Landgebruik kan via de kleine waterkringloop het lokale klimaat direct beïnvloeden. Dit wordt in beleid vaak nog niet meegenomen. Meer onderzoek is nodig naar interacties tussen land en atmosfeer en de uitwerking daarvan op specifieke beleidsvraagstukken.
Geschreven door Jessica Ruijsch, Ryan Teuling, Ronald Hutjes (Wageningen University & Research), Marco de Redelijkheid (waterschap Limburg), Hetty Adams (Rijksdienst voor Ondernemend Nederland)
De impact van wereldwijde klimaatverandering, veroorzaakt door een toename van door menselijk toedoen uitgestoten broeikasgassen, wordt ook in Nederland steeds sterker voelbaar. Zo nemen periodes met veel neerslag toe, maar tegelijkertijd ook de periodes van extreme droogte. De meest recente klimaatscenario’s van het KNMI voorspellen dat de gemiddelde jaartemperatuur in 2050 tussen de 0,8 en 1,5 ˚C hoger is dan nu. Tegelijkertijd krijgt Nederland te maken met nattere winters en drogere zomers [1]. Naast wereldwijde mitigatie van klimaatverandering door de beperking van uitstoot, is het daarom hard nodig het land zelf aan te passen aan de gevolgen van klimaatverandering: klimaatadaptatie.
Vele landelijke en regionale programma’s zetten al in op maatregelen voor klimaatadaptatie in zowel de stad als het buitengebied. Denk hierbij aan het verhogen van dijken en het verbreden van de uiterwaarden, maar ook het vergroten van de hoeveelheid groen in steden en op het platteland. Er is consensus over de noodzaak om Nederland zo in te richten en te gebruiken dat schade en onveiligheid door weersextremen acceptabel blijven.
Bij al deze maatregelen wordt echter nauwelijks rekening gehouden met het feit dat de ruimtelijke inrichting ook op een meer directe manier het klimaat kan beïnvloeden. Historische en toekomstige keuzes in landgebruik veranderen namelijk de fysische eigenschappen van het aardoppervlak. Dit beïnvloedt de verdamping, temperatuur, atmosferische convectie en zelfs de hoeveelheid neerslag. Een deel van de neerslag komt immers niet van grootschalige weersystemen, maar ontstaat door recente verdamping boven land. Deze lokale recycling van vocht wordt ook wel de kleine waterkringloop genoemd.
Dit roept de vraag op wat eeuwenlange ontbossing, ontwatering, ontginning en verstedelijking heeft gedaan met de land-atmosfeerinteracties in Europa. Maar ook of het nu mogelijk is om door bewuste (grote of kleine) veranderingen in landgebruik de kleine waterkringloop - en daarmee weerpatronen - lokaal of regionaal te beïnvloeden. En maakt dat Nederland beter bestand tegen toekomstige veranderingen in het klimaat? Kan met keuzes in landgebruik de lokale waterbeschikbaarheid worden vergroot, als zomers droger worden en winters natter? In dit artikel worden deze vragen besproken aan de hand van een beschrijving van de relevante land-atmosfeerinteracties, op basis van recent uitgevoerd literatuuronderzoek [2].
Een coalitie van Limburgse partijen (bestaande uit Natuur en Milieufederatie Limburg, waterschap Limburg, RVO, provincie Limburg en de Limburgse Voedselbosbrigade) vindt dat er snel meer onderzoek nodig is naar de rol van deze interacties tussen land en atmosfeer op zowel Nederlandse als euregionale schaal. Op dit moment staat een aantal grootschalige landelijke en regionale herontwikkelingen van de ruimtelijke indeling gepland, waaronder het Nationaal Programma Landelijk Gebied (NPLG), de Programmatische Aanpak Grote Wateren (PAGW), het programma NOVEX (Nationale Omgevingsvisie), provinciale Bossenstrategieën en het Programma Waterveiligheid en Ruimte Limburg (WRL). Daarom is dit een goed moment om aan de hand van beschikbare kennis te evalueren in hoeverre de kleine waterkringloop een rol kan spelen in het klimaatbestendig maken van Nederland.
