Nieuwsbank

Schrijft, screent en verspreidt persberichten voor journalistiek, search en social media. Hét startpunt om uw nieuws wereldkundig te maken. Ook voor follow-ups, pitches en korte videoproducties.

Oratie Theo Opsteegh, hoogleraar dynamische meteorologie RUU

Datum nieuwsfeit: 15-06-2001
Vindplaats van dit bericht
Bron: Razende Robot Reporter
Zoek soortgelijke berichten
KNMI

LICHT OP DE ATMOSFEER

Rede, uitgesproken op 14 juni 2001 naar aanleiding van de benoeming tot hoogleraar in de dynamische meteorologie aan de Universiteit van Utrecht door

Jacobus Dorotheus Opsteegh

Koninklijk Nederlands Meteorologisch Instituut

en

Instituut voor Marien en Atmosferisch Onderzoek

Faculteit Natuur- en Sterrenkunde, Universiteit van Utrecht

Aan mijn ouders, Nora, Daniel, Pepijn en Marieke

En God zei:

"Er moeten lichten zijn aan het hemelgewelf,
die de dag van de nacht zullen scheiden;
zij moeten als tekens dienen,
voor zowel de feesten als voor de dagen en de jaren, en als lampen aan het hemelgewelf
om de aarde te verlichten".

Zo gebeurde het.

God maakte de twee grote lampen,

de grootste om over de dag te heersen,

de kleinste om te heersen over de nacht,

en Hij maakte ook de sterren.

God gaf ze een plaats aan het hemelgewelf

om de aarde te verlichten,

om te heersen over de dag en over de nacht,

en om het licht van de duisternis te scheiden.

En God zag dat het goed was.

Het werd avond en het werd ochtend;

dat was de vierde dag.

Uit: het Boek Genesis 1, 14-19

(Willibrord vertaling)

Dames en heren,

Op 1 april 2000 ben ik aan deze universiteit benoemd als hoogleraar in de dynamische meteorologie. Ik maak thans dankbaar gebruik van de gelegenheid, die mij geboden wordt, om een impressie te geven van wat dynamische meteorologie is, wat eruit is voortgekomen en wat de uitdagingen voor de toekomst zijn. Ik zal met name de gevolgen bespreken van de technologische revolutie, die de ontwikkelingen in de dynamische meteorologie, sinds het eind van de jaren zestig, is gaan domineren. Deze technologische revolutie werd mogelijk door de zeer snelle toename in de rekenkracht van computers. Enerzijds kunnen nu de weersverschijnselen en het mondiale klimaat realistisch worden gesimuleerd met steeds ingewikkelder computermodellen. Anderzijds dreigt deze ontwikkeling ten koste te gaan van het onderzoek, dat is gericht op verdieping van het inzicht in die verschijnselen en hun onderlinge samenhang.

In de dynamische meteorologie houden we ons bezig met de bestudering van de luchtbewegingen in de atmosfeer die van belang zijn voor weer en klimaat. De grootschalige luchtstromingen in de atmosfeer worden veroorzaakt door de ongelijkmatige verwarming van de aarde door de zon. Gemiddeld over de aarde wordt evenveel zonnestraling geabsorbeerd als er aan langgolvige straling de ruimte in verdwijnt. Lokaal bestaat dit stralingsevenwicht echter niet. In de tropen wordt meer straling ontvangen dan er wordt uitgezonden. Op hoge geografische breedten is er een stralingstekort. De lokale energiebudgetten worden gesloten door transport van warmte van de tropen naar de polen. De atmosfeer en de oceanen dragen in ongeveer gelijke mate bij aan dit transport. In de atmosfeer vindt het warmtetransport plaats door middel van duidelijk herkenbare en voor de atmosfeer karakteristieke circulatiepatronen. Het zijn deze patronen, die de veelheid aan weersverschijnselen en klimaten op aarde bepalen.

Ontwikkelingen in de meteorologie worden niet alleen gestimuleerd door de wens om de waargenomen atmosferische verschijnselen te begrijpen. Ze worden ook bevorderd door de maatschappelijke behoefte aan concrete informatie over het toekomstige weer en het klimaat. Meteorologie is dus een heel praktisch vak. Dit is altijd zo geweest. Buys Ballot kon in Nederland in 1854 het Koninklijk Nederlands Meteorologisch Instituut (KNMI) bijvoorbeeld oprichten, omdat hij Thorbecke ervan overtuigde dat je uit scheepsjournalen informatie over winden en zeestromingen kon afleiden. Informatie die profijtelijk voor de zeilvaart zou zijn. De eerste operationele producten van het KNMI waren dan ook aanwijzingen voor de zeilvaart. Door deze aanwijzingen werd de vaartijd naar Oost-Indië met ongeveer tien procent bekort.

In 1852 startte de Nederlandse telegraafdienst. Bijna tegelijkertijd werd een Europees telegraafnetwerk in gebruik genomen. Door deze spectaculaire technologische ontwikkeling werd het mogelijk om de weersverschijnselen in hun ruimtelijke samenhang te bestuderen. Dit leidde al snel tot nieuwe inzichten, waarvan de bij ieder bekende wet van Buys Ballot een voorbeeld is. Het beschikbaar komen van nieuwe technologie en de hieruit voortgekomen nieuwe inzichten werden zo mogelijk steeds vertaald in praktische verwachtingsmethoden. De uitvinding van de telegraaf, die in 1860 tot de oprichting van een stormwaarschuwingsdienst leidde, was de eerste van een reeks technologische doorbraken die de ontwikkelingen in de meteorologie hebben bepaald. Ik zal dit illustreren aan de hand van een korte historische schets van deze ontwikkelingen. Hierbij zal ik laten zien hoe de technologische ontwikkelingen uiteindelijk hebben geleid tot een wezenlijk andere benadering van de operationele meteorologie. Aanvankelijk waren de verwachtingsmethoden gebaseerd op het inzicht dat men had in de atmosferische verschijnselen. Tegenwoordig ligt het accent echter op de ontwikkeling van complexe computermodellen, waarin alle processen zo goed mogelijk volgens de bekende fysische wetmatigheden worden beschreven.

