Frontiers in Earth Science

Als studiegebied omvatten de atmosfeerwetenschappen alle processen die zich in de atmosfeer afspelen, samen met de verbanden met andere systemen, voornamelijk de hydrosfeer, de cryosfeer, de lithosfeer, de biosfeer, en de ruimte. Als zodanig is het een uitgebreide discipline en de taak om de belangrijkste uitdagingen te beschrijven is niet eenvoudig, en brengt een behoorlijke mate van overlapping met zich mee met enkele andere grote uitdagingen in de aard- en milieuwetenschappen. Aangezien er een bijzondere overlapping met de klimaatwetenschappen zou kunnen optreden, is het de moeite waard eraan te herinneren dat atmosferische processen verschillen van klimaatprocessen wat de tijdschaal betreft, aangezien laatstgenoemde processen zich over lange perioden voordoen, meestal langer dan 30 jaar, maar in ieder geval lang genoeg om betekenisvolle gemiddelden te produceren. Atmosferische processen spelen een centrale rol bij de configuratie van de toestand van het klimaat, maar ook bij veel van de factoren en terugkoppelingen die bepalend zijn voor de omvang van de klimaatverandering en de mogelijke gevolgen daarvan. Bovendien is er de laatste tijd indrukwekkende vooruitgang geboekt in de atmosfeerwetenschappen wat betreft de voordelen voor individuen en organisaties. De stroom van atmosferische “informatie” is van groot belang bij beslissingen op het gebied van gezondheid, landbouw, energie, stroomvoorziening en milieu. Dit artikel over de grote uitdagingen concentreert zich op de atmosfeer, hoewel de sterke interactie met andere delen van de aarde en haar omgeving, samen met de maatschappelijke implicaties daarvan, een gemeenschappelijk thema is in alle beschreven uitdagingen.

Voor de komende jaren is vooruitgang in de atmosfeerwetenschappen van essentieel belang om het begrip van de basisprocessen en de modellering daarvan te verbeteren; hiervoor zijn echte vorderingen nodig in waarnemingen, conceptuele en technologische benaderingen. Daarom bevat de volgende niet-uitputtende lijst van 12 geselecteerde uitdagingen die welke verband houden met waarnemingen en gegevensassimilatie, die welke binnen de traditionele disciplines vallen (atmosferische fysica en chemie, atmosferische dynamica en weersvoorspelling), die welke betrekking hebben op de interacties tussen de atmosfeer en zijn grenzen, en die welke verband houden met de atmosferische component van klimaatstudies.

Uitdaging 1: Gegevensassimilatie

De uitdagingen op het gebied van gegevensassimilatie voor aardobservatie in de komende jaren hebben betrekking op technische en algemene thematische aspecten, alsmede op het vermogen om profijt te trekken van nieuwe en opwindende mogelijkheden in aardobservatiesystemen. De voordelen van het aanpakken van deze uitdagingen zullen waarschijnlijk bestaan in verbeteringen van de reanalyses, verbeteringen van de weersvoorspellingen, een verbeterd waarnemingssysteem en een verbeterde basis waarop de elementen van klimaatmodellen kunnen worden gebouwd. Van de technische uitdagingen zijn vijf gebieden het belangrijkst: (1) de assimilatie van gekoppelde gegevens om rekening te houden met koppelingen tussen verschillende elementen van het aardsysteem; voorbeelden zijn de koppeling van de atmosfeer en de oceaan, van de oceaan en de cryosfeer, en van de atmosfeer en het land; (2) assimilatie van ensemblegegevens om rekening te houden met natuurlijke variabiliteit en/of om fouten in het aardsysteem weer te geven – hier zal de technische inspanning worden toegespitst op het ontwerpen van realistische ensembles (3) assimilatie van gegevens met hogere ruimtelijke resoluties, waarbij het aardsysteem op fijnere schalen wordt weergegeven (mesoschaal en fijner), met inbegrip van theoretische ontwikkelingen om rekening te houden met veranderingen in de evenwichtstoestand; (4) betere weergave van fouten (toevalsfouten en vertekening) in de waarnemingen en modellen die bij de assimilatie van gegevens worden gebruikt, met inbegrip van de weergave van prognosefouten, modelfouten en online correctie van vertekeningen; (5) uitbreiding en consolidatie van de gezamenlijke toestandsschatting en de aanpak van omgekeerde modellering voor het bestuderen van biogeochemische cycli (bijv.g., de koolstofcyclus). De overkoepelende uitdaging hier is de consolidatie en integratie van de communautaire data-assimilatie-inspanningen van de meteorologische en ruimteagentschappen, van onderzoek en operationele activiteiten, en van in situ en satellietobservatieplatforms, met inbegrip van alle continentale en wereldwijde samenwerkingsverbanden, en de effectieve toepassing van deze inspanningen voor de ontwikkeling van nieuwe missies op het gebied van aardobservatie.

