Ook hogerop wordt het warmer

Oorspronkelijk werd eventuele klimaatverandering vooral bediscussieerd met waarnemingen aan de grond. Het duurde tot ongeveer 1970 voor temperatuursveranderingen ook in de bovenlucht konden worden bekeken. Op dat moment waren er 20 jaar radiosonde gegevens van dagelijkse ballonoplatingen op ruwweg 1000 stations onregelmatig verspreid wereldwijd, waaronder die van het KNMI. Dat leidde meteen tot vragen over ‘consistentie’ tussen temperatuurmetingen aan de grond en in de vrije atmosfeer. Met moderne datasets kunnen we nu vaststellen dat de bovenlucht ook warmer wordt, maar alleen tot de tropopauze (rond 10 kilometer hoogte). Daarboven, in de stratosfeer, is het een geheel ander verhaal, want CO2 toename leidt daar tot afkoeling.

Warmt de vrije atmosfeer in gelijke mate op als bij de grond? 

Dat de temperatuur nabij het aardoppervlak (Ts) en die in de troposfeer (Ta) al dan niet hetzelfde reageren op een klimaatsverandering was vele jaren onderwerp van discussie. Oud KNMI-er Bram Oort, bekend van zijn standaardwerk over de fysica van het klimaat, speelde een grote rol in de eerste studies van de bovenlucht op basis van metingen met weerballonnen. In klimaatmodellen, door de toch vrij regelmatige menging tot aan de tropopauze, reageren Ts and Ta min of meer hetzelfde op een CO2 toename.

Maar laten de waarnemingen dat ook zien? Dat blijft een punt van aandacht omdat langjarige stationswaarnemingen niet altijd even eenvoudig te interpreteren of te vergelijken zijn en we langzamerhand zijn overgestapt op 'reanalysis' datasets in de rol van waarneming. Reanalyses zijn analyses van de toestand van de atmosfeer op een rekenrooster dat de hele aarde omvat. Alle beschikbare waarnemingen uit het verleden worden hierbij op een slimme manier met een modern weermodel gecombineerd om tot een zo goed mogelijke schatting te komen van druk, temperatuur en wind op plekken en momenten waar geen directe meetgegevens van weerstations beschikbaar zijn.  

Hoe warmer, hoe hoger het 500 hPa vlak

De luchtdruk (uitgedrukt in hectoPascal, hPa) op een bepaalde hoogte is in goede benadering het gewicht van de atmosfeer erboven. De luchtdruk aan de grond is ongeveer 1000 hPa (wat ongeveer overeenkomt met 10.000 kilo per vierkante meter) en als je omhoog gaat neemt de luchtdruk steeds verder af. Op ongeveer 5,5 kilometer hoogte is de luchtdruk gedaald tot 500 hPa en zit de helft van de atmosferische massa onder en boven je. Een gelijke hoeveelheid lucht neemt bij gelijke druk en hogere temperatuur een groter volume in. Het 500 hPa vlak ligt dan ook hoger naarmate de temperatuur van de lucht eronder hoger is (figuur 1 als voorbeeld voor een willekeurige dag). De hoogte van het 500 hPa vlak (ook wel aangeduid met Z500) is daarom een maat voor de temperatuur in de onderste helft van de atmosfeer.

De hoogte van het 500 hPa vlak stijgt

De Climate Forecast System Reanalysis (CFSR) dataset van het Amerikaanse National Center for Environmental Prediction (NCEP)  bevat mondiale 6-uurlijkse analyses van Z500 van 1979 tot nu. Volgens CFSR is de wereldgemiddelde Z500 sinds 1982 toegenomen met ongeveer 20 meter (figuur 2). Men kan ook de lokale maxima zien ten opzichte van de trendlijn tijdens en kort na El Niño's. Het is een bekend gegeven dat tijdens een El Niño de wereldgemiddelde temperatuur in de atmosfeer tijdelijk stijgt doordat warmte opgeslagen in de oceaan aan de atmosfeer wordt afgegeven. Ook de meest recente reanalysis (ERA5) van het European Centre for Medium Range Weather Forecasts (ECMWF) laat een soortgelijke stijging zien van het 500 hPa vlak.

Stijging consistent met opwarming aan de grond

De 20 meter toename in Z500 komt overeen met ongeveer 1 graad opwarming gemiddeld in de laag tot 500 hPa hoogte. De opwarming sinds 1979 gemeten aan de grond is ook ongeveer 1 graad. Er is dus redelijke consistentie tussen twee geheel verschillende waarnemingen (namelijk die aan de grond, en die in de bovenlucht) en door geheel verschillende analyse methoden.

Ook een toename van de hoeveelheid waterdamp in de atmosfeer (een warmere atmosfeer bevat meer waterdamp bij onveranderde relatieve vochtigheid)  en een toename in de druk aan de grond (door meer waterdamp en CO2) dragen bij aan een stijging van Z500. Deze bijdrages zijn klein en hebben we niet eenduidig vast kunnen stellen in CFSR reanalysis. 

De bovenlucht warmt dus op, maar alleen tot de tropopauze (rond 10 kilometer hoogte). Daarboven, in de stratosfeer, is het een geheel ander verhaal, want CO2 toename leidt daar tot afkoeling. 

KNMI-klimaatbericht door Huug van den Dool (KNMI'er van 1975-1982)