Achtergrond

Grotere toename lokale neerslag extremen in warmer klimaat

In een warmer klimaat zullen de neerslag extremen toenemen. Uit recent onderzoek van het KNMI blijkt dat de relatie tussen temperatuur en lokale neerslag extremen sterker kan zijn dan eerder werd gedacht.

Lange tijd zijn onderzoekers algemeen uitgegaan van een toename in intensiteit van hevige regen van 7% per graad temperatuurstijging. Dit was gebaseerd op het feit dat de maximale hoeveelheid waterdamp in de atmosfeer toeneemt met 7% per graad, volgens de zogenaamde Clausius-Clapeyron relatie. De hypothese was dat neerslag extremen bepaald worden door die situaties waarbij de maximaal beschikbare hoeveelheid water(damp) in de atmosfeer wordt omgezet in regen. Uitvoer van mondiale klimaatmodellen leek dit beeld te bevestigen. 

Mondiale klimaatmodellen hebben een oplossend vermogen van enkele honderden kilometers. Deze modellen werken dus met gemiddelden van meteorologische variabelen (neerslag, temperatuur, bewolking etc.) over een gebied ongeveer zo groot als Nederland (of iets kleiner). Weerfenomenen met een kleinere schaal worden kunnen niet worden opgelost, waardoor het onderzoek naar veranderingen van die fenomenen bemoeilijkt wordt.. Zo hebben zomerse buien een typische schaal van enkele tientallen kilometers. Dit is ver beneden de schaal, die door mondiale klimaatmodellen wordt opgelost. Dat is jammer, want juist de zomerse buien, die gepaard gaan met zware regenval, onweer, hagel en windstoten, kunnen een grote maatschappelijke impact hebben. 

Daarom is in deze studie voor een andere aanpak gekozen. Als eerste stap zijn waarnemingen in De Bilt geanalyseerd op de relatie tussen temperatuur en extreme neerslag. Als tweede stap is de implicatie van deze relatie voor het toekomstige klimaat onderzocht met een regionaal klimaat model. Het gebruikte regionale klimaatmodel kan veel kleinere schalen oplossen dan de hierboven genoemde mondiale klimaatmodellen. De uitvoer van dit klimaat model is eerst getoetst aan de waarnemingen, en vervolgens wordt met dit model een blik in de toekomst geworpen. 

Waarnemingen: de reeks van De Bilt
Wat zeggen waarnemingen over de relatie tussen neerslag intensiteit en temperatuur? Om dit te onderzoeken hebben we gebruik gemaakt van een 99 jaar lange tijdserie van uurlijkse neerslag waarnemingen in De Bilt. De neerslagdata zijn eerst gegroepeerd op basis van de daggemiddelde temperatuur. Bijvoorbeeld de neerslagdata van dagen met een daggemiddelde temperatuur tussen 19 en 21°C zijn samengebracht in één groep. In ieder van deze groepen zijn de extremen in uurintensiteiten bepaald. Het verloop van die extremen als functie van de daggemiddelde temperatuur is weergegeven in Figuur 1. 

Volgens de analyse neemt de intensiteit van zware buien met ongeveer 14% per graad toe wanneer de daggemiddelde temperatuur boven ongeveer 12°C komt. Dit verband tussen neerslag en temperatuur is twee maal zo groot als gegeven door de Clausius-Clapeyron relatie. 

Waar komt de sterkere afhankelijkheid vandaan?
Voor de intensiteit van neerslag uit (convectieve) buienwolken is niet alleen de hoeveelheid beschikbare waterdamp van belang, maar ook de snelheid waarmee waterdamp wordt omgezet in regen. Die snelheid hangt voor een belangrijk deel samen met de opwaartse bewegingen in de buienwolk. De opwaartse bewegingen zijn sterk afhankelijk van de warmte die vrij komt bij de omzetting van waterdamp in water. Deze zogenaamde latente warmte zorgt ervoor dat de lucht lichter wordt en daarmee sneller gaat stijgen. Sneller stijgende bewegingen zorgen weer voor een efficiëntere en snellere omzetting van waterdamp naar water. Omzetting en opwaartse luchtbewegingen versterken elkaar dus. Een andere mogelijke oorzaak is dat het gebied waaruit de bui zijn water onttrekt groter kan worden met de toenemende intensiteit van een bui. Hierdoor kan ook de beschikbare hoeveelheid water sterker toenemen dan op grond van de Clausius-Clapeyron relatie te verwachten is. 
Overigens treedt de sterkere temperatuursafhankelijkheid alleen maar op bij hogere temperaturen, en daarmee voornamelijk in het zomerhalfjaar. De grootste intensiteiten worden dan bereikt in convectieve buien. In het winterhalfjaar, wanneer neerslag hoofdzakelijk in grootschalige lagedruksystemen optreedt, volgen de maximale intensiteiten de Clausius-Clapeyron relatie. 

