Thermometerhutten op het KNMI-terrein in De Bilt waarin continu de temperatuur wordt gemeten (foto: KNMI)
Thermometerhutten op het KNMI-terrein in De Bilt waarin continu de temperatuur wordt gemeten (foto: KNMI)
In een veldexperiment op het KNMI-terrein in De Bilt zijn daarom in de periode 1989-1995 tien hutten onderling vergeleken. Op basis van dit experiment heeft men toen gekozen voor de huidige operationele KNMI-schotelhut. In het kader van een lopend onderzoek naar de homogeniteit van de temperatuurreeks van De Bilt, zijn de resultaten recentelijk opnieuw geanalyseerd. De nadruk lag daarbij op het begrijpen van weersafhankelijke temperatuurverschillen tussen de hutten en het beschrijven en modelleren van de gemiddelde temperatuurverschillen en extremen. De onderzochte hutten worden ook in veel andere landen gebruikt, waardoor de vergelijking ook internationaal van belang is. Dit artikel geeft een korte samenvatting van de uitgebreidere analyse in Van der Meulen en Brandsma (2007) en Brandsma en Van der Meulen (2007).

Temperatuurmetingen en homogeniteit van reeksen
Het meten van luchttemperatuur in de operationele meteorologie en de klimatologie is nog steeds een moeilijke opgave. Vooral de keuze van de meetlocatie en de meetmethode hebben invloed op de metingen. Thermometerhutten met de daarin geplaatste temperatuursensoren zijn een belangrijk onderdeel van de meetmethode. Temperatuursensoren worden steeds nauwkeuriger en stabieler, maar moeten nog wel beschermd worden tegen invloeden van buitenaf zoals straling en neerslag. Thermometerhutten zijn van oudsher bedoeld om die bescherming te bieden. Een thermometerhut beïnvloedt echter zelf ook de metingen, waardoor het meten van de ware luchttemperatuur in feite slechts bij benadering mogelijk is. Een goed ontwerp van een hut is gericht op het minimaliseren van de verschillen met de ware luchttemperatuur, rekening houdend met de lokale en klimatologische omstandigheden. Een goede manier om uit de beschikbare hutten een goed ontwerp te kiezen is het onderling vergelijken van hutten in een veldexperiment zoals beschreven in dit artikel.

Internationaal is de temperatuur van de lucht nabij het aardoppervlak gedefinieerd als: 'the temperature indicated by a thermometer exposed to the air in a place sheltered from direct solar radiation' (WMO, 1992). In plaats daarvan is het wellicht wenselijker om luchttemperatuur te definiëren als: ‘de temperatuur van de lucht ter plekke van de sensor zonder de aanwezigheid van meetinstrumentarium’. Deze laatste definitie stimuleert een goed ontwerp van thermometerhutten en kan uiteindelijk leiden tot het ontwikkelen van methoden waarbij helemaal geen hutten meer nodig zijn, zoals het gebruik van sonische anemometers waarbij de luchttemperatuur indirect gemeten wordt.

Een overgang naar een nieuwe thermometerhut zal in de regel leiden tot betere temperatuurwaarnemingen en zal daarmee bijdragen aan betere weersverwachtingen. Een operationele meteoroloog zal een dergelijke overgang daarom ook toejuichen. Een klimatoloog echter is gebaat bij continuïteit van de waarnemingen en is daarom beducht voor inhomogeniteiten veroorzaakt door bijvoorbeeld een verandering van thermometerhut. Vergelijkingen van moderne thermometerhutten met oudere typen (bijv. 19e eeuw) laten zien dat jaargemiddelde verschillen op kunnen lopen tot soms wel 1.0°C. Een klimatoloog wil daarom graag van te voren een goede inschatting kunnen maken van de grootte van een te verwachten inhomogeniteit. Omdat correcties afhankelijk zijn van het weer, moeten temperatuurverschillen tussen hutten voor verschillende weersomstandigheden onderzocht worden. Zonder een dergelijke analyse is het moeilijk om achteraf te corrigeren voor inhomogeniteiten. Dit geldt des te meer naarmate de aandacht verschuift van reeksen met jaar- en maandwaarden naar reeksen met dagwaarden of nog hogere resolutie. In dat geval wordt de grootte van correcties sterker afhankelijk van de weersomstandigheden.
Figuur 1a. Set-up van het experiment op het KNMI-terrrein in De Bilt: (a) voor de periode 1989-1991. Vanwege een herindeling van het meetterrein is de set-up in november/december 1991 in zijn geheel 50 m naar het zuidoosten verplaatst.
Figuur 1a. Set-up van het experiment op het KNMI-terrrein in De Bilt: (a) voor de periode 1989-1991. Vanwege een herindeling van het meetterrein is de set-up in november/december 1991 in zijn geheel 50 m naar het zuidoosten verplaatst.


