Waarom langjarige hitterecords soms verpletterd worden

Iris de Vries (ETHZ), Hylke de Vries (KNMI)

Op 19 juli 2022 werd het zeer warm in Nederland en in de landen om ons heen. De 39.5 ºC van Maastricht bleek te weinig om ons ‘piepjonge’ nationale hitterecord van 40.7 ºC (Gilze-Rijen, 2019) te verbreken, maar in onder andere Engeland gebeurde dat wel. Meestal worden langjarige records verbroken met een kleine marge. Maar soms worden ze echt ‘verpletterd’, met een graad of meer. In dit artikel blikken we terug op de recente hitte en proberen schattingen te maken van de kans op recordverplettering. Hierbij zullen we zien dat deze nauw samenhangen met het tempo van de opwarming.

Anticyclonale golfbreking en Spaanse pluim Kortdurende intense hitte komt in Nederland bijna altijd uit het zuiden. Dat was ook het geval op 19 juli 2022, de dag dat het zeer warm werd in de Benelux, terwijl recordhitte werd gemeten in delen van het Verenigd Koninkrijk (o.a. Londen) en Frankrijk (Figuur 1a). Enkele dagen eerder zuchtte Portugal al onder extreme temperaturen tot 47 ºC. Oorzaak van de hitte is een lagedrukgebied dat voor de westkust van Portugal/Spanje richting Engeland trekt. Aan de oostkant hiervan stroomt zeer warme lucht naar Nederland. Ook op hoogte (850 hPa) is de lucht over een groot gebied meer dan tien graden warmer dan normaal voor juli (Figuur 1b). De warme lucht is afkomstig van het Iberisch schiereiland; op weg naar het noorden schuift het van het 1000m hoge plateau af en warmt dan nog verder op door adiabatische compressie. Met een hogedrukgebied in de buurt van Nederland wordt het ook nog eens heel zonnig bij ons. Een typische ‘Spaanse pluim’ weersituatie, kortom, waarbij het zomaar tropisch warm kan worden. Ter hoogte van de tropopauze is het systeem ook goed zichtbaar als een afgesnoerd cold-core low met anomaal lage waarden van potentiële temperatuur (Figuur 2), en is onderdeel van een meerdaags anticyclonaal golfbrekingsevent. Ook in 2019 was anticyclonale golfbreking de voorbode voor recordhitte in Nederland.

In één keer boven de 40 graden Het record werd dus niet verbroken op 19 juli 2022, maar in 2019 was het wél raak. Toen schoot op 25 juli het hitterecord in Nederland in één keer van 38.6 ºC (Warnsveld, 23 augustus 1944) naar ruim boven de 40 ºC (40.7 ºC in Gilze-Rijen). Of liever gezegd, bijna in één keer. Het langjarige record van 38.6 ºC werd namelijk verbroken op twee opeenvolgende dagen: 24 juli 39.3 ºC (Eindhoven), 25 juli 40.7 ºC (Gilze-Rijen). Omdat we in dit artikel kijken naar verbrekingen in jaarmaxima van de maximumtemperatuur noemen we dit toch “in één keer”. Het 75-jaar oude record werd die dag “verpletterd” met meer dan twee graden. 40 ºC was een waarde die weinig meteorologen op dat moment voorstelbaar achtten. Toch was het opeens de realiteit. Vorig jaar gebeurde in Noordwest-Canada en -Amerika iets vergelijkbaars toen langjarige hitterecords op meerdere plekken met meer dan vijf graden verbroken werden. Ook hier waren meteorologen in eerste instantie verbijsterd. Sindsdien is er veel onderzoek naar deze en andere cases gedaan, waaruit blijkt

Figuur 1. a: Druk op zeeniveau (contouren) en 2-meter temperatuur (kleuren) voor 19 juli 12 UTC 2022 uit de ECMWF deterministische verwachting an 18 juli 00 UTC, en weergegeven als anomalie ten opzichte van de gemiddelde juli-temperatuur en luchtdruk (1991-2020). b: Idem maar voor temperatuur op 850 hPa drukvlak.

Figuur 2. De “aanstichter” van de hitte op 18 juli 00 UTC 2022: Boven zee ten westen van Portugal ligt op het niveau van de tropopauze (2 PVU, potential vorticity units) een gebied met anomaal lage potentiële temperatuur. Ten oosten van dit systeem stroomt zeer warme lucht noordwaarts. (data: ECMWF verwachting van 2022-07-16 00 UTC).

dat dit soort “onvoorstelbare” record shattering events in mondiale en regionale klimaatmodellen wel degelijk voorkomt.

