De straalstroom en extreem weer; een vervolgverhaal

Rossby-golven zijn al een tijdje een hevig bediscussieerd onderwerp in de wetenschap. En daarbuiten ook wel een beetje. Buiten de wetenschap wordt daarbij meestal niet letterlijk over Rossby-golven gesproken: het gaat dan meestal over een meanderende straalstroom, of een wandelende polaire wervel. Zelf gebruikte ik dergelijke termen in een blog van enkele maanden geleden, over de rare winter.

monsoon_weather_guide_464_s2

Positie van de straalstroom tijdens de Russische hittegolf van 2010

Bewegingen van lucht en water langs het aardoppervlak zouden een stuk simpeler te begrijpen zijn als de aarde plat zou zijn en niet om zijn as zou draaien. Helaas – voor wie zoals ik van eenvoud houdt – bestaan die complicaties wel. De draaiing van de aarde veroorzaakt het Corioliseffect: de bekende circulatie van (bijvoorbeeld) luchtstromingen rond lagedrukgebieden. De grootte van het Corioliseffect hangt af van de snelheid waarmee het aardoppervlak beweegt en die snelheid varieert dan weer met de breedtegraad: wie op één van de polen staat blijft staan waar hij staat en draait in 24 uur alleen een rondje om zijn as; terwijl iemand op de evenaar met een snelheid van zo’n halve kilometer per seconde (sneller dan het geluid) door de ruimte zoeft. De verandering van het Corioliseffect met de breedtegraad zorgt voor het ontstaan van Rossby-golven.

Het voert te ver om het ontstaan van die golven hier verder uit te werken. Wat vooral van belang is dat het niet zomaar wat slingeringen zijn die wel op een golf lijken. Het zijn echte golven, die beschreven en bestudeerd kunnen worden aan de hand van de wetenschappelijke kennis die er over golven is. Er kunnen bijvoorbeeld staande golven ontstaan en resonantie-effecten optreden. Rossby-golven zijn vooral van belang op de schaal van de zogenaamde synoptische meteorologie: een geografische schaal van ruwweg 1000 km of meer en een tijdsschaal van enkele dagen tot soms wel een maand. De processen op deze schaal bepalen het weer op hoofdlijnen; de weerman die een voorspelling voor het weer van morgen in Apeldoorn, Ammerzoden of Arnemuiden wil doen werpt er enkele blikken op en zoomt dan in op een kleiner schaalniveau.

Een belangrijke luchtstroming op dit schaalniveau is de straalstroom: de wind die op grote hoogte en met hoge snelheid op gematigde breedtegraden van west naar oost waait. De straalstroom ontstaat als gevolg van het temperatuurverschil tussen de tropen en de polen. In de straalstroom zijn Rossby-golven vaak goed zichtbaar. Er wordt dan ook wel gesproken van een meanderende straalstroom. Twee karakteristieken van Rossby-golven kunnen een grote invloed hebben op het weer:

  • Amplitude. Bij een grote amplitude dringt op de ene plek koude polaire lucht ver door in de richting van de evenaar en gebeurt op een andere plek het omgekeerde. Op sommige plekken is het dan dus (veel) warmer dan normaal en op andere plekken (veel) kouder.
  • Golfsnelheid. Dit is vooral relevant wanneer de golfsnelheid heel laag is: grote gebieden hebben dan gedurende lange tijd nagenoeg hetzelfde weer. Afhankelijk van de positie ten opzichte van de golf kan dat weer koud, warm, nat of droog zijn.

jul3_jet

Positie van de straalstroom boven de VS op 3 juli 2014. Meteoroloog Jeff Masters beschrijft op zijn Weather Underground blog het hiermee samenhangende weer: warmte, kou en overstromingen.