Uitdaging 2: Kleinschalige processen in de atmosfeer

Er zijn verschillende uitdagingen waarneembaar met betrekking tot ons fundamenteel begrip van kleinschalige processen en daarmee samenhangende toepassingen, waarvan er vele momenteel actief worden besproken en bestudeerd. Ten eerste, toegenomen rekenkracht maakt de meer gedetailleerde simulatie van vloeistofmechanische problemen mogelijk, zodat zelfs stabiel gelaagde stromingen nu gemodelleerd worden door directe numerieke simulatie. Tegelijkertijd vereisen deze geavanceerde rekentechnieken ook een nieuwe generatie van parameteriseringsschema’s voor numerieke weersvoorspelling (NWP) en klimaatmodellering. Bij hoge resoluties bijvoorbeeld kan de complexe dynamiek die in stedelijke gebieden optreedt niet worden verwaarloosd en zijn specifieke NWP-schema’s vereist om deze weer te geven. Bij kleinere rasterafmetingen wordt in NWP de zogenaamde grijze zone van turbulentie benaderd, en het effect daarvan moet worden begrepen en gekwantificeerd. Er is enige ruimte voor verbetering wat betreft de weergave van wolken en van de dagcyclus van diepe convectie, en hetzelfde geldt voor de fysische processen die de stabiele grenslagen en de dagcyclus bepalen, en de intermitterende aard van turbulentie, vooral onder rustige omstandigheden. Bovendien vereisen hogere resoluties ook meer geavanceerde technieken om de gedane waarnemingen te kunnen interpreteren. In de grenslaagmeteorologie vergt de sluiting van de energiebalans van het oppervlak en de warmtebalans in veldwaarnemingen verdere aandacht. Ten slotte zullen ook de data-uitdagingen voor de meteorologie toenemen, met name door de grotere beschikbaarheid van zowel professionele als crowd-sourced waarnemingen (Muller et al., 2013).

Challenge 3: Air Pollution Chemistry

De belangrijkste onderdelen van een programma om de belangrijkste uitdagingen voor onderzoekers op het gebied van luchtverontreinigingschemie aan te pakken, kunnen onder de volgende drie kopjes worden beschreven: (1) Verontreiniging binnenshuis en gezondheid: gezien de tendens van de mensen om grotendeels binnenshuis te blijven voor werk, school en vrije tijd, is het van belang om het effect te bestuderen van de verontreiniging binnenshuis op de menselijke gezondheid als gevolg van de emissies binnenshuis en/of de infiltratie van de externe omgevingslucht. In de afgelopen jaren zijn de processen die de kwaliteit van de binnenlucht regelen aanzienlijk veranderd als gevolg van wijzigingen in de bouwvoorschriften met het oog op een betere energie-efficiëntie. Er is nog veel onbekend over de bronnen, verbindingen en processen die de luchtkwaliteit binnenshuis beïnvloeden en de gevolgen daarvan voor het menselijk welzijn. (2) Stof en luchtkwaliteit: door de voortdurende verbetering van de kenmerken van voertuigemissies kunnen de effecten van aërosolverontreiniging in stedelijke gebieden nu steeds meer worden herleid tot andere emissiebronnen, zoals het transport van natuurlijk stof en de resuspensie van stof van wegen, vooral in Zuid-Europese gebieden met een droger klimaat in gebieden die te maken hebben met het transport van stof uit de woestijnen van Noord-Afrika. Inzicht in deze effecten en de toepassing van beperkende maatregelen (voor de resuspensie van wegstof) zijn beide gebieden voor toekomstig onderzoek. (3) Verbranding van biomassa: door de klimaatverandering en de bezorgdheid over het effect en de kosten van fossiele brandstoffen, wordt verbranding van biomassa nu algemeen gebruikt voor huisverwarming in Europa. In veel stedelijke gebieden blijkt huishoudelijke biomassa, vooral in de winter, een belangrijke bron van luchtverontreiniging door deeltjes te zijn. Momenteel wordt enige nadruk gelegd op de evaluatie van het effect van de verbranding van biomassa in termen van stedelijke luchtkwaliteit en op de bestudering van de emissiekenmerken van apparatuur en installaties voor de verbranding van biomassa, alsmede op het effect van de samenstelling van met biomassa verbrande deeltjes op de menselijke gezondheid.

