Droge zomers als die van 2018 komen door klimaatverandering in het binnenland nu vaker voor dan rond 1950. Dat blijkt uit nieuw onderzoek van het KNMI in samenwerking met de Universiteit Utrecht.
Nederland werd in de zomer van 2018 getroffen door een extreme droogte, die ernstige gevolgen had voor boeren, scheepvaart en waterbeheerders in Nederland. De totale economische schade voor deze sectoren wordt geschat tussen de 450 en 2080 miljoen euro. Deze droogte werd veroorzaakt door bijzonder lage neerslag in mei, juni, juli en september, alsmede door hoge temperaturen in het hele zomerhalfjaar april-september en veel zon, wat de potentiële verdamping sterk verhoogde (figuur 1).
De sterkte van droogte liet duidelijke regionale patronen zien: in het zuiden en oosten (ofwel het binnenland, wat goed overeenkomt met Hoog Nederland) waren de neerslagtekorten veel groter dan in het westen en noorden (het kustgebied, wat goed overeenkomt met Laag Nederland) door lagere neerslag, hogere temperaturen, meer zonneschijn en dus verdamping. In deze studie laten we zien dat het binnenland sinds 1950 te maken heeft met een trend in droogte, terwijl er geen trend naar meer droogte in de wijde kuststrook is. Het is belangrijk om te beseffen dat in het binnenland wateraanvoer voornamelijk vanuit regen plaatsvindt, terwijl meer aan de kust ook water aangevoerd kan worden via de grote rivieren. Hierdoor is het binnenland extra gevoelig voor verandering in de atmospherische toevoer van water in de zomermaanden.
De trend in droogte in het binnenland is met name het gevolg van sterke trends in temperatuur, zonnestraling en verdamping, terwijl de trend in de totale hoeveelheid neerslag klein is. Er is een positieve trend in potentiële verdamping. Modelschattingen van bodemvocht vertonen geen trend, maar hebben vaak versimpelde aannames om de irrigatievraag vanuit de landbouw te schatten.
Voor het kustgebied is de aanvoer van water via de Rijn belangrijker dan lokale neerslag. Voor 2018 was er naast een hoog neerslagtekort ook een zeer lage aanvoer van water in de Rijn. Er is een kleine negatieve trend in Rijnafvoer te zien, gemiddeld over het zomerhalfjaar, maar deze trend is niet statistisch significant. De combinatie van verminderde afvoer in de Rijn en een verhoogd neerslagtekort is wel van belang voor toekomstige droogte, bijvoorbeeld omdat onder deze condities de kans op indringing van zout water aanzienlijk toeneemt.
De KNMI’14 scenario’s geven een brede range van mogelijkheden voor droogtes in de toekomst. Deze lopen van het voorzetten van de huidige trends tot een sterke toename van droogte onder invloed van meer hogedrukgebieden en wind uit het oosten.
Een zeer persistent hogedrukgebied dat boven Noord Europa lag in de zomer 2018 veroorzaakte in Nederland en omgeving een droog, zonnig en warm zomerhalfjaar (KNMI, De droogte van 2018, november 2018). Ook oktober 2018 was zeer droog, maar valt buiten de traditionele definitie van het zomerhalfjaar en is hier dus niet in beschouwing genomen.
In Nederland is een veelgebruikte maat voor droogte het doorlopend neerslagtekort, het positieve geïntegreerde verschil tussen potentiële verdamping en neerslag vanaf 1 april. De potentiële verdamping wordt berekend met de formule van Makkink, die vooral afhangt van temperatuur en globale straling (directe en indirecte zonnestraling). De geaccumuleerde droogte aan het eind van het groeiseizoen was in deze maat in 2018 het sterkst in het zuiden en oosten van het land, zie figuur 2. Dit patroon herhaalde zich overigens in 2019, figuur 3.
De gebieden met het grootste neerslagtekort zijn ook het meest gevoelig voor gebrek aan regen, omdat watertekorten op de hoge zandgronden in het binnenland niet makkelijk met rivierwater aangevuld kunnen worden zoals dat in het westen en rond het IJsselmeer wel kan.
Tot nu toe heeft het KNMI alleen uitspraken gedaan over trends in droogte gemiddeld over het hele land. Op basis van eerder onderzoek (Lenderink et al, 2009; van Haren et al, 2012) weten we echter dat de neerslagtrends verschillen tussen een brede kuststrook en het binnenland. We onderzoeken hier hoe dat verschil doorwerkt in trends in droogte. We definiëren daartoe een kustgebied als een strook van 50 km breedte langs de Noordzeekust en tenminste 30 km langs de Waddenzee. Dit bestrijkt ongeveer 45% van Nederland. De rest noemen we het binnenland, zie figuur 1d.