Het Noordpoolgebied is de afgelopen decennia aanzienlijk meer opgewarmd dan de rest van de aarde: de Arctische amplificatie. Dit betekent dat de drijvende kracht van de straalstroom op het noordelijk halfrond – het temperatuurverschil tussen de tropen en de Noordpool – is afgenomen. Als gevolg hiervan verwachten wetenschappers die zich met dit onderwerp bezighouden dan ook een zwakkere straalstroom. Jennifer Francis van de Rutgers University in New Jersey is waarschijnlijk de bekendste onderzoeker in dit veld. Zij heeft sinds 2009 meerdere artikelen hierover gepubliceerd (o.m. Francis et al. 2009 en Francis & Vavrus 2012, beide open access), waarin onder meer aanwijzingen worden gepresenteerd dat de straalstroom daadwerkelijk langzamer is geworden. Ook geeft ze aan hoe die tragere straalstroom kan leiden tot een grotere amplitude en lagere golfsnelheid van de Rossby-golven.

Terzijde: de discussies die klimaatwetenschappers over dit onderwerp voeren lopen soms hoog op en Jennifer Francis is met enige regelmaat het middelpunt van de controverse. Eli Kintisch gaf in april een aardige sfeerschets (helaas achter de paywall) in Science. Pittige discussies komen wel vaker voor  in de wetenschappelijke wereld. Net als overal kunnen de gemoederen hoog oplopen door bijvoorbeeld botsende karakters, de indruk dat de argumenten van de ander niet zo sterk zijn, of de overtuiging dat de eigen argumenten veel sterker zijn. De grote aandacht van buiten de wetenschap, die vrijwel onmiddellijk op gang kwam nadat Francis met haar idee naar buiten kwam, wakkerde in dit geval het vuurtje aan. De Amerikaanse media doken er bovenop, onder meer omdat er rond die tijd nogal wat periodes van aanhoudend extreem weer voorkwamen die precies in het plaatje pasten dat Francis schetst. Ze liet zich wel eens verleiden tot iets te speculatieve of ongenuanceerde beweringen, al heeft ze ook altijd gewezen op de grote onzekerheden die er zijn. Uiteindelijk liepen de wetenschappelijke en publieke discussie af en toe door elkaar, wat op zijn beurt weer gevolgen had voor de beeldvorming.

Waar het onderzoek van de groep van Jennifer Francis zich grotendeels op de herfst en winter op het noordelijk halfrond richt, concentreert een aantal studies van het Potsdam Institut für Klimafolgenforschung zich juist op de zomerperiode. Dit is niet zomaar een arbitraire keuze voor een andere periode; de keuze vloeit voort uit de andere blik die de groep in Potsdam heeft op de relatie tussen Arctische amplificatie en de straalstroom. Zij menen dat er meer aan de hand moet zijn dan alleen een tragere straalstroom.

Pethoukov et al. (2013, open access) presenteerden een mechanisme voor het ontstaan van vrijwel stilstaande Rossby-golven met een grote amplitude onder bepaalde condities, met de trage straalstroom als een belangrijke factor. De golven kunnen verder versterkt worden door resonantie-effecten, door bepaalde temperatuurpatronen of geografische kenmerken zoals bergketens. Ze vinden vanaf 1980 19 periodes in de maanden juli en augustus waar volgens hun mechanisme nagenoeg stilstaande golven met grote amplitude konden ontstaan. Tijdens vrijwel al deze perioden was er daadwerkelijk sprake van opmerkelijke extreme weersverschijnselen, zoals de afbeelding hieronder laat zien. Verder valt de toename van dit type golven op, die samenvalt met de versnelde opwarming van het Noordpoolgebied sinds, ruwweg, het begin van deze eeuw.

Coumou2014_2

Perioden met gunstige condities voor trage, resonante Rossby-golven volgens Pethoukov et al (2013), met een aantal extreme weerssituaties tijdens deze perioden.

De groep in Potsdam, onder leiding van de Nederlandse wetenschapper Dim Coumou, ging in vervolg op deze publicatie op zoek naar aanwijzingen in de atmosfeer, die het voorgestelde mechanisme en de invloed ervan op extreem weer bevestigen dan wel weerleggen. Het resultaat, Coumou et al (2014, open access), kreeg de nodige aandacht in de media en de blogosfeer: onder meer van The Guardian, The Independent, Mashable en Climate Progress.

