Figuur 1. De dagelijkse temperatuuranomaliën als functie voor de windrichting voor de winter (dec-feb) en zomer (jan-jul) in 1904-1913 en 1991-2000. De dikke lijnen zijn aanpassingen aan (2) voor deze twee decades en voor 1961-1990.
Dit artikel is in HTML 4.0 geschreven, browsers van voor die tijd (eind 1997) kunnen mogelijk kleine stukken niet correct weergeven.
Is de opwarming in Nederland het gevolg is van het vaker voorkomen van bepaalde warme weertypes, of is de temperatuur behorend bij de meeste weertypes gestegen? Is het in de zomer warmer geworden door meer dagen met oostenwind, of zijn de regendagen met westenwind minder kil geworden? Is in de winter het aantal koude dagen afgenomen, of zijn ze minder koud, of zijn de zachte dagen nog zachter? Deze vragen staan los van de vraag of de opwarming samenhangt met de opwarming van de aarde, aangezien die zich net zo goed zou kunnen uiten in een veranderde frequentie van circulatiepatronen. Voor de samenhang van de opwarming met andere weerelementen maakt het echter wel veel verschil.
Het is warmer geworden in Nederland, en die opwarming loopt redelijk in de pas met de stijging in de wereldgemiddelde temperatuur (van Oldenborgh en Komen, 2001). De volgende stap is uitzoeken hoe de opwarming heeft plaatsgevonden. De dagelijkse temperatuur in Nederland hangt sterk af van de windrichting. De maandgemiddelde temperatuur ook, en jaar-op-jaar variaties zijn voor een groot gedeelte terug te voeren op de overheersende windrichtingen in bepaalde seizoenen. Zijn veranderingen in het voorkomen van bepaalde circulatietypes ook verantwoordelijk voor de opwarming over de twintigste eeuw?
Een analyse hiervan is eerder gedaan door Herman Wessels op basis van Großwetterlagen [3]. Wessels kwam tot de conclusie dat het merendeel van de opwarming over de periode 1881-1993 door een veranderende circulatie verklaard kon worden. In een recent Meteorologica artikel van Cor Schuurmans en Huug van den Dool [4] werd gerapporteerd dat de jaren 1991-2000 in De Bilt warmer waren dan uit veranderingen in de circulatie ten opzichte van 1961-1990 zou volgen. Echter, Huug van den Dool nam deze conclusie in een colloqiuum op het KNMI weer terug na een meer symmetrische analyse.
Deze rol van veranderende overheersende circulatietypes is niet in tegenspraak met het verband dat we gevonden hebben in een rechtstreekse vergelijking van de temperatuur in De Bilt en de wereldgemiddelde temperatuur. Het is heel goed mogelijk dat de opwarming van de aarde zich juist manifesteert in verschuivinging van de frequentie van weerregimes, en niet in de karakteristieken van die regimes. Susanne Corti, Tim Palmer en Franco Molteni beargumenteerden in Nature [2] dat dit zelfs de meest waarschijnlijke wijze is waarop het klimaatsysteem de extra warmte poogt kwijt te raken. Dat zou verklaren waarom in elk seizoen de windrichtingen zodanig veranderd zijn dat de temperatuur in Nederland toeneemt: meer zuidwestenwind in de winter, meer zuidoostenwind in de zomer, en meer zuidenwind in voor- en najaar. Toch is de conclusie dat voor een gegeven circulatietype de temperatuur niet merkbaar veranderd is slecht te verenigen met Fig. 3 van ons vorige artikel, waaruit blijkt dat stroomopwaarts de grondtemperatuur net zoals bij ons is toegenomen.
