JH model deel 2

In het bericht van 15 april 2021 heb ik geschreven over de jonge wiskunde- en informaticastudent Jippe Hoogeveen die zelf een model bedacht heeft dat het temperatuurverloop in De Bilt vanaf 1901 kan simuleren.  Dat model is gebaseerd op zogenaamde lineaire regressie. Dat is een statistische techniek voor het analyseren van gegevens waarin (mogelijk) sprake is van een specifieke samenhang. Deze samenhang houdt in dat de waarde van een afhankelijke variabele afhangt van een of meer in principe instelbare vrij te kiezen variabelen. De afhankelijke variabele is hier de jaartemperatuur van De Bilt. Hierbij is gebruik gemaakt van de ongehomogeniseerde data, maar dat maakt voor de jaartemperaturen nauwelijks uit.

Fig. 1    Data: KNMI

De waarde van de onafhankelijke variabele of instelvariabele wordt bepaald door de keuzes die door de modelmaker gemaakt worden. In dit geval is niet 1 maar een set onafhankelijke variabelen gebruikt. De dominante variabele is de zogenaamde ‘weersituatie’: van elke dag is een viertal factoren vastgelegd: de ligging van het brongebied van de luchtmassa die naar Nederland stroomt, de bocht die de luchtmassa beschrijft op weg naar Nederland, de luchtdruksituatie  en de windsnelheid. Kortom, de luchtcirculatie. In het vorige bericht is dat beschreven.

Het effect van de luchtcirculatie wordt op de volgende manier berekend: je kijkt naar de weersituaties van de afgelopen 5 dagen. Voor elke weersituatie (dus bijvoorbeeld N,G) heb je een bepaald effect dat alleen afhangt van de dag in het jaar. Hierbij heb je 4 referentiewaarden, namelijk het effect op 15 januari, 15 april, 15 juli en 15 oktober. Het effect van elke andere dag wordt hier dan uit afgeleid als gewogen gemiddelde van de 2 dichtstbijzijnde referentiewaarden. Het totale effect van de luchtcirculatie wordt dan het gemiddelde van die afgelopen 5 dagen. Verder wordt de luchtcirculatie ook op langere termijn meegenomen, namelijk via de zee: dit is een extra variabele die langzaam reageert op het effect van de luchtcirculatie.

Later zijn andere factoren toegevoegd zoals de andere dominante factor van de instraling van de zon (Q), de TSI (Total Solar Irradiance, de hoeveelheid zonne-energie die de aarde ontvangt aan de buitenkant van de atmosfeer), de AMO-index (Atlantic Multidecadal Oscillation), de schommeling in de watertemperatuur van het noordelijk deel van de Atlantische Oceaan en het atmosferische CO2-gehalte.  Met dit model is vervolgens verder gerekend en kon Jippe tenslotte vrijwel alle systematische temperatuurvariaties in Nederland verklaren:

Fig. 2    Data: KNMI en Jippe Hoogeveen

In figuur 2 is goed te zien dat het model heel goed de sterke fluctuaties van de gemeten jaartemperatuur volgt.  Maar liefst 85% van alle variaties in de jaarlijkse gemiddelde temperatuur van De Bilt kunnen met behulp van het model worden verklaard. Dat is erg hoog. Het lineair regressiemodel is dus goed in staat om het verloop van de temperatuur op jaarbasis in De Bilt van 1901 t/m 2015 te verklaren.

De dominante factor in het model is de luchtcirculatie: waar komt de binnenstromende lucht vandaan (brongebied en stromingstraject)? Alleen al met deze factor wordt 81% van de temperatuurfluctuaties in De Bilt verklaard.

Fig. 3    Data: KNMI

Om de kwaliteit van het model te toetsen is gekeken naar de zogenaamde ‘sprong’ in de temperatuur van De Bilt  (en vele andere stations) rond 1988. Figuur 3 laat die sprong zien voor de maanden januari, februari en maart waarin de sprong maximaal was. In de grafiek is de gemiddelde temperatuur van 1961 t/m 1987 weergegeven met een rode lijn, voor de periode 1988 t/m 2015 is hetzelfde gedaan. Die gemiddelden zijn respectievelijk 2,94 °C en 4,74 °C, een sprong van maar liefst 1,8 °C.

De stijging van de jaargemiddelde temperatuur in De Bilt vanaf 1980 is deels verklaarbaar door het proces dat brightening heet en in zijn engste betekenis het gevolg is van de afname van aerosolen in de lucht boven Europa. In een bredere betekenis speelt ook de afname van bewolking een rol van betekenis. De toename van Q (instraling) is daar een gevolg van, zie onder andere hier en hier. Die temperatuursprong van bijna 2 °C in 1988 is al een paar keer op deze website besproken, zie hier en hier. Die sprong is door diverse onderzoekers geanalyseerd en is niet alleen in West-Europa bestudeerd maar ook in andere regio’s. De belangrijkste oorzaak is waarschijnlijk een snelle verandering van de luchtcirculatiepatronen op het NH, met als gevolg voor West-Europa een versterkte aanvoer van relatief zachte lucht, met name in de winter.

Om te bezien of het JH model die sprong adequaat reproduceert is van de gemiddelde temperaturen van De Bilt van 1961 t/m 2015 de modeldata afgetrokken. Het residu is in figuur 4 weergegeven.

Fig. 4

De rode lijnen geven ook hier de gemiddelde temperatuur weer van de periode 1961-1987 en 1988-2015 voor januari tot en met maart. De waarden van de gemiddelden zijn respectievelijk -0,017 en 0,016 °C en de puntenwolk is symmetrisch verdeeld tussen +1,2 °C en -1,2 °C. Er is in het residu geen sprong waarneembaar: het verschil tussen de gemiddeldes voor en vanaf 1988 is ongeveer 0,03 °C wat verwaarloosbaar is. Dit suggereert dat het model niet over- of ondercorrigeert. Verder is ook mooi te zien dat het residu een stuk minder variaties vertoont dan de gemeten temperatuurwaarden van De Bilt. Al met al suggereren deze resultaten dat het model betrouwbaar is. Heel opvallend is dat de variabele CO2 nauwelijks effect heeft op het model: zonder de variabele CO2 is het model zelfs iets beter dan met CO2! 

Al met al heeft Jippe een heel fraai model geproduceerd dat verrassend goed  de temperatuurvariaties van de jaartemperatuur in De Bilt. Daarbij is de luchtcirculatie duidelijk de dominante variabele, gevolgd door de instraling. Ook opvallend is dat het model laat zien dat CO2 nauwelijks een rol van betekenis speelt in die verklaring. Zonder twijfel kan het model nog wat verbeterd worden, maar het feit dat 85% van alle variaties in de jaarlijkse gemiddelde temperatuur van De Bilt sinds 1901 met behulp van het model verklaard kunnen worden is een prestatie van betekenis!

Voor diegenen die nadere informatie over het model willen verkrijgen kunnen de maker per email benaderen: jippehoogeveenklimaatgek@gmail.com.