De dynamiek van het weer en het klimaat begrijpen

Op 11 en 12 februari 2010 werd een internationale conferentie op het KMI georganiseerd ter gelegenheid van het pensioen van Professor C. Rouvas-Nicolis, hoofd van de afdeling ‘Dynamische meteorologie en klimatologie’. Het algemene thema van deze conferentie, gesponsord door het FWO1, Federaal Wetenschapsbeleid en het Koninklijk Meteorologisch Instituut, was: ‘Het paradigma van de complexiteit: de dynamiek van het weer en het klimaat begrijpen’.

De variabelen in de atmosfeer vertonen sterke schommelingen van onregelmatige aard bij zeer verschillende tijdsintervallen, gaande van een minuut tot een honderdtal jaren, en zelfs nog verder. Ze worden vaak gemodelleerd door regelmatigheden zoals de seizoensgebonden of dagelijkse veranderingen van de invloed van de zon. Ze kunnen ook veranderingen in hun regime ondergaan, wat zich uit in verschillende types van apart gedrag, zoals periodes van normale regenval onderbroken door periodes van droogte, of de cycli van de ijstijden van het eerste Quartair als we het over meerdere tijdperken bekijken. Dit brengt spontaan het probleem van de voorspellingen naar boven. In het licht van zijn talrijke implicaties op de economische, technologische en maatschappelijke plannen, speelt dit probleem een centrale rol in de wetenschap van de atmosfeer, het klimaat en het milieu in het algemeen.

De pionierswerken van de meteorologen Philip D. Thompson en Edward N. Lorenze in de jaren zestig toonden aan dat er onwrikbare grenzen zijn aan onze capaciteit om het weer te voorspellen. Deze grenzen worden geassocieerd met de gevoeligheid van de voorspellingsmodellen aan de onzekerheden die gepaard gaan met de bepaling van de initiële toestand van het systeem. Op figuur 1, die twee mogelijke evoluties van één variabele (bijvoorbeeld de temperatuur) toont, wordt deze eigenschap duidelijk. We zien immers dat twee licht verschillende initiële condities resulteren in twee zeer contrasterende situaties. Deze werken vormden een inspiratiebron voor theorieën en nieuwe fundamentele wetenschappelijke concepten over de complexiteit, de niet-lineaire fysica, de chaostheorie en de stochastische processen die, op hun beurt, in de dynamiek van de atmosfeer en het klimaat een natuurlijk toepassingsveld gevonden hebben.

 

figuur 1 : twee mogelijke evoluties van één variabele

De vergadering op het KMI in februari vormde de gelegenheid om de recente ontwikkelingen en de nieuwe richtingen te evalueren in de context van de succesvolle interactie tussen de wetenschap van de complexiteit en de wetenschap van de atmosfeer en het klimaat. Ongeveer vijftig specialisten namen deel, waaronder twintig eminente persoonlijkheden die een sleutelrol in deze kruisbestuiving vervulden. De aangesneden onderwerpen waren de grote thema’s die ons vandaag de dag bezighouden. Hoe gedraagt het klimaat zich, wat is haar variabiliteit, wat is de invloed van de oceaan, waar gaat het klimaat naartoe, in welke mate kunnen we het voorspellen en met welke frequentie doen er zich extreme weerfenomenen voor zoals stormen, tropische cyclonen of overstromingen. Het programma werd geopend door professor Michael Ghil (Ecole Normale Supérieure, Frankrijk, foto hieronder), die nieuwe benaderingen voor de modellering van het klimaat voorstelde.

 

Professor Michael Ghil stelde nieuwe benaderingen voor de modellering van het klimaat voor.

Het geheel van de onderdelen van het klimaat (de atmosfeer, de hydrosfeer, de cryosfeer, de biosfeer en de invloeden van buitenaf) mondt uit in een variabiliteit die veel verschillende periodes in tijd en ruimte omvat die, indien we de basis willen begrijpen, vernuftige technische analyses met zich meebrengt. Tijdens de vergadering stelden professors Daniel Schertzer (CEREVE, Frankrijk), Shaun Lovejoy (McGill University, Canada) en François Schmitt (USTL – LOG, Frankrijk) de recente ontwikkelingen van de ‘multifractale analyse’ techniek voor. Deze techniek laat toe de statistische eigenschappen van dit geheel te beschrijven doorheen een grote reeks tijdsladders.

