Het JH model

Fig. 1     Data: KNMI

Ik heb al eens eerder enkele pogingen  gewaagd om de temperatuurverandering in Nederland te verklaren aan de hand van de gewijzigde luchtcirculatie. De meest recente poging was gebaseerd op de gemeten windrichting per etmaal in De Bilt vanaf 1904, ruim anderhalf jaar geleden. Hier vindt u deel 1 van een kleine serie.

Figuur 1 toont het resultaat daarvan op jaarbasis.  De data zijn gesmoothed met een Loessfilter span 0.2. Daarbij vallen enkele dingen op. Het meest opvallende is dat ZW-wind al vanaf 1904 dominant is en steeds dominanter wordt. ZW wind brengt over het algemeen zachte lucht binnen. Tegelijk zien we dat het aandeel van W-wind vanaf 1904 een dalende trend vertoont. Het brongebied van W wind ligt over het algemeen wat noordelijker dan van ZW-wind. Het is daardoor aannemelijk dat als gevolg hiervan de temperatuur in Nederland gestegen is.

NO- wind laat vanaf 1970 een dalende trend zien. Deze windrichting brengt met name in de winter zeer koude lucht naar ons land. ’s Zomers brengt de wind vanuit het NO vaak koele maar soms warme lucht binnen. Het is dus van belang om per seizoen de ontwikkeling van NO wind te bekijken, maar gemiddeld brengt NO-wind koele tot koude lucht. Z-wind brengt altijd warme lucht binnen en vertoont vanaf 1990 een sterk stijgende trend.

Conclusie: op basis van het jaarlijks voorkomen van de windrichtingen mag verwacht worden dat de veranderingen in de luchtcirculatie de temperatuur in Nederland hebben doen stijgen. De vraag hoe groot die opwarming vanwege de veranderde luchtcirculatie is geweest is met bovenstaande data slechts te schatten.

Fig. 2    Naar Meteo Julianadorp

De eigenschappen van het brongebied, het gebied waar de lucht vandaan komt, bepalen in eerste instantie de eigenschappen van de luchtmassa erboven. Op zijn weg naar Nederland veranderen die eigenschappen in zekere mate doordat de eigenschappen van de ondergrond de daarboven bewegende lucht beïnvloedt. Is het brongebied bijvoorbeeld de omgeving van IJsland dan zal de lucht op zijn weg naar Nederland vrijwel altijd opwarmen omdat het oceaanwater op die weg warmer is dan nabij IJsland. Behalve de temperatuur worden ook andere eigenschappen van de luchtmassa bepaald door de ligging en andere eigenschappen van brongebied en bewegingsroute. Denk bijvoorbeeld aan luchtvochtigheid. Op grond daarvan worden luchtmassa’s onderverdeeld in 6 luchtsoorten, zie figuur 2.

Wind ontstaat door verschillen in luchtdruk. Op de lucht werkt behalve drukverschil nog andere krachten, zoals wrijving aan het aardoppervlak en corioliskracht vanwege de draaiing van de aarde. Geostrofische wind treedt in  hoger gelegen luchtlagen op omdat daar weinig wrijving is tussen het aardoppervlak en de bewegende lucht. De richting van de geostrofische wind is dan evenwijdig aan de isobaren.

Een fundamenteel probleem bij het gebruiken van de windrichting zoals in figuur 1 en de blauwe pijlen in figuur 2 is het feit dat een luchtmassa heel vaak niet een rechtlijnige route volgt van brongebied naar Nederland. Kijk maar eens naar  figuur 3 en 4.  Het zijn de luchtdrukkaartjes van respectievelijk 9 april 1999 en 8 november 1991.

Fig. 3    Bron: PIK Report

Fig. 4    Bron: PIK Report

De geostrofische windrichting in Nederland is op beide kaartjes W, maar te zien is dat de bocht waarmee de luchtmassa’s binnenkomen sterk verschillen. De windrichting wordt bepaald door de ruimtelijke verdeling van hoge- en lagedrukgebieden in de omgeving. Daardoor ligt het ‘brongebied’ op 9 april 1999 in de buurt van de Azoren, terwijl het brongebied op 8 november 1991 tussen IJsland en Groenland gelegen is, zo’n 3000 km noordelijker. Op figuur 3 stroomt dan ook maritiem Tropische lucht ons land binnen terwijl op figuur 4 maritiem Polaire lucht binnenkomt.