Droogte kan op vele manieren worden gedefinieerd. We beschouwen hier vier aspecten. Het simpelste is droogte als een vermindering van regen (meteorological drought). Daarnaast analyseren we trends in temperatuur als een belangrijke factor in verdamping. Aangezien het neerslagtekort in Nederland gedefinieerd is als potentiële verdamping minus neerslag, beschouwen we ook de potentiële verdamping (potential evapotranspiration, PET). Hiervoor worden veel verschillende formules voor gebruikt, in Nederland die van Makkink, elders de Priestley-Taylor, Penman-Monteith, Hamon, en Bulk formules. Tenslotte analyseren we ook trends in bodemvochtdroogte (agricultural drought).
Om aan te sluiten bij ouder werk nemen we als groeiseizoen de periode 1 april tot 30 september. Het groeiseizoen is echter onder invloed van de opwarming langer geworden. De resultaten zijn echter vrijwel hetzelfde als we maart als startmaand nemen.
In figuur 4 zijn de trends van neerslag, temperatuur, globale straling (directe en indirecte inkomende zonnestraling) en de op basis daarvan berekende Makkink potentiële verdamping uitgezet voor KNMI stationsdata. We definiëren trends als de regressie van deze variabelen tegen de gladgestreken wereldgemiddelde temperatuur om de gevolgen van de opwarming zo goed mogelijk te beschrijven. Deze mondiale temperatuur is nu ongeveer een graad hoger dan rond 1950, dus de veranderingen sinds die tijd zijn ongeveer gelijk aan de trends per graad wereldwijde opwarming die in de figuren getoond worden.
De neerslag aan de kust is duidelijk toegenomen ten opzichte van het gemiddelde, in het binnenland is dit niet zichtbaar. De temperatuurtoename is meer uniform. De relatieve toename in zonnestraling is het grootst op stations in het binnenland. Hierdoor is ook de Makkink verdamping in het binnenland meer toegenomen dan aan de kust.
Niet alle trends zijn statistisch significant per station. Gemiddeld over de kuststrook is de toename van de neerslag alleen significant op p<10%. Er is wel een significante trend in het verschil tussen de neerslag in het binnenland en aan de kust, omdat het weer in beide reeksen erg op elkaar lijkt is de signaal-ruis verhouding beter.
De trend in globale straling bestaat uit twee componenten (figuur 5). Door de toenemende luchtvervuiling met aërosolen nam de hoeveelheid zonnestraling aan de grond af tot rond 1985 en daarna weer toe toen de lucht schoner gemaakt werd. Daarbovenop is er een trend naar meer zonneschijn in het zomerhalfjaar over de hele periode (Van Oldenborgh et al, 2009). De zeer zonnige en droge jaren 1976 en 2018 zijn ook duidelijk zichtbaar. De waarnemingen vanaf ongeveer 1970 laten zien dat de trend in globale straling in het binnenland over de hele periode groter is dan aan de kust (zie figuur 4). Dit wordt bevestigd door heranalyse datasets zoals de ERA5 reconstructie van het verleden weer van het European Centre for Medium-range Weather Forecasts.
De Makkink potentiële verdamping, die berekend is uit waargenomen temperatuur- en stralingsmetingen, is dan ook sterk toegenomen. De effecten van de luchtvervuiling zijn hierop gesuperponeerd: een afname tot ongeveer 1985 gevolgd door een sterkere toename tot ongeveer 2005 (figuur 6). Doordat de trend in globale straling in het binnenland groter is dan aan de kust zien we dat de Makkink potentiële verdamping ook sterker is toegenomen in het binnenland (figuur 4d).
Voor droogte in laaggelegen gebieden is de afvoer van de Rijn ook relevant. Deze vertoont over een kleine afname in het zomerhalfjaar sinds 1901. Vanaf 1950 is de afname ongeveer 9%, alleen significant op p<0.1. De neerslag in het bovenstroomse gedeelte van het stroomgebied is wel significant is afgenomen. We gaan hier in deze studie verder niet op in.
Om de waargenomen trends toe te kunnen schrijven aan klimaatverandering of andere factoren hebben we klimaatmodellen nodig. Daarin kunnen we het verschil tussen een klimaat met broeikasgassen en een fictief klimaat zonder broeikasgassen bestuderen. Wel controleren we uiteraard of de klimaatmodellen het echte klimaat realistisch genoeg beschrijven. Voor deze studie hebben we ook de uitvoer van hydrologische modellen geanalyseerd die met deze klimaatmodellen aangedreven zijn.