Een soortgelijke analyse voor dagsommen laat een lagere temperatuursafhankelijkheid zien. Bij benadering nemen de dagsommen volgens de Clausius-Clapeyron relatie toe. Echter het verband tussen temperatuur en dagelijkse neerslagsom is minder duidelijk dan voor uurintensiteiten. Ook vertoont het de neiging om bij temperaturen boven de 20°C sterk toe te nemen. 

Regionale modellen: een blik op de toekomst
Kan de gevonden relatie tussen neerslag extremen en temperatuur in het huidige klimaat gebruikt worden als "voorspeller" van de toekomstige neerslag?
Om die vraag te beantwoorden zijn klimaatmodellen nodig, die in ieder geval de relatie tussen temperatuur en neerslagintensiteit goed kunnen simuleren voor de huidige situatie. Mondiale klimaatmodellen zijn, zoals hierboven beschreven, onvoldoende betrouwbaar om uitspraken te kunnen doen over kortdurende, lokale verschijnselen. Regionale klimaat modellen hebben echter een oplossend vermogen van ongeveer 25 km (een factor tien groter dan de globale modellen) en zijn daardoor beter in staat buiencomplexen te representeren. 
Voor deze studie is het regionale klimaatmodel RACMO van het KNMI gebruikt. Uit een RACMO simulatie voor het huidige klimaat is het neerslag-temperatuur verband gevonden, dat overeenkomt met de waarnemingen. Voor de meest extreme gebeurtenissen reproduceert het model ook een 14% toename per graad voor temperaturen tussen 12 en 20°C. Voor hogere temperaturen en voor minder extreme gebeurtenissen wordt de geobserveerde afhankelijkheid echter niet gehaald. Dit kan gedeeltelijk verklaard worden uit het feit dat de uitvoer van het model nog steeds een gebiedsgemiddelde (25 bij 25 km) representeert, terwijl de observaties lokale metingen zijn. Tevens heeft het model nog steeds onvoldoende oplossend vermogen om de complexe dynamica van een bui volledig op te lossen, waardoor extremen worden afgevlakt. 

Neemt in de toekomst de intensiteit van extreme uurlijkse neerslag in de zomer toe volgens de 14% per graad die uit de observaties volgt?
Om deze vraag te kunnen beantwoorden is het huidige klimaat van 1961-1990 en het toekomstig klimaat van 2071-2100 in een RACMO2 simulatie met elkaar vergeleken. De relatieve toename in het toekomstige klimaat, ten opzichte van het huidige klimaat, is geschaald met de lokale temperatuurstijging. 
In figuur 2 is de toename van de intensiteit van de sterkste bui weergegeven, die gemiddeld eens per 10 jaar in de zomer op treedt. Voor dit soort zeldzame gebeurtenissen reproduceert het model de geobserveerde temperatuursafhankelijkheid. De toename voor de uurintensiteit in West-Europa is meer dan 10% per graad en voor grote gebieden zelfs meer dan 15% per graad. De gebiedsgemiddelde toename binnen de omlijning in Figuur 2 bedraagt, afhankelijk van de herhalingstijd, tussen 11% per graad (voor eens per jaar) en 14% per graad (voor eens per 10 jaar en nog extremere gebeurtenissen). De gemiddelde toename van de extreme dagsommen is ongeveer twee maal zo klein: tussen de 6 en 8% per graad. Een toename van 14% per graad temperatuurstijging lijkt dus inderdaad plausibel voor intensiteit van extreme buien in het toekomstige klimaat. 

Figuur 2. Relatieve toename van extreme 1-uur intensiteit (a) en extreme dagsom (b) per graad lokale temperatuurstijging (in % per °C) zoals gesimuleerd met het regionale klimaatmodel RACMO2.
Figuur 2. Relatieve toename van extreme 1-uur intensiteit (a) en extreme dagsom (b) per graad lokale temperatuurstijging (in % per °C) zoals gesimuleerd met het regionale klimaatmodel RACMO2.
Niet gevonden wat u zocht? Zoek meer achtergrond artikelen