2 De geschiedenis van de operationele meteorologie

De geschiedenis van de operationele meteorologie kan worden onderverdeeld in drie perioden De eerste periode begint in het midden van de negentiende eeuw en duurt ongeveer tot 1960. Deze periode wordt gekenmerkt door het gebruik van een synoptisch netwerk van meteorologische waarnemingen aan het aardoppervlak. De informatie van de metingen werd met behulp van conceptuele modellen gecondenseerd en vervolgens geëxtrapoleerd in de tijd. In de tweede periode, die tot ongeveer 1970 duurde, werd vooral gebruik gemaakt van het na de tweede wereldoorlog ontstane netwerk van radiosondestations en eenvoudige computermodellen van de atmosfeer. De derde periode vangt aan met de komst van de eerste supercomputers en wordt gekenmerkt door het ontstaan van een zeer dicht mondiaal meetnetwerk en de ontwikkeling van geavanceerde weer- en klimaatmodellen.

2.1 Het tijdperk van de Noorse School

Omstreeks 1780 vinden discussies plaats tussen een aantal Franse wetenschappers, waaronder Lavoisier, Lamarck en Laplace. Deze discussies kunnen worden gezien als startpunt van de operationele meteorologie. Lavoisier had een vorm van operationele voorlichting op het oog. Hij meende hiervoor niet alleen waarnemingen van druk, wind en luchtvochtigheid nodig te hebben, maar ook een set van grondslagen en regels uit de natuurkunde om deze waarnemingen in de tijd te kunnen extrapoleren. In 1904 maakte Vilhelm Bjerknes het idee van Lavoisier concreet, door er op te wijzen dat de bekende wiskundige vergelijkingen uit de hydrodynamica in principe toepasbaar zijn op de atmosfeer. Hij realiseerde zich echter dat de operationele toepassing ver buiten de toenmalige mogelijkheden lag. Daarom ging hij in zijn onderzoek naar de ontwikkeling van verwachtingsmethoden een meer empirische weg.

In 1917 breidde hij het aantal waarnemingsstations in Zuid Noorwegen sterk uit. Hierdoor werd het mogelijk om met een grote mate van detail de ruimtelijk samenhang van atmosferische verschijnselen in kaart te brengen. Met behulp van dit netwerk werden de fronten ontdekt en de samenhang van de fronten met de depressies. Dit resulteerde in de ontwikkeling van een conceptueel model van de atmosfeer, waarmee de levensloop van depressies kon worden beschreven en voorspeld voor een termijn van één tot twee dagen vooruit. Hoewel de algemene acceptatie ervan nog geruime tijd op zich liet wachten, heeft dit zogenoemde Noorse School model vervolgens de werkwijze in de operationele weerdiensten over de hele wereld tientallen jaren lang gedomineerd. Zo werd de methode door de Zweed Carl-Gustaf Rossby al in 1926 in de Verenigde Staten geïntroduceerd, maar pas in 1939 operationeel ingevoerd. De tweede wereldoorlog zorgde voor de definitieve doorbraak van de Noorse methode. Onder supervisie van Rossby werden in de Verenigde Staten in hoog tempo duizenden meteorologen opgeleid, die de strijdkrachten moesten begeleiden. Onder hen waren Jule Charney en Edward Lorenz, die later belangrijke bijdragen zouden leveren aan de ontwikkeling van de dynamische meteorologie. In Nederland werd de Noorse methode door Bleeker geïntroduceerd. In 1937 en 1938 maakte hij studiereizen naar Noorwegen om zich de methode eigen te maken. Voor de eerste reis moest hij wel zijn vakantie opnemen, hetgeen de scepsis illustreert die er ook in Nederland vóór de oorlog nog bestond. Illustratief is ook, dat onder de toenmalige hoofddirecteur van Everdingen de warmte- en koufronten niet in de weerkaarten mochten worden getekend. Wel stond hij toe dat de met de fronten samenhangende knikken in het isobarenpatroon werden aangebracht.

Het inzicht in de weersverschijnselen dat de grondslag vormde voor de ontwikkeling van het Noorse School model dwingt ook tegenwoordig nog veel respect af. Het moge duidelijk zijn dat dit inzicht mogelijk werd door de realisatie van een gedetailleerd netwerk van synoptische waarnemingsstations.

2.2 Het computertijdperk

De behoefte aan verwachtingen van de atmosferische condities in de bovenlucht nam sterk toe met de opkomst van het vliegverkeer. Hiermee werd het noodzakelijk op routinebasis hoogtemetingen te gaan verrichten. De beide wereldoorlogen hebben een grote invloed gehad op de bereidheid van landen om dit soort kostbare metingen te financieren. Vrij snel na de tweede wereldoorlog ontstond dan ook een wereldomspannend netwerk van radiosonde stations en kon een begin worden gemaakt met de analyse op mondiale schaal van temperatuur, druk en windverdeling in de bovenlucht. Hieruit ontstonden belangrijke nieuwe inzichten over de aard van de dominante fysische processen in de atmosfeer. Enige jaren later kwamen de eerste computers beschikbaar. Dit maakte het mogelijk om de nieuwe inzichten te vertalen in computermodellen van de atmosfeer, waarmee verwachtingen konden worden gemaakt. Het tijdperk van de numerieke meteorologie had zijn intrede gedaan.

Strikt genomen was de geschiedenis van de numerieke meteorologie echter al veel eerder begonnen. De Engelse meteoroloog Richardson had namelijk in 1922 al geprobeerd om de atmosferische vergelijkingen voor een beperkt gebied boven Europa, waarvoor waarnemingen beschikbaar waren, met de hand op te lossen . Hij discretiseerde de vergelijkingen met gedeeltelijk zelf ontwikkelde methoden. De voorspelde drukverandering, die het resultaat was van de berekeningen, was echter veel te groot. Het boek dat Richardson over deze experimenten schreef, werd dan ook destijds niet gezien als een belangrijke bijdrage aan de operationele meteorologie. Veel later, toen de eerste computers beschikbaar kwamen, was Richardson's publicatie een geweldige stimulans om een nieuwe poging te wagen.

