|
|
|
Klimatologie of klimaatwetenschap is de wetenschappelijke studie van het klimaat op aarde, doorgaans gedefinieerd als weersomstandigheden gemiddeld over een periode van ten minste 30 jaar. Klimaat heeft betrekking op de atmosferische toestand gedurende een langere tot onbepaalde tijd; Het weer is de toestand van de atmosfeer gedurende
een relatief korte periode. De belangrijkste onderzoeksonderwerpen zijn de studie van klimaatvariabiliteit, mechanismen van klimaatveranderingen en moderne klimaatverandering. Dit studieonderwerp wordt beschouwd als onderdeel van de atmosferische wetenschappen en een onderdeel van de fysische geografie, een van de aardwetenschappen. Klimatologie
omvat enkele aspecten van oceanografie en biogeochemie. |
| |
| De belangrijkste methoden die door klimatologen worden gebruikt, zijn de analyse van observaties en het modelleren van de fysieke processen die het klimaat bepalen. Weersvoorspellingen op de korte termijn kunnen worden geïnterpreteerd in termen van kennis van klimaatfenomenen op langere termijn, bijvoorbeeld klimaatcycli zoals de El Niño-Zuidelijke Oscillatie (ENSO), de Madden-Julian-oscillatie (MJO), de Noord-Atlantische oscillatie (NAO ), de Arctische oscillatie (AO), de Pacifische tienjarige oscillatie (PDO) en de Interdecadale Pacifische Oscillatie (IPO). |
|
|
 |
| |
| Klimaatmodellen worden voor verschillende doeleinden gebruikt, van het bestuderen van de dynamiek van het weer en het klimaatsysteem tot voorspellingen van het toekomstige klimaat. |
| |
| |
De Grieken begonnen met de formele studie van het klimaat. De meest invloedrijke klassieke tekst over het klimaat was On Airs, Water and Places, geschreven door Hippocrates rond 400 v.Chr. Dit werk gaf commentaar op het effect van het klimaat op de menselijke gezondheid en op de
culturele verschillen tussen Azië en Europa. Dit idee dat het klimaat bepaalt waar bevolkingsgroepen in uitblinken, afhankelijk van hun klimaat,
of klimaatdeterminisme, bleef door de geschiedenis heen invloedrijk. |
| |
De Chinese wetenschapper Shen Kuo (1031–1095) concludeerde dat het klimaat op natuurlijke wijze veranderde in de loop van een enorme tijdsspanne, na het observeren van versteende bamboe die ondergronds werd gevonden nabij Yanzhou (het huidige Yan'an, provincie Shaanxi),
een gebied met een droog klimaat dat op dat moment niet geschikt was voor de groei van bamboe. |
| |
De uitvinding van thermometers en barometers tijdens de Wetenschappelijke Revolutie maakte een systematische registratie mogelijk, die al in 1640-1642 in Engeland begon. Vroege klimaatonderzoekers zijn onder meer Edmund Halley, die in 1686 een kaart van de passaatwinden
publiceerde na een reis naar het zuidelijk halfrond. Benjamin Franklin (1706–1790) bracht voor het eerst de loop van de Golfstroom in kaart voor gebruik bij het verzenden van post van Noord-Amerika naar Europa. Francis Galton (1822–1911) vond de term anticycloon uit. Helmut Landsberg (1906–1985) bevorderde het gebruik van statistische analyse in de klimatologie. |
| |
| Tijdens het begin van de 20e eeuw legde de klimatologie vooral de nadruk op de beschrijving van regionale klimaten. Deze beschrijvende klimatologie was vooral een toegepaste wetenschap, die boeren en andere geïnteresseerden statistieken opleverde over hoe het normale weer was en hoe groot de kans was op extreme gebeurtenissen. Om dit te doen, moesten klimatologen een normaal klimaat definiëren, of een gemiddelde van weer en extreme weersomstandigheden over een periode van doorgaans 30 jaar. Hoewel wetenschappers op de hoogte waren van klimaatveranderingen uit het verleden, zoals de ijstijden, was het concept dat het klimaat slechts zeer geleidelijk verandert nuttig voor de beschrijvende klimatologie. Dit begon te veranderen in de decennia die volgden, en hoewel de geschiedenis van de klimaatveranderingswetenschap al eerder begon, werd klimaatverandering pas in de jaren zeventig en daarna een van de belangrijkste studieonderwerpen voor klimatologen. |
