Gemodelleerde uitbreiding van de Hadley cel boven Zuid-Amerika

Gemodelleerde uitbreiding van de Hadley cel boven Zuid-Amerika

Bachelor thesis van: Daniel Treep 6183654 [email protected] Begeleider: Dr. ir. John van Boxel

1

Samenvatting In deze bachelorthesis is onderzocht hoe de Hadley cel zich op beide halfronden zal uitbreiden boven Zuid-Amerika in de 21e eeuw als het klimaat verandert als gevolg van CO2 uitstoot. De uitbreiding voor juni, juli en augustus, en voor december, januari en februari is berekend aan de hand van de resultaten van 3 klimaatmodellen bijdragend aan het Fourth Assessment Report van het IPCC. De grens van de Hadley cel is gedefinieerd als de overgang van de tropische easterlies naar de westerlies en is bepaald aan de hand van de oppervlaktewind. Hiervan was gegridde data beschikbaar. Om de temperatuurgradiënt te onderzoeken is er ook gegridde data van de temperatuur gebruikt. De positie van de Hadley cel in de verschillende seizoenen blijkt voor de modellen zeer te variëren. Desondanks is de trend overal ongeveer gelijk. Er lijkt voor beide halfronden in beide seizoenen een uitbreiding van ~1 breedtegraad te zijn. De trendlijnen op het ZH lijken meer significant te zijn dan op het NH. De Hadley cel zal in totaal ~2 breedtegraden breder worden volgens de 3 gebruikte modellen. Dit is relatief laag vergeleken met data gevonden over de afgelopen 30 jaar. Vandaar dat er in dit onderzoek wordt gesteld dat de uitbreiding van de Hadley cel mogelijk sterker zal zijn dan uit de modellen blijkt. De temperatuurgradiënt lijkt volgens dit onderzoek weinig invloed te hebben op de uitbreiding van de Hadley cel. Uitbreiding van de Hadley cel zorgt voor een uitbreiding van subtropische droge zones. In Zuid-Amerika zou de grote biodiversiteit aangetast kunnen worden door deze uitbreiding. Uitdroging en mogelijke bosbranden zijn de grootste bedreigingen voor dit gebied die veroorzaakt worden door de uitbreiding van de Hadley cel.

2

Inhoud Samenvatting .............................................................................................................................. 2 Inleiding ..................................................................................................................................... 4 Methode ...................................................................................................................................... 5 Data ............................................................................................................................................ 7 Resultaten ................................................................................................................................... 8 Discussie................................................................................................................................... 12 Conclusie .................................................................................................................................. 15 Dankwoord ............................................................................................................................... 15 Evaluatie ................................................................................................................................... 15 Literatuurlijst ............................................................................................................................ 16 Bijlage 1: .................................................................................................................................. 18 Bijlage 2: .................................................................................................................................. 19 Bijlage 3: .................................................................................................................................. 20 Bijlage 4: .................................................................................................................................. 23

3

Inleiding De rapporten van het IPCC hebben veel aandacht veroorzaakt voor toekomstige veranderingen in temperatuur en neerslag(IPCC, 2007). Luchtcirculaties zijn echter bepalend voor de neerslagverdeling over aarde. Het is daarom belangrijk dat er onderzoek gedaan wordt naar veranderingen in luchtcirculaties. In dit onderzoek wordt er gekeken naar de verandering van de positie van de Hadley cel boven Zuid-Amerika. De Amazone is één van de meest diverse ecosystemen ter wereld en is erg belangrijk door de opslag van CO2. Veranderingen in de Hadley cel kunnen droge seizoenen in bepaalde gebieden verlengen door veranderingen in de neerslagverdeling. Hierbij kan een groot deel van de vegetatie verloren gaan. De biodiversiteit kan dus worden aangetast door uitdroging en mogelijke bosbranden (Li et al., 2008; Malhi et al., 2008). Van 1970-1999 is het aantal droogtes in de Amazone al toegenomen (Li et al., 2008). Lu et al. (2007) hebben al aangetoond dat de voorspelde uitbreiding van subtropische droge zones voor 85% en 72% kan worden verklaard, voor respectievelijk het zuidelijk en het noordelijk halfrond, door een lineaire relatie met het uitbreiden van de Hadley cel. Op ieder halfrond zijn 3 luchtcirculatiecellen. Ter hoogte van de intertropische convergentie zone (ITCZ) ontvangt de aarde meer straling per vierkante meter dan bij de polen. Het verschil in uitstraling tussen de polen en de tropische gebieden is echter veel kleiner. Hierdoor ontstaat een temperatuurverschil. De ITCZ verschuift door het jaar heen (figuur 1) door de scheefstaande aardas. Ter hoogte van de ITCZ stijgt lucht op door de relatief hoge temperatuur. Tijdens het opstijgen vind adiabatische afkoeling plaats. Dit zorgt voor grote hoeveelheden regen. De afgekoelde lucht divergeert dicht bij de tropopauze richting de polen. De aanwezigheid van de Corioliskracht zorgt ervoor dat de Hadley cel zich beperkt tot ~30 graden noorderbreedte (NB) en zuiderbreedte (ZB) (Holton, 2004). De subsidentie die plaatsvindt rond 30 graden NB en ZB zorgt ervoor dat het in deze gebieden erg droog is. De dalende lucht divergeert dichterbij het oppervlak weer in noordelijke en zuidelijke richting. Poolwaartse wind wordt door de Coriolis kracht afgebogen naar het oosten. Wind stromend richting evenaar buigt af naar het westen. Hierdoor bevindt zich rond 30 graden NB en ZB een overgang van de zogenaamde tropische easterlies naar westerlies. Een ander gevolg van deze afbuiging is dat er dicht bij de tropopauze bij de grens van de Hadley cel een westelijke straalstroom ontstaat (Holton, 2004). De opwarming van de aarde als gevolg van de uitstoot van broeikasgassen lijkt onvermijdelijk (Harvey, 2000). Deze opwarming brengt vele veranderingen met zich mee die schadelijk kunnen zijn voor ecosystemen. Ook luchtcirculaties lijken te veranderen als gevolg van CO2 uitstoot. Fu et al. (2006) vonden bijvoorbeeld dat de temperatuur van de troposfeer van 19792005 is toegenomen en de temperatuur van de stratosfeer afgenomen. Dit duidt op een verplaatsing van de westelijke straalstroom en dus op een verplaatsing van de Hadley cel richting de polen. Hu en Fu (2007) hebben aan de hand van re-analysis datasets en langgolvige straling datasets al aangetoond dat de Hadley cel zich van 1979-2005 richting de polen heeft uitgebreid met 2 tot 4,5 breedtegraad.