In 1950 werden door Charney, Fjörtoft en von Neumann de resultaten gepubliceerd van de eerste numerieke verwachting, die met behulp van een computer was gemaakt . Het zogenoemde barotrope model, waarmee de berekeningen werden gedaan, was voorgesteld door Rossby. Rossby bestudeerde de analyses van de hoogtestroming in de atmosfeer. Hij ontdekte dat de atmosferische ontwikkelingen voor een of twee dagen vooruit vooral worden bepaald door transport van grootschalige wervels in de westelijke stroming van de gematigde breedten . Hierdoor was het mogelijk om de atmosferische vergelijkingen verregaand te vereenvoudigen, wat resulteerde in het barotrope atmosfeermodel. Het succes van deze eerste numerieke verwachting was dan ook te danken aan het beschikbaar komen van belangrijke nieuwe technologie in de vorm van computers en het aërologische meetnet en het hieruit voortgekomen inzicht in de verschijnselen.

In 1960 kwamen de eerste numerieke verwachtingen bij de operationele meteorologen terecht. Aanvankelijk waren dit nog verwachtingen die met het barotrope model werden gemaakt, maar in 1962 werd het door Charney ontwikkelde quasi-geostrofe model operationeel. Dit model beschrijft niet alleen het transport van wervels, zoals het barotrope model, maar tevens de ontwikkeling ervan. Het quasi-geostrofe model werd afgeleid met behulp van een zorgvuldige schaalanalyse en is een wonder van eenvoud en vernuft . Het lukte Charney de driedimensionale luchtstromingen te beschrijven met behulp van slechts één wiskundige vergelijking, die de verandering beschrijft van de quasi-geostrofe potentiële vorticiteit. De enige veldvariabele die hoeft te worden gemeten, om de toestand van de atmosfeer op een bepaald moment vast te leggen, is de druk als functie van de hoogte.

Om de ontwikkeling van grootschalige wervels in de atmosfeer te kunnen beschrijven, moet de verticale component van de wind bekend zijn. De verticale snelheid in deze wervels bedraagt echter slechts enkele centimeters per seconde en kan niet direct worden gemeten. Charney loste dit probleem op door gebruik te maken van het feit dat de drukgradient bijna balans maakt met andere krachten. In de verticaal is er een balans met de zwaartekracht, dit is het hydrostatisch evenwicht. In de horizontaal is er bijna balans met de Corioliskracht, dit is het geostrofisch evenwicht. Wanneer deze krachtenbalansen worden gecombineerd ontstaat de thermische windrelatie. Deze relatie beschrijft het verband tussen de wind- en de temperatuurverdeling. Charney vereenvoudigde de wiskundige vergelijkingen door de eis op te leggen dat de thermische windbalans, die door horizontale transporten van temperatuur en impuls dreigt te worden vernietigd, steeds intact blijft. Door deze vereenvoudiging was het mogelijk om de verticale windcomponent te berekenen als functie van de driedimensionale drukverdeling.

Het werd echter snel duidelijk dat ook het quasi-geostrofe model aanzienlijke beperkingen kent. De modelvergelijkingen zijn afgeleid voor condities, waarbij het zogenoemde Rossby-getal veel kleiner is dan één. Dit is het geval wanneer de verticale component van de rotatie van luchtdeeltjes klein is ten opzichte van de verticale component van de aardrotatie. Aan deze eis wordt niet voldaan in de tropen, maar naarmate de analyses van de toestand van de atmosfeer meer detail gingen bevatten, bleek het Rossby-getal ook niet klein te zijn voor de interessante weerverschijnselen van de gematigde breedten. Het model werd aan het eind van de jaren zestig in de operationele dienst vervangen door een model dat in de zogenoemde primitieve vergelijkingen is geformuleerd. Hoewel het quasi-geostrofe model slechts enkele jaren operationeel in de weerdiensten is toegepast, heeft de ontwikkeling ervan een enorme invloed gehad op het inzicht in de dynamica van de weersystemen van de gematigde breedten.

2.3 Het supercomputertijdperk

Door de ontwikkeling van de eerste supercomputers werd het mogelijk om atmosfeermodellen te ontwikkelen in de zogenoemde primitieve vergelijkingen. Met de introductie van dit type modellen in het begin van de jaren zeventig begint de brute force benadering van het voorspelprobleem te domineren. In deze benadering worden, binnen de beperkingen die de beschikbare computercapaciteit oplegt, alle fysische processen en hun onderlinge wisselwerking zo volledig mogelijk gemodelleerd volgens de fysische wetmatigheden waaraan die processen moeten voldoen. Zodra nog krachtiger computers beschikbaar kwamen, werd de toegenomen rekencapaciteit onmiddellijk benut om de modellen realistischer te maken. Dit gebeurde vooral door het opvoeren van de horizontale en verticale resolutie, maar ook door de ontwikkeling van steeds betere en ingewikkelder algoritmen voor de beschrijving van straling, wolken en neerslagvorming en de uitwisseling van warmte met het aardoppervlak.

De belangrijkste exponent van het succes van de brute force benadering in de ontwikkeling van numerieke weermodellen is het European Centre for Medium Range Weather Forecasting, kortweg ECMWF . In 1975 werd het ECMWF opgericht en gehuisvest in Reading, vlakbij Londen. Het belangrijkste doel van het Centrum is om verwachtingen te produceren tot een termijn die zo dicht mogelijk in de buurt moet liggen van de maximale termijn waarvoor bruikbare weersverwachtingen mogelijk zijn. Deze maximale termijn wordt geschat op ongeveer tien dagen. Sinds de productie van de eerste verwachting in 1979 heeft het ECMWF de termijn waarvoor bruikbare verwachtingen kunnen worden gemaakt met ongeveer twee dagen opgerekt. De bruikbare voorspeltermijn is nu ongeveer zeven dagen. Een van de doelstellingen voor de komende tien jaar is om deze termijn met nog één dag te verlengen.

