De extreme neerslag van 13 en 14 juli

Fig.1    Data: wow.knmi.nl

Bovenstaande grafiek toont de neerslagsom per etmaal in de periode van 12 t/m 16 juli 2021. Meteo Parkstad is een amateur weerstation in Eygelshoven, een van de 5 amateurstations die de extreme neerslag hebben gemeten. Op 14 juli tikte de neerslagmeter bijna 120 mm aan, extreem hoog voor Nederlandse begrippen. Over enkele weken zijn de data van de acht officiële KNMI neerslagstations in Zuid-Limburg bekend en dan zal waarschijnlijk een deel daarvan (in het oosten) de hoge neerslagsommen van de amateurstations bevestigen.

De zeer grote hoeveelheden neerslag die op 13 en 14 juli j.l. gevallen zijn in oostelijk Zuid-Limburg en de aangrenzende Ardennen en Eifel hebben veel vragen opgeroepen. De belangrijkste zijn hoe dit heeft kunnen gebeuren en of dit een voorteken is voor vaker dergelijke gebeurtenissen door wat men ‘klimaatverandering’ noemt. Er wordt van alles over gezegd en geschreven, en soms spreken deskundigen elkaar zelfs tegen.

Fig.2    Data: KNMI

Figuur 2 heb ik in een vorig bericht gebruikt en laat de hoeveelheid dagen en etmaalsommen zien sinds 1901 van de 13 neerslagstations die de L13 reeks genoemd worden. Te zien is dat vooral tussen 1990 en 2010 het aantal dagen met zware neerslag (≥ 50mm) toegenomen is. De dagen met extreme neerslag  (≥ 80mm) zijn geel/beige gekleurd. Opvallend is dat die extreme neerslag in een strook direct achter de kustlijn gevallen is. Dergelijke zware neerslag valt vooral in de zomer, zoals figuur 3 laat zien:

Fig.3    C.Brauer 2007

Dat zware neerslag in de zomer niet uitzonderlijk is maar  eerder regel laat figuur 3 zien. Het diagram toont dat de neerslag boven een bepaalde drempel een piek heeft in de zomermaanden, maar dat de kans daarop bij zware neerslag veel lager is dan bij minder zware neerslag. De neerslaghoeveelheden zoals die in oostelijk Zuid-Limburg gemeten werden zijn dus erg uitzonderlijk. Maar hoe uitzonderlijk ook, er moet een verklaring voor te bedenken zijn.

Een van de verklaringen die je hoort is dat het warmer geworden is (in Nederland vanaf 1850 zo’n 2 °C), dat daardoor de verdamping toegenomen is waardoor meer neerslag naar beneden komt. Dat klinkt logisch en dat is het ook. Maar een dergelijk algemeen fysische wetmatigheid verklaart natuurlijk niet waarom er in Zuid Limburg er op 13 en 14 juli zo extreem veel water naar beneden kwam. Er moet iets bijzonders aan de hand geweest zijn, want alleen een uitzonderlijke situatie kan tot uitzonderlijke neerslaghoeveelheden leiden.

Een hypothese is dat extreme neerslag bepaald wordt door de maximaal beschikbare hoeveelheid waterdamp in de atmosfeer. Dat is gebaseerd op het feit dat de maximale hoeveelheid waterdamp in de atmosfeer toeneemt met 7% per graad, volgens de zogenaamde Clausius-Clapeyron-relatie. Dat er dan gemiddeld meer neerslag valt als de dauwpuntstemperatuur hoger is, ligt fysisch voor de hand. Wanneer de grenslaag onder de wolkenbasis meer waterdamp bevat kun je ervan uitgaan dat er uiteindelijk meer neerslag ontstaat. Typisch geldt dus een toename van zo’n 7 procent per graad opwarming, maar zeker in de zomer is er een grote onzekerheidsmarge van tussen de +2 en +14 procent per graad (KNMI).

Het is echter de vraag of Clausius-Clapeyron generiek toepasbaar is, de grote onzekerheidsmarges geven dat ook aan. Ik denk dat dat voor lokale neerslag misschien zelfs wel onwaarschijnlijk is. Anders zou kort gezegd overal in de wereld bij eenzelfde temperatuur dezelfde hoeveelheid neerslag vallen. En dat is beslist niet het geval. De regel van toenemende luchtvochtigheid bij hogere temperaturen is tenslotte ook niet generiek toepasbaar op een lokale situatie.