4

Lu et al. (2007) hebben, uitgaande van het A2-scenario van het IPCC, aan de hand van resultaten van 14-15 modellen geprobeerd de globale uitbreiding van de Hadley cel voor de komende eeuw te kwantificeren. Hierbij hebben ze jaarlijkse gemiddelden genomen, en uiteindelijk de eerste en de laatste 20 jaar van de 21e eeuw met elkaar vergeleken. Zij vonden een verschuiving van ~1 breedtegraad op beide halfronden.

Figuur 1: Intertropische Convergentie Zone in Januari en Juli. Met de zwart rechthoek staat het gebied afgebakend waarover de berekeningen zijn uitgevoerd. Figuur overgenomen van: Vereniging voor Weerkunde en Klimatologie (2012)

Doel van dit onderzoek is het bepalen van de uitbreiding van de Hadley cel boven ZuidAmerika voor de komende eeuw. De Hadley cel verschuift mee met het verschuiven van de intertropische convergentie zone (ITCZ) en is dus bepalend voor de neerslagverdeling in Zuid-Amerika door het jaar heen. Volgens Holton (2004) is de Hadley cel veel sterker op het winterhalfrond. Vandaar dat het ook van belang is om inzicht te krijgen hoe de Hadley cel zich uitbreidt per seizoen. De onderzoeksvraag is: Hoe ver zal de Hadley cel zich in zomer en winter uitbreiden boven Zuid-Amerika in de 21e eeuw? De onderzoeksvraag zal beantwoord worden door aan de hand van klimaatmodelresultaten de positie van de Hadley cel voor juni, juli en augustus (JJA) en voor december, januari en februari (DJF) te bepalen. Aan de hand van de gevonden resultaten en de verschuivingen van de Hadley cel in het verleden zal een voorspelling gedaan worden voor het verschuiven van de Hadley cel in de 21e eeuw. De verwachting is dat de Hadley cel zich zal uitbreiden zoals dat van 1979-2005 is gegaan. Dit betekent dat de uitbreiding voornamelijk plaatsvindt op het halfrond waar het op dat moment zomer is (Hu & Fu, 2007).

Methode De grens van de Hadley cel zal in dit onderzoek worden vastgesteld als de overgang van de tropische easterlies naar de westerlies in de oppervlaktewind. Lu et al. (2007) gebruiken in hun onderzoek naar de uitbreiding van de Hadley cel de zogenaamde “zonal-mean mass flux function”. Zij testten echter ook een bepaling van de grens van de Hadley cel door te bepalen waar de overgang van de westerlies naar de tropische easterlies is in de zonale oppervlaktewind. Dit deed niets af aan hun conclusies en lijkt daarom een bruikbare definitie 5

van de grens van de Hadley cel. Deze definitie werd daarom ook in dit onderzoek gebruikt. Er is een gegridde dataset gedownload (deze wordt verderop in de sectie Data toegelicht) die de zonale oppervlaktewind (“eastward_wind”/ uas) gaf per gridcel. De grens van de Hadley cel is gevonden door op zoek te gaan naar de breedtegraad waar deze variabele gelijk is aan 0. De verschillende berekeningen die hiervoor nodig waren zijn uitgevoerd met het softwareprogramma MATLAB (bijlage 3). Er zijn eveneens data gedownload wat betreft de hoogte van het oppervlak. Door verschillende delen van deze data te visualiseren was het mogelijk om de locatie van ZuidAmerika in de dataset te vinden. Iedere cel bevatte ook informatie over de geografische coördinaten voor zijn locatie. Zuid-Amerika valt in dit onderzoek als het stuk tussen ~91 graden westerlengte en ~24 graden westerlengte. Omdat de modellen een verschillende resolutie hadden was het nodig om de waardes voor Zuid-Amerika om te rekenen voor de andere modellen. Op deze manier kon hetzelfde gebied voor de andere modellen werd gebruikt. De data stond zo in MATLAB dat iedere kolom een breedtegraad voorstelde. Om voor JJA en DJF per maand de gemiddelde zonale oppervlaktewind te vinden moest er dus gemiddeld worden per kolom in de data. Deze waarden zijn vervolgens gemiddeld over de 3 betreffende maanden. Voor iedere kolom is ook de exacte breedtegraad bepaald. De gemiddelden die voor de 3 maanden gevonden werden zijn voor 15-40 graden NB en ZB geïnterpoleerd naar 0. De data die hier uit kwam gaf vervolgens de breedtegraad van de grens van de Hadley cel weer over de tijd (in jaren). Aangezien het klimaat een chaotisch systeem is zat er in de data van de modellen veel variatie in de positie van de Hadley cel per jaar. Met behulp van enkelvoudige lineaire regressie is er een trendlijn gemaakt in de vorm: . Hiermee is het de bedoeling aan te geven wat volgens de modelresultaten de invloed van een toename in de CO2 uitstoot op de positie van de grens van de Hadley cel is. Aan de hand van de parameter van de helling (beta) kan de voorspelde uitbreiding van de noordgrens en de zuidgrens van de Hadley cel voor de komende eeuw gekwantificeerd worden. Deze parameter is in MATLAB statistisch getoetst met een t-toets. De resultaten zijn gevisualiseerd met Microsoft Excel. Ook de totale breedte van de Hadley cel is bepaald. Omdat de zuidgrens in negatieve waarden was weergegeven kon de totale breedte op iedere tijdstap bepaald worden door de positie van de zuidgrens af te trekken van de positie van de noordgrens. Voor deze data is ook een trendlijn gemaakt met behulp van enkelvoudige lineaire regressie. Deze is ook statistisch getoetst met een t-toets. Held (2000) heeft aangegeven dat een verkleining van de temperatuurgradiënt tussen de tropen en de polen een uitbreiding van de Hadley cel kan veroorzaken. Daarom zijn er ook data gedownload wat betreft de oppervlaktetemperatuur. De voorspelde temperatuurstijging is berekend voor 30 tot 90 graden NB, 30 tot 90 graden ZB en voor 30 graden NB tot 30 graden ZB. Hiervoor zijn jaarlijkse gemiddelden genomen voor deze gebieden. Aan de hand van de jaarlijkse gemiddelden is met behulp van lineaire regressie een trendlijn gemaakt voor de temperatuurstijging. De waarde van de trendlijn in 2001 is afgetrokken van de waarde in 2099 om de temperatuurstijging in het model te bepalen (bijlage 4). In deze bepaling van de temperatuurgradiënt zal een foutmarge zijn. De gebruikte manier van het projecteren van de wereld in gridcellen zorgt ervoor dat cellen verder van de evenaar relatief tot cellen dicht bij de evenaar veel groter zijn dan in werkelijkheid. Doordat er een 6