Het eerste model van het ECMWF, dat de evolutie van de atmosferische circulatie op mondiale schaal beschreef, had een horizontale resolutie van tweehonderd kilometer en vijftien lagen in de verticaal. Aan het eind van het jaar tweeduizend was de afstand tussen de roosterpunten nog slechts veertig kilometer en waren er zestig lagen in de verticaal. De atmosferische circulatie wordt dus beschreven door de variabelen in meer dan twintig miljoen roosterpunten. Met een tijdstap van vijftien minuten is het aantal berekeningen dat moet worden uitgevoerd voor een tiendaagse verwachting ongeveer twee maal tien tot de macht veertien. De huidige supercomputers hebben hier niet veel meer dan een uur voor nodig. Het einde van de toename in complexiteit is nog niet in zicht. Gestreefd wordt naar een horizontaal oplossend vermogen van ongeveer tien tot twintig kilometer en negentig lagen in de verticaal. Overwogen wordt om in de toekomst niet-hydrostatische modellen te introduceren. Hiermee zal het mogelijk zijn om convectieve circulatiesystemen, zoals buien, expliciet op te lossen. Het is gebleken dat bij iedere overgang naar een grotere mate van detail in het model een kleine verbetering in modelprestaties kan worden waargenomen. Het atmosfeermodel lijkt de atmosfeer dus steeds beter te begrijpen. Het is de vraag of dit ook geldt voor de onderzoekers die het model hebben ontwikkeld.

De afgelopen drie decennia is er naast de behoefte aan informatie over het toekomstige weer een steeds dringender behoefte ontstaan aan informatie over het toekomstige klimaat. Het wordt niet onwaarschijnlijk geacht dat menselijke activiteiten onomkeerbare veranderingen in het klimaat tot gevolg zullen hebben. Naast de weerinstituten zijn er dan ook op diverse plaatsen in de wereld klimaatinstituten ontstaan. In de klimaatonderzoekcentra wordt, met behulp van computermodellen van het klimaat, onderzoek gedaan naar de oorzaken van klimaatfluctuaties en klimaatverandering. Klimaatmodellen beschrijven noodzakelijkerwijs niet alleen de ontwikkeling van de atmosfeer, maar ook van de oceaan, de hydrosfeer en de biosfeer. Bovendien beschrijven ze de interactie tussen deze dynamische componenten van het klimaatsysteem. Klimaatmodellen moeten dus nog veel ingewikkelder zijn dan weermodellen. Met de klimaatmodellen worden simulatie-experimenten gedaan, waarvan de resultaten vervolgens worden gebruikt om uitspraken te doen over mogelijke toekomstige klimaatveranderingen . Deze klimaatvoorspellingen spelen tegenwoordig een belangrijke rol in het internationale politieke debat over de maatregelen die nodig zijn om de uitstoot van broeikasgassen in de toekomst te reduceren.

De toegenomen complexiteit van weer- en klimaatmodellen maakt het noodzakelijk dat op een steeds kleinere ruimtelijke schaal wordt gemeten. Niet alleen de condities in de atmosfeer moeten nauwkeurig worden vastgelegd, maar ook die in de oceanen en op de continenten. Het traditionele meteorologische meetnet dat na de tweede wereldoorlog was ontstaan, werd vanaf het midden van de jaren zestig uitgebreid met nieuwe metingen, die door de voortgaande technologische ontwikkelingen beschikbaar kwamen. Aan het begin van de eenentwintigste eeuw zijn de gaten in het mondiale radiosondenetwerk, die met name groot waren boven de oceanen, opgevuld door de metingen vanuit satellieten. Nu kan continu de actuele toestand van de aarde, de oceanen en de atmosfeer worden waargenomen. De horizontale resolutie van satellietwaarnemingen bedraagt tegenwoordig slechts enkele tientallen kilometers. De kolossale informatiestroom van satellietmetingen, radiosondemetingen, de metingen vanuit vliegtuigen en vanaf de grond, wordt rechtstreeks naar de grote weerinstituten geleid. De complexe computermodellen van de atmosfeer verschaffen binnen enkele uren na binnenkomst van de gegevens alle mogelijke informatie over het toekomstige weer voor een periode van ongeveer een week vooruit. Daarnaast worden in de onderzoekcentra de gegevens gebruikt om de fysische parameterisaties van weer- en klimaatmodellen verder te verbeteren en de modelparameters af te regelen. Terecht kan de vraag worden gesteld wat er nu eigenlijk mis is met deze indrukwekkende technologische ontwikkeling van het meetnetwerk en de computermodellen.

3 De keerzijde van het technologische tijdperk

De enorme rekenkracht van de huidige computers heeft het succes van de toepassing van computermodellen voor weer en klimaat mogelijk gemaakt. Dit succes kan gemakkelijk tot de conclusie leiden dat iedere mogelijke vraag met behulp van deze modellen kan worden beantwoord. Bovendien kan het lijken alsof de informatie van de modellen vanzelf steeds betrouwbaarder wordt als ze nog meer details bevatten en nog ingewikkelder worden. Hoewel het niet mijn bedoeling is om het belang van de ontwikkeling van weer- en klimaatmodellen te bagatelliseren, heeft deze ontwikkeling ook een keerzijde.

Tot het midden van de jaren zestig van de vorige eeuw fungeerden de computer en het computermodel als een verlengstuk van de menselijke verbeelding. Het computermodel was de neerslag van een fysisch concept. Dit concept kon slechts succesvol zijn, wanneer het gebaseerd was op inzicht in de essentiële fysische processen. Gegeven de toenmalige beperkte middelen was de ontwikkeling van relatief eenvoudige fysische concepten van de atmosfeer noodzakelijk om operationele weersverwachtingen mogelijk te maken.

