Promotie J.M. Loriaux: neerslag

18 januari 2017 | 15:00
plaats: Aula, TU Delft
door Webredactie

Convective extreme precipitation at midlatitudes. Promotor: Prof.dr. A.P. Siebesma (CiTG).

Ze zijn steeds vaker in het nieuws; zware regenbuien die tot files, overstromingen, en soms zelfs doden leiden. Naarmate de aarde steeds verder opwarmt kan de atmosfeer meer vocht vasthouden, met als gevolg dat er globaal gezien ook meer regen zal vallen. Gemiddeld genomen gaat dit om een toename van rond de 1-3% per graad opwarming, maar lokaal kan dit behoorlijk verschillen. En hoewel we de globaal gemiddelde respons op klimaatverandering redelijk goed begrijpen, is het gedrag van de extremen moeilijker te bepalen. Een belangrijke vraag is dan ook hoe extreme regenbuien zich zullen manifesteren in een toekomstig klimaat.
Om dit te kunnen bepalen, is het noodzakelijk om te begrijpen onder wat voor omstandigheden extreme buien eigenlijk plaatsvinden. Dit wordt bemoeilijkt doordat de relevante processen op verschillende tijd en ruimteschalen plaatsvinden. In deze dissertatie proberen we in kaart te brengen waardoor neerslagextremen bepaald worden, en hoe ze zich in een toekomstig klimaat zullen gedragen. Dit doen we door gebruik te maken van observaties en modellen met verschillende resoluties. Hierbij richten we ons op convectieve neerslagextremen. Dit zijn zware regenbuien die veroorzaakt worden door instabiliteit waarbij lucht snel opstijgt.
De hoeveelheid vocht die in de lucht opgenomen kan worden totdat verzadiging optreedt wordt beschreven door de Clausius-Clapeyron vergelijking. Wanneer de aanvoer van vocht onveranderd blijft, zou de neerslagintensiteit in de limiet waarin alles wat de lucht op kan nemen uitregent dus ook bepaald worden door deze vergelijking. Uit observaties boven Nederland is echter gebleken dat extreme neerslag een sterke toename laat zien van de neerslagintensiteit met de temperatuur van 14% per graad, en dit komt ongeveer overeen met twee maal de Clausius-Clapeyron vergelijking.
In de literatuur is gesuggereerd dat deze verhoogde toename verklaard zou kunnen worden doordat de aanwezigheid van verschillende types neerslagextremen de statistiek zouden vervuilen. Wanneer enkel naar convectieve neerslagextremen gekeken zou worden, zou deze verhoogde toename dan niet meer zichtbaar zijn. In deze thesis tonen we echter met behulp van observaties aan dat deze relatie wel degelijk gevonden wordt voor convectieve neerslagextremen. Door de temporele resolutie te verhogen van uurlijks naar 10 minuten bestaan de extremen in de dataset in grotere mate uit convectieve buien. In plaats van een Clausius-Clapeyron toename van 7% per graad, zien we juist dat de geobserveerde toename van 14% per graad over een groter temperatuurinterval geldig is dan voor de uurlijkse data. Hieruit concluderen we dat de geobserveerde toename van 14% per graad robuust is voor convectieve neerslagextremen boven Nederland.
Door middel van een conceptueel model kunnen we vervolgens beter kijken naar de lokale processen die de relatie tussen de neerslagintensiteit en temperatuur beïnvloeden. Twee processen blijken de toename in de neerslagintensiteit te bepalen: de vochtflux aan de wolkenbasis en de laterale vochtconvergentie in de wolk. Het eerste proces wordt voornamelijk door de Clausius-Clapeyron relatie bepaald. Laterale vochtconvergentie (de hoeveelheid vocht die de wolk in getrokken wordt) wordt daarnaast ook beïnvloed door het verticale snelheidsprofiel, en leidt daardoor tot een sterkere toename in de neerslagintensiteit. Immers, wanneer de opwaartse beweging toeneemt, moet die lucht vanuit continuiteitsoverwegingen ook weer aangevuld worden. Hierdoor wordt er dan per graad ook meer van die vochtige lucht een wolk in gezogen, waardoor de neerslagintensiteit sterker toe kan nemen dan verwacht op basis van enkel de Clausius-Clapeyron vergelijking.
Deze versterkte toename blijkt samen te hangen met de mate waarin het temperatuurprofiel van de atmosfeer, en daarmee ook de stabiliteit, verandert ten gevolg van de opwarming van de aarde. In de tropen wordt de atmosferische stabiliteit redelijk constant geacht met opwarming, maar op middelbare breedtegraden verwachten we een afname in de stabiliteit van de atmosfeer. Daardoor kunnen we hier een sterkere klimaatrespons van extreme neerslag verwachten.
Met behulp van modeluitkomsten en observaties hebben we vervolgens in kaart gebracht welke grootschalige omstandigheden typerend zijn voor buien van verschillende sterktes. Buien met hoge neerslagintensiteiten vinden aantoonbaar plaats onder warmere, vochtigere omstandigheden dan zwakkere buien. Bovendien vinden zware buien plaats in een instabielere atmosfeer en met sterkere grootschalige vochtconvergentie dan zwakkere buien. Deze eigenschappen laten een steeds grotere verandering met de tijd zien naarmate de buiensterkte toeneemt.
De bovengenoemde inzichten zijn vervolgens gebruikt om realistische simulaties van extreme neerslag te draaien in een kleinschalig model met hoge resolutie. Bijzonder hieraan is onder meer de tijdsafhankelijke aansturing van het model. Binnen deze experimentele opzet zijn gevoeligheidsexperimenten gedaan door systematische veranderingen in de relatieve luchtvochtigheid, stabiliteit en grootschalige vochtconvergentie toe te passen. Hieruit zijn een aantal belangrijke uitkomsten naar voren gekomen. Zo blijkt dat de totale neerslag toeneemt met relatieve luchtvochtigheid, instabiliteit en grootschalige vochtconvergentie. Decompositie van de totale neerslag in neerslagintensiteit en de oppervlaktefractie (de fractie van het domein waarin neerslag valt) laat zien dat de instabiliteit en de vochtconvergentie die toename op verschillende manieren realiseren. De instabiliteit vergroot namelijk de neerslagintensiteit, maar heeft nauwelijks invloed op de oppervlaktefractie, terwijl de grootschalige vochtconvergentie met name de oppervlaktefractie vergroot, zonder grote impact op de neerslagintensiteit te hebben.
Deze gevoeligheidsexperimenten zijn herhaald voor een warmer klimaat. Hieruit blijkt dat de relaties die voor het huidige klimaat gevonden zijn, ook in een toekomstig klimaat blijven gelden. De klimaat respons van extreme neerslagintensiteiten is met zo’n 7% per graad lager dan verwacht, maar is hoger dan de respons van de totale neerslag, doordat de oppervlaktefractie in de klimaat simulaties afneemt. Dit betekent dat het in een warmer klimaat harder, maar minder vaak zal regenen.

Meer informatie?
Voor inzage in proefschriften van de promovendi kunt u kijken in de TU Delft Repository, de digitale vindplaats van openbare publicaties van de TU Delft. Proefschriften zullen binnen een paar weken na de desbetreffende promotie in de Repository te vinden zijn.

© 2017 TU Delft

Metamenu