Ontwikkeling van mondiale klimaatmodellen

In het Essence project (Sterl et al., 2007, 2008) werd een 17-ledige verzameling van het huidige en toekomstige klimaat op basis van een SRES A1b

emissiescenario (Nakicenovic et al., 2000) uitgevoerd, waarbij gebruik gemaakt werd van het ECHAM5/MPI-OM klimaatmodel. Voor de roosterpunten op de Noordzee toont figuur 2.3 het gedeelte van windsnelheden dat 8 Bf (17 m/s) overschrijdt voor 30-graden sectoren voor het huidige (1950-2000) en

toekomstige (2050-2100) klimaat. In het linkergedeelte zijn de gemiddelden van de verzameling bij elkaar gepresenteerd, evenals de waarden van de ERA-40 heranalyse (Uppala et al. 2005). Winden in de Essence verzameling hebben de neiging hoger te liggen dan die uit ERA-40. Dit is hoogst waarschijnlijk een gevolg van de ruwheid van de oppervlakte, die in ERA-40 groter is door de afhankelijkheid van de toestand van de zee. De sterkere winden worden

veroorzaakt door meer zuidoostelijke winden in het noordelijke gedeelte van het gebied en meer zuidwestelijke winden in het zuidelijke gedeelte. Beide richtingen zijn niet relevant voor de waterstand langs de Nederlandse kust, waar de

hoogste stormvloeden bereikt worden voor noordwestelijke winden. De

verschillen tussen het huidige en het toekomstige klimaat zijn gering. Er worden alleen veranderingen gezien in de twee meest zuidelijke punten, waar sterke

zuidwestelijke winden toenemen. Uit een vergelijking met de rechter afbeelding, waarin alle 17 leden van de verzameling afzonderlijk voorgesteld zijn, blijkt dat de verschillen kleiner zijn dan de natuurlijke variabiliteit. Verwacht kan worden dat een toename van zuidwestelijke winden de waterstand langs de Nederlandse kust niet zal veranderen.

Figuur 2.3: Deel van winden die 8 Bf (17 m/s) overschrijden per 30-graden sector voor alle roosterpunten in de Noordzee. Links: Gemiddelden van alle leden van Essence voor het huidige (1950-2000, blauw) en toekomstige (2050-2100, rood) klimaat. Ter

vergelijking is ERA-40 toegevoegd in groen. Rechts: Alle 17 leden voor het huidige klimaat en het gemiddelde daarvan (blauw).

In figuur 2.4 zijn alle jaarlijkse maxima van windsnelheid op het roosterpunt 5ºO, 55ºN weergegeven in een Gumbel grafiek. De waarden zijn per klasse geordend en voorgesteld als een functie van de Gumbel variabele, de getransformeerde klassenvariabele. De waarden zijn gefit aan een Generalized Extreme Value

(GEV) distributie, de theoretische distributie voor extreme waarden (Coles 2001). In overeenstemming met figuur 2.3 liggen de waarden voor het toekomstige klimaat hoger dan die voor het huidige klimaat. De toename is klein maar statistisch significant, hoewel de respectievelijke 95%-

betrouwbaarheidsintervallen elkaar marginaal overlappen, ook voor de 10.000- jaar terugkeerwaarde.

Een belangrijke vraag bij het gebruik van modelresultaten voor het onderzoek van veranderingen in extremen, is of de modellen de extremen in het huidige klimaat niet systematisch onderschatten. Het ontbreken van betrouwbare metingen van extreme wind op zee belemmert de beantwoording van deze vraag. Voor de Essence verzameling willen we hier twee redenen naar voren brengen, die erop wijzen dat het model extreme winden juist weergeeft.

Figuur 2.5 is een Gumbel grafiek van winden op 5ºO, 55ºN in het zuiden van de Noordzee uit verschillende modellen voor het huidige klimaat. De modellen zijn

de vier mondiale klimaatmodellen die gebruikt zijn bij de KNMI'06 scenario's (KNMI 2006) en de Essence verzameling, en een run waarbij gebruikgemaakt wordt van het regionale klimaatmodel RACMO (Lenderink et al. 2003), op basis van randcondities uit ERA-40.

