Wolken waren altijd de minst begrepen schakel in het weersysteem, maar dat verandert snel. Wolken uit de computer stemmen steeds beter overeen met die in de lucht. Dat belooft weersverwachtingen op straatniveau en nauwkeuriger klimaatscenario’s.
‘De snuffelpaal’ noemen ze hem in het dorp. En inderdaad is de 213 meter hoge mast bij het Utrechtse Cabauw, tussen Lopik en Schoonhoven, ooit gebruikt voor meting van luchtvervuiling. Ook na veertig jaar blijft de toren een vreemde verschijning in het platte landschap: 47 gestapelde stalen cilinders van 5 meter hoog en 2 meter breed met tuikabels op 50, 100, 170 en 210 meter hoogte vastgezet aan ankers op de grond. Die mast heeft Cabauw op de meteorologische wereldkaart gezet als een van de topplekken voor atmosferisch onderzoek: bestudering van het complexe systeem van wolken, stofdeeltjes, straling, neerslag en turbulentie in samenhang met het aardoppervlak.
Lees als pdf via: deltalr-8; deltalr-9; deltalr-10; deltalr-11
De TU raakte halverwege de jaren ’90 bij het atmosferisch onderzoek betrokken, samen met ondermeer KNMI, TNO, RIVM, IMAU en TU/e. Professor Herman Russchenberg (geoscience and remote sensing, CiTG) herinnert zich hoe aanvankelijk alle apparatuur naar Delft werd gebracht om gebruik te kunnen maken van de radar op het EWI-gebouw. “Die campagne was het startschot voor CESAR (Cabauw Experimental Site for Atmospheric Research, red.) omdat we hadden gemerkt hoe waardevol het is om langdurig alle instrumenten bij elkaar te zetten. Dat geeft extra informatie.” Vanwege de meer inlandse ligging was Cabauw een betere onderzoekslocatie dan Delft.
De TU bedrijft twee radarsystemen op Cabauw: een mobiel systeem op een trailer dat geschikt is om regenwolken door te lichten (TARA) en een rondom scannende radar met een hogere werkfrequentie (10 gigahertz) die ook mist en motregen registreert (de drizzle radar of IDRA).
Op het symposium op 26 oktober ter gelegenheid van 40 jaar Cabauw zei Russchenberg dat het doorgronden van de watercyclus (verdamping, wolken, neerslag) de belangrijkste vraag is voor de komende tijd. “Hoe gaat dat nu en hoe verandert dat onder invloed van meer CO2. Dat is de centrale vraag.”
“In feite hebben we de handdoek in de ring gegooid”, zegt professor Harmen Jonker (geoscience and remote sensing) over het wolkenprogramma LES. Het programma Large Eddy Simulation is een detailsimulatie voor wolkenvorming. “Met LES zeiden de onderzoekers: met slimme modelletjes wolkenvorming voorspellen werkt niet. Je moet het gewoon keihard uitrekenen met vergelijkingen uit de vloeistofmechanica.” Een van de grondleggers van het programma in 1992 was de huidige deeltijd hoogleraar prof.dr. Pier Siebesma die ook bij het KNMI werkt.
Het programma berekent wolken in een doos van 10 bij 10 kilometer en een paar kilometer hoog. De ruimtelijke resolutie is 10 tot 20 meter en de kleinste tijdseenheid is de seconde. Dat gaat goed, maar de ontwikkeling van miljoenen cellen berekenen vergt veel rekenkracht.
In de afgelopen twee jaar is de techniek toegankelijker geworden door de kracht van grafische kaarten in te zetten voor het rekenwerk. Eén grafische kaart (ontwikkeld voor spelcomputers en te koop voor 200 dollar) blijkt net zo snel te kunnen rekenen als 64 processors van een supercomputer. Ir. Frits Post (computer graphics, EWI) en promovendus Eric Griffith hebben de Fortran code omgezet naar CUDA, een taal die GPU’s (graphic processing units) aanstuurt. Promovendus ir. Jerôme Schalkwijk ontwikkelde met hen een aangepaste versie van het wolkenprogramma: GALES (GPU-resident Atmospheric Large Eddy Simulation).
Dat programma berekent nu al een jaar de bewolking rondom Cabauw op basis van verdeling van temperatuur en vochtigheid, terwijl speciale camera’s het wolkendek continu vastleggen. En zo ontstaan filmpjes met links de echte wolkenlucht en rechts die uit de computer. Jonker: “Het resultaat is verrassend goed. Ja, soms zitten we er naast en komt de bewolking later dan in werkelijkheid. Maar afgezien daarvan komt er echt ‘weer’ in het programma. Je begint op de monitor dezelfde herrie te zien als buiten.”