gemiddelde wordt genomen over 30 tot 90 graden NB en 30 tot 90 graden ZB zullen de temperatuurveranderingen in deze berekening groter zijn dan ze in werkelijkheid zijn voorspeld. Door gebrek aan tijd was het niet mogelijk om voor de gridcellen op een bepaalde lengtegraad de reële oppervlakte te berekenen. Als er op deze manier voor elke gridcel gecorrigeerd zou worden zou de foutmarge er uitgehaald kunnen worden. Toch is er voor gekozen om deze berekening in het onderzoek te betrekken om de trend van de temperatuurgradiënt op beide halfronden in deze modellen een beeld te geven. Een verschil in de verandering van de temperatuur op het noordelijk halfrond (NH) en het zuidelijk halfrond (ZH) kan tot bepaalde conclusies leiden.

Data De data gebruikt voor dit onderzoek, zijn afkomstig van “the World Climate Research Programme's Coupled Model Intercomparison Project phase 3 (CMIP3) multi-model dataset”. Via de website van het “Program for Climate Model Diagnosis and Intercomparison” (PCMDI) is het mogelijk om meer dan 35 terabyte aan resultaten te downloaden (CMIP3, 2011) van verscheidene onderzoeksinstituten die modellen hebben gemaakt om het verleden, het heden en de toekomst van het klimaat te simuleren (PCMDI, 2012). De beschikbare data in de CMIP3-dataset zijn allemaal in netCDF formaat. Dit gegridde dataformaat was vereist voor de modelleergroepen die met hun resultaten bijdroegen aan het IPCC's Fourth Assessment Report (AR4). Een deel van de CMIP5-data, bijdragend aan IPCC’s Fifth Assessment Report (AR5) was ook beschikbaar. Er is voor de CMIP3-data gekozen omdat er in eerste instantie vaak nog fouten zitten in de modellen die in later stadium worden aangepast. Dit is ook het geval geweest in de CMIP3-data. Hier zijn waarschijnlijk intussen de meeste fouten al uitgefilterd (PCMDI, 2012). De beschikbare data is zeer uitgebreid en bevat onder andere 2D data van de atmosfeer en landoppervlak, maar ook 3D data van de atmosfeer. Naast maandelijkse gemiddelden zijn er soms ook dagelijkse gemiddelden en gemiddelden per 3 uur te downloaden (Meehl et al., 2007). Met behulp van enkele codes was het mogelijk om de data in te lezen in MATLAB (bijlage 3). De modellen hebben allemaal verschillende scenario's gebruikt om voorspellingen te doen. Het scenario dat in dit onderzoek is gebruikt is het A1B-scenario uit het Special Report on Emission Scenarios van het IPCC (Nakicenovic et al., 2000). Dit scenario gaat uit van snelle economische ontwikkeling. De wereldbevolking groeit in dit scenario tot 9 miljard in het jaar 2050. Hierna neemt deze af tot 7 miljard rond 2100. Verder gaat het uit van een uitgebalanceerde mix van technologie en energiebronnen. Geen energiebron is dominant in dit scenario. In de CMIP3-dataset stabiliseert de CO2 concentratie op 720 ppm in het jaar 2100 in het A1B scenario. De resultaten van 3 verschillende modellen zijn gebruikt. De gebruikte data waren allemaal maandelijkse data. De 3 modellen zijn gekozen na bestudering van Glecker et al. (2008) waarin de beschikbare modelresultaten uit de CMIP3-dataset vergeleken zijn met re-analysis datasets voor 1980-1999. In bijlage 1 en bijlage 2 staan figuren uit hun artikel waarin valt af te lezen hoe groot de relatieve foutmarge per variabele is voor elk model ten opzichte van de

7

re-analysis datasets. De variabele ‘uas’ lijkt in de tropen maar ook daarbuiten een relatief lage foutmarge te hebben in onder andere: het Model for Interdisciplinary Research on Climate in hoge resolutie (MIROC3.2(hires)), het Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation Mark 3.5 model (CSIRO-Mk3.5) en Geophysical Fluid Dynamics Laboratory CM2.0 model (GFDL-CM2.0). Deze zijn daarom gebruikt in dit onderzoek.

