Met het klimaatmodel EC-Earth onderzoeken we hoe de zomermoessons op deze astronomische forcering reageren. Het noordelijk halfrond ontving meer zonnestraling in de zomer tijdens het Mid-Holoceen, waardoor de Noord-Afrikaanse en Aziatische moessons sterker waren. De mechanismes achter de versterking van de moessons verschillen per gebied. Het zuidelijk halfrond ontving minder zomer-instraling tijdens het Mid-Holoceen, met dientengevolge een zwakkere zomer-moesson in Zuid-Amerika. Onze EC-Earth resultaten bevestigen resultaten van geologische data alsmede vergelijkbare modelexperimenten.
Moessons spelen een belangrijke rol in het klimaat van de tropen. In de zomer, wanneer de zonnestraling het sterkst is, warmt land sneller op dan oceaan. De lucht boven land stijgt daardoor op en de luchtdruk boven land wordt lager dan boven de oceaan. Hierdoor waait de wind vanaf de oceaan naar het land. Deze moesson-wind voert waterdamp aan, wat condenseert en uitregent boven land. De warmte die vrijkomt bij condensatie is een bron van energie voor de moesson.
Door veranderingen in de baan van de aarde rondom de zon, de zogenaamde Milankovitch-cycli (Ruddiman 2007), varieert de hoeveelheid zonne-energie per seizoen en per breedtegraad. De aardbaan is enigszins elliptisch, waardoor de afstand tot de zon door het jaar heen niet constant is. Op dit moment staat de aarde in januari het dichtst bij de zon, dus tijdens de winter op het noordelijk halfrond. Dat betekent dat de zomer op het zuidelijk halfrond iets meer zonne-energie krijgt dan de zomer op het noordelijk halfrond. Tijdens het Mid-Holoceen, 6000 jaar geleden, stond de aarde het dichtst bij de zon tijdens de herfst. Hierdoor ontving de aarde meer zonne-energie tijdens de zomer op het noordelijk halfrond, en minder zonne-energie tijdens de zomer op het zuidelijk halfrond.
Uit geologische data, zoals pollen en plantfossielen en het waterpeil van meren, is gebleken dat tijdens het Mid-Holoceen de moessons op het noordelijk halfrond sterker waren, terwijl de moessons op het zuidelijk halfrond zwakker waren (zie o.a. Yu and Harrisson 1996, Jolly 1998, Yu 1998, Baker 2001, Marchant 2009). Simulaties met klimaatmodellen voor het Mid-Holoceen bevestigen dat deze veranderingen samenhangen met veranderingen in zonne-energie (een samenvatting van verschillende modelsimulaties is beschreven in Braconnot 2007, zie ook pmip3.lsce.ipsl.fr/). Er is echter nog veel spreiding in modelresultaten en ze komen niet volledig overeen met de informatie uit pollen en plantfossielen en het waterpeil van meren. Dit zou veroorzaakt kunnen worden door de lage resolutie en versimpelde fysica in klimaatmodellen. Het EC-Earth model heeft completere en geavanceerdere fysica en een hogere resolutie dan de meeste modellen (Braconnot 2007). Met EC-Earth hebben we een experiment gedaan met de baan van de aarde om de zon zoals die in het Mid-Holoceen was, en een controle-experiment met de huidige baan. We bekijken alleen de veranderingen in zonne-energie, andere randvoorwaarden zoals de concentratie van broeikasgassen blijven gelijk in beide experimenten.
