J.P.M. Witte, E. Vonk & B. Raterman, 30 januari 2017 PROBE maakt gebruik van de indeling in 14 klimaatdistricten volgens Pulles (1985): zie kaartje hieronder. Deze indeling is meer dan dertig jaar geleden gemaakt, vooral voor landbouwkundige vraagstukken en in een periode dat men nog niet beschikte over de huidige rekentechnieken. Uit een analyse door Bartholomeus & Witte (Bijlage V) blijkt dat hij voor toepassingen in de Waterwijzer Natuur te wensen overlaat. De metarelaties van PROBE zijn bovendien gebaseerd op ruimtelijk geïnterpoleerde meteorologische gegevens van het zwaartepunt van ieder district, wat als nadeel heeft dat weersextremen in die gegevens minder extreem zijn dan die van de originele metingen op de meteorologische stations.
FIGUUR 49 INDELING IN KLIMAATDISTRICTEN VOLGENS (PULLES, 1985)
Bijlage IV
Nieuwe indeling in
klimaatdistricten
J.P.M. Witte, E. Vonk & B. Raterman, 30 januari 2017 PROBE maakt gebruik van de indeling in 14 klimaatdistricten volgens Pulles (1985): zie kaartje hieronder. Deze indeling is meer dan dertig jaar geleden gemaakt, vooral voor landbouwkundige vraagstukken en in een periode dat men nog niet beschikte over de huidige rekentechnieken. Uit een analyse door Bartholomeus & Witte (Bijlage V) blijkt dat hij voor toepassingen in de Waterwijzer Natuur te wensen overlaat. De metarelaties van PROBE zijn bovendien gebaseerd op ruimtelijk geïnterpoleerde meteorologische gegevens van het zwaartepunt van ieder district, wat als nadeel heeft dat weersextremen in die gegevens minder extreem zijn dan die van de originele metingen op de meteorologische stations.
Figuur 49. Indeling in klimaatdistricten volgens (Pulles, 1985).
Daarom hebben we een nieuwe indeling gemaakt. Deze indeling dient zowel rekening te houden met zuurstofstress als met transpiratiestress. Beide stressmaten hangen af van de bodemgesteldheid, de grondwaterstand en het regionale klimaat. Hier maken we een indeling op basis van alleen de laatste factor, het lokale klimaat. Deze indeling moet dan samen met de bodem en grondwaterstand geschikt zijn om beide stressen met voldoende nauwkeurigheid te berekenen.
Voor de nieuwe indeling hebben we aan het KNMI gevraagd in een kilometerraster de volgende gegevens voor ons te genereren:
1. Het maximale doorlopende potentiële verdampingsoverschot (mediane waarden, 1981-
2010) (Figuur 50, links).
2. Het aantal dagen met meer dan 10 mm neerslag in de maanden juni, juli en augustus
(gemiddelde waarden, 1981-2010) (Figuur 50, rechts).
Daarom hebben we een nieuwe indeling gemaakt. Deze indeling dient zowel rekening te houden met zuurstofstress als met transpiratiestress. Beide stressmaten hangen af van de bodemgesteldheid, de grondwaterstand en het regionale klimaat. Hier maken we een indeling op basis van alleen de laatste factor, het lokale klimaat. Deze indeling moet dan samen met de bodem en grondwaterstand geschikt zijn om beide stressen met voldoende nauwkeurigheid te berekenen.
Voor de nieuwe indeling hebben we aan het KNMI gevraagd in een kilometerraster de volgende gegevens voor ons te genereren:
1. Het maximale doorlopende potentiële verdampingsoverschot (mediane waarden, 19812010) (Figuur 50, links).
2. Het aantal dagen met meer dan 10 mm neerslag in de maanden juni, juli en augustus (gemid delde waarden, 19812010) (Figuur 50, rechts).