Het huidige hitterecord was begin vorige eeuw vrijwel onmogelijk Op basis van de lange historische meetreeks in De Bilt kunnen we berekenen dat het huidige hitterecord (uit 2019) van 37.5 ºC voor De Bilt in het huidige klimaat een herhalingstijd heeft van rond de 30 jaar (onzekerheid 13-280 jaar). Hierbij volgen we de inmiddels welbekende “van Oldenborgh” GEV-methodiek waarbij de locatieparameter een functie is van de gladgestreken wereldgemiddelde temperatuur (zie Van Oldenborgh (2019) voor zijn analyse van de hittegolf van 2019, en Kew et al. (2020) voor meer details over de methode en een iets andere toepassing). Op dezelfde manier kunnen we het vorige record in De Bilt (35.6 ºC in 1947) in het huidige klimaat inmiddels eens in de 5 jaar verwachten (onzekerheid 3-10 jaar). Maar in het historisch klimaat van rond 1900 was zelfs 35.6 ºC zeer onwaarschijnlijk (herhalingstijd tenminste 150 jaar; dit is de ondergrens van het betrouwbaarheidsinterval).

Verpletteringskansen berekenen met een klimaatmodel De intuïtie dat weerrecords, en in het bijzonder hitterecords, in recente jaren vaker en met grotere marges gebroken worden dan in de geschiedenis, kan worden gekwantificeerd met behulp van zogenoemde initial-condition large ensembles; 100 simulaties worden gegenereerd door één klimaatmodel, waarin dezelfde externe forcing wordt toegepast, maar elke simulatie minuscule variaties heeft in de beginconditie. Dit leidt vervolgens tot 100 plausibele realisaties van het historische (en toekomstige) klimaat. Met zo’n large ensemble is het mogelijk om (zeer) zeldzame gebeurtenissen met grotere zekerheid te duiden dan observaties toelaten, omdat de “echte” frequentie van dit soort zeldzame events met een factor 100 wordt vergroot door de 100 simulaties. In dit geval is het klimaatmodel CESM2 (Danabasoglou et al., 2020) gebruikt (~1°x1°, 1850 – 2100), geforceerd met het SSP370 scenario (Van Vuuren et al., 2017). In dit scenario is de klimaatopwarming enigszins gematigd door stabilisering van de uitstoot van broeikasgassen in de loop van de 21e eeuw door stagnerende economische groei, en de relatieve concentratie van niet-CO2 broeikasgassen en industriële aërosolen is groot in vergelijking met het

Kader 1 - de kans op record-overschrijding De gemiddelde kans op recordoverschrijding is een complexe functie van de lengte van de voorgaande reeks (en daarmee de hoogte van het vorige record), de overschrijdings-threshold, de trend in de data en de interjaarlijkse variabiliteit. Fischer et al. (2021) hebben, geïnspireerd op eerder werk van Rahmstorf en Coumou (2011), laten zien dat het veelal mogelijk is om een analytische uitdrukking voor deze kans op recordoverschrijding op te stellen. Voor Gaussische data zonder trend en met constante variabiliteit, neemt de kans om een vorig record te breken omgekeerd evenredig af met de lengte van de meetreeks n. Bij data met een lineaire trend is deze kans constant. Hoe sterker de trend, hoe hoger de kans. Voor een trend die geleidelijk toeneemt, zal de kans dus ook toenemen. Stopt de trend (en wordt het niet langer warmer op de wereld), dan zal een “naijl-effect” optreden, waarna de kans geleidelijk weer de 1/n curve zal benaderen.

Figuur 3. a: Hoogste piektemperatuur per jaar (Tx1d) gemeten in De Bilt (groen) en gesimuleerd met 100 simulaties met het klimaatmodel CESM2 (dikke blauwe lijn is het 31-jaar rollend ensemble gemiddelde, de band de spreiding tussen alle simulaties). De dunne blauwe lijn geeft één van de honderd simulaties weer. b: jaarlijkse kans op recordverplettering met tenminste 1ºC (lichtblauw) en tenminste 2ºC (donkerblauw), 31-jaar lopend gemiddelde.

SSP245-scenario (met vergelijkbare opwarming).