We vermelden ook een zeer opmerkelijke analyse van professor Tsonis (Universiteit van Wisconsin – Milwaukee, Verenigde Staten) die het belang aantoont van de interne dynamiek van het klimaat wanneer er zich snelle en abrupte veranderingen voordoen die elk op hun beurt verrassende reacties opwekken in een systeem dat onderworpen is aan de invloed van de mens. Deze bruuske overgangen worden geassocieerd met de aanwezigheid van interne of externe invloeden, zoals de stralingseffecten van de zon. Het effect van deze schommelingen (waarvan de amplitude zwak kan zijn maar niettemin een belangrijke impact kan hebben, zoals de theorie van de stochastische resonantie aangeeft) werd ook tijdens de conferentie besproken door professors Roberto Benzi (‘Tor Vergata’, Italië), Michael Ghil (ENS, Frankrijk) en Klaus Fraedrich (Universiteit van Hamburg, Duitsland).

De rol van de oceaan is natuurlijk cruciaal in de evolutie van het klimaat zoals het effect van de Golfstroom aantoont, en één van de grootste problemen waarmee de wetenschappelijke gemeenschap vandaag de dag geconfronteerd wordt is de precieze modellering van de interactie van de oceaan met de atmosfeer. Dit aspect werd aangekaart door professor Leonid Ivanov (Naval Research Laboratory, Verenigde Staten) die de dynamiek van de fout in de modellering in dit kader heeft onderzocht. Professor Henk Dijkstra (Universiteit van Utrecht, Nederland) besprak op zijn beurt de nieuwe ontwikkelingen in het begrip van de dynamiek van de oceaan. Doorheen de analyse van een verzameling van modellen blijkt duidelijk dat de oceaan verschillende vormen kan aannemen waartussen het systeem kan schipperen en gedragingen induceren met mogelijk catastrofale gevolgen.

Zoals we hierboven reeds vermeldden, is de gevoeligheid aan de initiële condities een kerneigenschap van de atmosfeer (en het klimaat). Deze eigenschap werd geëxploiteerd aan het Europees Centrum voor Voorspellingen op Middellange Termijn om voorspellingen te genereren op basis van verschillende initiële condities om zo een probabilistische voorspelling tot stand te brengen. Deze aanpak en ook zijn toekomstige uitbreidingen passeerden de revue in de toespraak van professor Tim Palmer (ECMWF, Verenigd Koninkrijk).

Belangrijke theorieën zijn ook vandaag de dag in volle ontwikkeling. Zo is er onder andere de berekening van het gemiddelde om tot een systematische beschrijving van de klimaatvariabelen te komen, uitgaande van de basisvergelijkingen van de dynamica van het fluïdum en de theorie van extreme weersomstandigheden. Zulke theorieën werden tijdens de conferentie voorgesteld door respectievelijk professor Christopher Essex (Universiteit van West-Ontario, Canada) en professor Venkataraman Balakrishnan (Indisch Instituut voor Technologie, Indië). Deze nieuwe ontwikkelingen passeren een ganse reeks in-twijfel-trekkingen van klassieke theorieën gebaseerd op concepten en tools die ontwikkeld werden voor de analyse van systemen die een complexe dynamiek vertonen.

Dit succesvolle evenement vormde de gelegenheid om de stand van zaken op te maken van enkele belangrijke vorderingen over voornoemde aspecten, zoals de voorspelbaarheid van de atmosfeer en het klimaat, het voorkomen van extreme gebeurtenissen of nog de dynamiek en de klimaatsveranderingen. Ze vormde ook een mooie gelegenheid om onze waardering uit te drukken voor professor C. Rouvas-Nicolis (foto hieronder) voor haar doorslaggevende bijdragen tot de verschillende aspecten die de conferentie aankaartte, weergegeven in meer dan 150 publicaties in de beste internationale gespecialiseerde magazines, alsook in een monografie getiteld ‘Foundations of complex systems’. We wensen haar een succesvolle verderzetting van haar werk binnen ons Instituut.

 

De verslagen van deze vergadering zullen gepubliceerd worden in een speciaal volume van een internationaal gerenommeerd magazine binnen de gemeenschap van de niet-lineaire fysica en complexe systemen: ‘International Journal of Bifurcation and Chaos’.

 

Professor C. Rouvas-Nicolis