EC-Earth laat zien dat de Noord-Afrikaanse moesson sterker was tijdens het Mid-Holoceen, zie Figuur 1a. Gemiddeld over het moessongebied van Noord-Afrika regende het tijdens de zomermaanden tot wel 7 millimeter per dag, tegenover 4 millimeter per dag in het controle-experiment. Door de sterkere zonne-instraling was de temperatuur boven land hoger, behalve in de moessongebieden, waar er door de sterkere moesson meer bewolking was. Dat zorgt ervoor dat minder zonne-energie het land bereikt. Boven de Sahara was het wel een stuk warmer door de toename in zonne-energie, en was de luchtdruk daardoor lager. Hierdoor werden de moessonwinden sterker en kwamen ze verder noordwaarts (Figuur 2a). Moessonregens reikten tot in de Sahel en de zuidelijke Sahara, zelfs tot aan het Atlas-gebergte in noordwest Afrika. Boven de tropische Atlantische Oceaan regende het minder en was er iets meer verdamping, dus de moesson-winden namen meer waterdamp mee landwaarts. Op het land was de verdamping ook iets hoger, wat ook voor een versterking van de moessonregens zorgde, maar dit effect speelde een kleinere rol dan de toename van vochttransport vanaf de Atlantische Oceaan.
Ook de Indische en de Oost-Aziatische moessons waren sterker tijdens het Mid-Holoceen, zie Figuur 1b. De toename van moessonregens in Azië komt vooral door de afname van convectie (stijgende lucht) en neerslag boven de Indische Oceaan en de Chinese Zee, waardoor meer vocht door de moessonwinden naar land werd vervoerd. Alleen in de kustgebieden zijn de moessonwinden sterker, zie Figuur 2b. Vooral net ten zuiden van de Himalaya, waar lucht opstijgt als het tegen de bergen komt, nam neerslag sterk toe. In EC-Earth zien we geen noordwaartse verschuiving in de moessonregens boven Azië zoals boven Noord-Afrika, omdat het Himalaya-gebergte een natuurlijke barrière vormt.
De Zuid-Amerikaanse moesson was zwakker tijdens het Mid-Holoceen, zie Figuur 1c. Er was minder zonne-energie in de zomermaanden, waardoor op het land de temperaturen iets lager waren en het luchtdrukverschil tussen land en oceaan kleiner was. Hierdoor waren de moessonwinden zwakker (Figuur 2c) en was er minder convectie boven land. Boven de oceaan viel er wel meer regen. Het patroon op het zuidelijk halfrond is dus het omgekeerde van het patroon op het noordelijk halfrond.
De resultaten van deze EC-Earth experimenten onderschrijven de resultaten van eerdere data- en modelstudies. De versterking en noordwaartse verschuiving van de Noord-Afrikaanse moesson is sterker dan in andere modellen, zie Figuur 3. Geologische data laat echter zien dat ook boven de Sahara meer neerslag viel tijdens het Mid-Holoceen. Dus ondanks dat EC-Earth dit beter weergeeft dan andere modellen, waarschijnlijk door de hogere resolutie en betere fysica, komen de modelresulaten nog niet helemaal overeen met geologische data. Een oorzaak hiervan kan zijn dat EC-Earth, net als veel andere modellen, geen veranderingen in vegetatie berekent. Als het model dit wel zou doen, dan zou er door de sterkere moesson-regen meer vegetatie in de Sahel en de Sahara groeien. Het albedo van het land (weerkaatsingsvermogen) zou dan lager zijn, waardoor het land nog sterker opwarmt bij hogere zonne-energie en de moesson dus nog meer versterkt zou zijn. Naar het precieze effect van vegetatie wordt echter nog veel onderzoek gedaan en wordt tot op heden nog niet meegenomen in EC-Earth. De toename van moesson-neerslag in Azië in EC-Earth is vergelijkbaar met andere modellen, maar we zien meer detail door de hogere resolutie. Voor de Zuid-Amerikaanse moesson zijn er weinig vergelijkbare modelstudies, maar de verzwakking van de moesson komt overeen met geologische data.
Bosmans, J.H.C., Drijfhout, S.S., Tuenter, E., Lourens, L.J., Hilgen, F.J. and S.L. Weber: Monsoonal response to mid-holocene orbital forcing in a high resolution GCM, Climate of the Past, 8, 723-740, 2012, doi:10.5194/cp-8-723-2012