Uitdaging 4: Interacties tussen aërosolen en wolken

Het lijdt geen twijfel dat aërosoldeeltjes actief betrokken zijn bij de vorming van wolken via de toevoer van wolkencondensatienuclei (CCN) en ijskernen (IN). Er is gesuggereerd dat veranderingen in aërosolconcentraties de levensduur van wolken en de neerslagefficiëntie zullen veranderen, en zo de stralingsforcering van het aardsysteem zullen beïnvloeden. Grote inspanningen zijn gewijd aan dit onderwerp, wat heeft geleid tot snelle ontwikkelingen in termen van kennis, methodologieën en technieken (bv. Wang, 2013). Ondanks deze vooruitgang is het nog steeds moeilijk om zinvolle conclusies te trekken over de klimatologische effecten van aërosolen op regionale en mondiale schalen. Daarentegen zijn de interacties tussen aërosolen en wolken op moleculaire en microfysische schalen steeds voorspelbaarder geworden en de modellering ervan deterministischer. Er blijkt een grote kloof te bestaan in onze kennis van de kleinschalige (moleculaire en microfysische) processen en de grootschalige (regionale/mondiale) gebeurtenissen op dit gebied. Wij suggereren dat er behoefte blijft bestaan aan een synthese van multischalige resultaten om de betrokken problemen duidelijk te identificeren en de huidige reeks instrumenten en methodologieën te verbeteren die nodig zijn om de kloof te dichten.

Uitdaging 5: Weersvoorspelling

Fenomenen beschreven door vloeistoffen zijn complex, maar de schijn van de wetten van vloeistofbeweging is bedrieglijk eenvoudig, vergelijkingen die deze wetten regeren zijn niet-lineair, wat meervoudige (en moeilijk te begrijpen) soorten terugkoppelingseffecten impliceert. De atmosfeer en de temporele evolutie van haar toestand kampen niet met dit probleem. In elk geval is een van de paradepaardjes van het onderzoek op het gebied van atmosfeerwetenschappen in de afgelopen decennia de totstandbrenging geweest van betrouwbare voorspellingen in het bereik van 2-7 dagen, met het oog op de enorme potentiële economische voordelen; dergelijke technieken hebben echter nog steeds te lijden onder problemen die het gevolg zijn van het verzamelen en gebruiken van gegevens, die meestal boven de oceanen worden verzameld. Het gebruik van nieuwe gegevens van satellieten en teledetectie vanaf de grond zou in dit opzicht van nut kunnen zijn, evenals het correcte onderhoud van traditionele gegevensreeksen zoals het nu enigszins verouderde wereldwijde rawinsonde-netwerk. Verbetering van de metingen van de waterdamp en de eigenschappen van het landoppervlak zijn eveneens prioriteiten. De fysische uitdagingen zijn nog steeds dezelfde als toen zij meer dan tien jaar geleden werden gedefinieerd (National Research Council, 1998), namelijk: een beter begrip van de aard van de interactie tussen atmosferische processen en processen aan het landoppervlak, de hydrologische cyclus, de dynamiek van diepe convectie, de rol van de tropopauze in de atmosferische dynamiek, een nieuwe impuls voor de ontwikkeling van mesoschaalmodellen en een verbetering van de parameteriseringen die worden gebruikt in de op golven gebaseerde modellen van weer en klimaat. Een voorbeeld van het belang van deze verbeteringen is de orografische zwaartekrachtgolfweerstand, waarvan de parametrisering in modellen voor weer- en klimaatvoorspellingen moet worden geactualiseerd gezien het belang van sommige effecten die in recent onderzoek belangrijk bleken te zijn. Hiertoe behoren de invloed van windschering op zowel de oppervlaktedrag als de golfimpulsflux (en de dissipatie daarvan), en de door gevangen lijgolven veroorzaakte weerstand, waarvan de energie zich stroomafwaarts van hun bron voortplant en dissipeert in plaats van naar boven. De gevolgen van deze orografische zwaartekrachtgolven voor clear-air-turbulence (CAT), een zeer ernstig gevaar voor de luchtvaart, zijn nog niet op bevredigende wijze gekwantificeerd. De meeste CAT-voorspellingsmethoden maken gebruik van empirische voorspellers die niet expliciet verband houden met zwaartekrachtgolven, maar het is bekend dat directionele shear (die alomtegenwoordig is in de natuur) leidt tot het breken van zwaartekrachtgolven, hetgeen een belangrijke bron van CAT kan zijn. Het opsluiten van zwaartekrachtgolven in de luwte van bergen of heuvels leidt tot de vorming van onvaste, turbulente, gesloten circulaties die bekend staan als rotors, die ook een ernstig gevaar vormen voor de luchtvaart. Ons begrip van de voorwaarden die nodig zijn voor het ontstaan van deze stromingsstructuren is onvolledig, en zal ongetwijfeld baat hebben bij recente vorderingen in de berggolftheorie.

