Het weer van de toekomstExtreme windstoten voortkomend uit onweersstormen in een warmer wordend klimaat

In Europa zorgen onweersstormen jaarlijks voor miljarden euro's aan schadedoordat ze soms samengaan met hevige regenval, bliksem, hagel en extreme windstoten. Sommige wetenschappers voorspellen dat door het opwarmen van het klimaat de kans op hevige onweersstormen toeneemtin Europa. De meeste onderzoekers zijn het erover eens dat met name de bijbehorende regenbuien intenserzullen worden in de toekomst. Over het effect van klimaatverandering op extreme windstoten is echter nog weinig bekend. Desondanks is dit ook erg belangrijk om veerkrachtig de toekomst tegemoet te gaan. Zo willen we bijvoorbeeld weten of de geplande windmolens wel stevig genoeg gebouwd zijn en of we dijken moeten gaan verstevigen. In mijn scriptie heb ik met behulp van weer- en klimaatmodellen onderzocht of windstoten heviger zullen worden in de toekomst, en dit lijkt inderdaad het geval te zijn. Maar hoe ontstaan windstoten uit onweersstormen eigenlijk? Waarom zijn deze zo moeilijk te voorspellen? Is het eigenlijk wel mogelijk een verwachting te maken voor het weer in 2097?

Convectieve onweerswolken

Op een zomerse dag kun je vaak stapelwolken zien. Deze wolken vallen in de categorie convectieve wolken, omdat ze door convectie ontstaan. Convectie beschrijft het natuurkundige verschijnsel waarin warme lucht (of een andere stof, zoals water in een pan) opstijgt.

De lucht die opstijgt bevat meestal water, en als algemene regel geldt dat koudere lucht minder water kan bevatten. Als de lucht opstijgt en afkoelt, is deze op een bepaald moment verzadigd met water en vindt condensatie plaats: waterdruppels en soms ijskristallen ontstaan en wolken vormen. Wanneer de lucht snel stijgt, veel water bevat of onstabielis, kunnen de wolken tot grote hoogte stijgen om een cumulonimbuswolk te vormen.

Downdrafts en wind

Op een bepaald moment worden de waterdruppels te zwaar om nog gedragen te kunnen worden door de opwaartse convectieve stroming en vallen ze naar beneden. De vallende waterdruppels zorgen voor een neerwaartse luchtstroom, die ook wel een downdraft of downburst wordt genoemd. Als de luchtstroom de grond bereikt kan de lucht alleen nog maar opzij. Op deze manier ontstaat een windstotenfront, wat goed in de video te zien is.

Sommige meteorologische omstandigheden zorgen ervoor dat de windstoten uit convectieve stormen extreem hard zijn. Twee belangrijke aspecten zijn sterke windschering, het verschil in windsnelheid en richting tussen de grond en op hoogte, en instabiliteitvan de atmosfeer. Soms kunnen de omstandigheden er ook voor zorgen dat er een tornado ontstaat.

Onmisbare weermodellen

Om weersverwachtingen te maken en weeralarmen af te geven kan het KNMI niet zonder weermodellen. In een weermodel is de aarde verdeeld in blokjes en wordt aan de hand van natuurkundige wetten berekend hoe het weer zich ontwikkelt. Daarnaast worden beginwaarden genomen uit waarnemingen van satellieten, grondstations, weerballonnen en andere metingen. Anders dan de winterstormen zijn onweersstormen erg lokaal: vaak zijn ze niet groter dan een aantal kilometer. Hierdoor zijn ze extra lastig te vatten in weermodellen en zit een verwachting er in de zomer gemiddeld vaker naast dan in de winter. In het model van het KNMI dat Harmonie heet zijn de cellen 2.5 km x 2.5 kmgroot. Op deze resolutie is het mogelijk om grotere onweersstormen te vatten in de berekeningen.

Klimaatscenario's

Doordat de blokjes van Harmonie klein zijn moeten er in een gebied veel berekeningen gemaakt worden. Hierdoor gaan de weersverwachtingen vaak maar tot twee dagen vooruit. Voor klimaatstudies die soms 100 jaar in de toekomst kijken worden daarom alternatieve klimaatmodellen gebruikt. Deze heten ‘global climate models’ of afgekort GCMs. Deze modellen hebben veel grotere cellen van rond de 80 x 80 km. Door deze grovere resolutie zijn de berekeningen een stuk minder zwaar en kunnen ze met gemak berekeningen voor de gehele 21^ste eeuw aan. In deze modellen is de broeikasgas concentratie verhoogd aan de hand van verschillende scenario's.Met behulp van deze berekeningen op 80 x 80 km resolutie kan bepaald worden wat er met, bijvoorbeeld, de gemiddelde temperatuur zal gebeuren als de broeikasgas concentratie omhoog gaat. Echter, met deze resolutie is het lastig iets te zeggen over wat er gebeurt met kleinschalige weersfenomenen zoals onweersstormen. Hier komt Harmonie weer van pas. Het globale grove model is in Europa ‘gedownscaled’. Dat wil zeggen, in plaats van dat Harmonie de beginwaarden neemt uit waarnemingen komen ze van de GCM, zie ook het figuur.