De analyse bestaat uit drie onderdelen:

  1. Een analyse van windrichting en -snelheid in de straalstroom in de maanden juli en augustus. De analyse werd uitgevoerd aan de hand van heranalysegegevens: metingen die verder gedetailleerd zijn middels berekeningen met weermodellen. De analyse laat zien dat er in de periodes waarvoor Pethoukov dat voorspelt, inderdaad grotere en trager bewegende Rossby-golven zijn. De toename is groter dan verwacht mag worden op basis van alleen de lage snelheid van de straalstroom in die periode. Dit wijst er op dat de resonantie-effecten die Pethoukov verwacht inderdaad een rol spelen. De afbeelding hieronder laat dit zien voor golven met de zogenaamde zonale golfgetallen 6 t/m 8. De rood gemerkte gebieden geven het type golven aan dat meer voorkomt tijdens “resonante periodes” dan gemiddeld, de blauwe gebieden komen minder voor. Vooral voor de golven 6 en 7 verschuift het karakter dus van relatief hoge golfsnelheid en lage amplitude (blauw) naar vrijwel stilstaand en hoge amplitude (rood).

Coumou2014_3

Waarschijnlijkheidsverdeling voor de amplitude en de golfsnelheid van verschillende Rossby-golven, en de veranderingen in periodes met gunstige condities voor resonantie. Rood staat voor een toename tijdens deze periodes, blauw voor een afname.

  1. Een statistische analyse om te bepalen of er in de “resonante periodes” meer extreme temperaturen of neerslag voorkwamen op het noordelijk halfrond dan gemiddeld in juli en augustus. Omdat een belangrijk kenmerk van deze Rossby-golven de lage golfsnelheid is, die zorgt dat bepaalde gebieden gedurende langere tijd hetzelfde weer hebben, keek men niet alleen dagelijkse, maar ook naar maandelijkse gegevens. De onderzoekers definieerden een index (MEX: mid lattitude extreme index) die aangeeft in hoeverre temperatuur en neerslag op dag- en maandniveau afwijken van de lange termijn trend. (Omdat men alleen naar afwijkingen van de trend kijkt worden de lange termijn veranderingen in temperatuur en neerslag sinds 1980 uit het signaal gefilterd) De afbeelding hieronder vergelijkt de waarschijnlijkheidsverdeling van de MEX in “resonante periodes” (in rood) met het gemiddelde voor juli en augustus (in zwart). Op dagelijks niveau is de toename van de extremen beperkt (voor temperatuur) tot afwezig (voor neerslag). Op maandniveau nemen de extremen voor de temperatuur duidelijk toe, terwijl de verandering in het patroon van de extreme neerslag wat complexer is: de waarschijnlijkheidsverdeling “zakt in” en wordt aan beide zijden breder. Op sommige plekken wordt het dus extremer en op andere plekken juist “normaler”. De analyse laat zien dat Rossby-golven van het hardnekkige type vooral op lange termijn invloed hebben op temperatuur- en neerslagpatronen.

Coumou2014_5

Waarschijnlijkheidsverdeling voor extremen in temperatuur en neerslag op dag- en maandniveau voor de maanden juli en augustus. Het gemiddelde over de hele periode is in zwart weergegeven, het gemiddelde over resonantie-maanden in rood.

  1. Een analyse van het cluster van resonante Rossby-golven dat sinds 2000 optrad, en een vergelijking met de voorafgaande periode. De conclusie van deze analyse is dat de toename van het aantal nagenoeg stilstaande Rossby golven met grote amplitude statistisch significant is. Op basis van een afnemende snelheid van de straalstroom is deze toename volgens de theoretische kennis te verwachten. De snelheidsafname die is waargenomen is echter niet voldoende om de toename van de Rossby-golven in zijn geheel te verklaren. Dit wijst er op dat het mechanisme van resonantie-effecten van Pethoukov een rol speelt.

Tot welke conclusies leidt dit alles?