Uitdaging 6: Remote Sensing for Meteorology and Climate

Ground-based and satellite remote sensing has provided major advances in our understanding of both the weather and the climate systems, as well as the changes in these (Yang et al., 2013), by allowing the quantification of the processes and spatio-temporal states of the atmosphere, land, and oceans. Het intensieve gebruik van satellietbeelden in de meteorologie en ruimtelijke patronen van zeespiegelstijging zijn hiervan goede voorbeelden. De duur van de betrokken tijdreeksen is gewoonlijk te kort om te kunnen worden gebruikt voor het vastleggen van langetermijntendensen van veel klimaatvariabelen, zodat een belangrijke uitdaging erin bestaat de duur van deze tijdreeksen te verlengen. Teledetectie van de regionale en mondiale cycli van wolken en neerslag is eveneens noodzakelijk voor de bewaking van het klimaat en de verificatie van modeluitkomsten. Er zijn twee belangrijke uitdagingen op het gebied van atmosferische fysica; de eerste is het opzetten van innovatieve studies gericht op de microfysica van wolken en het verband met de fysica van bliksemontladingen, samen met alle aspecten die verband houden met de waarneming en meting van atmosferische elektriciteit, en de tweede is het ontwikkelen van nieuwe passieve radiometer- en radarstudies om ons te helpen de structuur van wolken en neerslag te begrijpen, met speciale nadruk op tropische warme regenprocessen, lichte neerslag op middelbare hoogte, sneeuwval, het gehalte aan vloeibaar en ijshoudend water in wolken, neerslagbaar water en waterdampprofielen. Een van de hydrometeorologische uitdagingen is het uitbreiden en verbeteren van onze waarnemingen en modellering van de atmosferische en continentale delen van de watercyclus om deze te kunnen sluiten (b.v. berggebieden, poolgebieden).