In populaire verhalen wordt de windrichting vaak gebruikt als indicator voor het circulatietype. Ik heb dit letterlijk genomen en de windrichting in De Bilt gebruikt. Dit blijkt heel goed te werken, het verband met de dagelijske temperatuur is sterker dan met grootschalige patronen. De dagelijkse windrichtingenreeks op de KNMI website loopt vanaf 1904 (april 1945 ontbreekt) en is redelijk homogeen. Als check is de analyse herhaald met de geostrofe wind die uit de dagelijkse luchtdrukmetingen in De Bilt, Den Helder/De Kooy en Groningen/Eelde berekend is [5]. Voor de maandgemiddelde temperatuur in De Bilt gebruiken we reeks die recent door Theo Brandsma is gecorrigeerd voor de belangrijkste stationsverplaatsingen en het stadseffect [6], voor de daggemiddelde temperatuur is de ongecorrigeerde reeks van de KNMI website gebruikt. We gebruiken de wereldgemiddelde anomalieënreeks van Jones [7].
Sinds het verschijnen van het vorige artikel heeft Theo Brandsma de maandgemiddelde temperatuurreeks van De Bilt gehomogeniseerd door te corrigeren voor het stadseffect [6], de verplaatsingen van de meethut in 1950 en 1951 en de hoogteverandering van 2.2m naar 1.5m in 1961. Ook worden nu voor 1951-1970 de klimaatwaarnemingen gebruikt, die van hogere kwaliteit zijn dan de tot nu toe gebruikte synoptische waarnemingen. De verschillen met de oude reeks zijn vrij klein, zo is de invloed van de urbanisatie rond De Bilt niet meer dan 0.11°C.
Zoals in het vorige artikel al opgemerkt, wordt hiermee de aanname dat de wereldwijde opwarming aan het begin van de eeuw op dezelfde op Nederland manier doorwerkte als de recente opwarming onhoudbaar voor de lente. De eerste en tweede helft worden nu apart behandeld. Tabel 2 herhaalt Tabel 3 uit het vorige artikel met de nieuwe waardes. De beste fit met de wereldgemiddelde temepratuur is nu Δ TDeBilt = (1.52±0.49) Δ Tmondiaal, de kleine toename is een gevolg van de twee warme jaren extra.
De eerste orde benadering van het effect van windrichting op temperatuur is een sinus:
| TDe Bilt = Tklim,De Bilt + (Tw+Tk)/2 + (Tw-Tk)/2 cos(φ-φw). | (1) |
De eerste mogelijkheid is dat voor een gegeven windrichting de temperatuur veranderd is. In Figuur 1 staan voor de 920 zomer- en winterdagen in 1904-1913 en 1991-2000 de gemeten temperatuuranomalieën als functie van de windrichting uitgezet. De getrokken lijnen zijn de cosinussen van vergelijking (2), waarbij alle drie parameters gefit zijn. Hogere-orde termen zijn verwaarloosbaar als over minder dan de volle eeuw gefit wordt. Ter vergelijking is ook de fit voor de WMO periode 1961-1990 ingetekend. Het verschil tussen de periode 1904-1913 en 1961-1990 is klein, maar de laatste tien jaar waren voor bijna alle windrichtingen ongeveer 1°C warmer dan 1904-1913. Alleen bij noord- en oostenwind in de winter is de temperatuuranomalie niet veranderd.
Figuur 1. De dagelijkse temperatuuranomaliën als functie
voor de windrichting voor de winter (dec-feb) en zomer (jan-jul) in
1904-1913 en 1991-2000. De dikke lijnen zijn aanpassingen aan (2)
voor deze twee decades en voor 1961-1990.
We kunnen dit resultaat over de hele eeuw kwantificieren door zo'n fit voor elk jaar en seizoen doen. Dit zijn slechts ongeveer 90 punten per fit. We houden daarom φw hierbij vast op de waarde die eerder over de hele eeuw gevonden is. Dit houdt het aantal vrije parameters klein. Deze fit geeft voor elk jaar seizoenswaarden voor Tw en Tk. Deze tijdreeksen correleren we voor elk seizoen en jaargemiddeld weer met de wereldgemiddelde temperatuur. De resultaten staan in Tabel 1. Er is geen verschil tussen de eerste en tweede helft van de twintigste eeuw. De regressiecoëfficient is voor ieder seizoen rond de 1.5, behalve Tk in de winter. De 95% onzekerheidsmarges gaan daar echter ook nog tot 1.5, zodat we ook niet concluderen dat er geen opwarming van de aangevoerde lucht heeft plaatsgevonden, alleen dat de variabiliteit te hoog is om iets over de trend te zeggen.