FIGUUR 50 MAXIMAAL DOORLOPEND VERDAMPINGSOVERSCHOT (LINKS) EN HET AANTAL DAGEN MET MEER DAN 10 MM NEERSLAG IN DE DRIE ZOMERMAANDEN (RECHTS)
Figuur 50. Maximaal doorlopend verdampingsoverschot (links) en het aantal dagen met meer dan 10 mm neerslag in de drie zomermaanden (rechts).
De eerste maat is van belang voor de potentiële transpiratiestress, de tweede voor de potentiële zuurstofstress. Beide maten blijken slecht gecorreleerd te zijn (Pearson R2 van
18%), wat betekent dat we twee redelijk onafhankelijke maten hebben voor een districtsindeling.
Er zijn op basis van de twee variabelen tal van classificaties mogelijk. Een te grove indeling houdt onvoldoende rekening met regionale verschillen in het klimaat, maar een zeer gedetailleerde indeling is weer onwenselijk omdat deze binnen de beschikbare projecttijd teveel rekentijd zou vergen voor het afleiden van de metarelaties voor transpiratiestress en zuurstofstress. Bovendien is een gedetailleerde indeling niet te verwantwoorden wanneer met de Waterwijzer Natuur klimaatscenario’s worden doorgerekend. Een blik in de Bosatlas van het Klimaat (Anonymous, 2011) leert weliswaar dat de gemiddelde ruimtelijke patronen in neerslag en verdamping tussen 1951-1980 en 1981-2010 weinig zijn veranderd (wel de intensiteiten) en bovendien geeft het KNMI niet aan dat deze patronen wijzigen onder de vier scenario’s die het instituut heeft gepubliceerd, maar lokaal zijn er wel verschillen opgetreden tussen 1951-1980 en 1981-2010.
Als we als versimpeld uitgangspunt drie klassen per variabele nemen (zoals in Figuur 50), dan komen we met twee variabelen in totaal uit op negen klassen. Op de KNMI gegevens hebben we een inzichtelijk clustering uitgevoerd waarbij dit aantal van negen klassen is opgelegd, zie Figuur 51. De clustermethode (K-means clustering; (Arthur & Vassilvitskii, 2006); Vonk & Vries (2016)) komt erop neer dat eerst beide variabelen worden
genormaliseerd, waarna er een soort van Thiessen-polygonen tussen de waarnemingen worden getrokken, waarbij de zwaartepunten zodanig zijn gekozen, dat de totale verklaarde variantie van de Euclidische afstand tot de zwaartepunten minimaal is. In Figuur 51 is het resultaat weergegeven op de terug geschaalde, oorspronkelijke assen. Enkele statistieken staan in Tabel 9.
De eerste maat is van belang voor de potentiële transpiratiestress, de tweede voor de potentiële zuurstofstress. Beide maten blijken slecht gecorreleerd te zijn (Pearson R2 van 18%), wat
betekent dat we twee redelijk onafhankelijke maten hebben voor een districtsindeling. Er zijn op basis van de twee variabelen tal van classificaties mogelijk. Een te grove indeling houdt onvoldoende rekening met regionale verschillen in het klimaat, maar een zeer gedetailleerde indeling is weer onwenselijk omdat deze binnen de beschikbare projecttijd teveel rekentijd zou vergen voor het afleiden van de metarelaties voor transpiratiestress en zuurstofstress. Bovendien is een gedetailleerde indeling niet te verwantwoorden wanneer met de Waterwijzer Natuur klimaatscenario’s worden doorgerekend. Een blik in de Bosatlas van het Klimaat (Anonymous, 2011) leert weliswaar dat de gemiddelde ruimtelijke patronen in neerslag en verdamping tussen 19511980 en 19812010 weinig zijn veranderd (wel de intensiteiten) en bovendien geeft het KNMI niet aan dat deze patronen wijzigen onder de vier scenario’s die het instituut heeft gepubliceerd, maar lokaal zijn er wel verschillen opgetreden tussen 19511980 en 19812010.