De kleine waterkringloop
Op wereldwijde of continentale schaal zijn de zee, het land en de atmosfeer verbonden via de grote waterkringloop (afbeelding 1). Water verdampt vanuit zee of land en wordt in de atmosfeer via grootschalige weersystemen getransporteerd. Als de waterdamp condenseert en boven land uitregent, wordt het via rivieren of grondwater terug naar zee getransporteerd. Daarnaast zijn er verschillende reservoirs waar water langere tijd opgeslagen kan worden, zoals ijs, permafrost, meren en rivieren en de bodem (grondwater). Via deze grote waterkringloop kan water over grote afstanden verplaatst worden. Hoewel in Nederland een groot deel van de neerslag wordt aangevoerd door grootschalige weersystemen, wordt tot ongeveer 30 procent van de neerslag gevormd door recente verdamping boven land [3].
Deze kleine cyclus van verdamping, condensatie en neerslag boven land wordt ook wel de kleine waterkringloop genoemd (afbeelding 1) [4]. Het relatieve belang van deze kleine waterkringloop hangt af van hoe sterk het landoppervlak en de atmosfeer gekoppeld zijn. Vooral in tropische gebieden vindt veel lokaal vochttransport plaats en is de koppeling tussen land en atmosfeer groot [5]. Bossen houden daarmee, volgens de ‘biotic pump’-theorie, een eigen kleine waterkringloop in stand, doordat regenvorming extra wind zou genereren die weer extra vocht aanvoert. Hoewel het mechanisme van specifiek deze theorie onderwerp is van debat, staat het buiten kijf dat bossen via de kleine waterkringloop ook op grotere schaal weerpatronen beïnvloeden.
Afbeelding 1. Conceptuele illustratie van de grote (blauwe pijlen) en kleine waterkringloop (groene pijlen)
Landgebruik en lokale land-atmosfeerinteracties
Landgebruik beïnvloedt, via interacties tussen land en atmosfeer en veranderingen in fysische eigenschappen van het landoppervlak, de intensiteit van de kleine waterkringloop. Dit wordt uitgelegd aan de hand van twee voorbeelden van verandering in landgebruik: verstedelijking en herbebossing.
Bossen hebben over het algemeen een lager albedo (de hoeveelheid zonlicht die wordt gereflecteerd) dan grasland. Dit bekent dat door herbebossing minder inkomende zonnestraling wordt gereflecteerd aan het aardoppervlak en meer energie wordt geabsorbeerd. De exacte grootte van de albedoverandering hang af van het type vegetatie, de grootte en ouderdom van de bomen en het seizoen [6]. Deze geabsorbeerde energie wordt deels teruggebracht naar de atmosfeer via de verdamping van water. Dit wordt de latente warmteflux genoemd. De resterende energie wordt gebruikt voor het opwarmen van de grond en de atmosfeer via de zogeheten voelbare warmteflux.
Over langere tijd verdampt er uit bossen meer water dan uit grasland. Dit betekent dat er minder energie beschikbaar is om de atmosfeer op te warmen, waardoor de temperatuur omlaag gaat. Tegelijkertijd is er door de lage albedo een grotere hoeveelheid energie beschikbaar. Hierdoor kan herbebossing in sommige situaties leiden tot opwarming en in andere tot afkoeling.
Op mondiale schaal is de opwarming door albedo vooral belangrijk in noordelijke boreale gebieden, terwijl de afkoeling door verdamping zeer sterk is in tropische gebieden [7]. In gematigde gebieden zoals Nederland is de verdamping in de winter boven bossen hoger dan boven grasland. In zomerse situaties is de verdamping juist iets lager doordat bomen het beschikbare water strenger reguleren [8]. Hierdoor is de voelbare warmteflux boven bossen vaak hoger. Toch is de temperatuur boven, en zeker in, het bos vaak lager bij herbebossing. Dit komt door de hogere oppervlakteruwheid en een efficiëntere uitwisseling van energie met de atmosfeer [9].
