Onlangs verscheen op deze website een stuk over de Labrijnreeks. Daarin was te zien dat vanaf het begin van de reeks in 1706 de jaartemperatuur t/m 1988 geen trend vertoonde. Figuur 1 is het laatste stuk van die Labrijnreeks en beslaat de periode vanaf 1901 t/m 2022.
Fig.1 Data: KNMI
Het eerste stuk van 1901 t/m 1988 gaat licht opwaarts maar die trend is statistisch niet significant. Vanaf 1989 t/m 2022 is de trend echter sterk (2,9 °C/eeuw) en levert van 1989 t/m 2022 in De Bilt een temperatuurstijging van 1 °C . Inclusief de temperatuursprong 1988-1989 leverde dat een temperatuurtoename op van 1,6 °C.
De temperaturen in figuur 1 zijn gebaseerd op de dagelijkse Tg van station De Bilt. De gemeten temperaturen van 1901 tot 1 september 1951 zijn door het KNMI in 2016 gecorrigeerd (gehomogeniseerd). Door Dijkstra et al (2022) is aangetoond dat er daarbij sprake was van overcorrectie. Het KNMI heeft als reactie hierop aangegeven dat die homogenisatie in 2023 opnieuw bekeken gaat worden. Ik gebruik hier derhalve de gemeten (niet gehomogeniseerde) temperaturen.
Als het over opwarming of klimaatverandering gaat dan denken veel mensen automatisch dat die sterke toename wel het gevolg zal zijn van de uitstoot van CO2 door de mens. Gezien de eenzijdige berichtgeving over dat onderwerp is dat overigens niet verbazingwekkend. Nu is het zeker juist dat CO2 een broeikasgas is, het is na waterdamp zelfs het sterkste broeikasgas en het staat vast dat broeikasgassen de temperatuur aan het aardoppervlak verhogen. De cruciale vraag is echter hoe groot dat CO2-effect is en welke andere factoren mogelijk een rol spelen bij die opmerkelijke opwarming in De Bilt. Anders dan radio, tv en kranten vaak melden is daar in de wetenschappelijke wereld nog veel onzekerheid over.
Ik ga proberen meer zicht te krijgen op die opvallende stijging van de temperatuur in De Bilt vanaf 1989 en kijk eerst naar de straling.
Straling
Fig.2 Naar: KNMI
De zon levert voor bijna alle processenaan het aardoppervlak de benodigde energie, direct of indirect. De energiestromen die daarmee gemoeid zijn worden vaak zichtbaar gemaakt in de zogenaamde stralingsbalans (figuur 2). ‘Balans’ slaat op het evenwicht tussen wat het aarde-atmosfeersysteem binnenkomt en wat het systeem verlaat. Binnen komt kortgolvige straling van de zon (341 W/m2), er uit gaan een deel van het zonlicht dat gereflecteerd wordt plus langgolvige (warmte-)straling. Die warmtestraling ontstaat door absorptie van zonlicht door het aardoppervlak en deeltjes in de atmosfeer.
De straling van de zon (kortgolvige straling) is gemiddeld 341 W/m2 aan de top van de atmosfeer (TOA) en wordt op zijn neerwaartse weg door de dampkring gedeeltelijk teruggekaatst naar de ruimte door wolken en aërosolen in de atmosfeer (79 W/m2) en een deel ervan wordt in de atmosfeer geabsorbeerd (78 W/m2). Wat overblijft (184 W/m2) valt in op het aardoppervlak en wordt globale straling genoemd. Een deel (23 W/m2) wordt door het aardoppervlak gereflecteerd en verlaat ongebruikt de dampkring, samen met de door wolken en aerosolen weerkaatste kortgolvige straling.
Fig.3 Bron: ECMWF
De globale straling minus de reflectie aan het aardoppervlak is het deel van de kortgolvige straling die het aardoppervlak verwarmt. Dat wordt de netto kortgolvige straling genoemd en is in de stralingsbalans 161 W/m2 groot. Dat is de waarde van de gemiddelde netto kortgolvige straling op aarde. De netto kortgolvige straling op een bepaalde plaats is onder andere afhankelijk van breedteligging, het seizoen en de albedo (reflectiewaarde) van het aardoppervlak ter plaatse. Figuur 3 laat de ruimtelijke verschillen in waarde zien van de netto kortgolvige straling. Het zal niet verwonderlijk zijn dat de waarden gemiddeld het hoogst zijn in de tropen en het laagst op de polen. De smalle lichtere strook boven de oceanen nabij de evenaar toont de ITCZ (intertropische convergentiezone) waar door botsende passaten een sterke opwaartse luchtstroom ontstaat met enorme onweerswolken die instraling belemmeren.
