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