Door de snelle toename van de rekenkracht van de computers werd het echter mogelijk om modellen te ontwikkelen waarin zo goed mogelijk alle denkbare fysische processen waren meegenomen. Hiermee is het inzicht, zoals dat kan worden uitgedrukt in het fysische concept, grotendeels verloren gegaan. De huidige generatie modellen zijn black boxes, waarvan niemand meer weet hoe ze precies werken. Weerinstituten zijn weerfabrieken geworden, waar specialisten werken die veel verstand hebben van één of enkele onderdelen van het model, maar waar niemand het totaal meer overziet. Sommigen werken aan de wolken in het model, anderen aan de atmosferische grenslaag, weer anderen aan de ontwikkeling van nog snellere en nauwkeuriger numerieke schema's. Ieder is verantwoordelijk voor een klein stukje van de computercode van het model. Dit vereist een strakke organisatie en een grote mate van discipline van de onderzoekers die betrokken zijn bij de ontwikkeling van het model. Waar de computer aanvankelijk het verlengstuk van de menselijke verbeelding was, lijkt in dit proces de mens ondergeschikt gemaakt aan de eisen van de computer en het computermodel.

De ontwikkeling van zo realistisch mogelijke weer- en klimaatmodellen heeft een verandering in onderzoeksmethoden bewerkstelligd. Veel onderzoek dat tegenwoordig wordt gedaan is noodzakelijkerwijs gebaseerd op slechts één enkele simulatie met een gecompliceerd weer- of klimaatmodel. Dat kan ook niet anders. De modellen vragen namelijk zo veel rekentijd, dat uitgebreid experimenteren ermee niet mogelijk is. Het model moet dan worden behandeld als een black box, en de uitkomsten van de modelsimulatie kunnen slechts worden onderworpen aan een meer of minder gecompliceerde statistische bewerking. Dit soort empirisch onderzoek aan modellen leidt wel tot kwantitatieve resultaten, maar slechts zelden tot verhoging van het inzicht in de aard van de verschijnselen. Deze technologische benadering van het onderzoek wordt gestimuleerd door de maatschappelijke vraag om steeds meer kwantitatieve informatie. Hierdoor is het creatieve gebruik van computermodellen onder druk komen te staan. Het succes van de complexe modellen lijkt bovendien bijgedragen te hebben aan de overtuiging dat grensverleggend onderzoek kan worden gestuurd. Een overtuiging die zowel bij wetenschappers als beleidsmakers is ontstaan. Deze situatie is te betreuren en werkt belemmerend op het inslaan van nieuwe wegen in het onderzoek, als antwoord op nieuw gerezen vragen. Deze nieuwe vragen, die met name zijn voortgekomen uit onderzoek naar de voorspelbaarheid van weer en klimaat, bieden de onderzoeksgemeenschap een grote uitdaging om te proberen verder door te dringen in de consequenties van het niet-lineaire karakter van het klimaatsysteem.

4 Grenzen aan de voorspelbaarheid van weer en klimaat

In de jaren zestig van de vorige eeuw toonde Lorenz aan dat de voorspelbaarheid van het weer beperkt is . Lorenz schatte de maximaal voorspelbare termijn van de grootschalige weersystemen op één à twee weken. Het werk van Lorenz aan de voorspelbaarheid van het weer heeft nieuwe vragen opgeworpen die niet kunnen worden beantwoord door verdere verbetering van de modellen. Waarom varieert de voorspelbaarheid naar tijd en plaats? Hoe onderscheiden we goed voorspelbare van minder goed voorspelbare circulatietypen? Welke aspecten van de atmosferische verschijnselen bepalen de mate van voorspelbaarheid ervan? Op deze vragen kan het antwoord slechts worden gegeven door onderzoek dat is gericht op verdieping van het inzicht in de niet-lineaire aard van de verschijnselen en hun onderlinge samenhang.

Tevens is het duidelijk geworden dat voorspellingen van het toekomstige weer en het klimaat niet nauwkeuriger hoeven te worden, als het model waarmee de voorspellingen worden gedaan realistischer wordt. Voor alle aspecten van weer en klimaat waarin we zijn geïnteresseerd, dient de voorspelbaarheid te worden nagegaan. En bij iedere voorspelling hoort een uitspraak over de nauwkeurigheid ervan. Dit betekent dat voorspellingen van weer en klimaat noodzakelijkerwijs kansverwachtingen zijn.

4.1 Kansverwachtingen

Bij het opstellen van weersverwachtingen wordt er inmiddels rekening gehouden met het feit dat, als gevolg van foutengroei, alleen kansuitspraken mogelijk zijn. In de praktijk is gebleken dat fouten niet altijd even snel groeien. Soms zijn voorspellingen tot tien dagen vooruit succesvol, terwijl in andere situaties de fouten na twee dagen al onacceptabel groot zijn. Dit hangt samen met de mate waarin het dominerende circulatiepatroon robuust is tegen de invloed van kleine storingen. We kunnen de actuele gevoeligheid van de atmosfeer voor kleine storingen experimenteel bepalen door in de schatting van de begintoestand kleine storingen aan te brengen en voor deze nieuwe begintoestand het weermodel opnieuw in de tijd te integreren. Deze procedure kan een groot aantal malen worden herhaald. Uit de snelheid waarmee de verschillende prognoses voor dezelfde periode van elkaar gaan verschillen kan de mate waarin het weer op dat moment voorspelbaar is, worden afgeleid. In de huidige operationele praktijk op het ECMWF wordt iedere dag niet één, maar een ensemble van 51 mogelijke atmosferische begintoestanden doorgerekend, waaruit de kansverdelingen voor de verschillende weerselementen worden afgeleid.

Het inzicht in de aspecten van de atmosferische circulatie die de mate van voorspelbaarheid van het weer bepalen, is echter nog steeds gering. Het is tijd dat ook de meer fundamentele vragen naar de voorspelbaarheid van de weersverschijnselen energieker worden aangepakt.