Het onderzoek laat zien dat vrijwel stilstaande Rossby-golven bij kunnen dragen aan extreme weersituaties; vooral aanhoudende periodes van warmte, kou, neerslag of droogte. De condities waaronder deze golven kunnen ontstaan komen sinds het begin van deze eeuw vaker voor dan daarvoor. Volgens de bestaande theorie over Rossby-golven, speelt een daling van de snelheid van de straalstroom als gevolg van de Arctische amplificatie hier waarschijnlijk een rol in. Er zijn aanwijzingen dat dit effect wordt versterkt door het mechanisme van resonantie-effecten uit Pethoukov et al. (2013). Maar: het gaat hier over behoorlijk ingewikkelde processen en het onderzoek hiernaar is in feite nog maar net op gang te komen. Het is dus nog te vroeg voor harde conclusie. De Rossby-golven mogen dan een logisch gevolg lijken van de sterke opwarming in het Noordpoolgebied; de onderzoekers sluiten de mogelijkheid niet uit dat het precies andersom zit en dat de toename van hun aantal juist bij heeft gedragen aan die opwarming. Het laatste artikel is hier nog zeker niet over geschreven en het laatste woord nog niet gezegd.

5 Reacties op “De straalstroom en extreem weer; een vervolgverhaal

  1. Mag de leek concluderen dat het koude en natte zomerweer, nu, in Nederland verband heeft met de extreem koude winter in Amerika van vorig jaar?
    Ondervinden wij nu in de zomer, dezelfde effecten als de Amerikanen in de afgelopen winter? Zou een (versterkt) slingerende straalstroom als gevolg van de opwarming van de Aarde kunnen leiden tot een Elfstedentocht in Friesland en warmte records in Alaska aankomende winter?

  2. Hi Lieuwe,

    het koude en natte zomerweer ..

    In Nederland was de meteorologische zomer (JJA) bovengemiddeld warm: 1 juni t/m 22 augustus ligt +0.5°C boven de normaal van 1981 – 2010. In de lijst van warmste zomers sinds 1900 komt 2014 tot dusver op de 13e plaats.

    Zo was afgelopen juli de achtste warme maand op rij:

    In De Bilt was de gemiddelde temperatuur over de afgelopen maand 19,8 graden tegen 17,9 graden normaal (gemiddeld over het tijdvak 1981-2010). Daarmee eindigt juli 2014 op de zesde plaats in de top tien van de warmste juli-maanden sinds het begin van de metingen. Sinds december vorig jaar waren alle maanden warmer dan normaal, zodat juli de achtste warme maand op rij is. Zo’n lange periode met temperaturen boven het langjarig gemiddelde komt niet vaak voor.

    Wel zijn er extreem veel hoosbuien en veel neerslag sinds eind juli. Het KNMI meldt dat het samenhangt met de hoge oppervlakte-temperatuur van het zeewater in de Noordzee eind juli/begin augustus, bijv. de zwarte curve in deze grafiek:

    Zie bij het KNMI: Onweer en overvloedige regen.

  3. Hans Custers

    Lieuwe,

    Het is niet mogelijk om het weer op een bepaalde tijd en plaats toe te schrijven aan versterkte slingeringen in de straalstroom. De straalstroom slingerde altijd al, statistisch is vast te stellen dat die slingering toeneemt, maar dat betekent nog niet dat we weten hoe de straalstroom er op dit moment zonder die toegenomen slingering bij zou liggen. Je zou dus hoogstens kunnen zeggen dat bepaald weer in Nederland overeenkomt met wat op basis van zo’n sterkere slingering te verwachten is.

    Of dat nu zo is? Mijn inschatting is van niet. Ik heb het idee dat enkele relatief koude en natte weken in de Nederlandse zomer niet zo uitzonderlijk zijn. De periode hiervoor, toen het lange tijd warmer was dan gemiddeld, was misschien wel uitzonderlijker. Maar je zou er een grondige statistische analyse op los moeten laten om uit te vinden of deze natte-vinger-inschattingen van me kloppen.

    De versterkte slingering en trage beweging van de golven kan vooral tot relatief lange periodes van warmte of kou, of regen of droogte leiden. In principe zou dat dus bij kunnen dragen aan gunstige omstandigheden voor een elfstedentocht, of een warme winter in Alaska. Alleen: volgens dat onderzoek van Pethoukov kunnen ook specifieke geografische kenmerken de golven beïnvloeden en hoe dat dan weer precies voor Nederland of Alaska uitvalt weet ik niet. En omdat dat onderzoek zich op de zomermaanden concentreerde, zijn de resultaten ook niet zomaar naar de winter door te trekken.