Bovendien zijn de waarden opgenomen uit ERA-40 (Uppala et al. 2005) en uit de NCEP/NCAR heranalyse (Kalnay et al. 1996). De lijnen lopen allemaal parallel aan elkaar, maar hebben andere beginpunten. Zoals hierboven toegelicht zijn 10-m winden afhankelijk van de ruwheid van de oppervlakte. Aangezien

verschillende modellen gebruikmaken van verschillende parametrisaties van de ruwheid van de oppervlakte, kunnen deze verschillende windsnelheden geven onder verder identieke omstandigheden.

Dit is vooral duidelijk voor de ERA-40 en de RACMO resultaten. Terwijl het grootschalige drukveld van laatstgenoemde bepaald wordt door eerstgenoemde, zijn de windsnelheden verschillend. Dit wordt voornamelijk veroorzaakt door een lagere oppervlakteruwheid bij RACMO in vergelijking met ERA-40. Belangrijker dan het absolute niveau van winden in figuur 2.5 is het feit dat alle curven parallel lopen en dat geen daarvan tekenen van verzadiging vertoont op de hoogste extremen. Dit wijst erop dat de winden nog niet de kracht hebben bereikt die niet beschreven kan worden door zelfs het meest grofmazige model. Daarom zouden deze modellen veranderingen in extreme waarden moeten kunnen simuleren.

De tweede reden komt uit figuur 2.6. De linkerafbeelding is een Gumbel grafiek van de jaarlijkse minimum luchtdruk op zeeniveau in Nordby, Denemarken

((8.2ºO, 55.3ºN) uit waarnemingen en uit de Essence verzameling. Dit punt werd gekozen omdat een drukminimum in dit gebied leidt tot lange windbanen boven de Noordzee en daardoor tot de hoogste stormvloeden aan de Nederlandse kust. Dit wordt geïllustreerd in de rechter grafiek, waarin de druk en het windveld zijn weergegeven in verband met de hoogste stormvloed die zich voordeed bij Hoek van Holland in de Essence-WAQUA/DCSM98 verzameling (zie volgende

paragraaf). In de Gumbel grafiek (linker afbeelding) leveren waargenomen en gesimuleerde waarden parallelle curven op, wat erop wijst dat het model de distributie van extreem lage druk goed simuleert. Er zijn geen tekenen van een kunstmatige onderste grens voor druk in het model.

Figuur 2.4: Gumbel grafiek voor Essence jaarlijkse maximum windsnelheden voor dezelfde locatie als gebruikt in figuur 2.1 (5ºO, 55ºN). Blauw verwijst naar het huidige (1950-2000), rood naar het toekomstige (2050-2100) klimaat. De Gumbel variabele (onderste horizontale as) is een getransformeerde klassenvariabele. Zij is direct gerelateerd aan de terugkeertijd (bovenste horizontale as), de gemiddelde tijd tussen twee gevallen van een bepaalde waarde. De lijnen zijn de afstemming op een GEV

distributie. De foutbalken aan de rechterkant geven de 95%-betrouwbaarheidsintervallen voor de 10.000 jaar terugkeerwaarden.

Figure 0.17

Figuur 2.5. Gumbel grafiek van jaarlijkse maximum windsnelheid op 5ºO, 55ºN. De blauwgroene GCMs-gelabelde lijnen verwijzen naar de vier mondiale klimaatmodellen die gebruikt zijn in de KNMI’06 scenario’s (KNMI 2006) en de blauwe RACM025 gelabelde lijn naar een run met het regionale klimaatmodel RACMO met een resolutie van 25 km, op basis van ERA-40 grensvoorwaarden. Waarden uit de ERA-40 en de NCEP/NCAR heranalyses zijn weergegeven door respectievelijk zwarte en rode symbolen.

Figuur 2.6: Gumbel grafiek van jaarlijkse minimum luchtdruk op zeeniveau in Nordby, Denemarken (8.2ºO, 55.3ºN; links), en wind- en drukvelden voor de situatie die leidt tot de hoogste stormvloed in Hoek van Holland zoals die zich voordeed in de Essence-

3. Geprojecteerde veranderingen in lokale stormvloeden