Hoe Klimaatverandering en Variabiliteit de Hydrologische Cyclus Beïnvloeden: Impact en Risico's

Voor het beoordelen van de beschikbaarheid van waterbronnen in de toekomst en het identificeren van potentiële risico's van rampen als gevolg van klimaatverandering, moet de invloed van de veranderende klimaatomstandigheden op de hydrologische cyclus in kaart worden gebracht (Bisht et al. 2020). Klimatologische projecties afkomstig van Aardmodelsystemen (ESMs) bieden cruciale inzichten in de toekomstige ontwikkeling van het klimaat van de aarde onder verschillende scenario's. De verandering in de reactie van de aarde, met name op het gebied van hydrologie, als gevolg van klimaatverandering, kan worden bepaald door het toepassen van een geschikt hydrologisch modelleringskader. Dit stelt beleidsmakers in staat om zich voor te bereiden en weloverwogen beslissingen te nemen.

De Wereld Meteorologische Organisatie (WMO 2017) beveelt aan om klimaatdata over een periode van minstens 30 jaar te gebruiken om de normale staat van het klimaat in een regio te bestuderen. Interessant is dat de keuze voor een periode van 30 jaar oorspronkelijk werd gemaakt omdat er destijds slechts 30 jaar aan data beschikbaar was. Geleidelijk aan werd het gebruik van 30 jaar aan gegevens de standaard voor het vergelijken van de wereldwijde klimaatomstandigheden. Daarom wordt het klimaat van een regio gedefinieerd als de gemiddelde weersomstandigheid over een periode van 30 jaar. Deze periode moet drie opeenvolgende decennia beslaan, bijvoorbeeld 1960–1990, 1971–2000, en 1991–2020.

Door de opwarming van de aarde is niet alleen de gemiddelde staat van het klimaat veranderd, maar ook de frequentie en ernst van extreme gebeurtenissen, samen met de variabiliteit in jaar-op-jaar weerpatronen (Thornton et al. 2014). Deze veranderingen hebben een aanzienlijke impact op de waterzekerheid, voedselzekerheid, energiezekerheid, biodiversiteit en de socio-economische balans van regio's. Klimaatverandering en -variabiliteit kunnen worden begrepen aan de hand van de waarschijnlijkheidsverdelingen van klimaatindicatoren.

Een typisch voorbeeld van klimaatverandering, -variabiliteit en -extremen wordt geïllustreerd in Fig. 5.1, die de wijziging van het temperatuursprofiel toont, zowel met als zonder klimaatverandering. Fig. 5.1a toont een verschuiving in de gemiddelde klimaatstaat naar een warmer wereldbeeld, waardoor warme weersomstandigheden minder vaak voorkomen dan voorheen. In tegenstelling hiermee toont Fig. 5.1b een toegenomen variabiliteit, waarbij zowel koude als hete extremen vaker voorkomen zonder dat de gemiddelde staat van het klimaat verandert. Fig. 5.1c toont een wijziging in de verdeling van temperatuurwaarden, waarbij meer extreme hitte dan kou voorkomt als gevolg van een verschuiving in het temperatuurprofiel.

De Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC 2012a) definieert klimaatverandering als "een verandering in de staat van het klimaat die geïdentificeerd kan worden door veranderingen in het gemiddelde en/of de variabiliteit van de eigenschappen ervan, en die zich over een langere periode voordoet, meestal decennia of langer." De Verenigde Naties Klimaatverdrag (UNFCCC 1992) maakt een duidelijk onderscheid tussen antropogene en natuurlijke oorzaken van klimaatverandering. Volgens de UNFCCC wordt klimaatverandering gedefinieerd als "een verandering van het klimaat die direct of indirect kan worden toegeschreven aan menselijke activiteiten die de samenstelling van de wereldatmosfeer wijzigen, en die bovenop de natuurlijke klimaatvariabiliteit die over vergelijkbare tijdsperioden wordt waargenomen."

Het smelten van het ijs in de Poolgebieden biedt een goed voorbeeld van de gevolgen van klimaatverandering. Het zee-ijs in de Arctische regio smelt sneller dan voorheen door de stijgende temperaturen als gevolg van klimaatverandering. Dit ijsverlies veroorzaakt aanzienlijke veranderingen in het Arctische ecosysteem en beïnvloedt de mensen die afhankelijk zijn van het ijs voor hun levensonderhoud. Bijvoorbeeld, Inuit-gemeenschappen in Canada zijn steeds meer afhankelijk van het ijs voor jacht en transport. Vanwege het smeltende ijs hebben zij nu steeds meer moeite om traditionele jachtgebieden te bereiken.

