Zonuren en mist

Fig. 1 Bron: pxhere

De afgelopen weken heb ik geschreven over de toename sinds 1980 van de hoeveelheid invallend zonlicht en met name de opvallende toename van het aantal zonuren. Ik nam aan dat dat vooral het gevolg was van afnemende bewolking, naast invloed van afnemende aerosolen en mist. Over die afname van aerosolen en de daardoor ontstane ‘brightening’ heb ik in het verleden al enkele malen geschreven, zie hier. Over mist heb ik het nog niet gehad.

Enkele lezers hebben me er op gewezen dat het opvallend is dat het verschijnsel mist in de tijd flink afgenomen is en dat dat invloed moet hebben gehad op met name het aantal zonuren. In dit bericht ga ik daarom proberen het aandeel van de factor mist in de toename van het aantal zonuren te schatten.

Mist is bewolking aan het aardoppervlak waarbij het horizontale zicht aan het aardoppervlak minder dan 1000m is. We spreken van dichte mist als het zicht minder dan 200m is. Vaak lost mist na zonsopkomst snel op, vooral als de laag dun is en het diffuse zonlicht het aardoppervlak kan verwarmen. Maar vooral in het koud jaargetijde kan mist hardnekkig zijn en soms de gehele dag blijven hangen. Het gaat dan om mistdiktes die tot 200m op kunnen lopen.

Meestal ontstaat mist door afkoeling van de luchtlagen boven de grond door nachtelijke uitstraling  bij een onbewolkte hemel en zeer lage windsnelheden. Door die afkoeling neemt de relatieve luchtvochtigheid toe, want koude lucht kan minder waterdamp bevatten dan warme lucht. Relatieve luchtvochtigheid is de hoeveelheid waterdamp in de lucht uitgedrukt in % van de hoeveelheid die maximaal mogelijk is bij een gegeven temperatuur. In theorie is 100% het hoogst haalbare en wordt dan het ‘teveel’  aan waterdamp omgezet in kleine waterdruppels. Daarbij zijn aerosolen van belang die dienen als condensatiekernen voor die druppels. Is de lucht erg schoon en zijn er dus weinig aerosolen dan is het mogelijk dat de relatieve vochtigheid zelfs boven de 100% uitkomt.

Fig. 2

In figuur 2 is de atmosfeergradient met een grondinversie getekend. Normaal daalt de temperatuur met toenemende hoogte, maar bij een grondinversie is dat bij de onderste luchtlagen andersom, meestal als gevolg van nachtelijke uitstraling. Een grondinversie kan ook ontstaan als vochtige lucht over een koud oppervlakte geblazen wordt, zoals bij het verschijnsel zeemist.

Aan de grond kan de lucht zo sterk afkoelen dat de relatieve vochtigheid in de onderste luchtlagen 100% wordt, waarna condensatie optreedt en mist ontstaat. Soms is die laag erg dun en spreken we van grondmist. Dan zie je de poten van koeien in de wei niet. Die grondmist ontstaat vaak boven grasland omdat in de graslaag de lucht stilstaat en zo een isolatiedeken vormt die verhindert dat warmte uit de bodem de lucht erboven verwarmt.

Volgen we in figuur 2 de rode lijn (atmosfeergradiënt) omhoog dan neemt vanaf de knik de temperatuur af met de hoogte. Het is makkelijk voorstelbaar dat vanwege die lagere temperaturen op een bepaalde hoogte de relatieve luchtvochtigheid 100% wordt en  condensatie ontstaat.  Dat is het condensatieniveau, daarboven wordt waterdamp omgezet in waterdruppeltjes en er ontstaan wolken. De onderkant van de wolken ligt logischerwijze op dat condensatieniveau. Bij condensatie komt warmte vrij die afgegeven wordt aan de omgeving. Vandaar dat de atmosfeergradient boven het condensatieniveau een knik vertoont en een steiler verloop krijgt.