Resultaten De positie die is gevonden voor de grens van de Hadley cel voor JJA en DJF in de verschillende modellen zijn gegeven in figuur 2, figuur 3 en figuur 4. De breedtegraden op het ZH zijn negatief weergeven. Een negatieve helling parameter op het ZH betekent dus ook een poolwaartse verschuiving van de Hadley cel. In deze figuren is ook de bijbehorende trendlijn geplot. Wanneer je kijkt naar de jaarlijkse gang van de Hadley cel in de verschillende modellen vallen een aantal dingen op. De Hadley cel lijkt in het MIROC3.2 (hires) model tussen JJA en DJF ~6 en ~7 breedtegraden te verschuiven, voor respectievelijk het NH en het ZH (figuur 2). Voor het GFDL-CM2.0 model is de verschuiving tussen JJA en DJF op beide halfronden ~6 breedtegraden (figuur 3). Voor het CSIRO-Mk3.5 model valt op dat de variatie van de positie van de noordgrens van de Hadley cel erg klein is tussen JJA en DJF. Voor de zuidgrens is er in een jaar echter een verschuiving van ~8 breedtegraden (figuur 4). De verschillende parameters voor de helling, gevonden met lineaire regressie, worden in tabel 1 gegeven. De helling staat in deze tabel als breedtegraad per eeuw. In deze tabel is af te lezen dat er in alle modellen een uitbreiding van de Hadley cel richting de polen is in de 21e eeuw. Zowel op het winter- en het zomerhalfrond is er een uitbreiding van ~1 breedtegraad. Alleen voor de noordgrens van de Hadley cel wordt in het CSIRO-Mk3.5 model in JJA een terugtrekking voorspeld. In tabel 1 wordt ook de significantie van de verschillende parameters voor de helling gegeven. De meeste van de gevonden parameters zijn significant op het 5% niveau. Voornamelijk de trends op het ZH zijn significant.

Tabel 1: De verschillende parameters (beta) geven per grens het aantal breedtegraden uitbreiding van de Hadley cel voor de 21e weer. De parameters zijn gegeven voor JJA en DJF. Voor iedere parameter staat ook de significantie van deze parameter gegeven.

In tabel 2 wordt de uitbreiding van de totale breedte van de Hadley cel gegeven. Hier is de groei van de Hadley cel per eeuw in parameter beta weergegeven als breedtegraad verplaatsing per eeuw. De significantie van de gemaakte trendlijn wordt ook in deze tabel gegeven. Uit deze tabel valt af te leiden dat de Hadley cel in alle modellen en periodes ~2

8

Figuur 2: De gemodelleerde grenzen van de Hadley cel in JJA en DJF in het MIROC3.2(hires) model. De trendlijnen zijn weergeven, evenals de significantie van de parameters die de trend bepalen.

9

Figuur 3: De gemodelleerde grenzen van de Hadley cel in JJA en DJF in het CSIRO-Mk3.5 model. De trendlijnen zijn weergeven, evenals de significantie van de parameters die de trend bepalen.

10

Figuur 4: De gemodelleerde grenzen van de Hadley cel in JJA en DJF in het GFDL-CM2.0 model. De trendlijnen zijn weergeven, evenals de significantie van de parameters die de trend bepalen.

11

Tabel 2: De totale uitbreiding van de Hadley cel in de 21e eeuw volgens de verschillende modellen. Onder beta staat weer de uitbreiding in breedtegraden per eeuw. Significantie van iedere beta staat ook gegeven.

breedtegraden groter wordt. Er is alleen geen duidelijke trend in de grootte van de Hadley cel in JJA volgens de resultaten van het CSIRO-Mk3.5 model. Wat uit bovenstaande kan worden afgeleid is dat er volgens deze modellen een uitbreiding lijkt te zijn van de Hadley cel boven Zuid-Amerika in de 21e eeuw als gevolg van CO2 uitstoot. De positie van de Hadley cel wordt in de verschillende modellen op verschillende breedtegraden geschat. Toch wordt er in alle modellen een uitbreiding voorspeld. De uitbreiding lijkt op zowel het zomer- als winterhalfrond plaats te vinden. De grens op het ZH verschuift in alle modellen in zowel JJA als DJF ~1 breedtegraad. Voor de noordelijke grens, die iets minder van belang is voor Zuid-Amerika, is er meer variatie in de resultaten. De parameters voor de trendlijnen zijn minder significant. Dit lijkt samen te hangen met de sterkte van de groei. De periodes waarvoor er weinig uitbreiding is lijken minder siginificant. Al is het in mindere mate, de noordgrens breidt zich in de meeste gevallen toch uit als gevolg van CO2 uitstoot. In tabel 3 is te zien dat de temperatuurgradiënt tussen de tropen en de Noordpool in alle modellen groter zal worden ten opzichte van de temperatuurgradiënt tussen de tropen en de Zuidpool. Zoals eerder vermeld is de temperatuurverandering overdreven. De verschillen die ontstaan tussen beide halfronden lijken echter duidelijk. De Hadley cel lijkt echter op beide halfronden ongeveer evenveel uit te breiden. In het GFDL-CM2.0 model neemt de temperatuurgradiënt op het ZH zelfs toe. Desondanks breidt de Hadley cel zich uit in dit model. Het lijkt er dus op dat in deze modellen veranderingen in de temperatuurgradiënt weinig invloed hebben op de grens van de Hadley cel.

Tabel 3: De temperatuur stijging (in graden Kelvin) voor 30 tot 90 graden NB, 30 tot 90 graden ZB en voor 30 graden NB tot 30 graden ZB. Let op dat de voorspelde temperatuurstijging vooral voor de hogere breedtes in deze tabel overdreven is. Deze tabel kan enkel gebruikt worden om te laten zien dat de temperatuurgradiënt tussen 30 graden NB-30 graden ZB en de rest van het NH veel groter van wordt vergeleken met de temperatuur gradiënt tussen 30 graden NB-30 graden ZB en de rest van het ZH.

