Voor buien is een onstabiele atmosfeer nodig. Hoe groter de onstabiliteit, hoe sterker de verticale bewegingen zijn en hoe forser buien kunnen worden. Om een inschatting te maken van de hevigheid van buien kijkt de meteoroloog onder meer naar onstabiliteitsindices zoals CAPE en Shear. Ook de Lifted Index wordt meegenomen in de analyse.

Misschien heb je het een meteoroloog wel eens horen zeggen: de CAPE is hoog, dus als er buien ontstaan, kunnen die behoorlijk fors worden. CAPE staat voor Convective Available Potential Energy. CAPE wordt uitgedrukt in J/kg en geeft aan hoeveel potentiële energie er in een laag van de atmosfeer aanwezig is. Hoe meer CAPE er is, hoe krachtiger de lucht kan stijgen.

In de naam zit het woord potential, waarmee wordt aangegeven dat de lucht potentieel veel energie bevat. Dit betekent nog niet dat deze energie ook daadwerkelijk vrijkomt. Er zijn weersituaties waarin veel CAPE aanwezig is, maar waarbij de energie niet loskomt, bijvoorbeeld door te weinig vocht of door een stabiele luchtlaag, een zogenaamde CAP, die de atmosfeer op slot houdt.

Weermodellen kunnen CAPE makkelijk uitrekenen. Het principe werkt als volgt: er wordt een luchtbelletje opgelaten vanaf de grond (Surface CAPE). Op meerdere niveaus wordt gekeken naar het verschil tussen de temperatuur van het luchtbelletje en de omgevingslucht. Is het luchtbelletje warmer, dan stijgt het verder. Ondertussen koelt het luchtbelletje af volgens een adiabatisch proces. Het stijgen gaat door zolang het luchtbelletje warmer is dan de omgeving.

Is het luchtbelletje kouder dan de omgeving, dan draagt het niet bij aan de CAPE. Sterker nog: het levert een negatieve bijdrage, genaamd CIN (Convective Inhibition). Wanneer de CIN hoog is, is het moeilijk voor lucht om te stijgen. Bij een lage CIN is er meer kans dat de CAP wordt doorbroken, zeker als er CAPE aanwezig is.

Iedere meter die het luchtbelletje stijgt, levert wat energie op. De hoeveelheid energie is afhankelijk van het temperatuurverschil. Door alle waardes op te tellen, kom je tot de beschikbare hoeveelheid CAPE.

De mixed layer is de onderste luchtlaag van de atmosfeer die overdag goed mengt als gevolg van de zon die de grond opwarmt. Hierdoor wordt de lucht onstabiel en stijgen luchtbellen op vanaf het aardoppervlak. Door het opstijgen van de luchtbellen worden vocht en temperatuur gelijkmatiger gemengd. Er wordt meestal gekeken naar de onderste 50 hPa tot 100 hPa.

De mixed layer wordt ondermeer gebruikt voor de MLCAPE. Dit is de hoeveelheid energie die beschikbaar is in de mixed layer en geeft een realistischer beeld voor bijvoorbeeld onweersverwachtingen omdat er naar een gemengde laag wordt gekeken.

Windshear is ook een belangrijk element dat buien verder kan laten ontwikkelen. Windshear is een verandering van de wind met de hoogte. Het is een misverstand te denken dat de wind op alle niveaus uit dezelfde richting waait en dezelfde kracht heeft.

We kennen directional shear (verandering in windrichting) en speed shear (verandering in windsnelheid). Vaak komen beide vormen tegelijk voor (bulk shear). Windshear zorgt ervoor dat buien langer kunnen blijven bestaan. Ook kan windshear ervoor zorgen dat een buienwolk gaat roteren om zijn verticale as, waardoor supercells of zelfs tornado’s kunnen ontstaan. 