Uitdaging 7: De Atmosferische tak van de Hydrologische Cyclus

Van de vele uitdagingen met betrekking tot de hydrologische cyclus, moeten die met betrekking tot het atmosferisch transport van vocht speciale vermelding krijgen, omdat zij geheel binnen het domein van de atmosfeerwetenschappen vallen. Hier beschouwen we de meest dringende van de uitdagingen die in het recente overzicht van Gimeno et al. (2012) worden beschreven. De diagnose van vochtbronnen is een belangrijk onderzoeksinstrument geworden bij de analyse van extreme gebeurtenissen (bv. overstromingen, droogtes), en kan worden beschouwd als een basisinstrument voor regionale en mondiale klimaatbeoordelingen; het is daarom noodzakelijk om de consistentie te controleren van de verschillende benaderingen die worden gebruikt om bron-bronrelaties vast te stellen voor atmosferische waterdamp. Van cruciaal belang is de verbetering van ons inzicht in de wijze waarop vochtbronnen neerslagisotopen beïnvloeden; dit is op zichzelf al belangrijk, maar het is ook van cruciaal belang voor de juiste interpretatie van de meest prominente paleoklimatologische archieven, waaronder ijskernen en grotafzettingen. Een andere uitdaging is een beter begrip van de rol van het transport van vocht als de belangrijkste factor die verantwoordelijk is voor meteorologische extremen (hevige regenval via structuren zoals laagvliegende straalstromen en atmosferische rivieren, of droogte door de langdurige verminderde aanvoer van waterdamp uit vochtbrongebieden). Om te kunnen beoordelen of de vochtbronregio’s in de afgelopen jaren stationair zijn gebleven, moet inzicht worden verkregen in de effecten van de belangrijkste vormen van klimaatvariabiliteit op de variabiliteit van de vochtgebieden, en in de wijze waarop het transport van vocht plaatsvindt in een veranderend klimaat. Deze onopgeloste vragen vormen een aanzienlijke uitdaging voor klimaatwetenschappers.

Uitdaging 8: Interactie van schalen in klimaatsimulatie

De interactie tussen verschillende ruimtelijke en temporele schalen resulteert in wat wij klimaat noemen. (Lorenz 1967) was een van de eersten die het belang van schaalinteracties benadrukte bij het verklaren van enkele van de belangrijkste kenmerken van het klimaat dat in verschillende regio’s wordt waargenomen. Het niet-lineaire karakter van de meeste van deze schaalinteracties heeft het moeilijk gemaakt ze te modelleren, en bijgevolg vormt dit nog steeds een bron van onzekerheid in klimaatsimulaties. Er zijn enkele empirische methoden voorgesteld om de output van klimaatmodellen te downscalen, maar deze zijn nog steeds enigszins controversieel (Pielke en Wilby, 2011), vooral wanneer ze worden gebruikt om klimaatprojecties op lange termijn op regionale schaal te interpreteren. Het gebruik van randvoorwaarden van een mondiaal model waarin gekoppelde interacties tussen alle belangrijke subsystemen van het klimaatsysteem (atmosfeer, oceaan, biosfeer en cryosfeer) worden voorspeld, heeft een aantal problemen zoals het achterblijven van grootschalige klimaatfouten in de mondiale modellen, de grote afhankelijkheid van de laterale randvoorwaarden of het gebrek aan interactie in twee richtingen tussen het regionale en het mondiale model. De rol van kleinschalige atmosferische processen, gewoonlijk bij kortdurende verschijnselen, blijkt zeer relevant te zijn, vooral in tropische gebieden, waar mesoschaalconvectieve systemen interageren met grootschalige circulaties, en van cruciaal belang zijn voor de hydrologische cyclus. Zo kunnen tropische cyclonen in sommige regio’s leiden tot zeer natte of droge jaren, afhankelijk van hun activiteit en traject. Dit element is vrij moeilijk te simuleren in klimaatmodellen, maar de bijdrage ervan aan het regionale klimaat staat buiten kijf en moet beter worden begrepen om in klimaatmodelleringssystemen te kunnen worden geïntegreerd.

Uitdaging 9: Extreme gebeurtenissen

De laatste jaren hebben de effecten van verschillende meteorologische en klimaatverschijnselen aan belang gewonnen in de ogen van de media en de bevolking als geheel, deels als gevolg van extreme gebeurtenissen zoals de hittegolven in Europa (2003), Rusland (2010) of de VS (2011), of de dodelijke en uiterst kostbare orkanen die dichtbevolkte gebieden hebben getroffen in de afgelopen jaren, waaronder New Orleans (Katrina, 2005) en het grootstedelijk gebied van New York (Sandy, 2012). Evenzo hebben langdurige droogteperiodes ernstige problemen veroorzaakt voor graanproducenten, onder meer in Zuid-Australië (2002-2010) of het zuidwesten van de VS, of via de verhoogde kans op bosbranden (Amazonia, 2005 en 2010). Sommige van deze extreme gebeurtenissen hangen nauw samen met het optreden van krachtige circulatiepatronen, zoals de Noord-Atlantische oscillatie (NAO), of met blokkering en verschuiving van stormbanen en de straalstroom. Extremen zijn per definitie zeldzaam in een tijdreeks en daarom is er, gekoppeld aan de analyse van extreme gebeurtenissen, een dringende behoefte om de klimaatreeksen zo ver mogelijk uit te breiden, en daarom blijven reconstructies van het klimaat in het verleden op basis van instrumentele, historische en proxy-gegevens onontbeerlijk. Het recente IPCC-rapport (IPCC, 2013) laat zien dat deze groeiende belangstelling voor klimatologische extreme gebeurtenissen moet worden aangepakt binnen de bredere context van klimaatverandering, aangezien de verwachte veranderingen in mondiale, regionale en zelfs lokale klimaten het meest waarschijnlijk zullen worden gevoeld door veranderingen in de omvang en frequentie van extreme gebeurtenissen.