Voor deze studie hebben we de volgende modellen geëvalueerd en indien ze voldoende realistisch zijn gebruikt voor de attributie:
- ISIMIP, 16 runs van vier mondiale klimaatmodellen met vier hydrologische modellen,
- EC-Earth / PCR-GLOBWB ensemble (Van der Wiel et al, 2019), en
- RACMO ensemble van een regionaal klimaatmodel
In het kustgebied blijkt dat geen van de klimaatmodellen een toename van de neerslag laat zien, in tegenspraak met de waarnemingen (figuur 4a, zie ook van Haren et al, 2012). We kunnen dus geen uitspraken doen over de invloed van klimaatverandering op droogte in de kuststrook. Een analyse van lage afvoeren van de Rijn was ook niet mogelijk in het kader van dit artikel.
Voor neerslag in het binnenland doen klimaatmodellen het beter: veel hebben een seizoenscyclus en variabiliteit compatibel met de waarnemingen. Ze laten evenmin als de waarnemingen een verandering in de zomerneerslag zien, dus concluderen we dat klimaatverandering hier geen trend in veroorzaakt heeft tot nu toe.
Voor temperatuur ligt het complexer. De waargenomen trend in temperatuur in het zomerhalfjaar vanaf 1950 is 1,9 graad per graad wereldgemiddelde opwarming met een 95% onzekerheidsmarge van 1,3 tot 2,4 graad per graad, terwijl de modellen rond de 0,9 keer de wereldgemiddelde opwarming uitkomen (zie ook Van Oldenborgh et al, 2009). Hiermee kunnen we de helft van de opwarming toeschrijven aan de uitstoot van broeikasgassen. De andere helft heeft òf andere oorzaken òf de klimaatmodellen onderschatten het effect van wereldgemiddelde opwarming op hete zomers.
Zoals verwacht laten de klimaatmodellen in het binnenland een toename zien van de potentiële verdamping. Hierbij moet worden opgemerkt dat de modellen veel verschillende formules voor de potentiële verdamping gebruiken. De verschillen tussen de modellen zijn echter groter dan de verschillen die ontstaan door het gebruik van de verschillende definities van potentiële verdamping, de verschillende rekenmethodes zijn daardoor niet van groot belang hier. De toename van de potentiële verdamping is in de klimaatmodellen kleiner dan op basis van waarnemingen of heranalyses berekend wordt voor de werkelijkheid, in overeenstemming met de te lage trends in temperatuur.
Tenslotte laten de modellen geen verandering zien in de hoeveelheid bodemvocht in het binnenland van Nederland. Echter, deze modellen houden geen rekening met irrigatie, wat in Nederland een grote rol speelt. We beschouwen daardoor het neerslagtekort, potentiële verdamping minus neerslag, als een relevantere maat voor droogte dan het gemodelleerde bodemvocht. Verder onderzoek met modellen die ook de irrigatie correct meenemen, is nodig om trends in bodemvocht en grondwater goed te kunnen modelleren.
In dit artikel brengen we een nuancering aan op de analyse van droogtetrends in Nederland die tot nu toe gepubliceerd zijn. Hoewel er gemiddeld over Nederland geen trend in de droogte is, zijn er grote verschillen tussen de brede kuststrook en het binnenland. Langs de kust is er een toename van de hoeveelheid regen in het zomerhalfjaar, in het binnenland niet. In het binnenland neemt de hoeveelheid zonnestraling sterker toe dan aan de kust, wat samen met de hogere temperaturen voor meer potentiële verdamping zorgt. We concluderen dan ook dat de kans op droogte in het binnenland door de opwarming is toegenomen als gevolg van hogere temperaturen en zonneschijn die tot een hogere potentiële verdamping leiden, gecombineerd met geen trend in neerslag. De exacte toename is lastig te kwantificeren omdat klimaatmodellen de opwarming van Nederland onderschatten. Voor het kustgebied kunnen we geen uitspraken doen, omdat de klimaatmodellen de waargenomen toename in neerslag daar niet reproduceren.
Voor de toekomst laten sommige modellen een continuering van de huidige trends zien, terwijl andere tussen 2020 en 2040 een knikpunt hebben met daana meer oostenwind en dus minder regen en meer droogte. Beide mogelijkheden zijn gerepresenteerd in de KNMI'14 scenario's.