Hoog water in Terra Incognita

30-07-2021

Het waren bijzondere tijden de afgelopen weken. Na drie jaar in het “Nieuwe Normaal” van extreem droge zomers wil het dit jaar maar niet vlotten met dat neerslagtekort. En op het moment dat Frans Timmermans de Green Deal aankondigde begonnen de zware regens in de Ardennen en de Eiffel. Tijd voor een nieuw, nieuw normaal? Of is alles misschien altijd normaal geweest?

Waterellende

Water in huis. Als het je treft is het vreselijk. In mijn familiehistorie zitten de nodige verhalen. Niet van overstromingen van zee of imposante grote rivieren maar juist van kleine waterlopen in Oost-Nederland. Tot in de jaren 1960 overstroomden die met enige regelmaat. Dat kleine waterlopen, zoals Geul en Roer in Limburg, ellende kunnen geven heb ik van huis uit mee gekregen. Slachtoffers zijn er in mijn familie nooit gevallen, gelukkig.

Toen we de afgelopen drie jaar getroffen werden door droogte had ik altijd in mijn achterhoofd dat er ook weer hoog waters zouden komen. De maatschappij, met voorop de media, lijkt echter maar één probleem tegelijk aan te kunnen. Dus wat er ook gebeurt, het komt door het klimaat en het is een nieuw normaal. In de week van het hoog water kwam het afgestudeerden-blad van de TU Delft met een thema-nummer “Droogte”. En ik zie meer media momenteel publiceren over droogte. Ik vermoed dat de plannen voor de thema-nummers in het voorjaar zijn gemaakt met het gevestigde Nieuwe Normaal in het hoofd. Het effect is onbedoeld humoristisch.

Geen zekerheden

In Nieuwsuur verklaarde Peter Kuipers Munneke dat we in “Terra Incognita” zijn aangekomen. Zelf ben ik al meer dan 25 jaar geleden aangekomen in “Terra Incognita”. Als je professioneel werkt met water, dan weet je dat er geen zekerheden zijn. Droogte en nattigheid horen erbij. Dat is iets anders dan beweren dat je weet wat er komt en wanneer.

Toch is het gebruikelijk dat weersextremen met veel zekerheid gekoppeld worden aan klimaatverandering. Vlak voor de hoog waters op de Maas was er een hittegolf in het westen van de VS. Daarover verscheen een bericht dat na “dag en nacht doorwerken” binnen enkele dagen was vastgesteld dat dat door de klimaatverandering kwam. Deze berichten komen van de groep World Weather Attribution (WWA) waar ook het KNMI bij betrokken is. Blogger Cliff Mass had nog minder tijd nodig om deze studie met de grond gelijk te maken. Cliff Mass is professor in de meteorologie aan de universiteit van Washington (de staat) en is daarom heel goed op de hoogte van de lokale omstandigheden. Statisticus William Briggs publiceerde dit voorjaar een algemenere kritiek op “Weather Attribution Science”. Zijn betoog is wat breedlopig en kwalitatief van aard maar wel aardig om te lezen.

Het WWA zal ook onderzoek doen naar de hoog waters in Nederland, België en Duitsland. Deze keer minder snel. Het resultaat wordt half augustus verwacht en men zal “lokale deskundigen” erbij betrekken. Ik voorspel dat men wederom tot de conclusie komt dat deze gebeurtenis zonder klimaatverandering “vrijwel onmogelijk” zou zijn geweest. Met andere woorden: zeer afwijkend van wat we gewend waren.

Weather Attribution voor de Doe-Het-Zelver

William Briggs wijst erop dat onzekerheden het resultaat van een attributiestudie fundamenteel beinvloeden zonder dat hij daar sommen van laat zien. Geinspireerd door zijn verhaal heb ik me in deze blog begraven in de Maas-afvoeren. Kunnen we aantonen dat het klimaat invloed heeft? En is die invloed voldoende groot en zeker om er vanuit te gaan dat na de Green Deal overstromingen tot het verleden behoren? Het gaat me zoals gebruikelijk op deze plek meer om de zoektocht dan om het resultaat. Op alle stappen die ik zet valt het nodige af te dingen. Daar ben ik me van bewust, maar het is vrijdag dus klopt alles.

Eijsden in 1950

Ik heb de afvoeren van Eijsden Grens gedownload uit de schatkamer van Rijkswaterstaat, de website waterinfo. In Eijsden zijn de afvoeren vanaf 1950 te vinden. Hieronder het plaatje.