Discussie Het doel van dit onderzoek was om na te gaan wat de invloed is van CO2 uitstoot op de

12

positie en omvang van de Hadley cel. Dit is gedaan voor JJA en DJF aan de hand van modelresultaten. Uit de resultaten is naar voren gekomen dat de Hadley cel volgens deze modellen ~2 breedtegraden groter wordt in de 21e eeuw wanneer de hoeveelheid CO2 in de atmosfeer stabiliseert bij 720 ppm. Één breedtegraad staat gelijk aan ~110 km. De uitbreiding lijkt gelijk verdeeld over het winter- en zomer halfrond in zowel JJA als DJF. De CO2 uitstoot alleen zal volgens de modellen dus het klimaat in een groot gebied veranderen door verschuiving van deze Hadley cel. Dit zal ten koste gaan van grote gebieden natuur door uitdroging en bosbranden. Alleen voor de noordgrens van de Hadley cel werden voor JJA in het CSIRO-Mk3.5 model afwijkende resultaten gevonden. Een mogelijke verklaring voor de zwakkere trend op het noordelijk halfrond is dat water, in dit geval de Caribische Zee, langzamer van temperatuur verandert dan land. Wanneer het dus winter wordt zal het lang duren voordat de zee is afgekoeld. Boven de relatief warme lucht boven zee zal daarom minder snel subsidentie plaatsvinden. Daarom is het goed mogelijk dat in dit model de noordgrens van de Hadley cel in deze regio blijft hangen boven de Verenigde Staten en dus niet naar het zuiden trekt over de Caribische Zee. Voor de noordgrens van de Hadley cel is er meer variatie in de resultaten. Om deze reden is de groei van de noordgrens met iets minder zekerheid te kwantificeren. Een andere mogelijke verklaring is de vorm van de ITCZ door het jaar heen (figuur 1) . Alleen centraal boven ZuidAmerika schuift de ITCZ namelijk ver naar het zuiden in DJF. Aan de oost- en westkant blijft de ITCZ bijna dezelfde plek. Dit kan ervoor zorgen dat de gemiddelde positie van de Hadley cel ook weinig verschuift binnen een jaar. Gezien de vorm van de ITCZ in DJF zou het interessant zijn om te onderzoeken hoe de exacte positie per meridiaan is van de grens van de Hadley cel in deze periode. Hier was echter geen tijd meer voor in dit onderzoek. Dit zou kunnen leiden tot een andere verklaring voor de onduidelijke verandering van de noordgrens. Het zou interessant zijn om de verschuiving van de ITCZ te simuleren met de in dit onderzoek gebruikte klimaatmodellen. Williams et al. (2001) hebben aan de hand van een atmosferisch klimaatmodel van het Hadley Centre een zuidwaartse verplaatsing van de ITCZ gevonden als gevolg van antropogene sulfaat aerosolen in de atmosfeer. Het is goed mogelijk dat de verplaatsing van de ITCZ ook veranderd als gevolg van CO2 uitstoot. Dit zou kunnen betekenen dat de uitbreiding van de Hadley cel op één halfrond ten opzichte van de ITCZ in bepaalde periodes veel groter is dat uit dit onderzoek blijkt. De temperatuurgradiënt lijkt volgens de gevonden resultaten weinig invloed te hebben op de uitbreiding van de Hadley cel. Dit is tegenspraak met de theorie van Held (2000). Hu en Fu (2007) doen echter een suggestie die mogelijk verklaart waarom dit niet het geval is. In de resultaten van Fu et al. (2006) werd ook een toename gevonden van de temperatuurgradiënt buiten de tropen op het ZH. De temperatuurgradiënt binnen de subtropen nam in dat geval echter af. En het is deze afname in de temperatuurgradiënt die voornamelijk verantwoordelijk is voor dit proces van poolwaartse uitbreiding van de Hadley cel beschreven door Held (2000). Dit zou in dit onderzoek ook het geval kunnen zijn. In het AR4 van het IPCC wordt de globale opwarming van de aarde in het SRES A1Bscenario tussen ~2,2 en ~3,4 graden Celsius, en dus ook Kelvin, geschat (IPCC, 2007). De temperatuurgegevens in tabel 3 geven zoals al voorspeld afwijkende resultaten ten opzichte van het IPCC. Om echt conclusies trekken wat betreft de temperatuurgradiënt zou er eigenlijk 13

omgerekend moeten worden voor de oppervlakte van de gridcellen. De vraag is echter nog hoe de uitstoot van CO2 deze uitbreiding veroorzaakt. Hu en Fu (2007) stellen aan de hand van Held en Hou (1980) en Held (2000) dat de breedte van de Hadley cel wordt bepaald door de hoogte van de tropopauze. Santer et al. (2003) vonden dat de verhoging van de tropopauze van 1979-1999 voor 30% verklaard kan worden door opwarming van de troposfeer als gevolg van de uitstoot van broeikasgassen. De uitbreiding van de Hadley cel in dit model wordt dus mogelijk veroorzaakt door een verhoging van de tropopauze. Lu et al. (2007) vonden echter nauwelijks correlatie tussen hun gemodelleerde positie van de Hadley cel en de hoogte van de tropische tropopauze. Zij vonden wel een correlatie tussen de hoogte van de tropopauze van 35-55 graden NB en ZB, en de variatie in het bereik van de Hadley cel. De hoogte van de tropopauze op deze geografische breedten was in hun onderzoek sterk gecorreleerd is met de statische stabiliteit in de atmosfeer. Deze stabiliteit is een bepalende factor voor de positie van de grens van de Hadley cel (Frierson et al., 2007). De toename van de statische stabiliteit in de atmosfeer rond de grens van de Hadley cel duwt deze grens als het ware poolwaarts (Lu et al. 2007). Dit proces zou worden veroorzaakt door de CO2 uitstoot. Hu en Fu (2007) vonden voor 1979-2005 een uitbreiding van de Hadley cel die varieerde van 2 tot 4,5 breedtegraden. In deze periode was er echter een temperatuurstijging van maar 0,5 graden Kelvin. Wanneer je dit vergelijkt met de resultaten van dit onderzoek lijkt het er op dat er naast de uitstoot van CO2 nog vele andere factoren zijn die bijdrage aan het uitbreiden van de Hadley cel. Één van die factoren is het uitbreiden van het gat in de ozonlaag. Son et al. (2009) toonden aan dat ozondepletie de uitbreiding van de Hadley cel versterkt, terwijl een het herstel van de ozonlaag dit verzwakt. Bovendien hebben Polvani en Kushner (2002) aangetoond dat het afkoelen van de stratosfeer in polaire gebieden leidt tot een verplaatsing van de subtropische straalstromen. Waarschijnlijk leidt dit dus ook tot een verplaatsing van de grens van de Hadley cel. Santer et al. (2003) toonden al aan dat het gat in de ozonlaag voor 50 % verantwoordelijk is voor stijging van de tropopauze. Zoals eerder vermeld vonden Lu et al. (2007) een sterke correlatie tussen poolwaartse verplaatsing van de subtropische droge gebieden en de poolwaartse verplaatsing van de Hadley cel. Zhang et al. (2007) stelden al dat de geobserveerde veranderingen in het klimaat meestal veel groter zijn dan de veranderingen die worden gesimuleerd door klimaatmodellen. Dit wordt ondersteund wanneer de resultaten van dit onderzoek en van Lu et al. (2007) worden vergeleken met het onderzoek van Hu en Fu (2007). De verdroging van gebieden in Zuid-Amerika zal dus mogelijk nog veel groter zijn dan uit dit onderzoek valt af te leiden. De hedendaagse klimaatmodellen lijken nog niet accuraat te voorspellen hoe de Hadley cel zich zal uitbreiden. De vraag is of de modellen die bijdragen aan het AR5 van de IPCC rekening zullen houden met meer factoren en of deze modellen dan een verdere uitbreiding van de Hadley cel zullen voorspellen. Een andere vraag is of de Hadley cel in deze modellen zich op dezelfde manier zal uitbreiden. Uit dit onderzoek is naar voren gekomen dat CO2 uitstoot leidt tot een uitbreiding van de Hadley cel. Er lijken echter meer antropogene invloeden bij te dragen aan deze uitbreiding zoals het gat in de ozonlaag en aerosolen in de atmosfeer. Het lijkt erop dat de verplaatsing 14