Uitdaging 10: Invloed van de zon op het klimaat

Geschat wordt dat ongeveer 8% van de recente mondiale klimaatverandering kan worden toegeschreven aan de variabiliteit van de zon, maar dit cijfer moet met de nodige voorzichtigheid worden gehanteerd omdat een aantal aspecten van de zonneforcering en de mechanismen die de variabiliteit van de zon koppelen aan het klimaatsysteem van de aarde, nog steeds slecht worden begrepen (Gray et al, 2010). Met de toenemende complexiteit en verfijning van atmosfeer- en klimaatmodellen, en de behoefte aan grotere nauwkeurigheid van de gedane voorspellingen, is het belangrijk om een vollediger beeld van de zonneforcering in deze modellen te kunnen opnemen. Bronnen van zonneforcering kunnen worden onderverdeeld in radiatitief en deeltjesgedreven componenten. De wetenschappelijke focus voor de radiatitief aangedreven forcering verschuift momenteel van de mondiale naar de regionale reacties die worden aangedreven door variaties in de spectrale bestralingssterkte van de zon (SSI). Er blijven nog een aantal vragen over de aard van de variaties in SSI, hoe deze in modellen moeten worden geïmplementeerd en hoe zij in toekomstige zonnecycli zullen veranderen als de zon zich van haar huidige grote maximum aan zonneactiviteit verwijdert in de richting van een nieuw maunderminimum. De deeltjesgedreven component wordt verder onderverdeeld in energetische deeltjesneerslag (EPP) en kosmische straling (CR) effecten. Het EPP-effect beïnvloedt in eerste instantie de bovenste stratosfeer en de onderste thermosfeer. Hoewel de chemische effecten van EPP op de atmosfeer nu goed begrepen zijn, is er dringend behoefte aan meer inzicht in de dynamische effecten en in de potentiële mechanismen en grootheden wat betreft het klimaat van de aarde. De potentiële invloed van EPP op het klimaat is een onderzoeksgebied in opkomst, dat aan belang wint nu de klimaatmodellen zich uitbreiden tot grotere hoogten die directer door EPP worden beïnvloed. EPP is een van de belangrijkste transportroutes van de lagere thermosfeer naar de stratosfeer en verder, naar de troposfeer via de koppeling tussen stratosfeer en troposfeer in de poolgebieden. Het effect van de EPP zou in de nabije toekomst ook sterker kunnen worden naarmate de stralingsforcering meer beïnvloed wordt door een verschuiving naar minimale zonneactiviteitstypen. De door de CR aangedreven component wordt momenteel beschouwd als de minst goed begrepen van de bronnen van zonneforcering, hoewel er specifieke lopende internationale onderzoeksinspanningen worden geleverd om deze kwestie aan te pakken. Recente resultaten suggereren dat, hoewel CRs aërosolkiemvorming kunnen stimuleren, deze effecten op wereldschaal niet groot zijn, en er blijven vragen bestaan over de fysische mechanismen die CRs en aërosolkiemvorming met elkaar in verband brengen.