4.2 Klimaatvoorspelbaarheid

Om de betrouwbaarheid van klimaatverwachtingen te kunnen vaststellen, is het absoluut noodzakelijk dat inzicht wordt verkregen in de mate van voorspelbaarheid van het klimaatsysteem. Bij weersverwachtingen is een deterministische benadering in praktische zin nog wel verdedigbaar, omdat de kwaliteit van weersverwachtingen na enkele dagen kan worden geverifieerd en het dus na enige tijd duidelijk wordt wat gemiddeld de mogelijkheden en de beperkingen van de modellen zijn. Bij klimaatvoorspellingen is dit niet mogelijk. Klimaatmodellen leveren prognoses van klimaatveranderingen voor tientallen jaren vooruit onder condities die zich niet eerder hebben voorgedaan en waarvoor de modellen dus niet kunnen worden gevalideerd. Men kan zich dan afvragen of er vertrouwen kan worden gesteld in de resultaten en hoe we kunnen leren om onderscheid te maken tussen de voorspelbare en niet voorspelbare aspecten van het klimaatsysteem.

Op deze vragen kan nog geen antwoord worden gegeven. Maar ze kunnen niet worden genegeerd. Juist omdat er een grote behoefte is aan informatie omtrent het toekomstige klimaat is het van belang dat het onderzoek gericht wordt op het zichtbaar maken van de fysische processen die cruciaal zijn voor de voorspelbaarheid van het klimaatsysteem. Meteorologen, zoals Rossby, Charney en Lorenz, hebben een belangrijke bijdrage geleverd aan de ontwikkeling van het inzicht in de dynamische meteorologie, omdat ze succesvol waren in het zodanig vereenvoudigen van een complexe werkelijkheid, dat transparantie ontstond zonder dat betekenis verloren ging. Dit is de uitdaging in het huidige onderzoek aan het klimaatsysteem.

Het zal duidelijk zijn dat ik vind dat de vraag naar de voorspelbaarheid van het klimaatsysteem centraal dient te staan in het klimaatonderzoek. Zoals eerder al is opgemerkt, is dit nu niet het geval. Gedwongen door de maatschappelijke druk om antwoord te geven op vragen over ons toekomstige klimaat, zijn de grote klimaatinstituten vrijwel exclusief gericht op het realistischer maken van hun klimaatmodellen en het steeds weer doorrekenen van toekomstscenario's . Hoewel dit onderzoek informatie oplevert, kan de betrouwbaarheid van deze informatie moeilijk worden vastgesteld. Onderzoek dat is gericht op de verdieping van het inzicht in de werking van het klimaatsysteem en de mate van voorspelbaarheid ervan, zal het wellicht in de toekomst mogelijk maken om met meer kennis van zaken de onzekerheidsmarges in de klimaatverwachtingen aan te geven.

4.3 Hoe nu verder?

Hoe moet het onderzoek naar de voorspelbaarheid van het klimaatsysteem worden aangepakt? Ik heb op deze vraag geen concreet antwoord. Wel is het duidelijk dat een deel van het onderzoek gericht moet blijven op het verder verbeteren van de klimaatmodellen, die nog altijd substantiële gebreken vertonen. Daarnaast is het van groot belang dat alle mogelijke fluctuaties van het klimaat die het gevolg kunnen zijn van het complexe niet-lineaire karakter van het klimaatsysteem, in kaart worden gebracht. Inzicht moet worden verkregen in de fysische processen die klimaatschommelingen kunnen veroorzaken. Dit inzicht zal het wellicht mogelijk maken om de mate van voorspelbaarheid van de diverse aspecten van het wereldklimaat te bepalen. Een probleem bij dit onderzoek is, dat we met het klimaatsysteem niet in het laboratorium kunnen experimenteren. Uit indirecte, zogenoemde paleo-klimatologische waarnemingen is veel bekend geworden over klimaatschommelingen die zich in het verleden op allerlei tijdschalen hebben voorgedaan. Het beeld dat hieruit is ontstaan, is nog te vaag om oorzakelijke verbanden te leggen en een gedetailleerde analyse mogelijk te maken van de fysische processen die verantwoordelijk zijn geweest voor deze schommelingen.

Als we echter voldoende computercapaciteit tot onze beschikking hebben, kan wel inzicht worden verkregen in de niet-lineaire eigenschappen van de klimaatmodellen. Dit betekent dat we uiteindelijk, maar dan wel binnen de context van de modellen, uitspraken kunnen doen over voorspelbaarheid. Hierbij moeten we voorlopig aannemen dat de modellen voldoende realistisch zijn, zodat de resultaten ook van toepassing zijn op het echte klimaat. Dat is lang niet zeker, maar veel keus om andere wegen te bewandelen is er voorlopig niet. Om de eigenschappen van de klimaatmodellen gedetailleerd in kaart te kunnen brengen, moet uitgebreid met de modellen worden geëxperimenteerd. Dit is niet mogelijk met de meest geavanceerde klimaatmodellen waarover de onderzoeksgemeenschap beschikt. Deze modellen hebben namelijk, ondanks de enorme rekenkracht van de huidige computers, teveel rekentijd voor één enkele simulatie nodig. Dit onderzoek is echter wel mogelijk met behulp van eenvoudiger klimaatmodellen. Dit kunnen bijvoorbeeld de modellen zijn die tien jaar geleden nog als geavanceerd werden beschouwd. Het gedrag van vereenvoudigde klimaatmodellen is in vele aspecten vergelijkbaar met die van de meest geavanceerde modellen. De onderliggende eigenschappen zijn dat dan waarschijnlijk ook.

Zelfs binnen de context van de vereenvoudigde klimaatmodellen is het nog geen gemakkelijke opgave om de oorzaken van klimaatfluctuaties en veranderingen te ontrafelen. Dit komt doordat zoveel verschillende fysische processen tegelijkertijd op elkaar inwerken. Ik denk dan ook dat voor het onderzoek naar voorspelbaarheid een hiërarchie van klimaatmodellen nodig is, variërend van zeer eenvoudige bijna metaforische modellen tot de huidige geavanceerde modellen. Experimenten met de eenvoudiger modellen kunnen licht werpen op de eigenschappen van de meer complexe modellen. Toepassing van kennis en analysemethoden uit de wiskundige theorie van dynamische systemen en van geavanceerde niet-lineaire statistische modellen kan eveneens bijdragen aan de interpretatie van de resultaten van de diverse numerieke experimenten. Ook nieuwe analysemethoden moeten worden ontwikkeld en toegepast. Ik denk hierbij bijvoo0rbeeld aan de ontwikkeling van continueringstechnieken, waarmee niet alleen stationaire en periodieke oplossingen in de parameterruimte kunnen worden gevolgd, maar ook de meer complexe wiskundige aantrekkers.