Voor ieder jaar wordt de maximale dagelijkse piektemperatuur in Nederland bepaald in alle 100 simulaties; de grid boxes over Nederland worden geselecteerd en per jaar wordt gezocht naar de maximale waarde van dagelijkse piektemperatuur, effectief dus een spatiotemporeel maximum per jaar (1 gridbox en 1 timestep). Het resultaat hiervan bestaat uit 100 tijdreeksen (1 per simulatie) van jaarlijkse hoogste piektemperatuur (Tx1d) over Nederland. Om vervolgens de kans op het verpletteren van records te berekenen, wordt elk van deze tijdreeksen nagelopen op het breken van records: op iedere tijdstap t wordt getest of de waarde van Tx1d het record over de gehele voorbije periode overschrijdt met een marge c:

Tx1dt > max(Tx1dt0, …, Tx1dt-1) + c

Als dit het geval is voor grote waarden van c (bijvoorbeeld 1 ºC, of 1 standaarddeviatie), is er sprake van record shattering (Fischer et al., 2021). De jaarlijkse kans op record shattering in % is simpelweg gelijk aan het aantal simulaties dat record shattering vertoont (want het ensemble bestaat uit 100 simulaties). Fischer et al. (2021) heeft aangetoond dat het zelfs vaak mogelijk is deze kans analytisch te bepalen (zie Kader 1).

Hoe harder het opwarmt, hoe sneller records sneuvelen In Figuur 3b zie je dat de kans op recordverplettering sinds 1980 systematisch toeneemt. Dit volgt direct uit

Figuur 4. a: relatie tussen globale jaarlijkse temperatuuranomalie t.o.v. 1850-1950 op de x-as en jaarlijkse hoogste piektemperatuuranomalie (Tx1d-anomalie) in Nederland t.o.v. 1850-1950. De zwarte diagonale lijn geeft verhouding 1:1 weer. b: kans op recordverplettering met 1 en 2ºC als functie van de jaarlijkse toename in Tx1d in Nederland. De jaarlijkse Tx1d veranrdering is gebaseerd op 31-jarig lopend gemiddelde Tx1d van het 100-simulatie-ensemble.

de snelle toename van de temperatuurstijging in de modelsimulaties (Figuur 3a). De toename van de kans op een verpletterend record begint rond het moment dat de richtingscoëfficiënt van de trend in Tx1d (blauwe lijn Figuur 3a) begint toe te nemen (rond 1980). Als de temperatuurstijging constant is (lineair), is ook de kans op recordverplettering constant, echter, er zit enige vertraging in het systeem waardoor de recordverpletteringskans pas na enkele decennia stabiliseert. Dit zien we gebeuren rond 2060 (Figuur 3b, lijn vlakt af). We zien ook dat een afvlakking in de temperatuurstijging (rond 2070) leidt tot een afname in de recordverpletteringskans. Als de globale temperatuur zou stabiliseren op een hoger-dan-pre-industrieel niveau, zou er dus nog enige tijd een kans op recordverplettering zijn, maar zolang de temperatuur constant is, neemt de kans op een record ieder jaar af. In een klimaat met constante temperatuur is de kans op een record in jaar n+1 gelijk aan 1/n, waarin n het aantal jaar sinds het begin van de metingen is. Bij stabilisatie van het klimaat zal dus ook de recordkans steeds kleiner worden naarmate het klimaat langer stabiel is. Uiteindelijk zal de kans op hitterecords weer heel klein zijn, zelfs als het toekomstige klimaat meerdere graden warmer is dan het huidige klimaat.

De kans op recordverpletterende temperaturen waarbij records met 1ºC of meer verbroken worden, is volgens dit ensemble nu ongeveer 2 procent per jaar (eens in de 50 jaar) en loopt op tot rond de 3 procent per jaar (eens in de 30 jaar) rond 2060. In Figuur 3a is de tijdreeks van

jaarlijkse Tx1d gemeten in De Bilt weergegeven (blauwgroene dikke lijn), met recordverplettering van 1ºC als rode bolletjes. Ter illustratie is ook één enkele simulatie van het CESM-ensemble weergegeven, inclusief recordverplettering in die simulatie (dunne blauwe lijn). In deze lijnen is het goed zichtbaar dat de jaarlijkse variatie in Tx1d over Nederland groot is, wat betekent dat het in de realiteit zo kan zijn dat een record in tien jaar twee keer verpletterd wordt, terwijl de kans “eigenlijk” maar 2% is. Eveneens kan een record heel lang niet verpletterd worden, terwijl de opwarming van het klimaat dicteert dat het wel zou moeten gebeuren. Desalniettemin is het verloop van de trend in Tx1d een indicatie van steeds extremere temperaturen, die misschien niet altijd tot recordverplettering leiden, maar alsnog grote impact kunnen hebben op natuur en maatschappij.

In het ensemble worden in Nederland records soms met wel drie tot vier graden gebroken (niet in Figuur). Ter referentie, in Nederland is de interjaarlijkse variabiliteit (standaarddeviatie in de jaarlijkse maximum temperatuur) ongeveer 1.8ºC (bepaald voor de periode 1850 – 1950). Als een record met vier graden verbroken wordt, dan betekent dit dus een overschrijding van het vorige record met ruim tweemaal de interjaarlijkse variabiliteit.