Afvoer Eijsden grens. Alle data (vanaf 1950)

Het plaatje laat mooi de grilligheid van de Maas zien. De afvoer varieert van bijna niets tot ook met regelmaat boven de 1000 m3/s.  Opvallend is dat in de latere periode (vanaf ongeveer 2008) de frequentie van inwinnen van data hoger is dan in het begin. In het begin van de serie wordt 1x per dag een waarde opgeslagen. Aan het eind 1x per 10 minuten. Een hogere inwinfrequentie leidt in de regel tot hogere piekwaarden. Daarvoor zou ik eigenlijk moeten corrigeren, maar dat laat ik nu achterwege.

In het vervolg van dit stuk neem ik de maximum afvoer in elk kalenderjaar. Daarvan bepaal en gebruik ik ook de trend. Hieronder het plaatje. Ook de onzekerheidsmarges rondom de trend staan erbij.

Maximum afvoer per jaar in Eijsden met trendlijn en onzekerheden

Om te bepalen of de kans op een afvoer als in 2021 is vergroot door klimaatverandering, moet ik een paar stappen zetten:

  • Ik moet bepalen wat de kans van optreden van deze afvoer zou zijn geweest in een wereld zonder klimaatverandering
  • Ik moet bepalen hoe de kans is veranderd als gevolg van klimaatverandering

Kortom, we moeten iets verzinnen over een wereld zonder klimaatverandering voordat we iets kunnen zeggen over een wereld mét. Ik gebruik de data tm 2020. In lijn met de conclusies van het IPCC neem ik aan dat de invloed van klimaatverandering in 1950 te verwaarlozen was. Ik ga daarom een set waarnemingen creëren die allemaal zijn gedaan in een fictief jaar 1950.

De jaarmaxima vertonen een toename van 2,5 m3/s per jaar. Deze wijt ik vandaag helemaal aan klimaatverandering. Waarnemingen uit latere jaren corrigeer ik naar 1950. Vervolgens kan ik de set afvoeren statistisch analyseren. Hieronder staat het resultaat. De gefitte lijn is een Weibull-verdeling, door één van mijn leermeesters ook weleens "Warboel-verdeling" genoemd.

Overschrijdingslijn van de afvoeren 1950 tm 2020 gecorrigeerd naar 1950 met een aanname van het klimaateffect. Het is gebruikelijk om de x-as te plotten op logaritmische schaal. Hier is een lineaire schaal gebruikt; dat laat beter zien dat we op basis van heel beperkte informatie (links) uitspraken proberen te doen over extremen (rechts)

En nu pakken we de recente meting uit 2021 erbij. De afvoer was 3179 m3/s, de hoogste waarde ooit gemeten (maar kijk op de blog waterpeilen.nl voor een mooie beschouwing over de onzekerheden). Geplot in de statistiek van 1950 is de terugkeerperiode afgerond 195 jaar, ofwel een gemiddelde overschrijdingsfrequentie van 1/195 per jaar.

Eijsden in 2021

Om de kans van de hoge afvoer van 2021 te bepalen in de huidige tijd moeten we de kansverdeling aanpassen naar hoe we denken dat hij nu zou moeten zijn. Je hoort momenteel veel over de wet van Clausius-Capeyron; één van de vele wetmatigheden die in het lab perfect kan worden aangetoond en waarvan de werking in de natuur met onzekerheden is omgeven. Volgens deze wet zou 1 graad temperatuurstijging leiden tot 7% hogere afvoer. De blogger Klimaatgek mooi over geschreven over deze relatie. Ik neem nu aan dat het klopt. Volgens de temperatuurreconstructie van het Hadley center (HadCrut5) is het op het Noordelijk Halfrond een graad warmer dan in 1950. Dat zou dan 7 % meer neerslag geven. Als ik dat dan ook nog rechtstreeks op de Maasafvoeren durf te projecteren, dan krijg ik het volgende plaatje.

Overschrijdingslijnen 1950 (met aangenomen correctie voor klimaat 1950) en 2020 (met aangenomen klimaateffect van 1950 tot 2020)

Als ik in deze nieuwe verdeling de afvoer in Eijsden van de afgelopen maand invul, dan heeft deze nu een terugkeerperiode van 100 jaar, ofwel een gemiddelde frequentie van overschrijden van 1/100 per jaar. En 1/100 delen door 1/195 geeft een toename van 95% van de kans van optreden!! Als gevolg van het klimaat!! Dit is het moment dat de gemiddelde journalist stopt met lezen en een stukkie gaat schrijven.