Voor de shear wordt er vaak onderscheid gemaakt tussen twee lagen. Low Level Shear (LLS) , de shear in de onderste kilometer van de atmosfeer en de Deep Level Shear (DLS) die de shear onderste 6 kilometer beschrijft (soms tot 8 kilometer). Veel LLS kan een indicatie zijn voor tornado's en supercells. DLS bepaalt of onweersbuien zich sterk kunnen ontwikkelen. Je moet dan denken aan lijnvormige systemen (squall lines) en multicells.

Een veel gebruikt begrip is de zogenaamde effectieve bulk shear. Er wordt dan gekeken naar shear in de relevante laag. Dit is de laag vanaf het oppervlak tot het bovenste niveau van de onstabiele luchtkolom (bovenkant CAPE gebied). Als vuistregel wordt gesteld dat er minstens 100 J/kg beschikbaar moet zijn en dat de laag een relevante dikte heeft om van effectieve shear te kunnen spreken.

Bedenk wel: windshear alleen levert echter geen buien op; daar is ook onstabiliteit en vocht voor nodig. Een combinatie van shear en CAPE vergroot de kans op buien aanzienlijk.

Prognose temperatuurprofielen, beter bekend als progtemps geven een mooi inzicht in hoe de atmosfeer in de tijd verandert. Van meerdere luchtlagen worden meteorologische parameters uitgerekend, waardoor je een mooie verticale doorsnede van de atmosfeer krijgt. Het uitrekenen van CAPE en het inzichtelijk maken van windshear is zo de afgelopen jaren veel makkelijker geworden. Voor vrijwel elke locatie hebben weermodellen nu progtemps beschikbaar.

Met de opkomst van de progtemps is de parameter Lifted Index (LI) wat meer op de achtergrond geraakt. Toch blijft deze eenvoudige parameter een goede indicatie voor onstabiliteit. De LI kijkt naar het temperatuurverschil tussen een stijgend luchtpakketje en de omgevingstemperatuur op het 500 hPa-vlak (op ongeveer 5500 meter hoogte).

Is het luchtdeeltje warmer dan de omgeving, dan is de lucht onstabiel en is de index negatief. Hoe negatiever de index, hoe onstabieler de lucht. Omdat CAPE een groter deel van de atmosfeer meeneemt, is deze parameter nauwkeuriger, maar de LI blijft nuttig voor snelle analyses.

Ook als er veel shear en CAPE aanwezig zijn, hoeft het nog niet 'los te gaan' met buien. Dit kan komen door de aanwezigheid van een cap of cap-inversie: een luchtlaag waarbij de temperatuur stijgt met de hoogte. Hierdoor kunnen luchtpakketjes niet opstijgen en wordt de onstabiliteit als het ware tegengehouden. De CAP fungeert als een soort dekseltje op de atmosfeer dat convectie en buienvorming verhindert.

Als de cap wordt doorbroken, kan de opgebouwde energie vrijkomen en kunnen buien ontstaan. Dit kan gebeuren door:

• Opwarming door de zon: De onderste luchtlaag wordt zo warm dat stijgende lucht sterk genoeg wordt om de cap te doorbreken.
• Convergentie: Wanneer lucht naar elkaar toestroomt, wordt deze gedwongen omhoog te bewegen, wat de cap kan breken.
• Nadering van een trog of front: Hierdoor treedt convergentie op, waardoor lucht stijgt.
• Orografie: Heuvels of bergen forceren lucht om op te stijgen, wat de cap kan doorbreken.
• Advectie van warmere en/of vochtigere lucht: Warmere of vochtiger lucht kan de CAPE verhogen en de CIN verlagen, waardoor een CAP verzwakt of breekt.

In onderstaand diagram is weergegeven waar meteorologen rekening meehouden bij bepaalde hoeveelheden shear en CAPE. Het zijn vuistregels en geen exacte wetenschap omdat kleine details in een weersituatie altijd voor afwijkingen kunnen zorgen. Daarnaast heeft iedere meteoroloog nog andere favoriete parameters en indices waar hij of zij naar kijkt om een verwachting te maken voor extreme buien.