Europa en de zon

Climategate.nl staat deze week in het teken van klimaatonderzoeker Rob de Vos door elke dag een artikel van hem te plaatsen. Op zijn website Klimaatgek.nl onderzoekt de Vos de klimaatfabels en presenteert zeer regelmatig eigen, diepgravend onderzoek wat soms leidt tot peer-reviewed artikelen. Hij geldt als een luis in de pels van het klimaatdebat. Het is belangrijk dat er aandacht is voor zijn werk en u kunt hem steunen. Zie hier.

Fig.1    Data: KNMI

Figuur 1 toont de gemiddelde inkomende zonnestraling (instraling) in De Bilt van 1958 t/m 2021 in W/m2. Zoals reeds eerder beschreven is er vanaf het einde van de vorige eeuw sprake van een zeer sterke toename van de instraling in Nederland en de omringende landen. Zie onder andere hier en hier en hier. De lineaire trendlijn in figuur 1 geeft een stijging weer van 12,8 W/m2 over de gehele periode 1958-2021, dat is een toename van 12%. De loess-lijn in de figuur laat zien dat de instraling tot in de jaren ’90 vlak is, daarna neemt de instraling snel toe.

Fig.2     Data: KNMI

Figuur 2 toont voor De Bilt het verloop van de instraling (Q) en temperatuur (T) per jaar voor de periode 1979-2020. De toename van Q in deze periode was 17,4 W/m2, terwijl de temperatuur in deze periode toenam met 1,9 °C. Dat zijn forse toenames.

Fig.3    Bron: Kiehl & Trenberth 2009

In figuur 3 is de instraling weergegeven als ‘Absorbed by surface’. Voor de aarde als geheel wordt die geschat op gemiddeld 161 W/m2. Volgens figuur 2 is de recente instraling aan het aardoppervlak in De Bilt ongeveer 120 W/m2 op jaarbasis.

Fig.4    Bron: CBS, PBL, Wageningen Universiteit

De toename van de instraling die in figuur 2 te zien is kan veroorzaakt worden door veranderende absorptie door de atmosfeer en reflecties op wolken en aardoppervlak. Ongetwijfeld zal de afname van aerosolen in West Europa vanaf 1980 bij hebben gedragen tot de toename van de instraling. Figuur 4 toont de sterke afname sinds 1980 van SO2 in Nederland als gevolg van maatregelen. Wellicht zal ook de albedo van het aardoppervlak enige bijdrage geleverd hebben, maar de grootste bijdrage aan de toename van de instraling lijkt toch wel het gevolg van afgenomen bewolking.

Fig.5    Data: KNMI

Verandering in bewolkingsgraad is lastig vast te stellen aan de hand van data over wolkbedekking van het KNMI vanwege de wijze van observatie en registratie. Daarom gebruik ik het aantal zonuren als proxy voor bewolking. De ontwikkeling vanaf 1901 ziet u in figuur 5. De grafiek geeft per jaar het totaal aantal uren zon. Dat aantal is van 1901 tot in de jaren ’90 van de vorige eeuw tamelijk constant, ongeveer 1500. Daarna begint het aantal jaarlijkse zonuren spectaculair toe te nemen. Vanaf medio jaren ’90 t/m 2021 is het aantal zonuren met ruim 24% toegenomen! Vergelijkbare cijfers vond ik ook in de 4 andere KNMI hoofdstations Vlissingen, De Kooy, Maastricht en Eelde. De conclusie lijkt gerechtvaardigd dat die toename van de instraling in Nederland dus met name het gevolg is van de afname van de bewolking. Overigens kan de afname van aerosolen daar een rol bij spelen. Aerosolen spelen immers als condensatiekernen een belangrijke rol bij het ontstaan van bewolking.