Figuur 1b. Set-up van het experiment op het KNMI-terrrein in De Bilt: (b) voor de periode 1992-1995. Vanwege een herindeling van het meetterrein is de set-up in november/december 1991 in zijn geheel 50 m naar het zuidoosten verplaatst.
Figuur 1b. Set-up van het experiment op het KNMI-terrrein in De Bilt: (b) voor de periode 1992-1995. Vanwege een herindeling van het meetterrein is de set-up in november/december 1991 in zijn geheel 50 m naar het zuidoosten verplaatst.

Opzet van het experiment
De waarnemingen zijn verricht in de periode 9 januari 1989 – 11 februari 1995 op het testveld van het meetterrein van het KNMI in De Bilt (figuur 1). Figuur 2 geeft een overzicht van de tien onderzochte thermometerhutten, details staan vermeld in tabel 1. De KNMI schotelhut (Knmi.ref) is de huidige operationele hut en functioneerde de gehele 6-jarige periode. Deze hut is hier als referentie genomen. De overige hutten functioneerden voor een periode van tenminste twee jaar. Alle waarnemingen zijn verricht op 1.5 m hoogte. De operationele meetnauwkeurigheid van de sensoren is 0.1°C. Door gebruik te maken van weersomstandigheden waarbij je mag verwachten dat alle hutten dezelfde temperatuur aangeven, hebben we met een achteraf-calibratie inter-sensor nauwkeurigheden van ca. 0.03°C bereikt (Van der Meulen en Brandsma, 2007). Temperatuur T werd iedere 15 sec gesampled. In de analyse is voornamelijk gewerkt met 10-minuut gemiddelden (zonder overlap). Naast temperatuur is gebruik gemaakt van de volgende operationeel op het KNMI-terrein gemeten elementen: windsnelheid u op 10 m hoogte tot 26 juni 1993 en daarna op 20 m, globale straling Κ↓, bedekkingsgraad N, en relatieve vochtigheid rh. De operationele windmetingen zijn verricht op een afstand van circa 200 m ten oosten van het testveld. De windmetingen zijn daarom niet altijd representatief voor de werkelijke windsnelheid op huthoogte op het testveld.
Figuur 2. Overzicht van de gebruikte thermometerhutten: (a) KNMI schotel, (b) Vaisala schotel, (c) Young Gill schotel, (d) Young kunstmatige aanzuiging (type I en type II), (e) Socrima schotel, (f) Stevenson PVC, en (g) Stevenson hout. Van hutten (a) en (f) zijn zowel een versie met kunstmatige aanzuiging als met alleen natuurlijke ventilatie gebruikt.
Figuur 2. Overzicht van de gebruikte thermometerhutten: (a) KNMI schotel, (b) Vaisala schotel, (c) Young Gill schotel, (d) Young kunstmatige aanzuiging (type I en type II), (e) Socrima schotel, (f) Stevenson PVC, en (g) Stevenson hout. Van hutten (a) en (f) zijn zowel een versie met kunstmatige aanzuiging als met alleen natuurlijke ventilatie gebruikt.