Fig.4    Bron: Earth Nullschool

Wat wel toepasbaar is op de lokale situatie rond 14 juli in oostelijk Zuid-Limburg, Ardennen en Eifel is de aanwezigheid van een zogenaamde ‘koudeput’ die zich ten tijde van de extreme neerslag in de omgeving bevond.  Een koudeput is het zomerse broertje van ‘polar lows’, een lagedrukgebied waar zich in de bovenlucht een koude luchtbel bevindt. Een koudeput wordt, anders dan bij ‘normale’ lagedrukgebieden in de gematigde zone, niet vergezeld van een frontensysteem.

Figuur 4 toont de ligging van de koudeput met voor twee locaties de temperaturen op diverse drukvlakken. Een locatie is het centrum van de koudeput, de andere een locatie in de nabijheid van Zuid-Limburgs-Duitse grens. De koude luchtbel is herkenbaar aan de opvallend lage temperatuur op het 700 hPa vlak. Door die koude in de bovenlucht ontstaat er een atmosfeergradiënt die erg onstabiel is en tot op grote hoogte tot sterke wolkvorming (en neerslag) leidt.

Luchtdrukverschillen aan het aardoppervlak onder een koudeput zijn meestal gering. Door de sterke centrifugale krachten in de bovenlucht snoert zo’n koudeput zich bovenin af van de straalstroom. Het is dan als het ware een op zichzelf staand systeem waarin de temperatuurverschillen tussen de lage delen en de koude bel in de bovenlucht de energie levert voor sterke convectie en wolkvorming. Bij frontensystemen worden lagedrukgebieden uitgediept en gestuurd door de straalstroom erboven. Door het ontbreken van de straalstroom aan de bovenzijde van een koudeput wordt deze alleen nog bewogen door luchtstromen aan het aardoppervlak. Die stroming in de onderste luchtlagen is vergeleken met de straalstroom zeer langzaam, waardoor langdurige neerslag voor veel overlast kan zorgen.

Fig.5    Bron: KNMI

In de animatie van figuur 5 zijn voor de dagen 13 t/m 15 juli de op de site van het KNMI beschikbare weerkaarten (4 per etmaal) achter elkaar geplaatst. Duidelijk is te zien dat de koudeput (de groene L)  enkele dagen, tot in de middag op 15 juli, een rondje draait en nauwelijks van zijn plaats komt. Dat is kenmerkend voor een koudeput. Wat ook kenmerkend is,  is dat het lagedrukgebied dan plots weer verdwijnt. De ‘motor’ van het systeem, de koude bel in de bovenlucht, wordt dan opgevuld met warmere lucht. Dat is te zien op het laatste plaatje van de animatie.

De rode convergentielijn die zo trouw de koudeput volgde, is dan ook verdwenen. Op die convergentielijn botste de warme lucht, die om het lagedrukgebied tegen de wijzers van de klok in werd aangevoerd, met de koelere lucht die vanuit het noorden werd aangevoerd. Gevolg was een stijgende luchtbeweging zoals bij een koudefront, met wolkvorming en zware neerslag. Door stuwing tegen de Ardennen en Eifel nam de hoeveelheid neerslag verder toe:

Fig.6    Bron: Earth Nullschool

Figuur 6 toont de situatie aan het aardoppervlak op 14 juli om 11u. De dunne lijntjes geven de stroming weer. Let op het verschil in temperatuur tussen de oostelijke stroming in Noord-Duitsland en de noordelijke stroming in Oost-Nederland. Op Buienradar leverde dat dit plaatje op, met de convergentiezone boven Oost-Nederland waar door het ‘optillen’ van de warme lucht pittige buien aan het ontstaan zijn:

Fig.7    Bron: Buienradar

De conclusie is gerechtvaardigd dat de koudeput die van 13 t/m 15 juli 2021 boven Duitsland en directe omgeving hing de oorzaak was van de extreme neerslag. Een klimaatonderzoeker van het KNMI laat in de Volkskrant van 18 juli optekenen:  ‘Een lage luchtdrukgebied dat lang boven één plek bleef hangen is de oorzaak van de recente hevige regenval. Er zijn voorzichtige aanwijzingen dat klimaatopwarming ervoor zorgt dat zo’n stilstaand lagedrukgebied vaker gaat voorkomen. Maar hoe dan ook geldt: áls zo’n lagedrukgebied blijft hangen, neemt door klimaatopwarming de hoeveelheid regen die eruit valt toe.’