Fig.6    Bron: Copernicus

In een bericht van januari 2021 liet ik zien dat zich ook in de buurlanden België en Duitsland vergelijkbare ontwikkelingen van de instraling voordoen als in Nederland, gepaard gaande met een toename van het aantal zonuren. Ook de Oostenrijkse Alpen laten vergelijkbare ontwikkelingen zien, zoals ik al eerder schreef. Maar hoe zit het met de rest van Europa? Vanaf 1983 zijn gegevens beschikbaar via een Europese satelliet, de EUMETSAT CM SAF. De data van figuur 6 zijn afkomstig van dit Europese satellietprogramma. De grafiek toont de toename van het aantal zonuren in Europa ten opzichte van de referentieperiode 1983-2012. Ik schat die toename in de periode op meer dan 200 zonuren per jaar. Het gemiddeld aantal zonuren in Europa was in de referentieperiode 2335 uur per jaar.

Fig.7    Bron: Copernicus

Satellietmetingen in 2019 laten voor dat jaar goed de rol zien die een afnemende bewolkingsgraad heeft op de instraling. Die toename van de instraling was vooral in het eerste halfjaar (januari-juni) van 2019 goed merkbaar, zoals figuur 7 laat zien. De oorzaak daarvan is te vinden in de volgende figuur:

Fig. 8    Bron: Copernicus

Tot nu toe maakte ik voor de data van de instraling gebruik van meetgegevens van weerstations. Die data zijn in Nederland en Duitsland makkelijk en vrij verkrijgbaar, maar dat geldt voor andere landen niet automatisch. Om zicht te krijgen op de instralingdata van Europa heb ik daarom gebruik gemaakt van datareeksen van ERA5 reanalyses. Reanalyses zijn datasets waarin alle waarnemingen zitten die voorhanden zijn, zoals van satellieten, thermometers, weerballonnen, schepen, vliegtuigen en boeien. Ze behoren tot de meest gebruikte datasets in de geofysische wetenschappen en bieden een uitgebreide beschrijving van het waargenomen klimaat zoals dat zich in de afgelopen decennia heeft ontwikkeld, op 3D-rasters en bijna real time.

Een van de bekendste reanalyses datasets is ERA5 van het ECMWF, die gegevens bevat over een groot aantal parameters van de atmosfeer, het landoppervlak en de zee. ECMWF staat voor European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, een onafhankelijke weerorganisatie gevestigd in Reading, UK. De ERA5-gegevens zijn beschikbaar op een raster met een celresolutie van 30 km. De dataset bestrijkt de periode van 1950 tot heden. Bij een kwaliteitscontrole voorafgaand aan de publicatie zijn echter enkele problemen aan het licht gekomen. Dat had tot gevolg dat de ERA5 reeks voorlopig opgesplitst is in twee delen, de minder betrouwbare voorlopige ERA5-dataset van 1950 tot 1978 en de op kwaliteit gecontroleerde dataset van 1979 tot heden (vanaf 1979 kwamen satellietdata beschikbaar).

Fig.9

Ik heb Europa opgedeeld in 4 regio’s: Noord Europa (60-70N, 15-60E) , West Europa (45-60N, 0-30E) , Oost Europa (45-60N, 30-60E ) en het Middellandse Zeegebied (30-45N, 10W-35E). Ik maakte gebruik van de ERA5 maanddataset vanaf 1979 t/m 2020 zoals die beschikbaar is in de Climate Explorer van het KNMI. De gebruikte parameter ssr (surface net solar radiation) is in de Climate Explorer al omgerekend van J/cm2 naar W/m2 per maand.

Fig.10    Data: Climate Explorer

Figuur 10 toont voor West Europa ( 45-60N, 0-30E) de grafiek van de maandelijkse ssr. Duidelijk is de jaarlijkse gang van de instraling te zien met de maandelijkse stapjes, met laagste waarden in de winter en de hoogste in de zomer.