Aan de rechterzijde van de stralingsbalans (fig. 2) is de langgolvige straling zichtbaar die het gevolg is van de opwarming van het aardoppervlak en de atmosfeer door de kortgolvige straling van de zon. Door wolken en broeikasgassen wordt warmtestraling (IR) die vanaf het aardoppervlak omhoog gaat grotendeels geabsorbeerd en direct naar alle kanten uitgestraald, deels gericht op het aardoppervlak. Daardoor neemt de temperatuur aan het aardoppervlak toe, het zogenaamde broeikaseffect. Zonder dat broeikaseffect zou de gemiddelde temperatuur op aarde -18 °C zijn en dus onleefbaar koud. Een klein deel van de langgolvige straling vanaf het aardoppervlak, 40 W/m2, vindt overigens ongehinderd zijn weg naar de ruimte door het zogenaamde atmosferisch venster. Wie nieuwsgierig is hoe de langgolvige straling buiten het atmosferisch venster toch zijn weg naar de ruimte weet te vinden leest boven in het menu onder “Feiten” de pagina “Broeikastheorie”.
Fig.4 Bron: ECMWF
In de stralingsbalans van figuur 2 is te zien dat de neerwaartse langgolvige straling gemiddeld 333 W/m2 is en de opwaartse langgolvige straling 396 W/m2. Het verschil, de netto langgolvige straling vanaf het aardoppervlak is dus 63 W/m2. Samen met de energiestromen van voelbare en latente warmte verlaat dus 160 W/m2 energie in de vorm van langgolvige straling (warmtestraling) het aardoppervlak, (bijna) gelijk aan wat er aan netto kortgolvige straling (zonlicht) binnenkwam. Figuur 4 toont de netto langgolvige straling aan het aardoppervlak. Het – teken betekent dat er vanaf het aardoppervlak gezien meer uitgaat dan inkomt. Woestijnen hebben de hoogste langgolvige straling ‘up’ door het nagenoeg ontbreken van wolken en de hele lage waterdampconcentraties in woestijnlucht.
De Wet van Stefan Boltzmann geeft aan hoe de stralingskracht van een voorwerp afhangt van de temperatuur en de grootte van het oppervlak van een hemellichaam:
P =σAT4
Waarbij P = vermogen in Watt, σ = constante 5,670373·10-8 , A = oppervlak in m2 en T = temperatuur in K.
Vullen we deze formule in met P van de uitgaande langgolvige straling ( 239 W/m2), bekend door satellietmetingen), dan is de temperatuur van de aarde 255 K, dus -18 °C. Dat is de stralingstemperatuur van het systeem aarde, dus inclusief de atmosfeer. We schatten de gemiddelde temperatuur aan het aardoppervlak op 15 °C, dus de temperatuur van de dampkring op grotere hoogte moet dan veel lager zijn dan het aardoppervlak om gemiddeld op -18 °C uit te komen. Dat klopt ook: op 10 km hoogte zijn temperaturen van ongeveer -50 °C heel gewoon. Dat verschil tussen de berekende temperatuur van -18 °C en de gemeten temperatuur van +15 °C aan het aardoppervlak is dus het gevolg van het broeikaseffect. In werkelijkheid is het verschil nog groter, maar dat wordt deels gedempt door de stromen van voelbare (convectie, 17 W/m2) en latente warmte (verdamping, 80 W/m2) vanaf het oppervlak. Leven op aarde is mogelijk dankzij het broeikaseffect.
Fig.5 Bron: ECMWF
Figuur 5 toont de ruimtelijke verdeling van de temperatuur aan het aardoppervlak, gemiddeld over een jaar. De temperatuur is uiteraard afhankelijk van de waarden van de kort- en langgolvige straling die hiervoor besproken zijn. Maar de temperatuurverdeling op aarde wordt ook sterk beïnvloed door transport van warmte door zeestromen en winden. Zonder dat transport zou het in de tropen aanzienlijk warmer zijn en op de polen aanzienlijk kouder. De figuur laat ook het effect zien van de Golfstroom/Noord-Atlantische Drift, de warme zeestroom die vanaf de Caraïbische Zee langs de West-Europese kust stroomt en warmte vanuit de tropen tot in de Arctische Zee brengt. Die zeestroom zorgt voor een extra opwarming van Europa van ongeveer 10 °C, waardoor voedsel verbouwen hier mogelijk is.
De Bilt
Fig.6 Data: KNMI
Terug naar De Bilt, waar ik bekijk welke invloed de zon vanaf 1950 heeft gehad op de temperatuurontwikkeling aldaar. Alle energiestromen van de stralingsbalans uit figuur 2 zijn natuurlijk ook in De Bilt werkzaam, alleen de waarden verschillen. Omdat de cijfers van de globale straling in De Bilt pas vanaf 1958 beschikbaar zijn analyseer ik de periode van 1950 t/m 2022. De lineaire trend van 1950 t/m 1988 is klein en statistisch niet significant. Dat geldt niet voor de periode 1989-2022. De temperatuursprong van 1988-1989 was 0,66 °C en de temperatuurstijging van 1989 t/m 2022 was 1 °C.
Fig.7 Data: KNMI
Zoals ik al enkele malen eerder op deze website heb laten zien heeft de invallende kortgolvige straling zeker veel -zo niet alles- te maken met de temperatuursprong en de stijging na de sprong. Globale straling is het totaal van direct en diffuus zonlicht dat in De Bilt binnenvalt. Diffuus licht ontstaat door verstrooiing van zonlicht door gassen, deeltjes en wolken. Ruwweg is zo’n 60% van het invallende licht in De Bilt diffuus en de rest direct.
De grafiek van figuur 7 toont het verloop van de globale straling Q in De Bilt van 1958 t/m 2022. Vergelijking tussen figuur 6 (temperatuur) en figuur 7 (globale straling) laat zien dat de ligging van de breuk in beide grafieken identiek is. De sterke opwaartse trend van 1989 t/m 2022 levert een toename van de globale straling op van maar liefst 16 W/m2.
Fig.8 Data: KNMI
Figuur 8 toont het verloop van het aantal zonuren per jaar vanaf 1950. Ook hier de opvallende breuk eind jaren ’80. De sterke trend in het tweede deel van de reeks laat zien dat vanaf 1989 het aantal zonuren is toegenomen van 1540 uren tot 1893 zonuren eind 2022. Een formidabele toename met 353 zonuren, dat is maar liefst 23% meer zonuren in de periode na de breuk.
Fig.9 Data: KNMI
Bovenstaande grafiek toont zowel Q (globale straling) als SQ (zonuren) op station De Bilt. R2=0,9, dus de correlatie tussen SQ en Q is zeer sterk. Dat is niet verwonderlijk, directe zonnestraling levert (veel) meer instraling op waardoor de globale straling Q automatisch groter wordt. De globale straling ‘volgt’ dus de zonuren.
Die zonuren worden berekend uit de data van de globale straling. De WMO (World Meteorological Organization) definieert zonneschijnduur als de periode waarin de directe zonne-instraling een drempelwaarde van 120 W/m2 overschrijdt.
Q (globale straling) is een belangrijke parameter als het gaat om de temperatuur op een bepaalde plaats. Het aantal zonuren per jaar is een mooie proxy voor de bewolking. Meer bewolking betekent immers minder direct zonlicht. Het is daarom niet moeilijk om in te zien dat de spectaculaire toename sinds 1989 van het aantal zonuren met maar liefst 23% het gevolg is van een sterke afname van de bewolking.
Fig10 Bron: KNMI
De lucht boven Nederland wordt met name in het zomerhalfjaar steeds zonniger en droger, schrijft het KNMI. Bij lagere relatieve vochtigheid raakt de lucht minder snel verzadigd met waterdamp, ontstaan er minder snel wolken en is er meer direct zonlicht. De grafiek van figuur 10 laat zien dat er gemiddeld 42 zonuren méér zijn als de relatieve vochtigheid 1 procent daalt.
Fig.11 Data: KNMI
Figuur 11 laat zien dat het verloop van de relatieve luchtvochtigheid in De Bilt aardig in de pas loopt met de toename van het aantal zonuren. De relatieve vochtigheid kent gemiddeld over de hele periode een aflopende trend, maar vooral vanaf eind jaren ’90 is de daling spectaculair.
Veranderende luchtcirculatie
De sterke stijging van de temperatuur in De Bilt vanaf 1989 is dus vooral het gevolg van toegenomen globale straling. En die toegenomen globale straling kan verklaard worden door afnemende bewolking. Hierboven zagen we dat de afgenomen relatieve vochtigheid daarbij een rol kan spelen. Maar wat is de oorzaak achter die afname van de bewolking en relatieve vochtigheid? Het KNMI zoekt het in en een tweetal zaken. Deels komt dit doordat er deze eeuw in het zomerhalfjaar vaker hogedrukgebieden waren, met weinig wolken, veel zon en drogere lucht. De andere factor is de opwarming van het land, waardoor de bodem ‘s zomers droog wordt en door de afwezigheid van verdamping de temperatuur extra stijgt. Vochtige oceaanlucht warmt dan boven het land op en de relatieve vochtigheid daalt (KNMI).
Maar die extra opwarming ’s zomers boven het land door het ontstaan van een droge bodem lijkt vooral het gevolg van meer hogedrukgebieden. Immers, in hogedrukgebieden valt minder neerslag en is de verdamping met name door de sterke toename van direct zonlicht groter. Natuurlijk spelen bij verdamping ook de luchttemperatuur en de windsnelheid ook een rol, maar direct zonlicht heeft een sterke invloed op de verdamping. De verdamping is vooral afhankelijk van de beschikbare hoeveelheid zonlicht en is daarmee in de zomermaanden belangrijk hoger dan gedurende de winter. De achterliggende oorzaak lijkt dus een verandering te zijn in de luchtcirculatie boven ons deel van Europa.
Fig. 12 Bron: Pik Report No 119
Eind 19e eeuw begon de Duitse weerdienst met het registreren van luchtcirculatiepatronen boven Europa. Bovenstaande tabel is afkomstig van een rapport van het Potsdam Institute Climate Impact Research (PIK) dat de classificatie van luchtcirculatietypen beschrijft. Die circulatiepatronen vormt de basis van de classificatie die de Duitse meteorologische Dienst (DWD) vanaf het eind van de 19e eeuw hanteert. De luchtcirculatie boven NW Europa wordt dan ingedeeld op basis van 29 zogenaamde Grosswetterlagen (GWL). Grosswetterlagen zijn een bron van nuttige informatie over luchtcirculatieveranderingen in de loop van de tijd. Ik heb daar in het verleden al vaker aandacht aan besteed, zie onder andere hier.
DWD vat de 29 GWL samen in een achttal Grosswettertypen en drie Zirkulationsformen. Die laatste zijn zonaal (west-oost gericht), meridionaal (noord-zuid of zuid-noord gericht) en mengvormen van die twee. Er is sprake van een zonaal circulatietype wanneer er een min of meer gelijkmatige west-oostelijke stroming bestaat tussen een subtropisch hogedrukgebied boven de Noord-Atlantische Oceaan en een subpolair lagedrukgebied. Stationaire, blokkerende hogedrukgebieden tussen 50 en 65 graden NB zijn kenmerkend voor het meridionale circulatietype, alsmede alle troggen met een noord-zuid noord-zuidas. De lucht beweegt dan van N naar Z en andersom. Bij het gemengde circulatietype zijn de zonale en meridionale stromingscomponenten ongeveer even groot.
Om een en ander overzichtelijk te houden gebruik ik alleen indeling in de drie circulatietypen en bekijk de ontwikkeling daarvan in de loop der jaren voor elk van de seizoenen. Omdat de signalen nogal volatiel zijn heb ik ze ‘gesmoothed’ met een loess filter om langjarige trends goed te kunnen zien.
Fig.13 Data: DWD
Figuur 13 laat voor de lente zien dat de laatste decennia de meridionale luchtcirculatie sterk gestegen is ten koste van de gemengde luchtcirculatie. In de praktijk betekent dat meer dagen met warme lucht uit het zuiden. De meridionale aanvoer van lucht uit het N blijft gelijk. De zonale circulatie blijft min of meer stabiel.
Fig.14 Data: DWD
De zomer laat in de afgelopen halve eeuw een toename zien van het meridionale circulatietype ten koste van het gemende type. Dat betekent meer dagen met aanvoer van warme lucht vanuit het Z. De zonale (westelijke) circulatie neemt ’s zomers vanaf 1950 geleidelijk af.
Fig.15 Bron: DWD
De herfst vertoont vanaf ongeveer 1980 een sterk wisselend beeld, vergeleken met de stabiele situatie in de 100 jaren daarvoor. De meridionale circulatie neemt vanaf de jaren ’80 sterk toe, vooral ten koste van de zonale circulatie.
Fig.16 Bron: DWD
In tegenstelling tot de drie andere seizoenen is de winter vanaf 1900 een toonbeeld van gelijkmatigheid. De drie circulatietypen tonen de laatste decennia geen opvallend verloop. Wel gaan de ups en downs van de meridionale circulatie – net zoals in de herfst- ten koste van de zonale circulatie.
Al met al is het beeld op basis van de GWL zodanig dat er de afgelopen decennia sprake is van sterke verschuivingen in de luchtcirculatie boven West Europa. Dat was overigens ook – maar in mindere mate- het geval aan het begin van de 20e eeuw.
Fig.17 Bron: Pik Report No 119
Figuur 17 zet twee trends tegenover elkaar: de afnemende invloed van GWL met een noordcomponent en de toenemende invloed van GWL met een zuidcomponent. Veel duidelijker kan het niet: de luchtcirculatie in Europa wordt vanaf de jaren ’50 zuidelijker en dus warmer.
Wiskundestudent Jippe Hoogeveen heeft niet zo lang geleden een klimaatmodel gemaakt dat net zoals de GWL van de Duitse meteorologische dienst rekening houdt met de brongebieden en aanvoerroutes van binnenstromende lucht, maar dat heeft hij weten te vatten in een wiskundig model. Samen met zijn vader (wiskundige aan de universiteit van Utrecht) heeft hij zijn klimaatmodel kunnen publiceren.
Zijn model is sterk afwijkend van de methodiek van de GWL, daarom is vergelijken lastig. Maar het model van Jippe laat zien dat er de afgelopen decennia sprake is van grote verschuivingen in de brongebieden van met name de maritieme luchtsoorten: meer W en SW en minder NW en N. De continentale luchtsoorten laten vooral in de zomer een toename uit de warmere hoek zien (E, SE, S). Dat alles betekent meer aanvoer van warmte dan voorheen.
Fig.18 Bron: Hoogeveen et al 2022
Dat het model van Jippe en zijn vader deugt laat figuur 18 zien. In rood de voorspelling van de jaarlijkse temperatuur in De Bilt door het model, in zwart de gemeten jaartemperatuur in De Bilt. De grafiek toont een zeer goede fit met een R kwadraat van 0,85. Volgens Jippe verklaart luchtcirculatie het grootste deel van de recente opwarming in Nederland. Opvallend was dat in het onderzoek van Hoogeveen et al CO2 in de recente opwarming van Nederland geen rol van betekenis lijkt te spelen.
Zoals we al zagen leverde in De Bilt de sterke opwaartse trend van de globale straling van 1989 t/m 2022 een toename van de straling op van 16 W/m2. Hoe zit dat met CO2? Verdubbeling van CO2 veroorzaakt volgens het IPCC een stralingsforcering van 3,7 W/m2 . Recente gedetailleerde radiative transfer calculations kwamen tot een vergelijkbare schatting. (Myhre et al 2017). Dus 16 W/m2 erbij door extra zonlicht is heel veel.
Fig.19 Naar: Myhre et al 2017
Sterker nog: in de periode 1989-2022 steeg het atmosferisch CO2-gehalte op Mauna Loa van 353,2 ppm naar 418,6 ppm (bron: NOAA). De grafiek van figuur 19 laat zien dat die stijging van het CO2-gehalte van 1989 t/m 2022 met 65,4 ppm een extra radiative forcing teweeg bracht van 0,9 W/m2. Vergelijk dat eens met de extra radiative forcing van de toegenomen globale straling in De Bilt in de periode 1989-2022 met 16 W/m2!
Conclusie: de opvallende grote stijging van de temperatuur op station De Bilt tussen 1989 en 2022 is grotendeels het gevolg van de sterk toegenomen globale straling, die op zijn beurt vooral het gevolg is van wijzigingen in de grootschalige luchtcirculatie boven Europa en het noordelijk deel van de Atlantische Oceaan.
Een volgende keer meer aandacht voor de langgolvige kant van de stralingsbalans en de situatie in Europa.