| |
| Subvelden |
| |
| Verschillende subonderwerpen van de klimatologie bestuderen verschillende aspecten van het klimaat. Er zijn verschillende categorisaties van de subonderwerpen van de klimatologie. De American Meteorological Society identificeert bijvoorbeeld beschrijvende klimatologie, wetenschappelijke klimatologie en toegepaste klimatologie als de drie subcategorieën van de klimatologie, een categorisering gebaseerd op de complexiteit en het doel van het onderzoek. Toegepaste klimatologen passen hun expertise toe op verschillende industrieën, zoals productie en landbouw. |
| |
Paleoklimatologie is de poging om klimaten uit het verleden te reconstrueren en te begrijpen door gegevens zoals ijskernen en boomringen te onderzoeken (dendroclimatologie). Paleotempestologie gebruikt dezelfde gegevens om de orkaanfrequentie over millennia te helpen bepalen. Historische klimatologie is de studie van het klimaat in relatie tot de menselijke geschiedenis en houdt zich dus voornamelijk bezig met de laatste
paar duizend jaar. |
| |
Grenslaagklimatologie heeft betrekking op de uitwisseling van water, energie en momentum nabij oppervlakken. Verder geïdentificeerde subonderwerpen zijn fysieke klimatologie, dynamische klimatologie, tornado-klimatologie, regionale klimatologie, bioklimatologie en synoptische klimatologie. De studie van de hydrologische cyclus over lange tijdschalen wordt soms hydroklimatologie genoemd, vooral bij het bestuderen van
de effecten van klimaatverandering op de watercyclus. |
| |
| Methoden |
| |
De studie van hedendaagse klimaten omvat meteorologische gegevens die gedurende vele jaren zijn verzameld, zoals gegevens over regenval, temperatuur en atmosferische samenstelling. Kennis van de atmosfeer en de dynamiek ervan wordt ook belichaamd in modellen, zowel statistisch
als wiskundig, die helpen door verschillende waarnemingen te integreren en te testen hoe goed ze bij elkaar passen. Modellering wordt gebruikt voor het begrijpen van vroegere, huidige en potentiële toekomstige klimaten. |
| |
Klimaatonderzoek wordt bemoeilijkt door de grootschalige, lange tijdsperioden en complexe processen die het klimaat beheersen. Het klimaat
wordt bepaald door fysische principes die kunnen worden uitgedrukt als differentiaalvergelijkingen. Deze vergelijkingen zijn gekoppeld en niet-lineair, zodat benaderende oplossingen worden verkregen door numerieke methoden te gebruiken om mondiale klimaatmodellen te creëren. Klimaat wordt soms gemodelleerd als een stochastisch proces, maar dit wordt algemeen aanvaard als een benadering van processen die anders te ingewikkeld zijn om te analyseren. |
| |
| Klimaatgegevens |
| Het verzamelen van een lange reeks klimaatvariabelen is essentieel voor de studie van het klimaat. Klimatologie houdt zich bezig met de verzamelde gegevens die meteorologen hebben vastgelegd. Wetenschappers maken gebruik van zowel directe als indirecte observaties van het klimaat, van aardobservatiesatellieten en wetenschappelijke instrumenten zoals een mondiaal netwerk van thermometers tot prehistorisch ijs dat uit gletsjers wordt gewonnen. Omdat de meettechnologie in de loop van de tijd verandert, kunnen gegevensrecords vaak niet rechtstreeks worden vergeleken. Omdat steden over het algemeen warmer zijn dan de omliggende gebieden, heeft de verstedelijking het noodzakelijk gemaakt om voortdurend gegevens te corrigeren voor dit stedelijke hitte-eilandeffect. |
| |
| Klimaatmodellen |
Klimaatmodellen gebruiken kwantitatieve methoden om de interacties van de atmosfeer, oceanen, landoppervlak en ijs te simuleren. Ze worden
voor verschillende doeleinden gebruikt, van onderzoek naar de dynamiek van het weer en het klimaatsysteem tot projecties van het toekomstige klimaat. Alle klimaatmodellen brengen de inkomende energie als kortegolf (inclusief zichtbare) elektromagnetische straling naar de aarde in evenwicht, of bijna in balans, met uitgaande energie als langegolf (infrarood) elektromagnetische straling van de aarde. Elke onbalans resulteert in een verandering van de gemiddelde temperatuur van de aarde. De meeste klimaatmodellen omvatten de stralingseffecten van broeikasgassen zoals koolstofdioxide. Deze modellen voorspellen een trend van stijging van de oppervlaktetemperaturen, evenals een snellere stijging van de temperatuur op hogere breedtegraden. |