| jaar | winter (DJF) | lente (MAM) | zomer (JJA) | herfst (SON) | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| corr | regr | corr | regr | corr | regr | corr | regr | corr | regr | |
| Tw | 0.51±0.16 | 1.5±0.5 | 0.36±0.20 | 1.3±0.7 | 0.39±0.17 | 1.6±0.8 | 0.22±0.21 | 1.3±1.2 | 0.44±0.15 | 1.8±0.8 |
| Tk | 0.37±0.17 | 1.2±0.6 | 0.07±0.19 | 0.4±1.1 | 0.32±0.19 | 1.3±0.8 | 0.50±0.15 | 1.5±0.5 | 0.28±0.18 | 1.7±1.2 |
Deze resultaten zijn niet erg verrassend, gegeven de uniforme opwarming in Europa van Figuur 3 in [1]. De temperatuur van de geadvecteerde lucht zal niet geheel los staan van de grondtemperatuur op een paar honderd kilometer stroomopwaarts, en die is ook met de wereldgemidddelde temperatuur gestegen.
De tweede mogelijkheid is dat de gemiddelde windrichting zodanig is veranderd dat de temperatuur is toegenomen. Dit is op dezelfde wijze onderzocht als Wessels en Schuurmans & van den Dool dat gedaan hebben: door een temperatuur te reconstrueren die alleen van de windrichting afhangt. Dit is gedaan door voor elke maand vergelijking (1) over de hele eeuw aan de waarnemingen te fitten met tijdsonafhankelijke parameters Tk, Tk, φw. Hiermee is daarna voor elke maand met de waargenomen windrichting een hypothetische temperatuur uitgerekend. Door persistentie-effecten is de regressie van de waargenomen temperatuur hierop groter dan één. De gereconstrueerde reeks moet met deze zogenaamde inflatiefactor vermenigvuldigd worden om de waargenomen reeks zo goed mogelijk te bendaderen De jaargemiddelde reeks is uitgezet in Figuur 2.
Figuur 2: Boven: de jaargemiddelde temperatuur die uit de
windrichting is afgeleid, inclusief inflatiecorrectie.
Onder: de waargenomen temperatuur in De Bilt. De dikke lijn is
een lopend tienjaars gemiddelde.
Een vergelijking met de waargenomen temperatuur in Figuur 2 laat zien dat de jaar-op-jaar variaties goed verklaard worden (r=0.78 voor de jaargemiddelde temperatuur). De trends zijn echter geheel anders: een daling van 1910 tot 1960 van 0.7°C en een even grote stijging sindsdien. De opwarming in Nederland is over de hele eeuw dus niet te verklaren uit een veranderde frequentie van het voorkomen van verschillende windrichtingen.
De opwarming sinds 1960 lijkt echter wel gedeeltelijk door de veranderingen in de overheersende windrichting verklaard te kunnen worden. Om dit nader te onderzoeken beschouwen we de regressie van de gereconstrueerde temperatuur op de wereldgemiddelde temperatuur voor de eerste en tweede helft van de twintigste eeuw apoart, zie tabel 2.
| jaar | winter | lente | zomer | herfst | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| TDeBilt | 1904--2002 | corr | 0.78±0.09 | 0.86±0.06 | 0.52±0.15 | 0.76±0.08 | 0.60±0.13 |
| infl | 1.48±0.20 | 1.27±0.15 | 0.91±0.31 | 1.17±0.20 | 1.06±0.28 | ||
| Tmondiaal | 1904--2002 | regr | 0.3±0.4 | 0.5±1.1 | 0.6±0.5 | 0.3±0.5 | 0.1±0.7 |
| 1904--1950 | regr | -0.5±0.7 | -0.4±2.1 | 0.0±0.8 | 0.5±0.9 | -0.5±1.2 | |
| 1951--2002 | regr | 1.1±0.8 | 2.0±1.8 | 1.7±1.0 | 0.2±1.0 | 0.3±1.1 |
Naar seizoen uitgesplitst blijkt de windrichting en vergelijking (1) de temperatuur vooral in de winter (r=0.82) en zomer (r=0.68) goed te verklaren. In de lente (r=0.52) en herfst (r=0.53) speelt de windrichting een minder grote rol, omdat dan het land-zee contrast minder groot is. Na 1950 is in de winter en voorjaar een duidelijke trend te zien in de op basis van windrichting gereconstrueerde temperatuur. Het verschil met de periode tot 1950 is alleen voro het voorjaar significant op 95%. Een uitsplitsing naar maanden laat zien dat de circulate-gerelateerde toename van de temperatuur zich afspeelt in februari, maart en april. De gemiddelde temperatuur sinds 1950 is in deze maanden extra is toegenomen omdat het aantal dagen met noorden- en oostenwind duidelijk is afgenomen.