Het KNMI heeft een aantal cijfers over mist beschikbaar. Station De Bilt levert dagelijkse mistdata vanaf 1955. Dat betreft het minimum en maximum opgetreden zicht en het uurvak waarin dat voorkwam. Ik gebruik het minimum opgetreden zicht. Omdat ik alleen geïnteresseerd ben in mist die zonlicht belemmert heb ik de zichtdata van overdag nodig. Wat overdag is verschilt uiteraard van dag tot dag. Om het een beetje te vereenvoudigen ga ik uit van een uniforme ‘overdag’ van 7 tot 18 uur. Het is een compromis maar ik denk dat het werkbaar is.

Fig.3  Data: KNMI

Figuur 3 toont het verloop van het aantal mistdagen (7-18 uur) per jaar in De Bilt, met een smoothing. Vanaf midden jaren ’60 tot 2010 is er een duidelijke afname van het aantal mistdagen (<1000m zicht) te zien, van gemiddeld 25 mistdagen in de jaren ’60 tot slechts 5 het laatste decennium. Als we de dichte mist bekijken (<200m zicht) dan ziet dat er zo uit:

Fig.4  Data: KNMI

Figuur 4 laat zien dat ook het aantal dichte mistdagen fors afneemt, van gemiddeld 9 rond 1960 tot praktisch 0 de laatste jaren.

Op haar site schrijft het KNMI:

“ … het kost weinig moeite om te berekenen dat De Bilt in de periode tot 1985 per jaar zo’n 80 mistdagen telde, dagen waarop het zicht op minstens één van die uren minder dan een kilometer was. De laatste tijd ligt dat aantal rond de 40, de helft van wat het vroeger was (zie Figuur). Ook het aantal dagen per jaar met dichte mist is gehalveerd van gemiddeld 30 in de jaren zestig tot 15 dagen de laatste jaren.  ”

De figuur waaraan gerefereerd wordt is deze:

Fig. 5  Bron: KNMI

Ik heb de figuur een beetje leesbaarder gemaakt omdat het KNMI een zeer slechte kopie op haar site gebruikt. Wat opvalt is dat het KNMI spreekt over 80 mistdagen per jaar tot 1985 en de laatste jaren rond de 40. Dat is opvallend hoger dan de cijfers in figuur 3 laten zien. Dat heeft te maken met het feit dat het grafiekje van het KNMI een etmaal als ‘mistdag’ telt als er minimaal 1 uur sprake was van mist. Ik heb echter alleen naar de misturen overdag gekeken omdat het hier gaat om het effect van mist op het aantal zonuren.

Fig. 6  Bron: KNMI

Figuur 6 is afkomstig van een andere pagina op de website van het KNMI en toont data van de meetmast Cabauw op 18 november 2011. In de een na onderste grafiek is de mist weergegeven per 10 minuten. Te zien is dat de mist vooral voorkomt in de nachtelijke uren en nauwelijks overdag. Dat is logisch omdat de temperatuur ’s nachts over het algemeen het laagst is, de afkoeling door uitstraling wordt dan niet gecompenseerd door de opwarmende zon. Ik gebruik in mijn onderzoekje voor ‘overdag’  de periode tussen 07 en 18 uur, in de grafiek heb ik die periode lichtblauw weergegeven. Dat betekent dat op die dag slechts een half uur (van 17.30u tot 18u) mist overdag voorkomt.

In de grafiek betreft het eerste uur nog 17 november en ontbreekt uur 24, maar op 18 november 2011 telde het KNMI in Cabauw 11 uren met mist. Ik heb het even nagekeken op mijn Excel sheet, maar 18 november 2011 telt niet mee als ‘mistdag’.  Blijkbaar waren die 30 minuten mist tussen 17 en 18 uur onvoldoende om dat uurvak als ‘mist’  te kwalificeren. Zoals al gezegd is die tijdskeuze arbitrair en zou beter vervangen worden door de werkelijke daglengte per datum, maar dat is nu teveel werk. Ik tel in de periode 1955-1985 ongeveer 22 mistdagen per jaar overdag, het KNMI ongeveer 80 over het gehele etmaal. Omdat mist ’s nachts vaker voorkomt dan overdag lijkt de verhouding 22-80 acceptabel.

