input van sneeuw in de waterbalans van een stroomgebied is eveneens een moeilijk probleem. De meest elementaire techniek is de sneeuwbaan, een reeks palen om de sneeuwhoogte te meten. Sneeuwval kan echter sterk in dichtheid variëren, hoofdzakelijk afhankelijk van het temperatuurverloop bij de sneeuwvorming. Geaccumuleerde sneeuw verandert in de loop der tijd van dichtheid voordat hij smelt. De dichtheid van sneeuw kan worden gemeten door een monster van bekend volume in een standaard metalen cilinder te wegen. Andere technieken om de sneeuwval te meten zijn het gebruik van sneeuwkussentjes, die het veranderende gewicht van de erboven liggende sneeuw registreren, of het gebruik van regenmeters met verwarmingselementen, die de sneeuw doen smelten terwijl hij valt. Deze technieken zijn onderhevig aan windeffecten, zowel tijdens een storm als tussendoor door herverdeling van de sneeuw door de wind.

Samenvattende statistieken over neerslag worden gewoonlijk geproduceerd op basis van dagelijkse, maandelijkse en jaarlijkse hoeveelheden die op een bepaalde plaats of in een stroomgebied vallen. De frequentie waarmee een neerslag van een bepaald volume binnen een bepaalde periode valt, is ook van belang voor de hydrologische analyse. De bepaling van deze frequentie, of van het interval van herhaling van de neerslag uit de steekproef van beschikbare gegevens, is een statistisch probleem dat in het algemeen de aanname impliceert van een bepaalde waarschijnlijkheidsverdeling om de kenmerken van de neerslag weer te geven. Bij dergelijke analyses moet worden aangenomen dat deze verdeling in de loop van de tijd niet verandert, ook al is aangetoond dat in sommige gebieden van de wereld klimaatveranderingen de neerslagstatistieken kunnen doen variëren. Er wordt al lang gespeculeerd dat regenval over lange perioden cyclische patronen kan vertonen, en er is veel moeite gedaan om dergelijke cycli op te sporen. In sommige gebieden is de jaarlijkse seizoenscyclus van het grootste belang, maar demonstraties van langere periodiciteiten zijn niet algemeen toepasbaar gebleken.

Patronen van neerslagintensiteit en -duur zijn van groot belang voor de hydroloog bij het voorspellen van afvoeren en beschikbaarheid van water in stroomgebieden en bij het omgaan met overstromingen, droogtes, drainage en bodemerosie. Regenval varieert zowel binnen als tussen regenbuien, soms dramatisch, afhankelijk van het type en de omvang van de storm en de snelheid waarmee deze zich verplaatst. Binnen een storm heeft de gemiddelde intensiteit de neiging af te nemen met een toename van het stormgebied.

Op grotere schaal variëren de seizoensgebonden variaties in regenval met het klimaat. Vochtige gematigde gebieden hebben neerslag die vrij gelijkmatig over het jaar is verdeeld; mediterrane gebieden hebben een winterpiek met weinig neerslag in de zomer; savannegebieden hebben een dubbele neerslagpiek; en equatoriale gebieden hebben weer een vrij gelijkmatige verdeling van de neerslag over het jaar. De gemiddelde jaarlijkse neerslag varieert ook aanzienlijk. Het minimum op lange termijn geregistreerde gemiddelde is 0,76 millimeter in Arica, Chili; het maximum 11.897,36 millimeter in Tutunendo, Colombia. De maximumhoeveelheden regen die zijn gemeten zijn 38 millimeter in één minuut (Barot, Guadeloupe, 1970); 1.870 millimeter in één dag (Cilaos, Réunion, 1952); en 26.461 millimeter in één jaar (Cherrapunji, India, 1861).