Mede door het hier voorgestelde onderzoek naar de niet-lineaire eigenschappen van de klimaatmodellen zal het in de toekomst hopelijk duidelijk worden waar de grenzen van de voorspelmogelijkheden liggen. Het El-Niño verschijnsel is een voorbeeld van een aspect van het klimaatsysteem, dat enigszins voorspelbaar is. El-Niño speelt zich af in de tropische Stille Oceaan en heeft een levensduur van ongeveer één tot twee jaar. Het verschijnsel heeft belangrijke consequenties voor het weer in grote delen van de wereld. El-Niño dankt zijn bestaan aan de sterke wisselwerking die er in de tropen bestaat tussen de atmosfeer en de oceaan. De voorspelbaarheid ervan hangt dan ook samen met het feit dat de oceaan door zijn grote traagheid informatie voor langere perioden vasthoudt.

Voorspelbare natuurlijke klimaatfluctuaties, zoals El-Niño, die zich afspelen op relatief korte tijdschalen van enkele jaren, zijn niet alleen van praktisch belang omdat ze in principe lange termijn weersverwachtingen mogelijk maken. Ze bieden ook beperkte mogelijkheden om de huidige klimaatmodellen te valideren. Zoals eerder gesteld, is verificatie van de resultaten van klimaatverwachtingen voor de komende decennia niet mogelijk. Wanneer klimaatmodellen echter succesvol zijn in het voorspellen van klimaatfluctuaties die zich op tijdschalen van enkele jaren voordoen, kan meer vertrouwen worden gesteld in de klimaatverwachtingen die niet direct kunnen worden geverifieerd.

De voorspelbaarheid van de natuurlijke klimaatfluctuaties van West Europa, op tijdschalen van jaren tot enkele decennia, is waarschijnlijk gering. Ons klimaat wordt gedomineerd door een grootschalig circulatiepatroon dat de Noord-Atlantische Oscillatie (NAO) wordt genoemd. Recente onderzoekingen hebben aannemelijk gemaakt dat de waargenomen langjarige schommelingen in de intensiteit van de NAO slechts in geringe mate het gevolg zijn van interactie met de Atlantische Oceaan, en grotendeels kunnen worden verklaard uit de chaotische eigenschappen van de atmosfeer. Of het gedrag van de NAO zal veranderen met de toename van het gehalte aan broeikasgassen in de atmosfeer is onbekend. Hier ligt een maatschappelijk zeer belangrijke onderzoeksvraag, die richtingbepalend kan zijn voor het voorspelbaarheidonderzoek in Nederland.

5 Toekomstplannen

Naast het onderwijs in de dynamische meteorologie hoop ik in de naaste toekomst actief bij te dragen aan het onderzoek naar de voorspelbaarheid van weer en klimaat. Ik wil hier twee projecten noemen: 1) de voorspelbaarheid van stormdepressies en 2) de rol van de meteoroloog in het operationele productieproces.

Voorspelbaarheid van stormdepressies

Binnen deze universiteit wil ik onderzoek gaan doen aan de voorspelbaarheid van stormdepressies. De directe aanleiding om aan dit onderwerp te gaan werken, waren de twee stormen die kort na elkaar, tijdens en vlak na de kerstdagen van 1999, over Frankrijk raasden en daar ongekende verwoestingen aanrichtten. De zeer snelle ontwikkeling van beide stormen werd gemist door de modellen. De reden ervan is niet opgehelderd, maar wellicht heeft een cruciaal element in de beginconditie ontbroken. Een verkennende diagnostische studie, die op het KNMI is verricht, heeft dit aannemelijk gemaakt.

De ontwikkeling van depressies is het gevolg van een instabiliteitmechanisme dat we barokliene instabiliteit noemen. In een nu al klassieke publicatie van Hoskins, McIntyre en Robertson, die in 1985 verscheen, werd een zeer krachtig conceptueel raamwerk gepresenteerd voor de explosieve ontwikkeling van storingen tot volwassen stormdepressies . Dit beeld beschrijft barokliene instabiliteit als een proces van twee met elkaar wisselwerkende storingen. De ene hangt samen met een storing in de tropopauze, de andere met het temperatuurfront aan de grond. Als deze storingen ten opzichte van elkaar in een bepaalde positie komen, gaan ze één geheel vormen en versterken ze elkaar. De mate waarin dit gebeurt, lijkt heel precies af te hangen van vorm en positie van de storingen en zal het onderwerp zijn van mijn onderzoek.

Rol van de meteoroloog in het operationele productieproces

In de jaren zestig werden in de operationele weerdiensten de resultaten van de numerieke voorspelmodellen geïntroduceerd. Aanvankelijk waren de modellen nog niet erg betrouwbaar en koos de computer soms oplossingen die in werkelijkheid niet voorkomen of uiterst onwaarschijnlijk zijn. Tevens hadden de eerste modellen nog een aantal systematische fouten. Zo werd de voortplanting van druksystemen, alsmede de ontwikkeling ervan, meestal onderschat. Er bleef dus een belangrijke taak liggen voor de meteoroloog die, door zijn langjarige ervaring, in staat was om de computerproducten te verbeteren. De meteoroloog had de eindverantwoordelijkheid en de autoriteit om af te wijken van de resultaten van de modellen. De numerieke producten zijn echter steeds beter geworden en bevatten steeds meer detail. Zodoende is het voor de meteoroloog tegenwoordig moeilijk om zijn rol als eindverantwoordelijke in het productieproces op een zinvolle manier inhoud te geven. De technologische revolutie heeft dus geleid tot een situatie waarbij het voor de huidige generatie meteorologen niet langer duidelijk is wat hun toekomstige rol zal zijn. Het is goed mogelijk, dat onder druk van deze ontwikkeling het productieproces uiteindelijk geheel zal worden geautomatiseerd en de rol van de meteoroloog wordt teruggebracht tot die van procesbewaker en van vertaler van de informatie in begrijpelijke termen naar de gebruiker van de informatie. Ik zou deze ontwikkeling betreuren en wel om de volgende reden.