Challenge 11: Stedelijk weer en klimaat

Het stedelijk hitte-eiland (UHI) is misschien wel het bekendste effect van de aanwezigheid van steden op het plaatselijke microklimaat; de luchttemperatuur in een stad kan ’s nachts veel hoger zijn (tot 10°C of meer) dan in het omringende gebied. Stedelijk klimaat, 20 jaar geleden een opkomende tak van de meteorologie, is nu een volwassen onderzoeksgebied. Het bestrijkt een scala van onderwerpen, van fundamentele theoretische studies tot meer toegepast onderzoek, met als hoofddoel de toepassing van klimatologische kennis voor een beter ontwerp van steden over de hele wereld. Micrometeorologie is altijd een belangrijk aandachtsgebied geweest bij stadsstudies, vanwege de schaal waarop dit gebeurt. De instrumentalisten van de stadsklimatologie hebben sinds de jaren zeventig een pioniersrol vervuld bij de voortdurende ontwikkeling van instrumentatie en procesanalyse. De processen die leiden tot de vorming van het UHI (meestal van fysische aard als gevolg van de 3D-vorm en de materialen waaruit het stedelijk weefsel is opgebouwd), zijn voortgekomen uit deze vroege studies. Vandaag de dag zijn er nog een aantal uitdagingen met betrekking tot de meting van deze vrij complexe stedelijke grenslaag. Nieuwe instrumenten voor teledetectie met kort bereik worden gebruikt om een gespecialiseerd beeld te krijgen van de betrokken fysische processen. Dergelijke instrumentele ontwikkelingen zullen onvermijdelijk doorgaan. Het stadsklimaat werd pas door atmosferische modelleurs aangepakt toen de atmosferische modellen een voldoende hoge resolutie bereikten (enkele km) om steden expliciet te kunnen weergeven. De eerste modellen die de uitwisseling van energie en water tussen stedelijke oppervlakken en de atmosfeer weergeven, verschenen in het begin van de jaren 2000 (zie besprekingen in Masson, 2006 en Martilli, 2007), en worden nu meer en meer gebruikt in numerieke weersvoorspellingsmodellen. In de eerste internationale onderlinge vergelijkingen van stedelijke modellen (Grimmond et al., 2010, 2011) zijn enkele voor de hand liggende mogelijkheden voor verbetering besproken, bijvoorbeeld wat betreft de weergave van stedelijke vegetatie. Bovendien hebben regionale klimaatmodellen, ongeveer 15 jaar later dan atmosferische modellen, nu ruimtelijke resoluties die compatibel zijn met stedelijke schalen. Dit vormt natuurlijk een nieuwe uitdaging voor de juiste weergave van steden in klimaatmodellen. Evenzo kunnen stedelijke meteorologische studies niet beperkt blijven tot fysica of chemie, maar moet rekening worden gehouden met het gedrag van de bewoners. Hoewel er reeds biometeorologische studies bestaan, met name op het gebied van het menselijk comfort, vormen de interacties tussen de meteorologische en de sociale wereld, zowel op het gebied van het menselijk comfort als op dat van bijvoorbeeld het meteorologisch afhankelijke energieverbruik, nog steeds een van de belangrijkste uitdagingen voor stedelijke meteorologen.

Uitdaging 12: Afbraak en herstel van de ozonlaag

Hoewel de stratosferische ozonconcentratie in veel regio’s nog steeds minima vertoont, beginnen er tekenen van herstel waarneembaar te zijn. In de Antarctische stratosfeer bereikte de concentratie van halokoolstoffen rond het jaar 2000 een hoogtepunt en begon vervolgens af te nemen. Volgens de huidige prognoses zou een volledig herstel rond het jaar 2050 kunnen optreden. Dit betekent dat een van de belangrijkste uitdagingen erin bestaat te zorgen voor een voortdurende bewaking van zowel ozon als gassen die de ozonlaag afbreken, teneinde het herstel te garanderen. Verbetering van het basisinzicht in processen, en simulaties daarvan, zijn bijzonder belangrijk in de context van een veranderend klimaat. Beide richtingen moeten worden gesimuleerd, d.w.z. hoe een veranderend klimaat de ozonlaag zal beïnvloeden, en hoe het herstel van de ozonlaag het weer en het klimaat zal beïnvloeden. De zogenaamde klimaatchemiemodellen (CCM’s, Lamarque et al., 2013) lijken in dit geval van cruciaal belang.