De resultaten van de analyse van de dagelijkse windrichting en de temperatuur in De Bilt zijn dat veranderingen in gemiddelde windrichting over de periode 1904-2000 geen effect hadden op de trend in de temperatuur in De Bilt, maar de temperatuuranomalie bij die windrichting wel. Voor bijna alle seizoenen en windrichtingen is de toename in temperatuur ongeveer gelijk aan het waargenomen verband tussen de lokale temperatuur en de wereldgemiddelde temperatuur. De enige uitzondering is de koude wind in de winter. Een toename is dan niet uitgesloten maar niet zichtbaar. Dit sluit aan met de ruimtelijk homogene opwarming die in [1] gevonden was.
Veranderingen in circulatie hebben de jaargemiddelde temperatuur sinds 1904 tot 1960 met ongeveer 0.7°C laten afnemen en sindsdien weer even veel laten toenemen. Eén circulatie-effect springt er uit: in de maanden februari tot april is er een extra opwarming geweest in de tweede helft van de twintigste eeuw door een afname van het aantal dagen met noorden- en oostenwind en een toename van zuiden- en westenwind. Dit wordt ook door verschillende mensen op theoretische gronden verwacht. De stratosfeer is afgekoeld, waarschijnlijk door het broeikaseffect en in het vroege voorjaar door de afbraak van ozon. Dit versterkt door de thermische-wind relatie de polaire vortex. Er zijn argumenten [8] dat deze sterkere westenwind op grote hoogte ook de kans op zuidwestenwind aan de grond in Nederland verhoogt.
Figuur 3: Boven: de jaargemiddelde temperatuur die uit de
wereldgemiddelde temperatuur en windrichting is afgeleid, inclusief
inflatiecorrectie. Onder: de waargenomen temperatuur in De Bilt.
De correlatie tussen deze reeksen is 0.87. De dikke lijn is een
lopend tienjaars gemiddelde.
Een combinatie van de wereldgemiddelde temperatuur (x1.2) en de
windrichtingen beschrijft de temperatuur in Nederland uitstekend over
de twintigste eeuw. De toename in de wereldgemiddelde temperatuur
geeft de trend met een plateau in het midden van de eeuw.
Veranderingen in gemiddelde circulatie versnellen de opwarming de
laatste jaren in de winter en het voorjaar en beschrijven ook de
variaties op korte tijdschaal heel redelijk.
Wessels et al. [3] schrijven de trend over de periode
1881-1993 grotendeels toe aan een veranderde frequentie van
Großwetterlagen, terwijl de temperatuur geassocieerd met een
bepaalde Großwetterlage constant bleef. Om uit te zoeken waar de verschillen met de analyse op basis van windrichting vandaan komen, heb ik deze analyse herhaald over de periode 1901-1999. Eerst is
per Großwetterlage en per tien jaar de gemiddelde temperatuur en
de onzekerheid daarin uitgerekend. Deze zijn uitgezet tegen de
wereldgemiddelde temperatuur, en voor elke klasse is het verband door
een rechte lijn benaderd. Per klasse is er inderdaad weinig over de
trend te zeggen. Echter, als je de regressiecoëffienten
vervolgens middelt, gewogen met de frequentie waarover de klasses
voorkomen, vind je een gemiddelde regressie van 1.2±0.3 voor de
lente, 1.4±0.2 in de zomer, 1.6±0.3 in de herfst en
0.5±0.3 in de winter. Er is dus weql een duidelijke stijging
van de temperatuur bij gegeven Großwetterlage. In de lente,
zomer en herfst verklaart die de waargenomen opwarming
(1.5±0.5) volledig, alleen in de winter is de
regressiecoëfficient duidelijk minder dan één.