Dit is vrij uniek: tot nu toe zijn de meeste onderzoeken met klimaatmodellen enkel direct met GCMs of soms door downscaling met grovere weermodellen gedaan. Omdat het gebruik van hogere resolutie modellen in klimaatstudies vrij uniek is heb ik ook onderzocht hoe goed de extreme windstoten van onweersstormen opgelost worden in de modellen. Dit lijkt inderdaad redelijk goed te gaan.

Onweersstorm 29 juni 2097

In de animatie hieronder, een van de resultaten van mijn scriptie, zie je hoe een onweersstorm op 29 juni 2097 zich ontwikkelt. De dag begint met hoge temperaturen, lokaal tot 45°C. Hierdoor is de instabiliteit (gemeten door 'CAPE' in de animatie) ook erg hoog. Daarnaast zie je dat de windschering ('wind shear' in het figuur) ook sterk is, lokaal 40 m/s. Sterke windschering in combinatie met hoge instabiliteit zijn belangrijke ingrediënten voor de formatie van extreme windstoten uit convectieve stormen. En inderdaad, rond 15:30 zie je hevige windstoten tot 45 m/s ontstaan. In het temperatuursveld zie je door het hitteveld heen koude cirkels vormen. Deze koude cellen worden ook wel 'cold pools' genoemd en ontstaan doordat koude lucht van bovenin de atmosfeer naar beneden wordt getransporteerd. Deze verticale bewegingen zie je op zijn beurt weer mooi in de structuren van de verticale snelheid, waarin up- (positieve snelheden) en downdrafts (negatieve snelheden) te zien zijn. Een storm met deze eigenschappen is ondenkbaar in het huidige klimaat.

Zullen hevige windstoten uit onweersstormen in Europa heviger worden?

Om deze vraag te beantwoorden heb ik de resultaten van het model in een historische periode (1996-2005) vergeleken met een toekomstige periode (2090-2099). Hieruit blijkt dat er weinig zal veranderen met de gemiddelde windstoot in Europa. Echter, de resultaten tonen wel significante veranderingen voor extreme windstoten. In het linker figuur hieronder is de maximale zomer windstoot snelheid in de geschiedenis (1996-2005) te zien. In het rechter plaatje zie je hoe deze maximale snelheid verandert in het model ten opzichte van de geschiedenis in de toekomst (2090-2099).

Opvallend is dat de maximale snelheid op sommige plekken met 20 m/s toeneemt, voornamelijk in Oost-Nederland en Duitsland. Vergelijkbare figuren zijn ook gemaakt voor de hoeveelheid zomerdagen met windstoten boven de 25 m/s. Hieruit blijkt dat ook het aantal zomerse dagen met sterke windstoten in dezelfde regio's zal toenemen.

Onweersbuien blijven lokale fenomenen en produceren niet vaak extreme windstoten. Zelfs in de toekomst berekent het model dat het aantal zomerse dagen met windstoten boven 25 m/s onder de 1 per jaar blijft in landelijk Europa (kijkend naar een enkel grid punt, dus niet over een bepaalde regio). In de bergen is dit meer: zo'n 10-20 per jaar per gridpunt. Door het zeldzame voorkomen blijft het lastig om enkel aan de hand van dit onderzoek stevige conclusies te trekken. Daarnaast zijn er zoals bij elk wetenschappelijk onderzoek een aantal onzekerhedendie met deze resultaten gepaard gaan. Desondanks tonen de resultaten uit mijn scriptie aan dat het belangrijk is om verder onderzoek te doen naar extreme windstoten in een warmer klimaat. Daarnaast is aangetoond dat de gebruikte modellen hierbij een belangrijke rol kunnen spelen. Dit onderzoek maakt deel uit van de KNMI klimaatscenario's. Een belangrijk doel van deze scenario's is de maatschappij veerkrachtig te maken voor de veranderingen die een opwarmende aarde met zich mee zal brengen. Ik hoop dat mijn scriptie en mijn toekomstige carrière hier een belangrijke bijdrage aan zullen leveren.