De voorgaande lijst van uitdagingen voor de komende jaren in het atmosfeerwetenschappelijk onderzoek heeft slechts betrekking op enkele van de meest urgente onopgeloste vragen en blijft uiteraard onvolledig. De hierin beschreven uitdagingen mogen niet worden beschouwd als de waarschijnlijke belangrijkste onderzoeksthema’s in Frontiers in Atmospheric Science; elk interessant werk dat verband houdt met de paraplu van de atmosferische wetenschap zou een plaats moeten vinden in het tijdschrift.

Acknowledgments

Gedeeltelijke steun van MINECO (Spanje), project TRAMO en FEDER. Het team van Associated Editors van Frontiers in Atmospheric Science levert nuttig commentaar.

Gimeno, L., Stohl, A., Trigo, R. M., Dominguez, F., Yoshimura, K., Yu, L., et al. (2012). Oceanische en terrestrische bronnen van continentale neerslag. Rev. Geophys. 50:RG4003. doi: 10.1029/2012RG000389

CrossRef Full Text

Gray, L. J., Beer, J., Geller, M., Haigh, J. D., Lockwood, M., Matthes, K., et al. (2010). Invloeden van de zon op het klimaat. Rev. Geophys. 48:RG4001. doi: 10.1029/2009RG000282

CrossRef Full Text

Grimmond, C. S. B., Blackett, M., Best, M. J., Barlow, J., Baik, J-J., Belcher, S. E., et al. (2010). The international urban energy balance models comparison project: first results from phase 1. J. Appl. Meteorol. Climatol. 49, 1268-1292. doi: 10.1175/2010JAMC2354.1

CrossRef Full Text

Grimmond, C. S. B., Blackett, M., Best, M. J., Barlow, J., Baik, J-J., Belcher, S. E., et al. (2011). Eerste resultaten van fase 2 van de internationale vergelijking van stedelijke energiebalansmodellen. Int. J. Climatol. 31, 244-272. doi: 10.1002/joc.2227

CrossRef Full Text

IPCC. (2013). Klimaatverandering: The Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge, UK: Cambridge University Press.

Lamarque, J.-F., Shindell, D. T., Josse, B., Young, P. J., Cionni, I., Eyring, V., et al. (2013). Het atmosferische chemie en klimaat model intercomparison project (ACCMIP): overzicht en beschrijving van modellen, simulaties en klimaat diagnostiek. Geosci. Model. Dev. 6, 179-206. doi: 10.5194/gmd-6-179-2013

CrossRef Full Text

Lorenz, E. N. (1967). De aard en de theorie van de atmosfeer. Genève: WMO, 161.

Martilli, A. (2007). Huidig onderzoek en toekomstige uitdagingen in stedelijke mesoschaalmodellering. Int. J. Climatol. 27, 1909-1918. doi: 10.1002/joc.1620

CrossRef Full Text

Masson, V. (2006). Stedelijke oppervlaktemodellering en de impact van steden op mesoschaal. Theor. Appl. Climatol. 84, 35-45. doi: 10.1007/s00704-005-0142-3

CrossRef Full Text

Muller, C. L., Chapman, L., Grimmond, C. S. B., Young, D. T., and Cai, X. (2013). Sensors and the city: a review of urban meteorological networks. Int. J. Climatol. 33, 1585-1600. doi: 10.1002/joc.3678

CrossRef Full Text

National Research Council. (1998). De Atmosferische Wetenschappen: Entering the Twenty-First Century. Washington, DC: The National Academies Press.

Pielke, R. A. Sr., and Wilby, R. L. (2011). Regional climate downscaling-what’s the point? EOS 93, 52-53. doi: 10.1029/2012EO050008

CrossRef Full Text

Wang, C. (2013). Impact of anthropogenic absorbing aerosols on clouds and precipitation: a review of recent progresses. Atmos. Res. 122, 237-249. doi: 10.1016/j.atmosres.2012.11.005

CrossRef Full Text

Yang, J., Gong, P., Fu, R., Zhang, M., Chen, J., Liang, S., et al. (2013). De rol van satelliet remote sensing in klimaatveranderingsstudies. Nat. Clim. Change 3, 875-883. doi: 10.1038/nclimate1908

CrossRef Full Text

Geef een antwoord

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd.