Bijlage bij bericht No. 4 van
22-01-2012, 13.00 uur
Iets over Modellen, voorspelbaarheid en duiding
van Uitvoer bij blokkades.
Er wordt de laatste tijd veel
gediscussieerd over blokkades in de Uitvoer die maar niet willen
onstaan. In dit verhaal geef ik naast een korte algemene
inleiding in de werking van de atmosfeer, voorspelbaarheid en de
modellen een stukje uitleg over de voorspelbaarheid van
blokkades. Voor wie de informatie in de volgende hoofdstukjes
tot en met "Klimaatmodel" bekend zijn, kan ze desnoods
overslaan.
Hoe werkt de atmosfeer?
Om iets te vertellen van de achtergronden van Modellen en
voorspelbaarheid is eerst wat technische uitleg nodig over hoe
een atmosfeermodel werkt. Het gedrag van de atmosfeer kan in
ietwat vereenvoudigde vorm worden beschreven door een stelsel
van tijd-afhankelijke vergelijkingen. Het tijd-afhankelijke is
een belangrijk gegeven, hierdoor is het mogelijk het gedrag in
de tijd te beschrijven, met andere woorden in de toekomst te
beschrijven ("verwachten").
De belangrijkste vergelijkingen zijn degenen die de krachten die
op de lucht inwerken en de daaruit volgende bewegingen van de
lucht beschrijven. Dit noemt men de bewegingsvergelijkingen. Er
zijn er 3, net zoveel als er dimensies zijn, namelijk west-oost,
noord-zuid en de verticale dimensie.
Een vierde belangrijke is de relatie tussen luchtdruk, dichtheid
(volume) en temperatuur van de lucht. Deze wordt ook wel de
gaswet genoemd.
Dan is er nog de continuiteitswet. Deze zegt niet anders dat
lucht niet kan verdwijnen of zich kan ophopen en dus altijd
"ergens" heen moet stromen.
Verder wordt in een model de stralingshuishouding van de
atmosfeer beschreven en ook warmte-uitwisseling en wrijving
tussen het aardoppervlak/de zee en de lucht. Verdamping,
condensatie en neerslag worden in een modern atmosfeermodel
uiteraard ook meegenomen.
Numeriek stromingsmodel van de atmosfeer
Het atmosfeermodel bestaat uit een regelmatig denkbeeldig
rooster in de horizontaal en verticaal dat over de aarde gelegd
wordt. Ieder vakje in dat rooster beschrijft zo het gedrag van
een blokje lucht. De horizontale afmetingen van die blokjes
varieren tussen circa 1x1 en 50x50 km, de verticale tussen circa
10 en 500 m dikte. De verticale afmetingen zijn veel kleiner dan
de horizontale omdat de atmosfeer ook heel plat is: De omtrek
van de aarde is 40000 km terwijl de dikte van het relevante deel
van de atmosfeer ongeveer 30 km is. De afmetingen van de blokjes
worden in principe alleen beperkt door de beschikbare
computercapaciteit. (Hoe kleiner de blokjes, hoe meer er nodig
zijn en hoe meer computercapaciteit je dus nodig hebt.) Veel
modellen zijn globaal, dwz ze beschrijven de atmosfeer over de
gehele aarde. Regionale modellen hebben aan de randen altijd
Uitvoer van een globaal model nodig om te kunnen functioneren.
Omdat ze een veel kleiner rekengebied hebben dan globale
modellen kan het rekenrooster fijner zijn. Op ieder blokje
worden de grootheden als druk, temperatuur, vocht en wind met
behulp van de tijd-afhankelijke vergelijkingen uitgerekend
evenals de andere genoemde processen (bijv straling, verdamping
en neeslag) en verbanden. Hieruit volgt dan een toestand van de
grootheden op een stapje vooruit in de tijd. Door dit vele malen
te herhalen kan dagen en desgewenst jaren vooruit in de tijd
gerekend worden.
Weermodel
Om een voorspelling te kunnen doen moeten we de begintoestand
weten. Daarvoor worden er continu waarnemingen verricht, zowel
aan de grond als in de bovenlucht. Met de waarnemingen wordt de
Uitvoer van de vorige modelrun als het ware gecorrrigeerd. Waar
geen meetgegevens zijn wordt de Uitvoer van de vorige modelrun
als begintoestand gebruikt. Het is bekend dat kleine verschillen
in de begintoestand na 5-10 dagen tot aanzienlijke verschillen
in de uitkomst kunnen leiden. Dit komt doordat de atmosfeer
chaotisch gedrag vertoont. Dit is niet uniek voor de atmosfeer,
er zijn veel eenvoudiger, zelfs zeer eenvoudige systemen die
chaotisch gedrag in de tijd vertonen. Om iets over dat
chaotische gedrag te kunnen zeggen worden de zgn
Ensemble-modellen gebruikt. De begintoestand wordt daarbij op
een slimme manier een aantal keren (meestal tussen 20 en 50
keer, ook dit is weer afhankelijk van de beschikbare
rekencapaciteit) iets veranderd met de bedoeling iets over de
invloed van verschillen (bijv onnauwkeurigheden in de
waarnemingen of gebrek aan waarnemingen) op de voorspelling te
kunnen zeggen.
Klimaatmodel
Een klimaatmodel is vaak een iets aangepast weermodel. Het
belangrijkste verschil is de verwachtingsperiode: In plaats van
10-15 dagen 10-tallen tot 100-en jaren. Nu zou je op grond van
het bovenstaande zeggen dat de voorspelbaarheid na ongeveer 10
dagen wel ophoudt, zodat het zinloos is om nog verder te
rekenen. Toch is dat niet waar. Niet alleen de begintoestand is
belangrijk, minstens zo belangrijk zijn de zogenaamde
randvoorwaarden. Dit zijn elementen in het systeem
aarde-atmosfeer die niet of heel langzaam veranderen.
De belangrijkste die niet of vrijwel niet veranderen zijn: de
afmetingen van de aarde en stand van de aardas; de hoeveelheid
zonnestraling die de atmosfeer binnenkomt (zonneconstante) en de
zwaartekracht en de land-zeeverdeling en de topografie van het
land en de zeebodem. Langzaam veranderende grootheden zijn de
grootschalige zeestromen en zaken als El Nino/La Nina, de
vegetatie, ijskappen en de mate waarin de atmosfeer warmte
vasthoudt(het broeikaseffect). Iets sneller veranderen de
temperatuur van het zeewater, en de grootschalige
ijs/sneeuwbedekking.
Al deze niet of langzaam veranderende grootheden bepalen hoe het
klimaat, dus het gemiddelde weer op de aarde er uit ziet. De
begintoestand op een bepaald moment doet er helemaal niet meer
toe. Een klimaatmodel is er vooral op gebouwd om de
wisselwerking tussen de atmosfeer en de niet of langzaam
veranderende grootheden zo goed modelijk te beschrijven.
Stromingspatronen
De stroming op de gematigde breedten wordt gekarakteriseerd door
een sterk noord-zuid temperatuurverschil. Volgens theoretische
modellen moet dit leiden tot een sterke zonale (westelijke)
stroming. Het is normaal dat een dergelijke stroming meandert.
Ook dat wordt door theoretische modellen beschreven. Naast deze
grootschalige meanders (de zgn Rossby-golven) komen
kleinschalige, veel heftiger verstoringen voor. Deze onstaan
door dynamische onstabiliteit als gevolg van het N-Z
temperatuurverschil. Deze golven kennen we als depressies en
hogedrukruggen. Ze hebben een belanrijke functie: ze verzorgen
een deel van het warmtetransport van de evenaar (eigenlijk de
subtropische hogedrukcel, maar dat doet niets af aan het
principe) naar de pool. (Een ander deel wordt door de
zeestromingen geleverd). Soms ontstaan blokkades, min of meer
stationaire patronen van aan elkaar gekoppelde lage- en
hogedrukgebieden die het westelijke stromingspatroon verstoren.
Het mechanisme om ze te laten ontstaan ("hoe") is dat
opeenvolgende golven vertragen in hun oostwaartse beweging en
elkaar versterken. Waarom ze precies ontstaan is nog lang niet
helemaal duidelijk. Het heeft iets met de land-zee verdeling, de
temperatuurverdeling van het zeewater en de orografie te maken:
op het zuidelijk halfrond komen blokkades veel minder voor en op
het noordelijk halfrond zijn er voorkeursgebieden waar ze
ontstaan, m.n de westranden van de continenten. Het blijkt dat
ook in relatief eenvoudige modellen van de atmosfeer, zelfs
zonder bergruggen en continenten, blokkades kunnen ontstaan. Ze
zijn dus waarschijnlijk een intrinsieke eigenschap van de
dynamica van de atmosfeer op gematigde breedten. Ook blokkades
zorgen voor warmtetransport naar de pool, alleen het mechanisme
is anders.