Temperatuurverschillen per dag en jaargemiddeld
Voor iedere dag hebben we op basis van de 144 niet-overlappende 10-minuut gemiddelde temperaturen de minimum Tn, maximum Tx, en gemiddelde temperatuur Tmean berekend. De boxplots in figuur 3 geven voor de vier seizoenen de verdeling van de dagelijkse temperatuurverschillen ΔT (hut – Knmi.ref). De resultaten voor Young.aspI zijn hier en in het vervolg weggelaten omdat de sensor van die hut niet goed functioneerde. De boxplot van ΔTn voor Stev. wood laat voor bijvoorbeeld de herfst (SON) zien dat de ΔTn verdeling een positieve scheefheid bezit met de 90e percentiel gelijk aan 0.33°C (voor 10% van de dagen is ΔTn groter dan dit getal). De meest in het oog springende hut is de Young.aspII, die door zijn sterke kunstmatige ventilatie een veel lagere maximum temperatuur heeft dan de overige hutten. De Vaisala hut is bijna identiek aan Knmi.ref en de spreiding van de ΔT waarden voor deze hutten kunnen we daarom zien als een maat voor de natuurlijke achtergrondruis.

Tabel 1. Details van de thermometerhutten en de daarin geplaatste sensoren. De Stevensonhutten zijn van KNMI ontwerp.
Tabel 1. Details van de thermometerhutten en de daarin geplaatste sensoren. De Stevensonhutten zijn van KNMI ontwerp.

Figuur 3. Boxplots van de individuele temperatuurverschillen ΔT (hut – Knmi.ref) voor winter (DJF), voorjaar (MAM), zomer (JJA) en herfst (SON) voor de dagelijkse minimum Tn , maximum Tx en gemiddelde Tmean temperatuur. De linker- en rechterrand van een box vertegenwoordigt de 25e/75e percentielen (kwartielen); de vertikale lijn in een box vertegenwoordigt de 50e percentiel (mediaan) met daaromheen het 95% betrouwbaarheidinterval (donker grijs); de whiskers markeren de 10e/90e percentielen. Twee van de Young.aspII whiskers vallen buiten de horizontale schaal; de corresponderende waarden staan in de figuur vermeld.
Figuur 3. Boxplots van de individuele temperatuurverschillen ΔT (hut – Knmi.ref) voor winter (DJF), voorjaar (MAM), zomer (JJA) en herfst (SON) voor de dagelijkse minimum Tn , maximum Tx en gemiddelde Tmean temperatuur. De linker- en rechterrand van een box vertegenwoordigt de 25e/75e percentielen (kwartielen); de vertikale lijn in een box vertegenwoordigt de 50e percentiel (mediaan) met daaromheen het 95% betrouwbaarheidinterval (donker grijs); de whiskers markeren de 10e/90e percentielen. Twee van de Young.aspII whiskers vallen buiten de horizontale schaal; de corresponderende waarden staan in de figuur vermeld.



Tabel 2. Jaargemiddelde temperatuurverschillen ΔT (hut – Knmi.ref) voor de dagminimum temperatuur Tn, maximum temperatuur Tx, en gemiddelde temperatuur Tmean. De hutten en en de periode van overlap met Knmi.ref zijn gedefinieerd Tabel 1. De waarden tussen haakjes geven de standaard fouten.
Tabel 2. Jaargemiddelde temperatuurverschillen ΔT (hut – Knmi.ref) voor de dagminimum temperatuur Tn, maximum temperatuur Tx, en gemiddelde temperatuur Tmean. De hutten en en de periode van overlap met Knmi.ref zijn gedefinieerd Tabel 1. De waarden tussen haakjes geven de standaard fouten.