Toch mag je op grond hiervan niet automatisch verwachten dat die mTL van 9 april 1999 hogere temperaturen in De Bilt veroorzaakte dan de mPL van 8 november 1991. De Tg op 9 april 1999 was slechts 0,1 ° warmer dan op 8 november 1991. Dat komt omdat er nog meer factoren een rol spelen, onder andere de instraling Q en de temperatuur van het oceaanwater.

Al met al mag het duidelijk zijn dat de windrichting maar een beperkte bruikbaarheid heeft als het gaat om te bepalen wat de invloed is van binnenstromende luchtmassa’s op de temperatuur.

Veel beter is dan ook om rekening te houden met brongebied en aanstroomrichting, zoals de Duitse Wetterdienst al heel lang doet met behulp van zogenaamde Grosswetterlagen. Die Grosswetterlagen bestaan uit 30 typen :

Fig. 5    Bron: Potzdam Institute of Climate Impact Research 2005

De cijfers worden verzameld door de Deutsche Wetterdienst (DWD) in Offenbach. Per etmaal  werd en wordt de heersende GWL aangegeven. Zo is in de loop van de tijd een schat aan gegevens ontstaan.  Het Potzdam Institute of Climate Impact Research verwerkt die data regelmatig in rapporten (PIK Reports). Daarin zijn onder andere uitgebreide beschrijvingen te vinden van alle GWL, zoals kaartjes met o.a. de typische luchtdrukverdeling die hoort bij een bepaalde GWL. De kaartjes van figuur 3 en 4 komen uit zo’n rapport: figuur 3 betreft GWL WA en figuur 4 GWL WZ.

In 2016 heb ik met behulp van GWL een aantal artikelen geschreven om te zien welke invloed de GWL hebben gehad op de temperatuur in Nederland. Hier vindt u deel 1 van de reeks. Ik ben ervan overtuigd dat het gebruik van die GWL een nauwkeuriger beeld schept van de invloed op de  temperatuur in Nederland dan de recente poging op basis van de gemeten windrichting. Zie figuur 6 dat toont wat de invloed van de diverse GWL tussen 1901 en 2003 is geweest op temperatuur en neerslag in het voorjaar in Hamburg. Maar de uitkomsten blijven ook met GWL vooral kwalitatief van aard.

Fig. 6    Bron: Potzdam Institute of Climate Impact Research 2005

Kan het ook anders? Ja, dacht wiskundestudent Jippe Hoogeveen die al langer geïnteresseerd is in weer en klimaat. Hij bedacht een model –ik noem het het JH model- waarmee hij geprobeerd heeft om het temperatuurverloop sinds 1901 in Nederland te verklaren. Om te beginnen moest hij de luchtcirculatiepatronen kwantificeren. Daarvoor heeft hij gebruik gemaakt van een verzameling weerkaarten van Europa die begint in het jaar 1836 en tot heden doorloopt.

Fig. 7    Bron: Wetterzentrale

Die verzameling weerkaarten van Reanalysis archives (voorbeeld figuur 7) zijn te bekijken op de website van de Deutsche Wetterzentrale. Jippe heeft elke dag van 1836 tot en met 2020 in cijfers omgezet tot een zogeheten Weersituatie, een monnikenwerkje. Van elke dag is een viertal factoren vastgelegd: de ligging van het brongebied, de bocht die de luchtmassa beschrijft op weg naar Nederland, de luchtdruksituatie  en de windsnelheid. Daarvoor heeft hij een eigen –eenvoudig- systeem bedacht om de ligging van het brongebied en de beschreven bocht te kwantificeren.

Fig. 8    De brongebieden

Met behulp van deze ‘weersituaties‘ is een lineaire regressie gedaan. Daarbij is rekening gehouden met de seizoenen: oostenwind brengt immers in de winter veel kou maar in de zomer warmte. Later zijn andere factoren toegevoegd zoals instraling van de zon (Q),  TSI (Total Solar Irradiance, de hoeveelheid zonne-energie die de aarde ontvangt aan de buitenkant van de atmosfeer) en de AMO-index (Atlantic Multidecadal Oscillation,  de variabiliteit van de oppervlaktetemperatuur (SST) van de Noord-Atlantische Oceaan op een tijdschaal van enkele decennia).

Met dit model is vervolgens verder gerekend en kon Jippe tenslotte vrijwel alle systematische temperatuurvariaties in Nederland verklaren.  Maar liefst 85% van alle variaties in de jaarlijkse gemiddelde temperatuur van De Bilt kunnen met behulp van zijn model worden verklaard! Daarover later meer.