Figuur 4 laat ondubbelzinnig zien hoe de lokale temperatuurtrends bepalend zijn voor de kans op recordverplettering. Over het algemeen is de globale stijging in temperatuurextremen in fase met de globale stijging in gemiddelde temperatuur, en ook lokale temperatuurtrends zijn sterk gerelateerd aan de globaal gemiddelde temperatuurstijging. Er zijn echter variaties van regio tot regio, zoals de Figuur 4a toont. Op de x-as is te zien hoe de globale gemiddelde temperatuuranomalie van nul tot ongeveer vijf graden toeneemt in SSP370 ten opzichte van de referentieperiode 1850 – 1950, terwijl de Nederlandse Tx1d in dezelfde simulaties van nul tot acht graden toeneemt. In Figuur 4b wordt duidelijk dat de actuele richtingscoëfficiënt van de lokale maximale temperatuur bepalend is voor de kans op recordverplettering: hoe groter de jaarlijkse toename in Tx1d (x-as), hoe groter de kans op recordverplettering. Dit is op te maken uit het feit dat de afvlakking van de recordverpletteringskans met tijd die we zien in Figuur 3b, niet meer te zien is als we de recordverpletteringskans als functie van de lokale Tx1d-toename plotten. De afvlakking van de verpletteringskans aan het eind van de 21ste eeuw (in SSP370) kan dus inderdaad worden uitgelegd door een vertraging van de lokale opwarming.

Conclusie In een toekomst waarin klimaatopwarming steeds sneller gaat, zal de kans op recordverplettering blijven toenemen. De geschiedenis laat zien dat het niet eenvoudig is om onze maatschappij en infrastructuur weerbaar te maken tegen toekomstige “onvoorstelbare” weer- en klimaatextremen: huidige hitteplannen, dijken en afwateringssystemen, bijvoorbeeld, zijn vaak opgesteld aan de hand van een zogenaamd “100-jarig herhalingsniveau”, dat wil zeggen de hoogste waarde die eens in de 100 jaar voorkomt. Met ieder extra beetje opwarming verschuift de hoogte van het herhalingsniveau theoretisch naar boven, maar door het stochastische karakter van zeldzame weer- en klimaatextremen is dit niet goed af te leiden uit de observaties. Aangezien we ook niet weten hoe de toekomstige klimaatopwarming zal gaan, zijn toekomstige herhalingsniveaus waarop kritische infrastructuur moet worden aangepast niet eenvoudig te voorspellen. Kortom, enkel het stoppen van klimaatopwarming is een safe bet om toekomstig leed ten gevolge van onvoorziene en onvoorstelbare natuurrampen te voorkomen.

Dankwoord De auteurs bedanken Frank Selten voor nuttige discussies, en de reviewers en editor voor hun constructieve commentaren.

Dit artikel is eerder in gewijzigde vorm verschenen op de KNMI website: https://www.knmi.nl/over-het-knmi/ nieuws/ieder-jaar-een-verpletterend-hitterecord.

Referenties

Fischer, E.M., Sippel, S. & Knutti, R. Increasing probability of record-shattering climate extremes. Nat. Clim. Chang. 11, 689–695 (2021). https://doi.org/10.1038/s41558021-01092-9 Kew, S., Philip, S. en van Oldenborgh, G.J., 38 ºC boven de poolcirkel en langdurige

Siberische warmte. Meteorologica 2020 (3), 26-27 Van Oldenborgh, G.J. De extreme hitte van eind juli 2019. Meteorologica 2019 (3), 28-29. Rahmstorf, S. & Coumou, D. Increase of extreme events in a warming world. PrºC.

Natl Acad. Sci. USA 108, 17905–17909 (2011) Van Vuuren, D. P., Riahi, K., Calvin, K., Dellink, R., Emmerling, J., Fujimori, S., ... & O’Neill,

B. (2017). The Shared SºCio-economic Pathways: Trajectories for human development and global environmental change. Global Environmental Change, 42(January 2017), 148-152. Danabasoglu, G., Lamarque, J.-F., Bacmeister, J., Bailey, D. A., DuVivier, A. K., Edwards,

J., et al. (2020). The Community Earth System Model Version 2 (CESM2). Journal of Advances in Modeling Earth Systems, 12, e2019MS001916. https://doi. org/10.1029/2019MS001916

Contact: hylke.de.vries@knmi.nl en iris.devries@env.ethz.ch