Effect van wind en bewolking op verschillen in de dagelijkse gang
Voor iedere hut hebben we de ΔT (hut – Knmi.ref) verschillen in dagelijkse gang berekend met een resolutie van een uur. Hierbij hebben we onderscheid gemaakt in vier combinaties van u en N. I: u = 3.5 m/s en N = 4/8; II: u > 3.5 m/s en N = 4/8; III: u = 3.5 m/s en N = 5/8; en IV: u > 3.5 m/s en N = 5/8, waarbij N gelijk is aan de bewolkingsfractie (oorspronkelijk in octas). Figuur 4 geeft de verschillen in dagelijkse gang voor de winter (DJF) en de zomer (JJA). Het blijkt dat voor Stev.pvc en Stev.wood de grootste (absolute) waarden van ΔT optreden kort na zonsopkomst en zonsondergang. De relatieve traagheid van deze hutten zorgt ervoor dat ze meer moeite hebben om de sterke temperatuurveranderingen rond die tijdstippen te volgen. Voor Young.aspII is ΔT juist het grootste midden op de dag, wanneer het effect van stralingsfouten bij de overige hutten een belangrijke rol speelt. Het effect van u en N op de dagelijkse gang. Lage waarden van u en N (categorie I) resulteren in grote onderlinge verschillen in dagelijkse gang terwijl hoge waarden (categorie IV) die verschillen juist minimaliseren. Het is interessant om te zien dat de grote absolute verschillen in ΔT voor Stev.pvc en Stev.wood, vlak na zonsopgang en zonsondergang, zo goed als verdwijnen voor u > 3.5 m/s. Het valt ook op dat voor grote waarden van u en N (categorie IV) de bias van Young.aspII overdag relatief groot blijft (ca. –0.1°C in de winter en –0.2°C in de zomer).

Temperatuurverschillen in bijzondere omstandigheden
Voor een thermometerhut is het gedrag voor onbewolkte omstandigheden met veel straling van belang in verband met mogelijke stralingsfouten. Voor de globale straling Κ↓> 750 W/m2 geeft tabel 3 het gemiddelde van de ΔT waarden voor vier categorieën van windsnelheid (corresponderend met de kwartielen van de windsnelheid in de geselecteerde intervallen). Dergelijke hoge waarden van Κ↓ komen vooral midden op de dag voor. Omdat ΔT /dt dan klein is, is ook het effect van traagheidsverschillen tussen de hutten op ΔT klein. De tabel laat zien dat ΔT varieert tussen –0.536°C voor Young.aspII en 0.174°C voor Stev. pvc voor het eerste kwartiel van de windsnelheid en dat de absolute ΔT waarden kleiner worden met toenemende windsnelheid. De individuele waarden varieren tussen –1.22°C voor Young.aspII en 0.83°C voor zowel Stev.pvc als Stev. wood. Het ontwerp van de Young.aspII, met zijn sterke kunstmatige ventilatie, is zodanig dat het stralingsfouten minimaliseert. Wanneer we er van uit zouden gaan dat de stralingsfouten van deze hut nul zijn, dan volgt daaruit dat de maximale stralingsfout op kan lopen tot ca. 2.1°C voor individuele 10-minuut waarden (Stev.pvc en Stev.wood).

Figuur 4a. Gemiddelde dagelijkse gang van de uurgemiddelde temperatuurverschillen ΔT (hut – Knmi.ref) voor vier combinaties van windsnelheid (u) en bewolkingsfractie (N). De bovenste twee rijen(A) hebben betrekking op de wintermaanden (DJF).
Figuur 4a. Gemiddelde dagelijkse gang van de uurgemiddelde temperatuurverschillen ΔT (hut – Knmi.ref) voor vier combinaties van windsnelheid (u) en bewolkingsfractie (N). De bovenste twee rijen(A) hebben betrekking op de wintermaanden (DJF).


Figuur 4b. Gemiddelde dagelijkse gang van de uurgemiddelde temperatuurverschillen ΔT (hut – Knmi.ref) voor vier combinaties van windsnelheid (u) en bewolkingsfractie (N). De onderste twee rijen (B) op de zomermaanden (JJA). Zie tabel 1 voor details van de hutten.
Figuur 4b. Gemiddelde dagelijkse gang van de uurgemiddelde temperatuurverschillen ΔT (hut – Knmi.ref) voor vier combinaties van windsnelheid (u) en bewolkingsfractie (N). De onderste twee rijen (B) op de zomermaanden (JJA). Zie tabel 1 voor details van de hutten.


