De natuurwetenschappelijke basis

Wolken vangen met technieken uit de film

Interview met Chiel van Heerwaarden

Veldonderzoek met cumuluswolken op de sterrenwacht in het Duitse Falkenberg. Een toren met observatie-instrumenten en een zonnestralingssensor op de voorgrond. Foto: Wouter Mol

Klimaatverandering zorgt voor weersextremen: door de opwarming van de aarde neemt de kans op extreme hitte, regenval en droogte toe. Wolken spelen daarin een belangrijke maar ongrijpbare rol. De groep van WIMEK-onderzoeker Chiel van Heerwaarden probeert ze te vangen in een 3D-model, met het detail van landschapsschilder Van Ruisdael en technieken uit de filmwereld.

Extreem weer komt steeds vaker voor. Denk aan de hittegolven en extreme droogte in de zomers van 2018-2020, of de extreme regenval in Limburg vorig jaar. Een ander voorbeeld van extreem weer was de lente van 2020, de zonnigste lente van de afgelopen eeuw. Hoewel van één geval van extreem weer lastig te zeggen is of het door klimaatverandering komt, is de trend wel dat de kans op zulke extremen groter wordt. Chiel van Heerwaarden, universitair docent bij de leerstoelgroep Meteorologie en Luchtkwaliteit en verbonden aan het Wagenings Instituut voor Milieu en Klimaatstudies (WIMEK), ontwikkelt nauwkeurigere weermodellen die de grilligheid van het toekomstige klimaat beter kunnen voorspellen. Hij richt zich daarbij op wolken. Het doorgronden van wolken kan niet alleen ons begrip van klimaatverandering verbeteren, het helpt ook netbeheerders rekening te houden met pieken en dalen in zonne-energie.

Schaduw

Als er iets veranderlijk is in het weer, zijn het de wolken. Dat maakt het ook zo lastig om ze te voorspellen, terwijl juist die informatie essentieel is, aldus Van Heerwaarden: “Die informatie hebben we nodig voor de energietransitie. We willen namelijk weten hoe zonnestraling fluctueert boven zonneparken, zodat netbeheerders het elektriciteitsnet stabiel kunnen houden. Daarvoor moeten we wolken begrijpen.” Zonnepanelen zorgen bij onbewolkt weer voor een piek op het elektriciteitsnet. Zo’n piek kan het net overbelasten. Van Heerwaarden: “De weermodellen van dit moment kunnen individuele wolken nog niet voorspellen.”

“

Voor de huidige weermodellen zijn wolken nog ongrijpbaar

De kans op extreem weer, zoals hevige regenval, wordt steeds groter. Foto: Shutterstock

Voor de huidige weermodellen zijn wolken dus nog ongrijpbaar. De nauwkeurigheid van modellen van het KNMI gaat tot twee kilometer, maar de meeste wolken zijn stukken kleiner. Daarnaast geeft het KNMI-model de kans op bewolking aan, terwijl wolken niet statisch zijn, maar overtrekken en dus een bepaalde tijd schaduw werpen op het land. Hoe verbeter je die voorspelling? “Met twee pijlers”, legt Van Heerwaarden uit. “Ten eerste door nauwkeuriger te meten en ten tweede met een beter model voor wolken.” Zijn groep werkt aan beide pijlers binnen het grote NWO-project ‘Shedding Light On Cloud Shadows’, dat in oktober 2019 begon.

Pijler 1: Wolken meten

“Binnen het NWO-project heeft collega-onderzoeker Bert Heusinkveld een goedkoop instrument ontwikkeld om licht nauwkeurig te meten, zodat we de interactie tussen wolken en zonlicht beter kunnen begrijpen”, vertelt Van Heerwaarden. “Normaliter kost een lichtmeter een paar duizend euro. Deze lichtmeter kost zo’n 100 euro en meet tien keer per seconde al het licht – van UV naar zichtbaar licht en nabij-infrarood. Omdat het instrument goedkoop is, kunnen we er tientallen uitzetten op 50 meter afstand van elkaar in een raster in het veld. Met die nauwkeurigheid in ruimte en tijd kunnen we wolken zien overtrekken in onze metingen van zonlicht.” In twee ‘veldcampagnes’ in Duitsland en Spanje bewezen Van Heerwaarden en collega’s dat de lichtmeter werkt. Uit die eerste metingen komen verrassende resultaten. Een wolk die schaduw werpt zorgt niet altijd voor minder zonlicht op het land. Van Heerwaarden: “Soms valt er meer licht op de grond bij een lucht met gebroken wolken dan bij een lucht die helemaal blauw is. Dat komt omdat je niet alleen direct zonlicht opvangt, maar ook licht dat verstrooid wordt op de randen van wolken. Die pieken zien we met deze lichtmeters over het land trekken en zorgen soms voor wel 20 procent meer zonne-energie dan bij strakblauwe lucht.”