Als we als versimpeld uitgangspunt drie klassen per variabele nemen (zoals in Figuur 50), dan komen we met twee variabelen in totaal uit op negen klassen. Op de KNMI gegevens hebben we een inzichtelijk clustering uitgevoerd waarbij dit aantal van negen klassen is opgelegd, zie Figuur 51. De clustermethode (Kmeans clustering; (Arthur & Vassilvitskii, 2006); Vonk & Vries (2016)) komt erop neer dat eerst beide variabelen worden genormaliseerd, waarna er een soort van Thiessenpolygonen tussen de waarnemingen worden getrokken, waarbij de zwaartepunten zodanig zijn gekozen, dat de totale verklaarde variantie van de Euclidische afstand tot de zwaartepunten minimaal is. In Figuur 51 is het resultaat weergegeven op de terug geschaalde, oorspronkelijke assen. Enkele statistieken staan in Tabel 9.
76
FIGUUR 51 CLASSIFICATIE VAN KILOMETERHOKKEN OP BASIS VAN HET MAXIMAAL DOORLOPEND VERDAMPINGSOVERSCHOT (X-AS) EN HET AANTAL DAGEN MET MEER DAN 10 MM NEERSLAG IN DE DRIE ZOMERMAANDEN (Y-AS). DE ZWAARTEPUNTEN VAN DE CLUSTERS ZIJN WEERGEGEVEN MET BLAUWE STIPPEN
KWR | Juli 2018 De Waterwijzer Natuur, Modelversie 1.0
Figuur 51. Classificatie van kilometerhokken op basis van het maximaal doorlopend verdampingsoverschot (x-as) en het aantal dagen met meer dan 10 mm neerslag in de drie zomermaanden (y-as). De zwaartepunten van de clusters zijn weergegeven met blauwe stippen.
Tabel 9. Statistieken van de clustering: # = aantal kilometerhokken, mm = gemiddelde verdampingsoverschot, d = gemiddeld aantal dagen met meer dan 10 mm neerslag, NV = genormaliseerde variantie.
In Figuur 52 is het clusterresultaat vertaald naar een naar een eerste vernieuwde
districtsindeling van Nederland. In deze figuur zijn met witte punten ook de meteorologische hoofdstations met hun nummers opgenomen. Enkele klassen blijken niet door een station te worden vertegenwoordigd, wat problematisch is, omdat er dan geen metarelaties voor kunnen worden afgeleid. Daarom worden klassen samengevoegd, rekening houdend met de klimatologische overeenkomsten en verschillen. De waarden van Tabel 9 zijn daartoe genormaliseerd, waarop er een clusteranalyse is uitgevoerd met UPGMA (Sokal, 1958). Op basis van het resultaat worden klassen 3, 4 en 5 samengevoegd, klassen 2 en 6, en klassen 1 en 8. Dat leidt, na hernummering, tot de indeling in 5 districten die is weergegeven in Figuur 53. Deze indeling zal binnen de Waterwijzer Natuur worden gebruikt voor zowel PROBE, als voor de versie WATERNOOD+ die rekent met zuurstofstress RS en
transpiratiestress TS. De stations van ieder district staan in Tabel 10. Van de districten met meer twee stations wordt in de berekening per jaar een ander station gebruikt om een maximale benutting van de representativiteit van de stations en de extremiteiten van het weer te garanderen. Cluster # mm d NV 1 5667 144 7.2 0.18 2 2393 202 6.1 0.64 3 5263 159 6.4 0.19 4 5613 162 7.0 0.17 5 5324 145 6.7 0.21 6 3013 184 6.7 0.40 7 3344 169 5.9 0.23 8 2899 146 7.7 0.27 9 4525 166 7.4 0.24 1 4 3
4
2 5 7 9 6 8 4TABEL 9 STATISTIEKEN VAN DE CLUSTERING: # = AANTAL KILOMETERHOKKEN, MM = GEMIDDELDE VERDAMPINGSOVERSCHOT, D = GEMIDDELD AANTAL DAGEN MET MEER DAN 10 MM NEERSLAG, NV = GENORMALISEERDE VARIANTIE