    Samengevat: er zijn aanwijzingen dat het effect optreedt, maar er zijn nog heel veel details niet ingevuld. Daarom is het voorbarig om al links te leggen met de situatie op precieze plekken of tijdstippen. Daar brand ik mijn vingers dus maar niet aan…

  4. Mooie en prettig leesbaar overzicht van interessante discussie die de laatste paar jaar gevoerd is, vooral vanwege de in verhouding koude winters in Europa/N.Amerika. Dank!

  5. “Mag de leek concluderen dat het koude en natte zomerweer, nu, in Nederland verband heeft met de extreem koude winter in Amerika van vorig jaar?”
    (correctie 1: we hebben nog maar twee weken kil zomerweer in deze overwegend behoorlijke warme maar ook natte zomer; correctie 2: de winter was in een deel van de VS zeer koud nl ruwweg de Midwest).

    Nee. Het verband tussen opeenvolgende stromingspatronen is vrijwel nihil, dit betekent dat het verband tussen het weer van vandaag en dat van een dag of tien geleden al zo goed als non-existent is.

    Wel geldt: ‘what goes up must come down, what goes down must come up’ voor de straalstroom. Een gebied met een zuidelijke uitbochting, ‘trog’ geheten, heeft het koud en vaak nat/sneeuwrijk maar dat gebied wordt dus altijd geflankeerd door twee zogeheten ‘ruggen’ waarin hogedruk met mooi weer. Als de golven, zoals ’s winters, heel lang zijn dan kan je bijvoorbeeld zeggen, zoals in januari van dit jaar, dat de kou in Amerika direct samenhing met de nattigheid in Ierland/Engeland, de zeer zachte winter in Nederland en de exceptioneel droge winter in Noorwegen.

    “Ondervinden wij nu in de zomer, dezelfde effecten als de Amerikanen in de afgelopen winter?”

    Nee, dat werkt niet zo. Het weer heeft niet zo’n lang geheugen. In de gematigde breedten bestaat geen enkel verband tussen opeenvolgende seizoenen op de neiging in kuststreken tot een wat kouder voorjaar na een koude winter na (gevolg van koud zeewater).

    “Zou een (versterkt) slingerende straalstroom als gevolg van de opwarming van de Aarde kunnen leiden tot een Elfstedentocht in Friesland en warmte records in Alaska aankomende winter?”

    Ja. Maar in feite kon dat allang. De koudste maand in Nederland sinds 1900 (of eigenlijk 1823) was februari 1956, natuurlijk met Elfstedentocht; tegelijk sneuvelden o.a. in Groenland warmterecords en dit hing daar direct mee samen: stroming bij ons uit het noordoosten (Nova Zembla) en in Groenland uit het zuiden (Bermuda/Cariben).

    Het gaat niet per se om het ‘slingeren’ van de Rossbygolven, dwz het gaat niet per se om de amplitude. Die geeft fenomenen die we allang kennen. Het gaat veeleer om de kennelijk toenemende neiging van zo’n golf om op z’n plek te blijven liggen eens hij is gevormd. Weerpatronen duren daardoor langer:
    – een natte periode duurt langer én is natter agv de opwarming;
    – een droge periode duurt langer én is droger agv de opwarming;
    – vorige week werd in NL het weer door één enkele depressie beheerst; de gehele week daarvoor door een andere, maar slechts één, depressie. Er is een tijd geweest dat onze Atlantische lagedrukgebieden gemiddeld 3-4 dagen leefden en een traject van 1000-2000 km aflegden. Tegenwoordig stagneert in lente en zomer schijnbaar alles. Overigens kan je verdedigen dat afgelopen winterhalfjaar precies twee circulatiepatronen vertoonde – in plaats van het normale dozijn-nog-wat!

Geef een reactie

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit / Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit / Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit / Bijwerken )

Google+ photo

Je reageert onder je Google+ account. Log uit / Bijwerken )

Verbinden met %s