Neerslag gecombineerd met wind en/of kunstmatige ventilatie kan ervoor zorgen dat sensoren nat worden en daardoor natte-bol effecten vertonen. We hebben het gedrag van de hutten voor deze omstandigheden bestudeerd en daaruit bleek dat men name de Young.aspII last heeft van natte-bol effecten tijdens perioden met regen. Figuur 5 geeft hier een voorbeeld van. De figuur laat een zesdaagse periode met regen zien in december 1993, waarbij naast ΔT ook de neerslagintensiteit en de windsnelheid te zien zijn.
Tabel 3. Gemiddelde temperatuurverschillen (hut – Knmi.ref) voor 10-minuut intervallen met hoge waarden voor de globale straling (> 750 W/m2) voor de vier windsnelheid kwartielen.
Tabel 3. Gemiddelde temperatuurverschillen (hut – Knmi.ref) voor 10-minuut intervallen met hoge waarden voor de globale straling (> 750 W/m2) voor de vier windsnelheid kwartielen.

Het natte-bol effect (relatieve afkoeling) van Young.aspII tijdens perioden met regen is duidelijk waarneembaar. Een toename in de windsnelheid vergroot het effect. Een vergelijking van de statistische eigenschappen van ΔT voor regenomstandigheden met droog/ bewolkte omstandigheden (bedekkingsgraad = 8 octa) laat zien dat Young.aspII gemiddeld 0.15°C kouder is voor natte omstandigheden dan voor droog/bewolkte omstandigheden. Voor de overige hutten zijn deze verschillen verwaarloosbaar. Dit afwijkende gedrag van Young.aspII is ook zichtbaar in de standaardafwijking van ΔT. Voor Young.aspII is deze voor natte omstandigheden 0.71°C groter dan voor droog/bewolkte omstandigheden. Voor de overige hutten is de standaardafwijking van ΔT veel kleiner dan voor Young.aspII en bijna gelijk voor natte en droog/bewolkte omstandigheden. Uit de analyse blijkt dus dat de temperaturen van Young.aspII te laag zijn tijdens regen. Bij het toegepaste ontwerp is het kennelijk mogelijk dat regendruppels de sensor bereiken.
Figuur 5. Temperatuurverschillen ΔT (Young.aspII – Knmi.ref), regenintensiteit en windsnelheid in de periode 15–20 december 1993.
Figuur 5. Temperatuurverschillen ΔT (Young.aspII – Knmi.ref), regenintensiteit en windsnelheid in de periode 15–20 december 1993.

Andere bijzondere omstandigheden zijn bijvoorbeeld perioden met sneeuwbedekking en mist. Door sneeuwbedekking kunnen op heldere dagen door stralingsfouten de temperatuurverschillen tussen hutten extreem groot worden (zie bijv. Gill, 1983). De grote albedo van sneeuw (tussen de 0.40 en 0.95 voor oude, respectievelijk verse sneeuw) vergeleken met gras (circa 0.2), zorgt voor een sterke toename van reflectie van straling. Het hutontwerp bepaalt in hoeverre de gereflecteerde straling direct of indirect de sensor bereikt. Helaas was het aantal dagen met sneeuwbedekking in de waarneemperiode te klein om statistische uitspraken te doen. Voor de beschikbare gegevens was echter wel duidelijk dat ΔT veel groter was voor omstandigheden met sneeuwbedekking vergeleken met omstandigheden zonder sneeuwbedekking.