Hoe goed de computermodellen tegenwoordig ook zijn, ze geven geen indicaties van de onzekerheden in de begincondities en de modelparameters, die op een bepaald moment voor de weersverwachting in Nederland relevant kunnen zijn. De ene keer moet de kans op storm worden gerelateerd aan kleine onzekerheden in de beginpositie van een depressie op de oceaan, een volgende keer is er geen enkele kans op storm maar moet de kans op mist worden gerelateerd aan onzekerheden in de luchtvochtigheid of in het parameterisatieschema van de bewolking. De ervaren meteoroloog heeft vaak wel kennis over de aard van de onzekerheden. Hij heeft echter niet het vermogen om deze onzekerheden te kwantificeren. Dit kan worden opgevangen door de modellen die kwantificering in principe mogelijk maken. Combinatie van het inzicht van de meteoroloog en de rekenkracht van de computer zou in de toekomst dus meerwaarde kunnen krijgen. Dit is alleen het geval wanneer de meteoroloog voldoende instrumenten in handen krijgt. Instrumenten waarmee hij de invoergegevens en modelparameters van de diverse in het verwachtingsproces gehanteerde modellen kan modificeren en de modellen voor een reeks van veranderde condities opnieuw kan doorrekenen. Ontwikkeling van deze man/machine mix strategie kan leiden tot een regionale ensemble voorspelmethode voor het West Europese gebied. Het is een uitdaging om deze ontwikkeling ter hand te nemen.

6 Samenvatting

Aangekomen aan het einde van mijn rede, wil ik mijn betoog in enkele zinnen samenvatten. De dynamische meteorologie bevindt zich in een uitzonderlijk gunstige positie. De wetenschappelijke vragen naar de voorspelbaarheid van weer en klimaat zijn boeiend, maatschappelijk relevant en bieden nieuwe wetenschappelijke perspectieven. De bestudering van deze vragen zal een beroep doen op de inventiviteit van de onderzoekers. De technologische mogelijkheden om deze vragen nu aan te pakken zijn riant. We beschikken over een mondiaal meetnetwerk van een ongekend hoge ruimtelijke resolutie, de mogelijkheden die de huidige computers bieden om numerieke experimenten te doen zijn bijna ongelimiteerd en er is een scala aan computermodellen beschikbaar. Ik heb hier de wens uitgesproken dat deze mogelijkheden in toenemende mate worden benut voor onderzoek dat bijdraagt aan de verdieping van het inzicht in de niet-lineaire aspecten van de weersverschijnselen en het klimaatsysteem.

7 Dankwoord

Tot slot wil ik een woord van dank uitspreken. Mijn wetenschappelijke vorming is tot stand gekomen door interactie met velen. Enkelen wil ik hier noemen. Henk Tennekes heeft mij geleerd mijn licht niet onder de korenmaat te zetten, maar het naar vermogen te laten schijnen. Mijn promotor Cor Schuurmans heeft mij getoond hoe boeiend het atmosfeeronderzoek is en welk een voorrecht ik geniet om aan dit onderzoek te mogen deelnemen. Fons Baede heeft mij steeds het vertrouwen en de waardering geschonken, die ik nodig had om goed te kunnen functioneren.

De medewerkers van het IMAU bedank ik voor het vertrouwen dat zij in mij hebben uitgesproken, door mij in hun midden op te nemen. Ik hoop dit vertrouwen te kunnen waarmaken.

Geachte aanwezigen, ik dank u voor uw aanwezigheid en aandacht.

8 Referenties

1. Charney, J.G., 1948: On the scale of atmospheric motions. Geofys. Publ., 17, 1-17.

2. Charney, J.G., R. Fjörtoft and J. von Neumann, 1950: Numerical integration of the barotropic vorticity equation. Tellus, 2, 237-257.

3. Climate Change, 1995: The Science of Climate Change. Edited by J.T. Houghton, L.G. Meira Filho, B.A. Callander, N. Harris, A. Kattenberg and K. Maskell. Contribution of WGI to the Second Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press. Het derde Assessment Report verschijnt dit jaar.

4. ECMWF, 2000: The first 25 years. Intern rapport beschikbaar bij: ECMWF, Shinfield Park, Reading, RG2 9AX, UK.
5. Hoskins, B.J., M.E. McIntyre and A.W. Robertson, 1985: On the use and significance of isentropic potential vorticity maps. Quart. J. Roy. Meteorol. Soc., 111, 877-946.

6. Lorenz, E.N., 1963: Deterministic nonperiodic flow. J. Atmos. Sci., 20, 130-141.

7. Lorenz, E.N., 1965: A study of the predictability of a 28-variable atmospheric model. Tellus, 17, 321-333.

8. Richardson, L.F., 1922: Weather prediction by numerical process. Cambridge University Press. London.

9. Rossby, 1939: Relation between variations in intensity in the zonal circulation and the displacements of the semi-permanent centers of action. J. Mar. Res., 2, 38-55.

Ontdekking van de wijsheid

Stralend en onvergankelijk is de Wijsheid

en zij wordt gemakkelijk ontdekt

door wie haar liefhebben

en gevonden

door wie haar zoeken.

Aan wie haar begeren

laat zij zich gauw kennen.

Wie vroeg voor haar opstaat,

hoeft zich niet moe te maken,

want hij vindt haar voor zijn deur

Uit: Het Boek Wijsheid 6, 12-14

(Willibrord vertaling)



Voor meer informatie, interviews of toezending van een exemplaar van de rede kunt u contact opnemen met Harry Geurts of Monique Somers, persvoorlichting KNMI, 030 22 06 317.

Laatste wijziging: 15 juni 2001

PR & Voorlichting KNMI
Copyright © KNMI

reageer via disqus

Nieuwsbank op Twitter

Gratis persberichten ontvangen?

Registreer nu

Profiteer van het gratis Nieuwsbank persberichtenfilter

advertentie