Omdat ik de instralingsdata van verschillende regio’s later met elkaar wil vergelijken kan ik in plaats van de absolute data van figuur 9 beter zogenaamde anomalieën gebruiken, die de veranderingen weergeven ten opzichte van een referentietijdvak, in dit geval de periode 1981-1990. Dat komt er voor West Europa zo uit te zien:

Fig.11    Data: Climate Explorer

De grafiek laat zien dat er in de periode 1979-2020 in West Europa sprake was van een opmerkelijke stijging van de netto instraling aan het aardoppervlak. De lineaire trendlijn geeft voor 1979-2020 een toename van maar liefst 10,8 W/m2, een toename van het invallende zonlicht met ongeveer 10% !

Op dezelfde wijze heb ik met behulp van ssr data van ERA5  grafieken gemaakt van Noord-  en Oost Europa en het Middellands Zeegebied:

Fig.12

Fig.13

Fig.14

Bovenstaande grafieken laten zien dat de grote toename van de instraling sinds 1979 voor een groot deel van Europa geldt. Noord Europa kent vanaf 1979 een toename van de netto instraling van 6,3 W/m2 (9%), Oost Europa van 12,4 W/m2 (12%), en het Middellands Zeegebied van 5,5 W/m2 (3,2%). Opvallend zijn de lagere cijfers van het Middellands Zeegebied, waarbij de relatieve toename van 3,2% schril afsteekt bij de waarde rond de 10% voor de rest van Europa. Dat heeft waarschijnlijk te maken met de algemene  luchtcirculatie, waarbij deze regio zich voor een groot deel van het jaar in de zone bevindt van de subtropische hogedrukgebieden waarin bewolking een groot deel van het jaar nagenoeg afwezig is.

Natuurlijk was ik nieuwsgierig naar de effecten van de opvallend grote toename van het invallende zonlicht in Europa op de luchttemperatuur aan het aardoppervlak. Daarvoor gebruikte ik uit de ERA5 database de parameter 2t (2 metre temperature), de temperatuur op 2m boven het aardoppervlak. Om die datareeksen met elkaar te kunnen vergelijken heb ik op de data van de netto instraling en van de temperatuur een loess smoothing toegepast.

Fig.15

Fig.16

Fig.17

Fig.18

Het is duidelijk dat er in elk van de grafieken sprake is van een sterke visuele correlatie tussen de instraling en de luchttemperatuur. Dat is natuurlijk helemaal niet zo gek: iedereen weet dat de lucht in de loop van de dag opwarmt als de zon aan de hemel stijgt, dat de temperatuur stijgt als we van de winter naar de zomer gaan, en dat als er een wolk voor de zon schuift de temperatuur daalt. De zon is voor nagenoeg 100% de bron van alle aardse opwarming.

Maar met alleen een correlatie ‘op het oog’ ben je er niet. Daarom is voor elke regio de R2 berekend. R-kwadraat (R2) is een statistische maat die het aandeel van de variantie voor een afhankelijke variabele weergeeft die wordt verklaard door een onafhankelijke variabele in een regressiemodel. In dit geval is de afhankelijke variabele de luchttemperatuur (2t) en de onafhankelijke variabele de instraling (ssr).  R-kwadraat geeft dus weer in welke mate de variaties van de temperatuur bepaald worden door variaties van de instraling. R2 bepaalt niet de trend van de temperatuur, maar de hoge R2 waarden laten wel zien dat temperatuur en instraling sterk gekoppeld zijn. In tabel:

Voor West Europa betekent R2 = 0,81 dat de variaties van de temperatuur voor 81% verklaard worden door de variaties van de instraling. Lastiger is het om te bepalen wat die sterke toename van de netto instraling in de diverse delen van  Europa voor effect heeft gehad op de temperatuurtrend, maar dat dit effect aanzienlijk moet zijn geweest lijkt me aannemelijk. Zo wordt door het IPCC een forcing van 3,7 W/m2 aangehouden voor verdubbeling van het CO2-gehalte. Als alle andere klimaatparameters constant worden verondersteld, dan wordt verondersteld dat het opwarmingseffect daarvan al 1,1 °C is.

Een volgende keer ga ik graag voor diverse regio’s buiten Europa de ontwikkeling van de instraling en temperatuur bekijken.

***

Bron hier.