Voor perioden met mist konden we wel een vergelijking maken tussen de hutten. Mist kan een effect hebben op de temperaturen door condensatie van druppeltjes op de sensor. De temperatuurverschillen tijdens mist zijn echter klein en variëren tussen –0.012ºC (Knmi.asp) en 0.047ºC (Stev.pvc). De verschillen tussen natteen drogebol temperaturen nemen af met toenemende relatieve vochtigheid. Dit is waarschijnlijk de reden dat tijdens mist (hier met rh gemiddeld 99.5%), condensatie van kleine druppeltjes op de sensor weinig effect heeft op de onderlinge temperatuurverschillen.

Discussie en conclusies
De hier onderzochte thermometerhutten zijn ruwweg onder te verdelen in drie groepen: (1) Knmi.asp (met minimale kunstmatige ventilatie), Vaisala, Young, Socrima and Stev.pvc.asp, (2) Stev.pvc and Stev.wood, en (3) Young.aspII. De jaargemiddelde verschillen met Knmi. ref zijn in het algemeen klein vergeleken met de waargenomen stijging in de wereldgemiddelde temperatuur van de afgelopen 150 jaar. De verschillen op dagbasis kunnen echter gemakkelijk een orde groter zijn. Hierbij gedragen de hutten in de eerste groep zich ongeveer hetzelfde als Knmi.ref. De natuurlijk geventileerde Stevenson hutten uit de tweede groep reageren door hun afmeting en massa trager dan de moderne schotelhutten en hebben bovendien meer last van stralingsfouten. De Young.aspII is een geheel ander type hut. Deze hut heeft door zijn sterke kunstmatige ventilatie de kleinste stralingsfout van alle hutten waardoor hij overdag de ware luchttemperatuur het beste benadert. Tijdens regen is het gedrag van Young.aspII echter niet optimaal doordat waterdruppeltjes de sensor kunnen bereiken.

De grootte van de temperatuurverschillen tussen thermometerhutten is sterk afhankelijk van het weer. Vooral straling en windsnelheid spelen daarbij een rol. Een probleem met de windsnelheid is dat deze vaak niet op huthoogte bekend is en dat lage windsnelheden (< 1.0 m/s) moeilijk te meten zijn met de huidige anemometers. Juist bij deze lage windsnelheden zijn de temperatuurverschillen het grootst. Dit geldt ook bij vergelijking van identieke thermometerhutten op verschillende locaties van hetzelfde station (Brandsma, 2004).

De overgang naar een nieuw type hut op een bepaalde locatie kan tot inhomogeniteiten leiden in een klimaatreeks. Door parallelmetingen te verrichten hebben we de mogelijkheid om transferfuncties af leiden zoals beschreven in Brandsma en Van der Meulen (2007). Deze functies kunnen vervolgens gebruikt worden om weersafhankelijke correcties aan te brengen (dit geldt ook voor andere elementen dan temperatuur). Zonder dergelijke correcties kunnen we géén betrouwbare schatting geven van veranderingen in extremen. Het benodigde werk is echter arbeidsintensief en nog géén standaard praktijk bij de meeste meteorologische instituten.

Literatuur



  • Brandsma T., 2004: Parallel air temperature measurements at the KNMI-terrain in De Bilt (the Netherlands) May 2003 – April 2005 (Interim report). KNMI-publication 207, De Bilt, The Netherlands. 29 pp;( zie verder lezen)
  • Brandsma, T., and J.P. van der Meulen, 2007: Thermometer Screen Intercomparison in De Bilt (the Netherlands), Part II: Description and modeling of mean temperature differences and extremes. Int. J. Climatology (in press); ( zie verder lezen)
  • Gill, G.C., 1983: Comparison Testing of Selected Naturally Ventilated Solar Radiation Shields. Report to NOAA Data Buoy Office for Development Contract #NA-82- 0A-A-266, 15pp., 15 figs. Meulen, J.P. van der, and T. Brandsma, 2007. Thermometer Screen Intercomparison in De Bilt (the Netherlands), Part I: Understanding the weather-dependent temperature differences. Int. J. Climatology (in press);(zie verder lezen)
  • WMO (World Meteorological Organization), 1992: International Meteorological Vocabulary (WMO-No. 182). WMO, Geneva.