Klimaatvariabiliteit verwijst daarentegen naar de afwijkingen in de gemiddelde klimaatomstandigheden, die zich zowel op kleinere tijdschaal als over grotere geografische gebieden kunnen voordoen. Een jaar dat warmer of kouder is dan de voorgaande vijf jaren is een voorbeeld van klimaatvariabiliteit. Ruimtelijke variabiliteit van het klimaat kan ontstaan door verschillende factoren zoals geografie, topografie, oceaanstromingen en atmosferische circulatiepatronen. Kustgebieden kunnen een ander klimaat hebben dan binnenlandse regio's vanwege oceaanstromingen en nabijheid van de zee. Bergachtige gebieden kunnen andere klimaatomstandigheden ervaren dan laaggelegen gebieden door de hoogte en de invloed van de topografie op de atmosferische circulatie.

Endtext

Hoe zal de integratie van hydrologiemodellen bijdragen aan de toekomst van waterbeheer?

Hydrologiemodellen zijn van grote waarde wanneer ze gekoppeld worden aan duidelijke verklaringen van betrouwbaarheid of nauwkeurigheid. Alleen staan ze vaak in de weg van een brede toepassing, omdat zonder deze helderheid hun bruikbaarheid beperkt is. De integratie van hydrologische modellen met andere wetenschappen is essentieel voor een gedegen en toekomstbestendig waterbeheer. Dit wordt in toenemende mate gestimuleerd door maatschappelijke eisen voor geïntegreerd milieu- en waterbeheer. De behoefte aan globalisering in het modelleren van het hydrologische systeem, die biologische, chemische en fysische aspecten van de hydrologische cyclus omvat, groeit voortdurend. Bovendien heeft de opkomst van nieuwe technologieën, zoals kunstmatige neurale netwerken, remote sensing, satelliettechnologie, geografische informatiesystemen, visuele grafieken en databankbeheer, het potentieel om deze integratie aanzienlijk te bevorderen.

Een belangrijke uitdaging in de ontwikkeling van hydrologiemodellen is de noodzaak om de snel evoluerende ontwikkelingen in datawetenschap, statistische en wiskundige hulpmiddelen, en intelligente systemen te omarmen. Het gebruik van remote sensing, radar- en satelliettechnologieën heeft ons in staat gesteld om grote, ontoegankelijke gebieden te observeren en deze gebieden ruimtelijk in kaart te brengen. Dit vergemakkelijkt de ontwikkeling van gedistribueerde modellen voor zowel bemeten als onbezochte watersheds. Deze modellen vereisen grote hoeveelheden gegevens die efficiënt beheerd, opgehaald en gemanipuleerd kunnen worden via systemen zoals GIS en DBMS. Dankzij de onbeperkte rekenkracht die tegenwoordig beschikbaar is, kunnen deze modellen steeds geavanceerder worden, wat in de toekomst nog verder zal toenemen.

Met de toename van technologische mogelijkheden neemt ook de complexiteit van hydrologische modellen toe. Het is niet langer voldoende om eenvoudige wiskundige benaderingen te gebruiken. De modellering van het hydrologische proces vereist nu dat systemen kunnen leren van gebruikers en empirische gegevens, wat hen in staat stelt om met meer precisie te voorspellen en te reageren op veranderingen in het watersysteem. Expertensystemen kunnen daarbij veel van de hydrologische functies uitvoeren, wat bijdraagt aan de praktische toepassing van deze modellen in het waterbeheer.

Hydrologische modellen zijn inmiddels gangbare hulpmiddelen geworden voor de planning, ontwikkeling, het ontwerp, de werking en het beheer van watervoorraden. De toepassing van waterbekkenhydrologiemodellen op water- en milieubeheer zal naar verwachting groeien. De modellen moeten praktische instrumenten worden die bruikbaar zijn in de planning en besluitvorming, en ze moeten in staat zijn om te integreren met economische, sociale, politieke, administratieve en juridische modellen. Dit maakt ze onmisbaar voor een breed scala aan besluitvormers, van overheden tot bedrijven en wetenschappelijke instellingen.

De mogelijkheid om gegevens over grote en ontoegankelijke gebieden te observeren en deze ruimtelijk in kaart te brengen, heeft het mogelijk gemaakt om gedistribueerde modellen te ontwikkelen voor zowel gemeten als ongemeten waterbekkens. Deze modellen vereisen aanzienlijke hoeveelheden gegevens die kunnen worden opgeslagen, opgehaald, beheerd en gemanipuleerd via GIS en databankbeheersystemen. Dit is mogelijk geworden door de ongekende rekenkracht die tegenwoordig beschikbaar is, en deze technologie zal in de toekomst alleen maar verder verbeteren.

Er is een toenemende vraag naar de verzameling van gegevens en het gebruiksvriendelijk maken van hydrologische modellen. Naarmate de technologieën zich verder ontwikkelen, zal de toepassing van intelligente technieken in hydrologische modellen steeds belangrijker worden. Deze vooruitgangen zullen niet alleen de nauwkeurigheid van de modellen verbeteren, maar ook hun bruikbaarheid in het dagelijkse beheer van waterbronnen versterken.