Dit jaar werden in een groot deel van Europa records met hoge temperaturen verbroken, omdat de gewassen op de velden verdorden als gevolg van wijdverbreide droogte. Is dit een voorbode van wat komen gaat als het klimaat op aarde gestaag opwarmt?

Elfatih Eltahir, MIT-hoogleraar civiele techniek en milieutechniek en H.M. King Bhumibol hoogleraar Hydrologie en Klimaat, en voormalig doctoraalstudent Alexandre Tuel Ph.D. '20 publiceerde onlangs een stuk in het Bulletin of the Atomic Scientists beschrijven hoe hun onderzoek dit afwijkende Europese weer helpt verklaren. De bevindingen zijn gedeeltelijk gebaseerd op analyses die zijn beschreven in hun boek "Future Climate of the Mediterranean and Europe", dat eerder dit jaar werd gepubliceerd. MIT News vroeg de twee auteurs om de dynamiek achter deze extreme weersomstandigheden te beschrijven.

V:Was de Europese hittegolf deze zomer voorzien op basis van bestaande klimaatmodellen?

Eltahir:Klimaatmodellen projecteren steeds drogere zomers boven Europa. Dit geldt met name voor de tweede helft van de 21e eeuw en voor Zuid-Europa. Extreme droogte wordt vaak geassocieerd met hete omstandigheden en hittegolven, aangezien elke vermindering van verdamping de grond en de lucht erboven verwarmt. Over het algemeen zijn modellen het eens over het maken van dergelijke projecties over Europese zomers. Het begrijpen van de fysieke mechanismen die verantwoordelijk zijn voor deze projecties is echter een actief onderzoeksgebied.

Dezelfde modellen die droge zomers over Zuid-Europa projecteren, projecteren ook droge winters over de aangrenzende Middellandse Zee. In feite onderscheidt de Middellandse Zee zich als een van de meest zwaar getroffen regio's - een letterlijke "hot spot" - voor winterdroogte veroorzaakt door klimaatverandering. Nogmaals, tot voor kort werd het verband tussen de projecties van zomerdroogte boven Europa en droge winters boven de Middellandse Zee niet begrepen.

In recent MIT-doctoraatsonderzoek, uitgevoerd in de afdeling Civiele en Milieutechniek, is een hypothese ontwikkeld om te verklaren waarom de Middellandse Zee opvalt als een hotspot voor winterdroogte onder klimaatverandering. Verder biedt dezelfde theorie een mechanisch begrip dat de projecties van droge zomers boven Zuid-Europa en droge winters boven de Middellandse Zee verbindt.

Wat opwindend is aan het waargenomen klimaat in Europa afgelopen zomer, is het feit dat de waargenomen droogte begon en zich ontwikkelde met ruimtelijke en temporele patronen die consistent zijn met onze voorgestelde theorie, en in het bijzonder het verband met de droge omstandigheden waargenomen boven de Middellandse Zee tijdens de vorige winter.

V:Hoe zit het met het gebied rond het Middellandse-Zeegebied dat zulke ongewone weersextremen veroorzaakt?

Eltahir:Meerdere factoren komen samen om extreme hittegolven te veroorzaken, zoals die Europa deze zomer heeft meegemaakt, maar ook eerder, in 2003, 2015, 2018, 2019 en 2020. Daaronder echter wederzijdse invloeden tussen atmosferische dynamiek en oppervlaktecondities, bekend als landatmosfeerfeedbacks, lijken een zeer belangrijke rol te spelen.

In het huidige klimaat bevindt Zuid-Europa zich in de overgangszone tussen de droge subtropen (de Sahara in Noord-Afrika) en de relatief natte middenbreedtegraden (met een klimaat vergelijkbaar met dat van de Pacific Northwest). Hoge zomertemperaturen hebben de neiging om de neerslag die op de grond valt snel te laten verdampen, en als gevolg daarvan is het bodemvocht in de zomer erg afhankelijk van de neerslag in het voorjaar.

Een droge lente in Europa (zoals die van 2022) zorgt in het late voorjaar en de vroege zomer voor droge bodems. Dit gebrek aan oppervlaktewater beperkt op zijn beurt de verdamping van het oppervlak in de zomer. Er volgen twee belangrijke gevolgen:ten eerste gaat de binnenkomende stralingsenergie van de zon bij voorkeur naar de stijgende luchttemperatuur in plaats van naar het verdampen van water; en ten tweede neemt de instroom van water in luchtlagen nabij het oppervlak af, waardoor de lucht droger en neerslag minder waarschijnlijk wordt. Gecombineerd vergroten deze twee invloeden de kans op hittegolven en droogte.