Ook stedelijke gebieden nemen door het donkere oppervlak van asfalt en bebouwing een groot deel van de energie op. Daarnaast hebben ze door de afwezigheid van vegetatie een lagere verdamping dan landelijke gebieden. Door dit zogenaamde ‘urban heat island’-effect leidt verstedelijking vaak tot opwarming, met een lagere latente warmteflux en hogere voelbare warmteflux. Het vergroten van de hoeveelheid vegetatie draagt dan ook bij aan een aangenamer klimaat in steden. Het lijkt dus duidelijk dat zowel herbebossing als verstedelijking een effect heeft op de lokale temperatuur, iets waarmee in het ruimtelijke beleid rekening gehouden kan worden.
Meer neerslag door atmosferische convectie en convergentie
Kan landgebruik dan via de kleine waterkringloop ook neerslaag creëren, en kan de neerslag gelijkmatiger over Nederland worden verdeeld? Hoewel neerslag in Nederland maar voor 30% door recente verdamping wordt gevormd, kan landgebruik via land-atmosfeerinteracties de hoeveelheid neerslag op twee manieren vergroten.
Het eerste proces is atmosferische convectie. Landgebruiksveranderingen, zoals grootschalige herbebossing, leiden door de hogere voelbare warmteflux en oppervlakteruwheid, tot een hogere atmosferische grenslaag. Dit is de onderste atmosferische laag die direct door het landoppervlak wordt beïnvloed. Tegelijkertijd bevat de atmosfeer meer vocht doordat bossen over langere tijds meer laten verdampen dan grasland. Op het moment dat de groeiende atmosferische grenslaag het condensatieniveau van water bereikt, wordt het verdampte water tot een hoogte gebracht, waarbij er wolken en neerslag kunnen ontstaan (afbeelding 2).
Ook organische aerosolen die gevormd worden door bossen bevorderen als condensatiekernen de vorming van wolken en neerslag. Convectie speelt in Nederland vooral in de zomer een rol bij het creëren van neerslag. Hoewel steden over het algemeen minder verdampen dan buitengebieden, kan ook verstedelijking door de hoge oppervlakteruwheid en voelbare warmteflux leiden tot een toename in convectieve neerslag.
Afbeelding 2. Het lokale effect van herbebossing op neerslag onder convectieve condities. In de afbeelding zijn de voelbare warmteflux (H), latente warmteflux (LE), temperatuur (T), de atmosferische grenslaag (ABL) en het condensatieniveau (LCL) weergegeven. Turbulentie door oppervlakteruwheid is weergegeven met de ronde pijlen
|
De energiebalans aan het aardoppervlak en atmosferische convectie |
Het tweede proces is convergentie. Bossen hebben vaak een ruwer oppervlak dan grasland door de hoogte van de bomen. Onder frontale condities wordt de aangevoerde vochtige lucht afgeremd door deze oppervlakteruwheid. Hierdoor beweegt de vochtige lucht omhoog en condenseert [10]. Deze convergentie bevordert dus neerslag boven bossen (afbeelding 3). Dit verschijnsel krijgt in de literatuur minder aandacht dan convectie. Toch kan herbebossing hierdoor ook bij de afwezigheid van convectieve condities de neerslag lokaal bevorderen. Ook boven steden lijkt convergentie een rol te spelen bij het creëren van neerslag.
Afbeelding 3. Het lokale effect van herbebossing op neerslag onder frontale condities. In de figuur zijn de voelbare warmteflux (H), latente warmteflux (LE), temperatuur (T), de atmosferische grenslaag (ABL) en het condensatieniveau (LCL) weergegeven. Convergentie is aangegeven met de grote grijze pijlen
Als de hoeveelheid vocht in de atmosfeer toeneemt door verdamping, kan atmosferische convectie leiden tot een toename in neerslag, wat te zien is als het ‘zaaien’ van regen. Door convergentie daarentegen wordt het al aanwezige vocht in de lucht afgevangen door een hogere oppervlakteruwheid, wat te zien is als ‘oogsten’. Zowel convergentie als convectie speelt in Nederland een rol bij het vergroten van de lokale neerslag boven bossen en steden. Modelstudies op regionale schaal in Nederland voorspellen dat herbebossing een groter effect op de neerslag heeft onder frontale condities in de winter dan onder convectieve condities in de zomer.