Cluster # mm d NV 1 5667 144 7.2 0.18 2 2393 202 6.1 0.64 3 5263 159 6.4 0.19 4 5613 162 7.0 0.17 5 5324 145 6.7 0.21 6 3013 184 6.7 0.40 7 3344 169 5.9 0.23 8 2899 146 7.7 0.27 9 4525 166 7.4 0.24
In Figuur 52 is het clusterresultaat vertaald naar een naar een eerste vernieuwde districtsindeling van Nederland. In deze figuur zijn met witte punten ook de meteorologische hoofdstations met hun nummers opgenomen. Enkele klassen blijken niet door een station te worden vertegenwoordigd, wat problematisch is, omdat er dan geen metarelaties voor kunnen worden afgeleid. Daarom worden klassen samengevoegd, rekening houdend met de klimatologische overeenkomsten en verschillen. De waarden van Tabel 9 zijn daartoe genormaliseerd, waarop er een clusteranalyse is uitgevoerd met UPGMA (Sokal, 1958). Op basis van het resultaat worden klassen 3, 4 en 5 samengevoegd, klassen 2 en 6, en klassen 1 en 8. Dat leidt, na hernummering, tot de indeling in 5 districten die is weergegeven in Figuur 53. Deze indeling zal binnen de Waterwijzer Natuur worden gebruikt voor zowel PROBE, als voor de versie WATERNOOD+ die rekent met zuurstofstress RS en transpiratiestress TS. De stations van ieder district staan in Tabel 10. Van de districten met meer twee stations wordt in de berekening per jaar een ander station gebruikt om een maximale benutting van de representativiteit van de stations en de extremiteiten van het weer te garanderen.
Op basis van het neerslagtekort (negatief verdampingsoverschot) en het aantal natte dagen in de zomer laten de vijf districten zich als volgt omschrijven:
1. Laag neerslagtekort en veel natte zomerdagen
STOWA 2018-44 WATERWIJZER NATUUR
3. Beneden gemiddeld neerslagtekort, beneden gemiddeld natte zomerdagen 4. Gemiddeld neerslagtekort en weinig natte zomerdagen
5. Gemiddeld neerslagtekort en veel natte zomerdagen
VERANTWOORDING
Het afleiden van nieuwe klimaatdistricten is niet begroot in de opdracht voor de ontwikkeling van de WWN. Hij is daarom gerealiseerd via een aanvullende opdracht van de Stichting Climate Adaptation Services (CAS).
TABEL 10 HOOFDSTATIONS VAN HET KNMI PER NIEUW DISTRICT. DE STATIONS DIE NIET TUSSEN HAAKJES STAAN WORDEN GEBRUIKT VOOR HET AFLEIDEN VAN METARELATIES District Stations 1 275, 280 2 235, 310 3 290, 370 4 375 5 240, 344
FIGUUR 52 EERSTE INDELING IN NIEUWE KLIMAATDISTRICTEN
xxxiii
Op basis van het neerslagtekort (negatief verdampingsoverschot) en het aantal natte dagen in de zomer laten de vijf districten zich als volgt omschrijven:
1. Laag neerslagtekort en veel natte zomerdagen
2. Hoog neerslagtekort en gemiddeld tot weinig natte zomerdagen
3. Beneden gemiddeld neerslagtekort, beneden gemiddeld natte zomerdagen
4. Gemiddeld neerslagtekort en weinig natte zomerdagen
5. Gemiddeld neerslagtekort en veel natte zomerdagen Verantwoording
Het afleiden van nieuwe klimaatdistricten is niet begroot in de opdracht voor de ontwikkeling van de WWN. Hij is daarom gerealiseerd via een aanvullende opdracht van de Stichting Climate Adaptation Services (CAS).
Tabel 10. Hoofdstations van het KNMI per nieuw district. De stations die niet tussen haakjes staan worden gebruikt voor het afleiden van metarelaties.
District Stations 1 275, 280 2 235, 310 3 290, 370 4 375 5 240, 344
78
FIGUUR 53 DEFINITIEVE INDELING IN KLIMAATDISTRICTEN VOOR DE WATERWIJZER NATUUR
BIJLAGE V