Vervolgens is berekend hoeveel de verandering van de frequentie van
de Großwetterlage aan de stijging van de temperatuur bijdraagt.
Voor elke van de 30 Großwetterlage is per maand over alle 99
jaar een karakteristieke temperatuuranomalie berekend. Uit de
waargenomen dagelijkse Großwetterlagen in een maand en jaar
volgt een `gereconstrueerde' temperatuur door die dagelijkse
anomalieën bij de klimatologie op te tellen. Jaargemiddeld
is de correlatie met de waargenomen temperatuur r=0.76, een fractie
beter dan de reconstructie op basis van de windrichting. De
inflatiefactor is 1.76.
De jaargemiddelde gereconstrueerde temperatuur heeft een trend. De
regressie op de wereldgemiddelde temperatuur is echter slechts
0.5±0.4 (inclusief inflatiefactor), in overeenstemming met
Wessels et al.: minder dan de helft van de waargenomen regressie van
1.5±0.5. De timing van de toename stemt niet overeen met die
van de wereldgemiddelde of Nederlandse temperatuur. De tienjarig
gemiddelde gereconstrueerde temperatuur daalt van 1900 tot 1940,
stijgt dan tot 1985 en is daarna constant, zie Figuur 4. Dit is
in tegenspraak met het patroon in de wereldgemiddelde en Nederlandse
temperatuur.
Een nadere studie van de frequentie per Großwetterlage per
tien jaar geeft aanwijzingen waardoor dit kan komen. De
frequentieverdeling van deze subjectieve klasses lijkt minder konstant
door de tijd dan het klimaat. Klasse Hm in de winter
bijvoorbeeld werd in de winters van de eerste helft jaar van de
twintigste eeuw 591 keer waargenomen, maar in de tweede helft slechts
302 keer. De zusterklasse BM steeg daarentegen
van 245 naar 393. Klasse HFa
ging van 266 naar 102, maar HFz kroop van 43 naar
63 en HNFz van 41 naar 106. In de andere
jaargetijdes vinden soortgelijke verschuivingen plaats. Het klimaat
is tussen die twee helften toch niet zo dramatisch veranderd?
Zowel uit de frequentieverdelingen als uit de gereconstrueerde
temperatuurreeks lijkt het alsof rond 1950 een verschuiving van de
categorieën heeft plaatsgevonden. Dit zou het begin van de
operationele classificatie van de Deutsche Wetterdienst in 1948 kunnen
zijn. Zulke verschuivingen in de klassificaties maken de
Großwetterlagenreeks minder geschikt om klimaatveranderingen
over de hele twintigste eeuw mee te beschrijven dan de
windrichtingenreeks in De Bilt, waarop onze analyse gebaseerd is.
Over de laatste decennia geven beide analyses vergelijkbare
resultaten.
De analyse van Schuurmans en van den Dool in Meteorologica [4] is
een opsplitsing van de temperatuuranomalieën van de jaren
1991-2000 ten opzichte van 1961-1990 in een circulatie-bepaald
gedeelte en een restterm. Deze laatste geeft dan de opwarming per
circulatietype. Dit kunnen we goed vergelijken met de opsplitsing die
we eerder [1] gemaakt hebben in een deel wat evenredig is met de
opwarming van de aarde en een deel dat hier los van staat. We hebben
ook gekeken hoeveel veranderingen in de windrichting in De Bilt
hiervan verklaard.