Op basis van beschikbare literatuur kan geschat worden dat grootschalige herbebossing in de zomer kan leiden tot een toename van 6 procent in de lokale neerslag in Nederland. In de winter is deze toename 13 procent [2]. Op Europese schaal is de neerslag boven bos significant hoger dan boven grasland. Uniforme herbebossing over het gehele continent leidt in Nederland dan ook tot een lichte lokale verhoging van neerslag. Ook deze toename vindt echter vooral plaats in de winter. Daarnaast heeft grootschalige herbebossing door veranderingen in atmosferische circulatie ook een effect op de benedenwindse neerslag. Hierdoor heeft bovenwindse herbebossing in bijvoorbeeld Frankrijk een groter effect op de neerslag in Nederland dan herbebossing in Nederland zelf [11].
Waterbeschikbaarheid en niet-lokale (neven)effecten
Zowel het ‘zaaien’ als het ‘oogsten’ van neerslag heeft invloed op de lokale en niet-lokale waterbeschikbaarheid. De grootschalige waterbeschikbaarheid in een gebied kan namelijk gezien worden als een balans tussen inkomend water door neerslag en uitgaand water door verdamping. Hoewel herbebossing door convectie de hoeveelheid neerslag kan vergroten, zorgt het ook voor meer verdamping. Door deze toename in verdamping heeft historische herbebossing in gebieden als de Veluwe geleid tot een afname in grondwaterstanden en rivierafvoeren [12].
Of het verdampte water de waterschikbaarheid vervolgens vergroot, hangt daarom sterk af van de vraag of de gevormde neerslag lokaal of niet-lokaal valt. Hoewel het afvangen van vocht door convergentie boven bossen en steden lokaal de neerslag kan vergroten, kan dit echter ook betekenen dat er benedenwinds minder vocht beschikbaar is. Verdere verstedelijking in Nederland leidt bijvoorbeeld weliswaar tot een toename in neerslag boven- en direct benedenwinds van steden, maar de gemiddelde neerslag in Nederland als geheel neemt af door een afname in vegetatie en verdamping [13]. Naar deze niet-lokale (neven)effecten van landgebruiksveranderingen is nog weinig onderzoek gedaan.
Het lijkt er dus op dat zowel verstedelijking als herbebossing neerslag lokaal kan bevorderen. De vraag is echter of dit ook leidt tot een toename in waterbeschikbaarheid op de momenten en plaatsen waar dit nodig is. Zo leidt herbebossing vooral in de winter, onder frontale condities, tot een toename in neerslag. Omdat verwacht wordt dat de zomers droger worden en de winters natter [1], is het onduidelijk of dit een gunstig effect is zolang dit water niet wordt opgeslagen voor droogte in latere seizoenen. Wel kunnen bossen door de grotere wortelingsdiepte een grotere watervoorraad aanspreken, waardoor ze in tijden van droogte langer kunnen blijven verdampen dan graslanden [14].
Dit kan extreme hitte in tijden van droogte mitigeren. Ook de toename van de hoeveelheid neerslag boven steden vergroot wellicht niet de waterbeschikbaarheid waar het nodig is, omdat veel water in steden snel wordt afgevoerd door de grote hoeveelheid ondoorlatende oppervlakken. Daarnaast zijn steden zeer kwetsbaar voor wateroverlast tijdens extreme regenbuien.
Implicaties voor beleid
Op basis van de huidige kennis kan dus worden gesteld dat landgebruik via land-atmosfeerinteracties neerslag en waterbeschikbaarheid lokaal en benedenwinds kan vergroten of verkleinen. Om water gelijkmatig te verdelen over verschillende sectoren en gebieden is het daarom nodig om te bepalen hoe de kleine waterkringloop meegenomen kan worden in ruimtelijke keuzes [15].
Het is echter nog onduidelijk hoe groot een verandering in landgebruik moet zijn om een effect op de waterbeschikbaarheid te hebben, en of het patroon in landgebruik iets uitmaakt. Daarvoor is meer kennis nodig over het effect van specifieke landgebruiksveranderingen op een specifieke locatie in Nederland. Hierbij kan bijvoorbeeld gekeken worden naar de effecten van schaal en ruimtelijke verdeling van landgebruik op de verdeling van neerslag en verdamping. Kan bijvoorbeeld met bomenrijen langs landbouwgebieden de hoeveelheid neerslag lokaal worden vergroot? En wat zou dan het effect op nabijgelegen gebieden zijn? En welke invloed heeft de vochttoestand van de bodem en de aanwezigheid van open water en moerassen?