Tuel:Door terugkoppelingen van de landatmosfeer bieden droge bronnen een gunstige omgeving voor aanhoudende warme en droge zomers, maar ze zijn natuurlijk niet voldoende om direct hittegolven te veroorzaken. Er is een vonk nodig om de brandstof te ontsteken. In Europa en elders wordt deze vonk geleverd door grootschalige atmosferische dynamiek. Als een anticycloon zich boven een gebied met zeer droge grond bevindt, kan de oppervlaktetemperatuur snel omhoog schieten als de land-atmosfeer terugkoppelingen in het spel komen, en zich ontwikkelen tot een hittegolf die weken kan aanhouden.

De gevoeligheid voor neerslag in de lente maakt Zuid-Europa en de Middellandse Zee bijzonder gevoelig voor aanhoudende zomerhittegolven. Dit zal in de toekomst een steeds belangrijkere rol gaan spelen, aangezien de neerslag in het voorjaar naar verwachting zal afnemen, waardoor hete zomers in deze uithoek van de wereld nog waarschijnlijker zullen worden. De daling van de neerslag in de lente, die zijn oorsprong vindt in een abnormaal droge winter rond de Middellandse Zee, is zeer robuust over de klimaatprojecties heen. Zuid-Europa en de Middellandse Zee onderscheiden zich echt van de meeste andere landgebieden, waar de neerslag gemiddeld zal toenemen met de opwarming van de aarde.

In ons werk hebben we aangetoond dat deze achteruitgang in de mediterrane winter werd veroorzaakt door twee onafhankelijke factoren:enerzijds trends in de grootschalige circulatie, met name stationaire atmosferische golven, en anderzijds verminderde opwarming van de Middellandse Zee ten opzichte van de omringende continenten - een bekend kenmerk van de opwarming van de aarde. Beide factoren leiden tot een verhoogde luchtdruk aan het oppervlak en minder neerslag boven de Middellandse Zee en Zuid-Europa.

V:Wat kunnen we de komende decennia verwachten wat betreft de frequentie en ernst van dit soort droogtes, overstromingen en andere extremen in Europees weer?

Tuel:Klimaatmodellen hebben al lang aangetoond dat de frequentie en intensiteit van hittegolven ongetwijfeld zouden toenemen naarmate het klimaat op aarde opwarmt, en Europa is daarop geen uitzondering. De reden is simpel:naarmate de mondiale temperatuur stijgt, verschuift de temperatuurverdeling naar hogere waarden en worden hittegolven intenser en frequenter. Vooral Zuid-Europa en de Middellandse Zee worden echter hard getroffen. De reden hiervoor is gerelateerd aan de land-atmosfeer feedback die we zojuist hebben besproken. De winterneerslag boven de Middellandse Zee en de voorjaarsneerslag boven Zuid-Europa zal aanzienlijk afnemen, wat zal leiden tot een afname van het bodemvocht in de vroege zomer boven Zuid-Europa en de gemiddelde zomertemperatuur nog hoger zal doen stijgen; de regio wordt een echte hotspot voor klimaatverandering.

In die zin kan 2022 echt een voorproefje van de toekomst zijn. De opeenvolging van recente hittegolven in Europa suggereert echter dat de zaken misschien sneller gaan dan de projecties van klimaatmodellen suggereren. Decadale variabiliteit of slecht begrepen trends in grootschalige atmosferische dynamiek kunnen hier een rol spelen, hoewel daar nog over wordt gedebatteerd. Een andere mogelijkheid is dat klimaatmodellen de neiging hebben om de omvang van land-atmosfeer terugkoppelingen te onderschatten en de invloed van droge bodemvochtafwijkingen op zomerweer te bagatelliseren.

Potentiële trends in overstromingen zijn moeilijker in te schatten omdat overstromingen het gevolg zijn van een groot aantal factoren, zoals extreme neerslag, bodemvocht of bodembedekking. Over het algemeen wordt verwacht dat extreme neerslag in de meeste regio's zal toenemen, maar er blijven zeer grote onzekerheden, met name omdat extreme neerslag sterk afhankelijk is van atmosferische dynamiek waarover modellen het niet altijd eens zijn.

Wat vrijwel zeker is, is dat met opwarming het watergehalte van de atmosfeer toeneemt (volgens een wet van de thermodynamica die bekend staat als de Clausius-Clapeyron-relatie). Dus als de dynamiek gunstig is voor neerslag, kan er veel meer vallen in een warmer klimaat. De overstromingen van vorig jaar in Duitsland werden bijvoorbeeld veroorzaakt door ongekende hevige regenval die klimaatverandering waarschijnlijker maakte.