Het licht dat verstrooid wordt door de randen van wolken kan soms juist meer zonne-energie opleveren. Foto: Shutterstock

Pijler 2: Wolken maken

Voor de tweede pijler, een beter model voor wolken, hebben Van Heerwaarden en collega’s een virtueel laboratorium gemaakt waarin ze wolken simuleren met een realistische 3D-structuur. “We gaan naar modellen waarin weer niet langer abstract is, maar waarin computermodellen namaken wat je buiten ziet. Dat fascineert me. Het doet me denken aan het schilderij ‘Gezicht op Haarlem met bleekvelden’ van Van Ruisdael, met allerlei patronen van schaduwen en wolken. Dat is het detailniveau waar je aan moet denken.” In zijn computersimulaties kijkt Van Heerwaarden hoe licht voortbeweegt door de wolken heen. Daarbij gebruiken ze vloeistofdynamica – de natuur- en wiskunde die het gedrag van vloeistoffen en gassen beschrijft – om de wolkenbewegingen te simuleren. Het model simuleert de wolken op tien meter precisie. Hij is enthousiast over het model: “Voor het eerst kunnen we wolken in detail en realistisch simuleren. Dat biedt de kans om allerlei spectaculaire weerfenomenen beter te begrijpen, zoals orkanen, grote onweersbuien en misschien zelfs tornado’s. Veel daarvan is moeilijk te meten. Met de combinatie van metingen en simulatiemodellen kunnen we een grote stap maken in onze fundamentele kennis.”

Leren van de filmindustrie

Toch vangen zulke 3D-simulaties van wolken de interactie tussen wolken en zonlicht nog onvoldoende. Van Heerwaarden wijst op het eerdergenoemde effect dat ze zagen met de lichtmeters: verstrooiing van zonlicht op de rand van wolken zorgt voor meer zonne-energie op de grond. “In onze huidige modellen verplaatst het zonlicht zich in een rechte lijn naar het aardoppervlak waardoor de lichtval in schaduwen niet klopt. Als we de landschappen van Van Ruisdael in onze simulaties willen zien, moeten we dit oplossen.”

“

Een deel van de oplossing vinden ze in de game- en filmindustrie

Een 3D-animatie van wolken en koude poelen van een Tropische Convectie. Video: Wouter Mol

Die oplossing vinden ze in de game- en filmindustrie. Waar animatiestudio’s zoals Disney’s Pixar voorheen de lichtbronnen, schaduwen en lichtval handmatig tekenden, simuleren ze nu hoe licht echt werkt: met lichtstralen vanuit de lichtbron die op de omgeving vallen, reflecteren en verstrooien. Die techniek heet ray tracing. Met deze techniek wil Van Heerwaarden de inzichten uit de 3D-wolken vertalen naar 2D-plaatjes van de hoeveelheid zonlicht die op het landoppervlak valt. Zo kan hij precies zien hoe snel en hoe sterk het zonlicht fluctueert boven een zonnepark.

Weermodel van de toekomst

De 3D-modellen hebben wel een beperking: ze zijn tijdsintensief. Van Heerwaarden laat zijn wolken simuleren door de nationale supercomputer Snellius in Amsterdam. “Die heeft een rekenkracht van minstens 10.000 gewone computers. Met deze supercomputer simuleren we ongeveer een dag bewolking in een dag. Dat helpt ons begrijpen hoe wolken werken, maar voor een weerbericht is het weinig zinvol: je hebt de uitkomst als de dag voorbij is.”

Bovendien is zo veel detail niet nodig. De meteorologen zoeken daarom naar een compromis. “De grote vraag is of we slimme methoden kunnen bedenken waarin we 2D-plaatjes van lichtval kunnen maken zonder alle computerkracht die nodig is voor ray tracing”, aldus Van Heerwaarden. “Wellicht kunnen we met slimme statistiek of machine learning direct leren hoe het 2D-plaatje eruitziet als we het wolkenveld kennen.” Ook op wereldschaal werkt Van Heerwaarden aan betere modellen. Hij doet mee aan het Europese NextGEMS-project, Next Generation Earth Modelling Systems, een samenwerking tussen veertien landen om betrouwbaardere weermodellen te ontwikkelen op wereld- en regioschaal, inclusief extreem weer. Ze willen daarvoor de precisie van klimaatmodellen opschroeven van 100 naar 1 kilometer. “Het detailniveau is zoveel hoger. Als we daarin klimaatverandering simuleren, ontdekken we misschien veranderingen in wolkenvorming die we voorheen niet zagen.” Zo kan Nederland zich voorbereiden op de volgende hittegolf of stortregen, en ondertussen zorgen dat het energienet elke piek in zonne-energie benut.