| |
| Modellen kunnen variëren van relatief eenvoudig tot complex: |
| - Een eenvoudig model voor stralingswarmteoverdracht dat de aarde als één punt behandelt en de uitgaande energie gemiddeld. |
| - Dit kan verticaal worden uitgebreid (stralings-convectieve modellen), of horizontaal. |
- Gekoppelde mondiale klimaatmodellen van atmosfeer, oceaan en zee-ijs discretiseren en lossen de volledige vergelijkingen voor massa- en
energieoverdracht en stralingsuitwisseling op. |
| - Aardsysteemmodellen omvatten verder de biosfeer. |
| |
| Bovendien zijn ze verkrijgbaar met verschillende resoluties variërend van >100 km tot 1 km. Hoge resoluties in mondiale klimaatmodellen zijn rekenkundig zeer veeleisend en er bestaan slechts weinig mondiale datasets. Voorbeelden zijn ICON of mechanisch verkleinde gegevens zoals CHELSA (Climatologieën met hoge resolutie voor de landoppervlakken van de aarde) |
| |
| Onderwerpen van onderzoek |
| |
| Klimatologische processen |
| Verschillende factoren beïnvloeden de gemiddelde toestand van de atmosfeer op een bepaalde locatie. Op de middelste breedtegraden is er bijvoorbeeld sprake van een uitgesproken seizoenstemperatuurcyclus, terwijl in tropische gebieden gedurende een jaar weinig temperatuurschommelingen optreden. Een andere belangrijke klimaatvariabele is continentaliteit: de afstand tot grote waterlichamen zoals oceanen. Oceanen fungeren als een matigende factor, zodat het nabijgelegen land doorgaans minder temperatuurverschillen kent tussen de winter en de zomer dan gebieden die er verder vandaan liggen. De atmosfeer staat in wisselwerking met andere delen van het klimaatsysteem, waarbij de wind zeestromingen genereert die warmte over de hele wereld transporteren. |
| |
| Klimaat classificatie |
Classificatie is een belangrijke methode om ingewikkelde processen te vereenvoudigen. Er zijn door de eeuwen heen verschillende klimaat-classificaties ontwikkeld, waarvan de eerste in het oude Griekenland. Hoe klimaten worden geclassificeerd, hangt af van wat de toepassing is.
Een producent van windenergie zal bij een classificatie andere informatie (wind) nodig hebben dan iemand die meer geïnteresseerd is in de landbouw, voor wie neerslag en temperatuur belangrijker zijn. De meest gebruikte classificatie, de klimaatclassificatie van Köppen, werd eind negentiende eeuw ontwikkeld en is gebaseerd op vegetatie. Het maakt gebruik van maandelijkse gegevens over temperatuur en neerslag. |
| |
| Variabiliteit van het klimaat |
Er zijn verschillende soorten variabiliteit: terugkerende temperatuurpatronen of andere klimaatvariabelen. Ze worden gekwantificeerd met verschillende indices. Net zoals de Dow Jones Industrial Average, die is gebaseerd op de aandelenkoersen van dertig bedrijven, wordt gebruikt om
de schommelingen van de aandelenkoersen in het algemeen weer te geven, worden klimaatindices gebruikt om de essentiële elementen van het klimaat weer te geven. Klimaatindexen worden over het algemeen ontworpen met de dubbele doelstelling van eenvoud en volledigheid, en elke index vertegenwoordigt doorgaans de status en timing van de klimaatfactor die hij vertegenwoordigt. Door hun aard zijn indices eenvoudig en combineren ze veel details tot een algemene, algemene beschrijving van de atmosfeer of de oceaan, die kan worden gebruikt om de factoren te karakteriseren die het mondiale klimaatsysteem beïnvloeden. |
| |
El Niño-Zuidelijke Oscillatie (ENSO) is een gekoppeld oceaan-atmosfeer fenomeen in de Stille Oceaan dat verantwoordelijk is voor een groot deel