Door de alsmaar toenemende rekenkracht kunnen atmosferische modellen op voldoende hoge resolutie draaien om deze kennislacunes te vullen, waarbij het onderzoek verschillende schalen (dag – seizoen – jaren en lokaal – regionaal – (inter)nationaal) moet beslaan. Dergelijk modelonderzoek geeft een verdieping van de beschikbare theoretische kennis naar land-atmosfeerinteracties die richtinggevend kan zijn bij specifieke herinrichtingsvraagstukken om de negatieve gevolgen van wereldwijde klimaatverandering in Nederland te beperken.
Naar aanleiding van de in dit artikel gestelde vragen is een literatuuronderzoek gedaan: Heeft landgebruik effect op ons weer? Literatuuronderzoek relatie landgebruik en klimaat op regionale en lokale schaal: De Kleine Waterkringloop, door Jessica Ruijsch, Ronald W.A. Hutjes & Adriaan J. Teuling, Wageningen University and Research [2].
|
Samenvatting |
REFERENTIES
1. Koninklijk Nederlands Meteorologisch Instituut (2023). KNMI'23 klimaatscenario's voor Nederland. 2023, KNMI: De Bilt.
2. Ruijsch, J., Hutjes, R.W.A., Teuling, A.J. (2023). Heeft landgebruik effect op ons weer? Literatuuronderzoek relatie landgebruik en klimaat op regionale en lokale schaal: De Kleine Waterkringloop. Wageningen University & Research: Wageningen. https://doi.org/10.18174/640643
3. Ent, R.J. van er, et al. (2010). ‘Origin and fate of atmospheric moisture over continents’. Water Resources Research, 2010. 46(9): p. W09525.
4. Sluis, H. van, ‘Bijzondere kwaliteiten van water (10) - water en de aarde’. H2O-Online, 27 januari 2022. https://www.h2owaternetwerk.nl/vakartikelen/bijzondere-kwaliteiten-van-water-10-water-en-de-aarde
5. Perugini, L., et al. (2017). ‘Biophysical effects on temperature and precipitation due to land cover change’. Environmental Research Letters, 2017. 12(5): p. 053002.
6. Oke, T.R. (1987). Boundary Layer Climates. 2nd ed. 1987: Routledge.
7. Bonan, G.B. (2008). ‘Forests and climate change: forcings, feedbacks, and the climate benefits of forests’. Science, 2008. 320(5882): p. 1444-1449.
8. Jansen, F.A. (2023). The potential of actual evaporation: A data-driven study of surface evaporation in the Netherlands. Wageningen University & Research.
9. Pitman, A.J. (2003). ‘The evolution of, and revolution in, land surface schemes designed for climate models’. International Journal of Climatology, 2003. 23(5): p. 479-510.
10. Maat, H. ter et al. (2013). ‘Exploring the impact of land cover and topography on rainfall maxima in the Netherlands’. Journal of Hydrometeorology, 2013. 14(2): p. 524-542.
11. Meier, R., et al. (2021). ‘Empirical estimate of forestation-induced precipitation changes in Europe’. Nature geoscience, 2021. 14(7): p. 473-478.
12. Witte, J.-P.M., Voortman, B., Nijhuis, K. (2019). ‘Met het historische landschap verdween er water van de Veluwe’. Stromingen, 2019. 33(1): p. 91-107.
13. Daniels, E.E., et al. (2015). ‘Land surface feedbacks on spring precipitation in the Netherlands’. Journal of Hydrometeorology, 2015. 16(1): p. 232-243.
14. Teuling, A.J., et al. (2010). ‘Contrasting response of European forest and grassland energy exchange to heatwaves’. Nature geoscience, 2010. 3(10): p. 722-727.
15. Wierik, S.A. te et al. (2020). ‘The need for green and atmospheric water governance’. Wiley Interdisciplinary Reviews: Water, 2020. 7(2): p. e1406.