van de Hadley cel een negatief effect zal hebben op de biodiversiteit in Zuid-Amerika. De resultaten van Li et al. (2008) wezen al op een toename van droogtes in de Amazone aan het eind van de 20e eeuw. Het lijkt erop dat de uitbreiding van de Hadley cel er aan zal bijdragen dat deze toename zich voortzet. Het doel van dit onderzoek was om de uitbreiding van de Hadley cel voor het winter- en het zomerhalfrond te voorspellen. Aan de hand van dit onderzoek is er echter weinig verschil te vinden tussen beide. Vandaar dat het verantwoord lijkt dat Lu et al. (2007) jaarlijkse gemiddelden hebben genomen voor hun onderzoek. Desondanks zouden de conclusies misschien anders zijn wanneer er ook gekeken wordt naar de verplaatsing van de ITCZ in de 21e eeuw.

Conclusie Doel van dit onderzoek was om de uitbreiding van de Hadley cel boven Zuid-Amerika als gevolg van een toename in CO2 uitstoot in de 21e eeuw te kwantificeren. Volgens de resultaten van de 3 gebruikte modellen zal zowel in JJA als in DJA de Hadley cel zich uitbreiden richting de polen. In totaal zal de Hadley cel ~2 breedtegraden uitbreiden De Hadley cel zal zich op beide halfronden ongeveer even ver uitbreiden richting de polen. Over de uitbreiding op het ZH lijkt echter meer zekerheid te zijn dan de uitbreiding op het NH. Deze uitbreiding zal een negatieve invloed hebben op de vegetatie van ecosystemen in subtropische gebieden in de vorm van uitdroging.

Dankwoord "We acknowledge the modeling groups, the Program for Climate Model Diagnosis and Intercomparison (PCMDI) and the WCRP's Working Group on Coupled Modelling (WGCM) for their roles in making available the WCRP CMIP3 multi-model dataset. Support of this dataset is provided by the Office of Science, U.S. Department of Energy."

Evaluatie In verhouding tot mijn medestudenten is mijn onderzoek relatief voorspoedig gelopen. Mijn grootste voorspelde bottleneck was het werken met de netCDF-data. Dit bleek redelijk simpel in MATLAB. Doordat dit veel simpeler ging als verwacht heb ik uiteindelijk mijn onderzoek uit kunnen breiden door de resultaten van 3 modellen te gebruiken in plaats van 1. Het belangrijkste wat ik uit dit onderzoek geleerd heb is dat je goed voor jezelf afbakent wat je wilt onderzoeken. Doe je dit niet, dan verdwaal je in alle beschikbare literatuur. Er is natuurlijk ontzettend veel interessants. Je zit echter met een deadline en moet dus vooral lezen wat relevant is voor je onderzoek. Wat ik uit het onderzoek van anderen heb meegekregen is dat dingen vaak anders lopen dan jij ze plant. Ik was in mijn onderzoek gelukkig nauwelijks afhankelijk van anderen. Een ander punt wat denk ik heel belangrijk voor mij is geweest, was de wekelijkse afspraak met mijn scriptiebegeleider. Ik ben niet altijd even goed in het plannen van mijn tijd dus een wekelijkse afspraak zorgde er bij mij voor dat ik elke week toch genoeg voor elkaar kreeg

15

binnen mijn onderzoek, in plaats van alles tot het laatste moment uit te stellen. Al met al denk ik dat dit onderzoek een goede les is waardoor ik in het vervolg makkelijker individueel onderzoek kan doen.