Laten we in eerste instantie eens bekijken op welke wijze de weerssituaties beschreven worden. In principe bestaan ze uit 3 onderdelen. De eerste is de ligging van het brongebied ten opzichte van Nederland (NO,O,ZO,Z,ZW,W,NW,N). De tweede is de wijze waarop de luchtmassa vanaf het brongebied Nederland bereikt:  anti-cyclonaal (A), cyclonaal (C) of rechtstreeks (G). De derde is of er boven Nederland een hogedrukgebied (H) dan wel een lagedrukgebied (L) gelegen is.  Ook kan het gebeuren dat er nauwelijks sprake is van de aanvoer van luchtmassa’s  over grotere afstand (A). Dat komt voornamelijk voor als er een H of L vlak bij Nederland ligt.

Enkele voorbeelden van  verschillende weerssituaties aan de hand van ZW als brongebied  in het JH model.

Fig. 9    Bron: Wetterzentrale

Figuur 9 toont de weerkaart van 23 maart 1895. Er bevindt zich een hogedrukgebied ten zuiden van de Azoren dat doorloopt door Zuid-Europa. Ten noordwesten van Engeland ligt juist een lagedrukgebied en daartussen wordt vanuit het zuidwesten lucht aangevoerd vanaf de Azoren. Overigens ligt de stroming bij deze dag voor een ZW,G nog relatief naar het noorden: meestal komt de lucht van iets meer tussen Spanje en de Azoren in.

Fig. 10    Bron: Wetterzentrale

Figuur 10 toont de weerkaart van 12 januari 1897. Er ligt nu weer een lagedrukgebied ten zuidwesten van Nederland. Daaromheen komt met een boog via het zuiden lucht vanuit het zuidwesten naar Nederland. In de omgeving van Nederland zijn de drukverschillen gering zodat de snelheid waarmee lucht wordt aangevoerd ook gering is.

Fig. 11    Bron: Wetterzentrale

Figuur 11 toont de weerkaart van 12 oktober 1895. Er ligt een hogedrukgebied met de kern boven het westen van Frankrijk. Daaromheen wordt met een boog via het westen lucht aangevoerd vanaf de oceaan ten westen van Portugal. Deze dag is daarom nog net ZW,A, maar als het hogedrukgebied iets naar het oosten opschuift wordt de weerssituatie Z,A.

Voor de overige weersituaties gaat het bepalen van het brongebied op gelijke wijze. De randvoorwaarden op basis waarvan het type brongebied bepaald wordt is duidelijk omschreven in het model.

Tot slot staan hier onder de grafieken van de brongebieden per seizoen. Per brongebied is aangegeven hoeveel dagen dit in het betreffende seizoen per jaar voorkwam. Omdat de reeksen sterk schommelen zijn trends lastig af te lezen. Daarom zijn de datareeksen gesmoothed met behulp van een Loess filter met span 0.2

Fig. 12

Figuur 12 toont het voorkomen van de brongebieden in de lente vanaf 1901 t/m 2020. Doorgetrokken lijnen betreffen de maritieme brongebieden, gestreept de continentale. In alles seizoenen zijn de maritieme brongebieden dominant. Opvallend zijn de veranderingen rond 1980, wanneer N en NW afnemen en W en ZW toenemen. Dat heeft in de winter tot gevolg dat het in Nederland warmer wordt.

Fig. 13

Figuur 13 laat zien wat er met de diverse brongebieden inde zomer gebeurt. De verschuivingen beginnen begin jaren ’60, als NW en met name N sterk afnemen en W sterk toeneemt. De continentale brongebieden nemen vanaf 2000 wat toe. Alle verschuivingen die opwarming tot gevolg hebben.

Fig. 14

Het herfstbeeld in figuur 14 toont ook weer een afname sinds eind jaren ’60 van N en tegelijk een toename van W brongebieden met opwarming tot gevolg. Dat wordt versterkt door de toename van ZW en afname van NW sinds medio jaren ’90. Opvallend is de toename van Z brongebieden sinds 1980.

Fig. 15

Figuur 15 toont de wintersituatie. Ook hier hetzelfde beeld: sinds 1960 een afname van N en NW en een toename van W en ZW. Ook hier dus de aanvoer van meer zachte lucht, wat versterkt wordt door de afname van NO brongebieden die in de winter koude continentale lucht vanuit N Rusland binnenbrengt.

Opvallend is dat in alle vier grafieken N nagenoeg gespiegeld is aan W en NW aan ZW. Minder N betekent meer W, en minder NW betekent meer ZW. De grote veranderingen in de ligging van brongebieden sinds 1901 is dus te vinden boven de oceaan, en wijzen allemaal op een grotere aanvoer van warmte richting Nederland.

Een volgende keer graag meer over het JH model.