van de mondiale temperatuurvariabiliteit en heeft een cyclus van twee tot zeven jaar. De Noord-Atlantische oscillatie is een vorm van variabiliteit die voornamelijk voorkomt in de lagere atmosfeer, de troposfeer. De atmosfeerlaag erboven, de stratosfeer, is ook in staat zijn eigen variabiliteit te creëren, vooral de Madden-Julian-oscillatie (MJO), die een cyclus heeft van ongeveer 30 tot 60 dagen. De Interdecadale Stille Oceaan-oscillatie kan veranderingen in de Stille Oceaan en de lagere atmosfeer op tienjarige tijdschalen veroorzaken |
| |
| Klimaatverandering |
| Klimaatverandering vindt plaats wanneer veranderingen in het klimaatsysteem van de aarde resulteren in nieuwe weerpatronen die gedurende een langere periode blijven bestaan. Deze tijdsduur kan variëren van enkele decennia tot wel miljoenen jaren. Het klimaatsysteem ontvangt bijna al zijn energie van de zon. Het klimaatsysteem geeft ook energie af aan de ruimte. Het evenwicht tussen inkomende en uitgaande energie, en de doorgang van de energie door het klimaatsysteem, bepaalt het energiebudget van de aarde. Wanneer de inkomende energie groter is dan de uitgaande energie, is het energiebudget van de aarde positief en warmt het klimaatsysteem op. Als er meer energie uitgaat, is het energiebudget negatief en ervaart de aarde afkoeling. Klimaatverandering heeft ook invloed op het gemiddelde zeeniveau |
| |
| De moderne klimaatverandering wordt grotendeels veroorzaakt door de menselijke uitstoot van broeikasgassen door de verbranding van fossiele brandstoffen, waardoor de gemiddelde oppervlaktetemperatuur op aarde stijgt. De stijgende temperatuur is slechts één aspect van de moderne klimaatverandering, waartoe ook de waargenomen veranderingen in neerslag, stormbanen en bewolking behoren. De warmere temperaturen veroorzaken verdere veranderingen in het klimaatsysteem, zoals het wijdverbreide smelten van gletsjers, de stijging van de zeespiegel en verschuivingen in de flora en fauna. |
| |
| Verschillen met meteorologie |
| |
| In tegenstelling tot de meteorologie, die de nadruk legt op kortetermijnweersystemen die niet langer dan een paar weken duren, bestudeert de klimatologie de frequentie en trends van die systemen. Het bestudeert de periodiciteit van weersgebeurtenissen over jaren tot millennia, evenals veranderingen van gemiddelde weerpatronen op lange termijn in relatie tot atmosferische omstandigheden. Klimatologen bestuderen zowel de aard van het klimaat – lokaal, regionaal of mondiaal – als de natuurlijke of door de mens veroorzaakte factoren die ervoor zorgen dat het klimaat verandert. Klimatologie houdt rekening met het verleden en kan de toekomstige klimaatverandering helpen voorspellen. |
| |
| Fenomenen van klimatologisch belang zijn onder meer de atmosferische grenslaag, circulatiepatronen, warmteoverdracht (stralings-, convectief en latent), interacties tussen de atmosfeer en de oceanen en het landoppervlak (met name vegetatie, landgebruik en topografie), en de chemische en fysische samenstelling van de atmosfeer. |
| |
| Weersvoorspellingen |
| |
De analoge techniek, een relatief moeilijke voorspellingsmethode, vereist het onthouden van een eerdere weersgebeurtenis waarvan wordt
verwacht dat deze zal worden nagebootst door een komende gebeurtenis. Wat het een moeilijke techniek maakt, is dat er zelden een perfecte analoog bestaat voor een gebeurtenis in de toekomst. Sommigen noemen dit soort voorspellingen patroonherkenning, wat een nuttige methode
blijft voor het schatten van regenval over gegevensleemten zoals oceanen, met behulp van kennis over hoe satellietbeelden zich verhouden tot neerslagsnelheden boven land, en het voorspellen van neerslaghoeveelheden en verdeling van de toekomst. Een variatie op dit thema, gebruikt voor voorspellingen op middellange afstand, staat bekend als televerbindingen, wanneer systemen op andere locaties worden gebruikt om de locatie van een systeem binnen het omringende regime te helpen bepalen. Eén methode om televerbindingen te gebruiken is het gebruik van klimaatindices,
zoals ENSO-gerelateerde verschijnselen. |
| |
|
|
|
|
|
|