Onzekerheden verpesten het feestje

Inmiddels sta ik op een berg van aannames en voel ik het kaartenhuis onder mij wankelen. Een paar tekortkomingen van mijn aanpak:

  • Trends kan je statistisch toetsen. Het fitten van een trendlijn levert altijd wel een getal op. Met een toets kijk je of dat getal ook groot genoeg is om toeval uit te sluiten. Met zo'n toets blijkt de trend van de afvoeren die ik gebruikte (zie boven) niet significant. De trend is te klein ten opzichte van de variatie. Dat betekent dat ik de correctie naar 1950 had kunnen weglaten en dat, op basis van de afvoermetingen hadden mogen uitgaan van een min of meer stabiele wereld, gemiddeld gesproken dan
  • Extremen hebben de vervelende eigenschap dat ze weinig voorkomen. Het gevolg is dat de kansverdelingen zelf een onnauwkeurigheid hebben. Voor de ontwerppraktijk is afgesproken dat we die weglaten, al is er wel een academische lans te breken om het wel mee te nemen. Maar als we willen vaststellen of een verschil van 1/100 ten opzichte van 1/195 iets betekent moeten we die onzekerheid meenemen. Hieronder staat een plaatje waarbij ik van beide aangenomen verdelingen de onzekerheid heb meegenomen. Bedenk daarbij dat de onzekerheid van de gele lijn eigenlijk groter is omdat daarin de onzekerheid van het klimaateffect is overgeslagen. Tot boven 2500 m3/s overlappen de twee verdelingen elkaar. Daarboven hebben we te weinig metingen om een zinnig onderscheid te kunnen maken tussen de twee verdelingen.
Overschrijdingslijnen 1950 en 2020 met bandbreedtes

Kijkt u nog eens goed naar het plaatje. De bandbreedte lijkt klein, maar kijk eens bij de afvoer van 3100 m3/s. De terugkeerperiode ligt ongeveer tussen 80 jaar en 170 jaar (1950) of 50 jaar en 110 jaar (2020). Dergelijke grote bandbreedtes voor extreme situaties zijn normaal en worden veroorzaakt door de zeldzaamheid ervan. En we willen bij hoogwaterbescherming wel naar de extremen blijven kijken (250 jaar is zelfs nog erg laag) omdat het alternatief nog veel onaantrekkelijker is, namelijk zekerheid over de terugkeerperiode doordat we heel vaak overstromen.

Hoogwaterbescherming en de Green Deal

Het blijkt helemaal niet simpel om aan te tonen dat er sprake is van klimaatinvloed op het recente hoog water. De omstandigheden waren zeker uitzonderlijk; de afvoer was hoog en het was in de zomer. Maar hoge zomer-afvoeren zijn er wel eerder geweest. In 1980 liep in de zomer de afvoer op tot rond de 2000 m3/s.

Ik denk dat het onaannemelijk is dat dit hoog water ons bespaard was gebleven zonder klimaatverandering. Misschien was de piekafvoer wat lager geweest, maar dat had in de praktijk niet veel verschil gemaakt. Dat is alleen achteraf interessant voor statistische haarkloverij, zoals in deze blog.

Dat betekent dat de Green Deal ons niet gaat helpen tegen overstromingen. We zullen ons moeten blijven beschermen en we zullen moeten zorgen dat we kunnen handelen als er een hoge afvoer komt, kortom adaptatie. Het is goed om te zoeken naar manieren om energie te besparen en belasting op het milieu te verminderen. Dat mag echter niet ten koste gaan van onze mogelijkheden tot adaptatie. Als er weer hoog water komt dan moeten de vrachtwagens kunnen rijden, ook als dat op Diesel is.

Bronnen en verder lezen

Voor wie verder wil lezen raad ik de volgende bronnen aan:

Hessel Voortman verzorgt praktijktrainingen in onder meer het ontwerpen van waterkeringen en data-analyse met Python. Neem contact op voor informatie of kijk op de cursuspagina. De analyse op deze pagina werd gemaakt in Jupyter en gebruikte onder meer de packages sqlite3, pandas en scipy.stats.

waterveiligheid neerslag rivieren klimaat