Literatuurlijst CMIP3, 2011. Working Group on Coupled Modelling Coupled Model Intercomparison Project phase 3. Verkregen via https://esg.llnl.gov:8443/home/publicHomePage.do op 9-052012 Frierson, M.W., Lu, J., Chen, G., 2007. The width of the Hadley cell in simple and comprehensive general circulation models. Geophysical Research Letters, 34, doi:10.1029/2007GL031115 Fu, Q., Johanson, C.M., Wallace, J.M., Reichler, T., 2006. Enhanced mid-latitude tropospheric warming in satellite measurements. Science, 312, 1179-1185 Glecker, P.J., Taylor, K.E., Doutriaux, C., 2008. Performance metrics for climate models. Geophysical Research Letters, 113, doi:10.1029/2007JD008972 Harvey, L.D., 2000. Global Warming the hard science. Pearson Education Limited, Essex, 5774 Held, I.M., Hou, A.Y., 1980. Nonlinear axially symmetric circulations in a nearly inviscid atmosphere. Journal of atmospheric sciences, 37, 515-533 Held, I.M., 2000. The general circulation of the atmosphere. Proceedings program in Geophysical Fluid Dynamics. Woods Hole Oceanographic Institution, Woods Hole, 1-70 Holton, J.R., 2004. An introduction to dynamic meteorology. Fourth edition. Elsevier, Burlington, 314-325 & 370-374 Hu, Y., Fu, Q., 2007. Observed poleward expansion of the Hadley circulation since 1979. Atmospheric Chemistry and Physics, 7, 5229-5236 IPCC, 2007. Summary for Policymakers. Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Solomon, S., Qin, D., Manning, M., Chen, Z., Marquis, M., Averyt, K.B., Tignor, M., Miller, H.L. (eds)]. Cambridge University Press, Cambridge en New York Li, W., Fu, R., Negrón Juárez, R.I., Fernandes, K., 2008. Observed change of the standardized precipitation index, its potential cause and implications to future climate change in the Amazon region. Philosophical transactions of The Royal Society B, 363, 1767-1772

16

Lu, J., Vecchi, G.A., Reichler, T., 2007. Expansion of the Hadley Cell under global warming. Geophysical Research Letters, 34, doi:10.1029/2006GL028443 Malhi, Y., Timmons Roberts, J., Betts, R.A., Killeen, T.J.,Li, W., Nobre, C.A., 2008. Climate change, deforestation, and the fate of the Amazon. Science, 19, 169-172 Meehl, G.A., Covey, C., Delworth, T., Latif, M., McAvaney, B., Mitchell, J.F.B., Stouffer, R.J., Taylor, K.E., 2007. The WCRP CMIP3 multimodel dataset: A new era in Climate Change Research. Bulletin of the American Meteorological Society, 88, 1383-1394 Nakicenovic, N., Alcamo, J., Davis, G., De Vries, B., Fenhann, J., Gaffin, S., Gregory, K., Grübler, A., Yong Jung, T., Kram, T., Lebre La Rovere, E., Michaelis, L., Mori, S., Morita, T., Pepper, W., Pitcher, H., Price, L., Riahi, K., Roehrl, A., Rogner, H., Sankovski, A., Schlesinger, M., Shukla, P., Smith, S., Swart, R., Van Rooijen, S., Victor, N., Dadi, Z., 2000. Emission Scenarios. Cambridge University Press, Cambridge, pp 570. Verkregen via http://www.ipcc.ch/ipccreports/sres/emission/index.php?idp=0 op 18-06-2012 PCMDI, 2012. Program for Climate Model Diagnosis and Intercomparison. Verkregen via http://www-pcmdi.llnl.gov op 26-04-2012 Polvani, L.M., Kushner, P.J., 2002. Tropospheric response to stratospheric perturbations in a relatively simple general circulation model. Geophysical Research Letters, 29, doi:10.1029/2001GL014284 Santer, B.D., Wehner, M.F., Wigley, T.M.L., Sausen, R., Meehl, G.A., Taylor, K.E., Ammann,C., Arblaster, J., Washington, W.M., Boyle, J.S., Brüggemann, W., 2003. Contributions of anthropogenic and natural forcing to recent tropopause height changes. Science, 301, 479-483 Son, S., Tandon, N.F., Polvani, L.M., Waugh, D.W., 2009. Ozone hole and Southern Hemisphere climate change. Geophysical Research Letters, 36, doi:10.1029/2009GL038671 Vereniging voor Weerkunde en Klimatologie, 2012. ITCZ. Met dank aan Stefan Jak en Adri Huiskamp. Verkregen via http://www.vwkweb.nl/weerinfo/image/itcz.jpg op 21-06-2012 Williams, K.D., Jones, A., Roberts, D.L., Senior, C.A., Woodage, M.J., 2001. The response of the climate system to the indirect effects of anthropogenic sulfate aerosol. Climate Dynamics, 17, 845-856 Zhang, X., Zwiers, F.W., Hegerl, G.C., Lambert, F.H., Gillett, N.H., Solomon, S., Stott, P.A., Nozawa, T., 2007. Detection of human influence on twentieth-century precipitation trends. Nature, 448, doi:10.1038/nature06025

17

Bijlage 1: Bijlage 1: Relatieve fouten van variabelen in de verschillende modellen bijdragend aan AR4. 20 graden NB - 90 graden NB. De in het onderzoek gebruikte modellen scoren relatief goed bij uas. Overgenomen van: Glecker et al. (2007)

18

Bijlage 2: Bijlage 2: Relatieve fouten van variabelen in de verschillende modellen bijdragend aan AR4. 20 graden NB - 20 graden ZB. De in het onderzoek gebruikte modellen scoren relatief goed bij uas. Overgenomen van: Glecker et al. (2007)

19

Bijlage 3: MATLAB-script om Hadley cel grenzen te bepalen voor de 21e eeuw in MIROC3.2 (hires) %%% Defining Hadley cell boundaries in miroc Hires %%% Daniel Treep %%% %% Close everything open in matlab clear close all clc %% Initialization % Opening netCDF ncid = netcdf.open('pcmdi.ipcc4.miroc3_2_hires.sresa1b.run1.monthly.u as_A1.nc','NC_WRITE') ; % Information on dataset [numdims, numvars, numglobalatts, unlimdimID] = netcdf.inq(ncid) ; % Defining variable name [varname, xtype, dimids, atts] = netcdf.inqVar(ncid,7); % Defining Variable id varid = netcdf.inqVarID(ncid,varname); % getting variables data data = netcdf.getVar(ncid,varid); latitude = -90:(180/159):90 ; determination latitude HC bnds i = 12; storeLatN = [] ; storeLatS = [] ; Year = 2001:1:2099 ; het niet uit met DJF