–> Jerôme Schalkwijk, Eric Griffith, Frits Post and Harm Jonker: High-Performance Simulations of Turbulent Clouds on a Desktop PC, Bulletin of the American Meteorological Society (BAMS), March 2012.
In de begintijd was het onderzoek op Cabauw gericht op de uitwisseling van vocht en warmte tussen lucht en bodem. De data die daarover in de jaren ’70 en ’80 verzameld zijn, zijn nu verwerkt in weer- en klimaatmodellen. Toen is de aandacht verlegd naar de wolken als het slechtst begrepen onderdeel van weer en klimaat. Pier Siebesma vat die ontwikkelingen samen: “Al bij de eerste generatie klimaatmodellen in de jaren zeventig, realiseerden wetenschappers zich dat wolken de grootste onzekere factor in klimaatmodellen zijn. Hierdoor gaven verschillende klimaatmodellen bij een zelfde toename van atmosferische CO2 heel verschillende voorspellingen voor de opwarming van de wereld; uiteenlopend van plus 2 tot plus 6 graden. Het was toen niet bekend welke type wolken voor die onzekerheid zorgden. Inmiddels weten we dat het de laaghangende stratocumulus wolken zijn. Het ene model verwacht een toename daarvan, een ander juist een afname. De komende vijf jaar willen we uitzoeken welke processen in de wolken verantwoordelijk zijn voor de verschillen tussen diverse klimaatmodellen.”
Pier Siebesma zit naar eigen zeggen ‘overal tussen in’. Op het KNMI is hij klimaatonderzoeker, en bij de TU probeert hij samen met dr. Stephan de Roode de uitkomsten van het LES wolkensimulatiesprogramma te vertalen naar grotere schaal, want waar LES werkt met een roostereenheid van hooguit 50 meter, is de resolutie van weer- en klimaatmodellen 50 tot 100 kilometer.
Op basis van het wolkensimulatieprogramma dat met gemiddelde temperatuur en vochtigheid rekent, proberen de onderzoekers voor het grootschalige model aan te geven hoe groot de bedekkinggraad met wolken is, hoeveel straling dat tegenhoudt en hoeveel regen eruit valt. Dat moet de onderlinge verschillen tussen klimaatmodellen verminderen, en de onzekerheid in de klimaatvoorspellingen verkleinen. Bij het komende IPCC rapport zijn de onzekerheden nog net zo groot als vijf jaar geleden, weet Siebesma. Maar over nog eens vijf jaar verwacht hij daar een belangrijke verbetering in.
De wolkensimulaties rond Cabauw mogen succesvol zijn – het was natuurlijk wel een klein gebiedje. Maar doordat rekenkracht in de GPU’s zo goedkoop geworden is, kwamen Jonker en collega’s op het idee om 256 grafische processors tegelijk in te zetten om GALES in een gebied van 400 bij 400 kilometer te draaien. Het resultaat is adembenemend. Op een mooie lentedag dag zie je in de loop van de ochtend boven land een strook van ragfijne wolkjes ontstaan. Het IJsselmeer is nog grotendeels onbewolkt.
In vergelijking met het werkelijke weer zijn patronen en de beweging van de wolken vrijwel identiek, maar vaak niet op precies dezelfde plaats. Dat kan beter, denkt Jonker, door informatie uit een wolkenradar als startpunt te nemen voor de berekeningen van GALES. Dat zou een unieke voorspellingstechniek opleveren.
Russchenberg denkt zo’n systeem in Rotterdam. Daar komt volgend voorjaar een regenradar op het gebouw van Nationale Nederlanden. De bedoeling is om daarmee neerslagverwachtingen te maken tot op straatniveau om de overlast voor de stad te beperken. Russchenberg: “Als je weet wat er aankomt, kun je maatregelen nemen. Nu kosten ondergelopen straten en inzet van politie en brandweer een paar miljoen per jaar. Als je dat met de helft terug kunt brengen is zo’n systeem er snel uit.”
Om zulke fijnschalige weersverwachtingen Europawijd mogelijk te maken zijn er honderden geautomatiseerde radarstations nodig met een regenradar, een lidar (meet de wolkhoogte) en een radiometer (meet de straling en daarmee de temperatuur van de wolken). Dat mag sciencefiction lijken, maar een Duitse firma werkt al aan een goedkope radar voor massaproductie. “Dat wordt een heel netwerk van mini-Cabauwtjes over heel Europa”, verwacht Russchenberg.
à filmpjes wolkenformatie op: www.ablresearch.org