Omdat ik nieuwsgierig was of ik die 80 mistdagen tot 1985 ook zou kunnen reproduceren heb ik op basis van de KNMI mistdata van 1955 t/m 2019 deze grafiek gemaakt:

Fig. 7  Data: KNMI

Vergelijk figuur 7 eens met de rode lijn in figuur 5. Tussen 1955 en 2001 komen beide op het oog goed overeen. In de KNMI-grafiek houden de data op in 2002. Vergelijk ik de data van 2002 in de KNMI-grafiek met die in figuur 7 dan klopt er iets niet: figuur 7 geeft meer dan 80 dagen voor 2002 terwijl de KNMI-grafiek minder dan 50 mistdagen weergeeft. Ik denk dat de cijfers voor 2002 in de KNMI-grafiek fictief zijn. Die gedachte wordt versterkt doordat in alle drie de lijnen in de KNMI-grafiek de data van 2002 gelijk zijn aan die van 2001. Men had 2002 beter weg kunnen laten lijkt me.

Waar in de KNMI-grafiek de data vanaf 2002 (eigenlijk vanaf 2001) ontbreken zie je in figuur 7 een enorme sprong in de data. De oorzaak van die discontinuïteit is te vinden op de KNMI website: “Sinds 2001 is de waarnemer door een automaat vervangen, die weliswaar nauwkeuriger meet maar waarvan de uitkomsten niet te vergelijken zijn met de eerdere waarnemingen.”. Dat is interessant, want een dergelijke discontinuïteit in 2001 is niet waar te nemen in de grafiek van de mistdagen ‘overdag’, zie figuur 3. Combineer ik nu het een met het ander dan is mijn conclusie dat de automatisering van het zicht vooral in de nachtelijke waarnemingen afwijkt van die van de menselijke waarnemingen. Menselijke zichtwaarnemingen overdag deden het blijkbaar niet slecht, wat overigens niet verwonderlijk is lijkt me.

Fig. 8  Bron: KNMI

Dat de afname van het aantal mistdagen geen uniek Nederlands verschijnsel is toont figuur 8. Het toont de afname van de hoeveelheid dichte mistdagen (zicht kleiner dan 200m) en neveldagen (zicht kleiner dan 2km) in Europa over 1976-2006 in procenten per jaar.

Het KNMI geeft als oorzaken van de afname van de mistdagen:

  • Schoner worden van de lucht. Minder aerosolen betekent minder condensatiekernen en dus minder mist
  • ’s Winters meer westenwind die schone maar vooral zachtere lucht brengt
  • Opwarming

Ik heb al vaker geschreven over het schoner worden van de lucht, zie hier.

Fig. 9  Data: CBS, PBL, Wageningen UR

Figuur 9 toont een sterke daling van de SO2-concentraties in de atmosfeer in Nederland sinds 1980. SO2 veroorzaakt het ontstaan van aerosolen.

Op basis van vectorgemiddelde winddata van De Bilt heb ik in 2019 een aantal artikelen geschreven over de windrichtingen vanaf 1904. In deel 1 wordt beschreven hoe ik te werk ben gegaan. Vervolgens wordt de wind per maand geanalyseerd. Dit zijn de grafieken van december, januari en februari:

Fig. 10

Fig. 11

Fig. 12  Data windvectoren: KNMI

Omdat de windrichtingen van jaar tot jaar sterk kunnen verschillen zijn de data gesmoothed (LOESS). De grafieken van december en januari vertonen een opvallende stijging van het aandeel van W, SW en S-wind in de laatste decennia. In januari loopt SW iets terug maar is nog altijd dominant met een aandeel van ruim 30%. In februari verandert het beeld en daalt SW sterk, terwijl S en vooral NE sterk stijgen. Die S-wind betekent de aanvoer van warme lucht, NE  betekent aanvoer van kou in deze maand.

De factor ‘opwarming’  is duidelijk, het is logisch dat hogere temperaturen het ontstaan van mist in de weg zitten.