Voorspelbaarheid en het optreden van blokkades
Alle stromingsmodellen van de atmosfeer laten blokkades ontstaan
en weer verdwijnen. We zien ze in de Uitvoer van weermodellen en
van klimaatmodellen als we die van dag tot dag zouden bekijken.
Kennelijk is er *iets* in de atmosfeer dat er voor zorgt dat ze
ontstaan. Toch zien we vaak opvallende verschillen in het
optreden van blokkades. Er zijn periodes van soms maanden en
jaren (afgezien van een seizoensafhankelijkheid die waarbij er
in het voorjaar bij West-Europa relatief de meeste optreden en
in de hoogzomer en vroege winter de minste) dat er heel weinig
of juist veel blokkades optreden. Een regelmaat lijkt hier niet
in te zitten. Waarschijnlijk worden deze variaties indirect
veroorzaakt door relatief langzame variaties in de
randvoorwaarden: de verdeling van de zeewatertemperatuur,
ijs/sneeuwbedekking en mogelijk ook variaties in de tropische
convectie. Het blijkt tot nu toe erg moeilijk om fysische en
statistische verbanden aan te tonen. Er spelen waarschijnlijk
veel indirecte effecten een rol: Verdeling van de bewolking,
neerslagpatronen (bij het vormen van neerslag wordt veel warmte
getransporteerd) en subtiele veranderingen van de
warmtehuishouding tussen evenaar en pool. Iets moet nog gezegd
worden over de rol van de stratosfeer. Wat er in de stratosfeer
gebeurt wordt deels bepaald door wat er in laag daaronder
(troposfeer) gebeurt en deels door processen in de stratosfeer
zelf (vooral de stralingshuishouding in relatie tot ozon).
Meestal heeft de stratosfeer geen invloed op wat er in de
troposfeer gebeurt. Soms kunnen grootschalige dynamische
effecten in de stratosfeer wel invloed uitoefenen op de
troposfeer. Deze invloed doet zich alleen gelden wanneer de
troposfeer daar op dat moment ook gevoelig voor is. Over deze
gevoeligheden is nog weinig bekend.
Wel of niet een blokkade?
In de Uitvoer van atmosfeermodellen zien we meestal op de wat
langere termijn (na 5-10 dagen) wel blokkades ontstaan. Op zich
is dat logisch omdat ze bij het gedrag van de atmosfeer op
gematigde breedten horen. Toch zien we soms dat ze hoewel ze
herhaaldelijk voorspeld worden, niet optreden. Dat heeft
waarschijnlijk te maken met de lange termijn variaties in het
optreden van blokkades. Er is dus iets in de relatief langzaam
veranderende grootheden van het aarde-atmosfeer systeem wat
verhindert of juist stimuleert dat op een bepaalde plaats een
geblokkeerd patroon ontstaat. Iets van deze gevoeligheid zit wel
in de huidige weermodellen. Toch lijkt het erop dat deze
gevoeligheden, die weinig expliciet bekend zijn, er voor zorgen
dat blokkades soms ogenschijnlijk makkelijk uit het niets
ontstaan en soms in tegenstelling tot de Uitvoer, maar niet
willen ontstaan.
De omslag van een periode met veel blokkades naar een met weinig
blokkades lijkt meestal min of meer toevallig op te treden. Zo
hebben we de afgelopen 2 jaar relatief vaak blokkades gezien,
totdat dit eind november 2011 zomaar ineens voorbij was. In de
Uitvoer voorspelde blokkades traden niet meer op. Hoe lang dit
tijdvak van weinig blokkades duurt valt niet te zeggen. Het kan
zijn dat de huidige periode van sterke westelijke stromingen een
kortdurend intermezzo was en dat het geblokkeerde regime zich
herstelt, maar het kan ook zijn dat er afgezien van kortdurende
periodes met blokkades de komende maanden of zelfs jaren weinig
blokkades zullen voorkomen.
Laatst aangepast op ( zondag 22 januari 2012 ) |
