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.

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.

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.

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).

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.

2. 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.

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.

3. 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.