Dat laatste is natuurlijk geen wet van Meden en Perzen.  Zoals ik al schreef: de algemene regel van toenemende luchtvochtigheid bij hogere temperaturen is niet generiek toepasbaar op lokale situaties. Het is natuurlijk niet zo dat elke bui of elke depressie op een bepaalde plaats meer neerslag brengt omdat het op aarde sinds 1850 gemiddeld 1,1 °C warmer is geworden.

Die ‘voorzichtige aanwijzingen’ waar de KNMI-man naar verwijst betreffen een recente publicatie van Kahraman et al (2021). Ik begrijp dat het aantrekkelijk kan zijn om –hoe voorzichtig ook- naar deze paper te verwijzen, maar dat is mijns inziens niet terecht. Wat me opviel was dat de onderzoekers gebruik hebben gemaakt van klimaatsimulaties op basis van RCP8.5 : Here we use pan-European climate simulations (RCP8.5) with 2.2 km grid spacing from the UK Met Office Unified Model (v10.1) that successfully simulate hourly precipitation. RCP’s zijn scenario’s die de ontwikkeling van broeikasgassen beschrijven en die gebruikt worden in het vijfde IPCC-rapport. RCP8.5 is het meest extreme scenario waarbij uitgegaan wordt van een onrealistische toename van het CO2 gehalte, met een stralingsforcering van 8,5 W/m2.  Zelfs  doorgewinterde klimaatalarmisten nemen dit scenario allang niet meer serieus: een stralingsforcering van 8,5 W/m2 is volstrekt ongeloofwaardig.

Fig.8    Bron: Dr. Piotr Zolnierczuk

De waarde die men daarom kan hechten aan de uitkomsten van deze publicatie is om die reden laag. De beroemde Amerikaans-Hongaarse wiskundige  John von Neumann zei ooit: “With four parameters I can fit an elephant, and with five I can make him wiggle his trunk.” Een onderzoeker heeft ooit naar aanleiding van Von Neumann’s uitspraak voor de lol een programmaatje geschreven waarin hij inderdaad met 4 parameters een (soort) olifant kon maken, zie figuur 8.
Ik geniet hiervan   . Maar runs van klimaatmodellen met ongeloofwaardige parameters leveren ongeloofwaardige uitkomsten.

Ik ga er van uit dat er nog meer papers gaan verschijnen die al of niet met behulp van klimaatmodellen of hogere statistiek aantonen dat de extreme neerslag van 13 en 14 juli j.l. een gevolg is van klimaatverandering, en dat we daar in de toekomst vaker last van zullen krijgen. Ik zal ze in elk geval met de nodige scepsis lezen, maar dat doe ik eigenlijk bij elke publicatie wel (Popper!).

Om te achterhalen of extreme neerslag al of niet ‘van alle tijden’ is zijn de historische neerslagreeksen te kort. Maar extreme neerslag levert wel altijd extreme waterafvoer in rivieren op en soms overstromingen. En die laatste laten vaak sporen na.

Fig.9    Bron: Wikipedia

Figuur 9 laat de gedenkstenen van hoge waterstanden zien van de Maas in Venlo. De bovenste steen geeft voor het jaar 1643 een waterhoogte van 19m33 boven AP weer. Daaronder de stenen van 1926 en 1993. In dat laatste jaar was de waterhoogte ongeveer een meter lager dan in 1643. De waterafvoer in 1643 wordt geschat op 3.600 m³/s. De maximum afvoer op 17 juli 2021 bij Venlo was 2927 m3/sec  (bron Rijkswaterstaat).

Fig.10    Bron: Wikipedia

De foto hierboven is van het oude Rathaus in Passau, de stad die op de plaats ligt waar de Donau Duitsland verlaat. Op de muur zijn de waterhoogten van gedenkwaardige overstromingen door de Donau weergegeven vanaf de 16^e eeuw. De Donau is een regenrivier die in het Zwarte Woud ontspringt en waarop een groot deel van Zuid-Duitsland afwatert. Opvallend is dat de meeste overstromingen in de zomer plaatsvonden, dus als gevolg van zware of langdurige regens. Van de meeste van deze overstromingen zijn geen neerslagdata beschikbaar, maar de streepjes en jaartallen spreken boekdelen.