De warmte van de jaren 1990 vergeleken met de dertig jaar er voor
kan voor een gedeelte, ongeveer 0.3°C, aan veranderde
windrichtingen worden toegeschreven in winter, voorjaar en zomer. Dit
gedeelte komt in winter en zomer redelijk overeen met de lokale
klimaatfluctuaties die over bleven na het isoleren van het gedeelte
dat in de pas loopt met de wereldgemiddelde temperatuur. In het
voorjaar zijn er duidelijk meer, nog niet onderzochte, factoren die de
temperatuurstijging veroorzaken dan alleen windrichting en wereldwijde
opwarming.
Voor het hele jaar vinden Schuurmans en van den Dool in
Meteorologica dat 0.50°C van de de circulatie afhangt en
0.32°C ergens anders vandaan moet komen. Dit is in goede
overeenstemming met onze opsplitsing, en bevestigt het beeld dat er
naast een uniforme wereldwijde opwarming ook een duidelijke
circulatie-afhankelijke opwarming was in de jaren negentig.
De overeenkomst is minder goed als we naar seizoenen uitsplitsen.
Voor de zomer en herfst is het windrichting-gerelateerde deel identiek
aan het z500-gerelateerde deel. In de lente en vooral in de winter
verklaren veranderingen in de grootschalige circulatie een veel groter
gedeelte van de opwarming dan verschuivingen de lokale windrichting.
Echter, in de winter zijn ze een slechtere voorspeller. Op dezelfde
lineaire wijze en over dezelfde tijd geanalyseerd als de windrichting
geeft een gereconstrueerde tmepratuur op basis van de eerste 10 EOFs
van z500 een temperatuursprong van 1.20°C tussen 1961-1990 en
1991-2000. Echter, deze reeks verklaart slechts 55% van de variantie
van de wintertemperatuur in De Bilt, tegen 77% voor de windrichting.
In de lente zijn de modellen ongeveer even goed.
In grote lijnen vinden we hetzelfde als Schuurmans en van den Dool.
De verschillen, vooral in de winter en het voorjaar, zijn een maat
van de onzekerheid rond dit soort berekeningen. De hier uitgerekende
gemiddelde toename van de temperatuur per windrichting of
Großwetterlage zijn echter een veel direktere aanwijzing dat er
een circulatie-onafhankelijke temperatuurstijging heeft
plaatsgevonden.
Referenties
Großwetterlage
Figuur 4. De aan de hand van Großwetterlage
gereconstrueerde jaargemiddelde temperatuur in De Bilt (inclusief
inflatiefactor 1.7).
Geconstrueerde analogen
°C
jaar
DJF
MAM
JJA
SON
T1901-2000
9.23
2.56
8.47
16.02
9.87
T1961-1990
9.28
2.56
8.36
16.14
10.07
T1991-2000
10.06
3.46
9.62
16.93
10.24
ΔT1991-2000
0.78
0.90
1.26
0.79
0.17
Aandeel mondiale opwarming
0.44±0.14
0.41±0.41
0.48±0.19
0.56±0.20
0.36±0.17
Aandeel ruis
+0.38±0.14
+0.49±0.41
+0.78±0.19
+0.23±0.20
-0.19±0.17
Aandeel windrichting
+0.32
+0.40
+0.27
+0.30
+0.01
ΔTw
0.78
1.13
1.20
0.63
0.17
ΔTk
0.65
0.05
1.37
0.81
0.36
Gespecificeerde anomalie (S) [4]
+0.50
+1.06
+0.65
+0.27
+0.00
Restterm (ΔT-S) [4]
+0.31
-0.11
+0.65
+0.54
+0.19
Tabel 2. De temperatuuranomalieën in De Bilt
van 1991-2000 ten opzichte van de WMO normalen 1961-1990
(gehomogeniseerde reeks); de opsplitsing uit [1] in een gedeelte
evenredig met de wereldgemiddelde temperatuur en een gedeelte `ruis'
dat hier niet mee samen hangt en de invloed van de veranderingen in
overheersende windrichting die volgt uit onze gereconstrueerde
temperatuur. Dit is vergeleken met de `gespecificeerde anomalie' die
volgt uit de grootschalige circulatie en het verschil met de
waarnemingen van de geconstrueerde analogenmethode van [4].