% used in interpolation for % 6 voor JJA, 12 voor DJF

% tot 2099 anders komt

%% Dynamic part % JJA while i<=1188 % tot 2099 anders komt het niet uit met DJF dataHCjun = data(240:300,1:160,i) ; % 240:300 neemt zuidamerika meanuasjun = mean(dataHCjun) ; % gemiddelde uas per breedtegraad voor juni/december dataHCjul = data(240:300,1:160,i+1) ; meanuasjul = mean(dataHCjul) ; dataHCaug = data(240:300,1:160,i+2) ; 20

meanuasaug = mean(dataHCaug) ; meanJJA = mean([meanuasjun; meanuasjul; meanuasaug]) ; % gemiddelde JJA/DJF NboundData = meanJJA(94:115) ; %extract 15-40 SboundData = meanJJA(45:67) ; %extract -40--15 latHCnorth = interp1(NboundData,latitude(94:115),0) ; % interpolatie latHCsouth = interp1(SboundData,latitude(45:67),0) ; % interpolatie storeLatN = [storeLatN latHCnorth] ; %opslaan breedtegraad bnds storeLatS = [storeLatS latHCsouth] ; i = i+12 ; % jaar vooruit end % [bN,ibN,eN,sN,isN] = lsfit(storeLatN',[1:99]',0.95) ; % testen lsfit-polyfit % [bS,ibS,eS,sB,isB] = lsfit(storeLatS',[1:99]',0.95) ; % testen lsfit-polygit [pn,Sn] gegeven [ps,Ss] gegeven

= polyfit(Year,storeLatN,1) ; % coefficienten ook in tstat in statisticsNorth/South = polyfit(Year,storeLatS,1) ; % coefficienten ook in tstat in statisticsNorth/South

tests = {'tstat','fstat'} ; statisticsNorth = regstats(storeLatN,Year,'linear',tests) ; % geeft tstat&fstat noord grens statisticsSouth = regstats(storeLatS,Year,'linear',tests) ; % geeft tstat&fstat zuid grend trendlineN = polyval(pn,Year); trendlineS = polyval(ps,Year); Hadleywidth = storeLatN - storeLatS ; statisticsWidth = regstats(Hadleywidth,Year,'linear',tests) ; [pw,Sw] = polyfit(Year,Hadleywidth,1) ; trendlineWidth = polyval(pw,Year) ; subplot(2,1,1) plot(Year,storeLatN) ; hold on plot(Year,trendlineN) ; grid on title('Boundary HC on NH') ylabel('Latitude (NH)') xlabel('Year') hold off

21

subplot(2,1,2) plot(Year,storeLatS) ; hold on plot(Year,trendlineS) grid on title('Boundary HC on SH') ylabel('Latitude (SH)') xlabel('Year') hold off figure() plot(Year,Hadleywidth) hold on plot(Year,trendlineWidth) grid on title('Total Hadley width') ylabel('Width in degrees latitude') xlabel('Year') hold off

22

Bijlage 4: MATLAB-script om gemiddelde temperatuur te bepalen voor 30o NB90oNB, 30o NB-30o ZB en 30o ZB-90o ZB voor de 21e eeuw in MIROC3.2 (hires) %%% Temperatuurstijging in tropen en bij polen in miroc %%% Daniel Treep %%% %% Close everything open in matlab clear close all clc %% Initialization % Opening netCDF ncid = netcdf.open('pcmdi.ipcc4.miroc3_2_hires.sresa1b.run1.monthly.t as_A1.nc','NC_WRITE') ; % Information on dataset [numdims, numvars, numglobalatts, unlimdimID] = netcdf.inq(ncid) ; % Defining variable name [varname, xtype, dimids, atts] = netcdf.inqVar(ncid,7); % Defining Variable id varid = netcdf.inqVarID(ncid,varname); % getting variables data data = netcdf.getVar(ncid,varid); latitude = -90:(180/159):90 ; i = 1 ; storeTemp = [] ; Year = 2001:1:2099 ; niet uit met DJF

% 6 voor JJA, 12 voor DJF % tot 2099 anders komt het

%% Dynamic part % JJA while i<=1188 datatemp = data(1:320,54:107,i:i+11) ; % meantas = mean(datatemp(:)) ; storeTemp = [storeTemp meantas] ; i = i+12 ; end tests = {'tstat','fstat'} ;

23

statisticsTemp = regstats(storeTemp,Year,'linear',tests) ; % geeft tstat&fstat [pn,Sn] = polyfit(Year,storeTemp,1) ; trendlineTemp = polyval(pn,Year); tempstijging = max(trendlineTemp) - min(trendlineTemp); % plot(Year,storeTemp) % hold on % plot(Year,trendlineTemp) storeTempS = [] ; storeTempN = [] ; i = 1; while i<=1188 datatemp2 = data(1:320,:53,i:i+11) ; datatemp2a = data(1:320,108:160,i+11) ; meanTempS = mean(datatemp2(:)) ; meanTempN = mean(datatemp2a(:)); storeTempS = [storeTempS meanTempS] ; storeTempN = [storeTempN meanTempN] ; i = i+12 ; end statisticsTempS = regstats(storeTempS,Year,'linear',tests) ; % geeft tstat&fstat statisticsTempN = regstats(storeTempN,Year,'linear',tests) ; % geeft tstat&fstat [pnS,SnS] = polyfit(Year,storeTempS,1) ; trendlineTempS = polyval(pnS,Year); tempstijgingS = max(trendlineTempS) - min(trendlineTempS); [pnN,SnN] = polyfit(Year,storeTempN,1) ; trendlineTempN = polyval(pnN,Year); tempstijgingN = max(trendlineTempN) - min(trendlineTempN);

24