Opvallend is dat het KNMI geen melding maakt van veranderingen in de relatieve vochtigheid. Ik heb de data op een rijtje gezet:

Fig. 13  Data: KNMI

De grafiek toont de gemiddelde jaarlijkse relatieve vochtigheid in De Bilt. Opvallend is een daling in de relatieve vochtigheid sinds eind jaren ’90 van ongeveer 3%. Dat lijkt weinig maar een lichte daling kan al het verschil betekenen tussen het wel of niet ontstaan van mist. Hoe is die daling te verklaren?

Fig. 14

Figuur 14 toont de relatieve veranderingen in windrichting op jaarbasis in De Bilt 1904-2018. Behalve het gestaag stijgend aandeel van SW wind valt ook op dat sinds eind jaren ’90 het aandeel van S wind gestegen is ten koste van W wind. Westenwind is maritieme lucht en heeft daardoor altijd een relatief hoge luchtvochtigheid. Wind uit het zuiden is deels continentaal en afkomstig uit drogere gebieden. Dat zou wel eens een verklaring kunnen zijn voor de afname van de relatieve vochtigheid de afgelopen 2 decennia.

Door vergelijking van twee nabijgelegen stations heeft het KNMI geconstateerd dat mist ‘s overdag gemiddeld een afkoeling van 1º tot 2ºC geeft, terwijl er ‘s nachts geen effect op de temperatuur is. Blijft over de vraag hoe groot het effect van de daling van het aantal mistdagen is op het aantal zonuren. Dat is moeilijk te berekenen, de openbaar toegankelijke mistdata geven geen duur van de mist overdag. Maar een acceptabele schatting is wellicht mogelijk.

Een etmaal waarop de mist overdag niet oplost is zeldzaam, zelfs vroeger was dat al zo. Omdat ik geen cijfers ter beschikking heb over de duur van de mist doe ik een aanname: de gemiddelde duur van de mist na zonsopkomst is 4 uur. Dat betekent dat gedurende die periode alleen diffuus licht het aardoppervlak bereikt en er geen zonuren geregistreerd worden.

Fig. 15 Data: KNMI

Figuur 15 toont het aantal mistdagen per jaar van 1980-2019, met lineaire trendlijn. Met behulp van de trendlijn kan ik uitrekenen hoe groot de afname van het aantal mistdagen overdag (07-18u) is geweest in de genoemde periode: ruim 70 misturen.

Fig. 16  Data: KNMI

Figuur 16 laat de toename van het aantal zonuren in De Bilt zien in dezelfde periode: ruim 446 zonuren. Een mistuur is per definitie geen zonuur. Combineer ik de cijfers van figuur 15 met die van figuur 16 dan zie ik dat het aandeel van de factor mist in de spectaculaire  toename van het aantal zonuren in De Bilt ongeveer 16% is. Dat is op basis van de aanname dat de mist na zonsopgang gemiddeld nog 4 uur aanwezig blijft. Elk uur dat dat minder of meer is betekent een verandering van dat aandeel van mist  met 4%.

Als ik uitga van 4 uren mist overdag dan betekent dit dus dat het aandeel van de factor bewolking in de toename van het aantal zonuren 84% is. Bewolking is de dominante factor in de toename van het aantal zonuren sinds 1980, maar mist is zeker een factor die meespeelt. De rol van mist in deze kwestie kan zeker nauwkeuriger vastgesteld worden. Het KNMI heeft ongetwijfeld in haar databank de gegevens van de exacte mistduur overdag in De Bilt en andere stations.

Wat me vooral intrigeert is die afname van de bewolking.  Die afname ging in De Bilt samen met een afname in relatieve vochtigheid. Als dat vooral een Europees verschijnsel is (zie hier) zou dat verband kunnen houden met de veranderde luchtcirculatie boven Europa. Maar het lijkt er op dat er de laatste jaren wereldwijd een afname is van de relatieve luchtvochtigheid. Het IPCC constateerde in haar AR5 rapport : “…during recent years the near surface moistening over land has abated (medium confidence). As a result, fairly widespread decreases in relative humidity near the surface are observed over the land in recent years.”

Dat is opvallend omdat het IPCC in haar theoretisch bouwwerk uitgaat van een stijgende absolute relatieve vochtigheid door opwarming (meer verdamping) maar dat de relatieve vochtigheid bij verdere opwarming constant blijft. Het kan verkeren.