Krijgen we in Nederland ooit nog een Elfstedentocht?

Figuur 1: Elfstedentocht - unknown

Kans op Elfstedentocht in een veranderend klimaat

Honderd jaar geleden was de kans dat het koud genoeg was voor een Elfstedentocht 20 procent per jaar, nu is dat slechts ongeveer 8 procent. Hoeveel die kans verder afneemt hangt af van de verdere opwarming van de aarde.

De Elfstedentocht spreekt tot de verbeelding. Schaatsen is al eeuwen een volkssport, en de tocht langs de elf Friese steden heeft door zijn zeldzaamheid een aparte status. Er zijn sinds 1909 vijftien tochten verreden, minder dan eens in de zeven jaar. In de laatste vijftig jaar waren het er maar drie. De vraag in hoeverre de kans op een Elfstedentocht door de opwarming van de aarde vermindert wordt elk jaar wel gesteld. In dit artikel berekenen we deze kans voor het verleden, het heden en de toekomst. Honderd jaar geleden was de kans dat het koud genoeg was voor een Elfstedentocht 20 procent per jaar, nu is dat slechts ongeveer 8 procent (tussen de 5 en 19 procent). Ook als het koud genoeg is kan het alsnog mis gaan, zoals de sneeuw in 2012, maar de meeste mogelijkheden worden tegenwoordig verzilverd. Als we de opwarming tot 2 ºC boven pre-industrieel beperken blijft de kans hangen op ongeveer 5 procent per jaar, maar als we de aarde verder laten opwarmen neemt de kans op een Elfstedentocht al rond 2050 af tot rond de 1 procent per jaar.

Elfstedentochten en het weer

Gezien het grote aantal deelnemers wordt de Elfstedentocht pas georganiseerd als het ijs op het hele traject minimaal 15 cm dik is. Korte stukken met minder dikte kunnen lopend (klunend) omzeild worden. Om de kans op 15 cm ijs op de hele route te berekenen zouden we een ijsgroeimodel moeten gebruiken voor de hele route. Brandsma (2001) gebruikte de relatie tussen de (december–februari) wintertemperatuur en de berekende maximale ijsdikte in Leeuwarden als alternatief. Visser en Petersen (2009) lieten zien dat de laagste 15-daags gemiddelde temperatuur van de winter een betere indicator is dan de gemiddelde wintertemperatuur. Als deze in De Bilt onder de −4,2 ºC is geweest, was het ijs meestal dik genoeg voor een Elfstedentocht. De locatie De Bilt is gekozen omdat die reeks gehomogeniseerd is (Brandsma et al, 2016). Deze indicator werkt zelfs even goed als een ijsgroeimodel voor een enkele locatie om aan te geven welke jaren er een Elfstedentocht gereden is, of had kunnen worden: het aantal fout geclassificeerde jaren is ongeveer hetzelfde (Visser en Petersen, 2009).

Er zijn jaren waarin het ijs wel dik genoeg was maar de Elfstedentocht niet verreden werd. Daar zijn verschillende redenen voor. Zo hebben we in Nederland zelden lange aaneengesloten vorstperioden. Daardoor bereikt de ijsdikte meestal pas tegen het einde van de periode de vereiste 15 cm die nodig is voor een Elfstedentocht. In het verleden waren ook nog drie dagen nodig om de tocht te organiseren. Het is voorgekomen (bv in 1984) dat de beslissing (“it giet oan”) niet meer mogelijk was, hoewel achteraf het ijs dik genoeg bleek te zijn. Door beter gebruik te maken van de weersverwachtingen en de tijd die nodig is om de tocht te organiseren terug te brengen tot twee dagen, is de kans hierop tegenwoordig veel kleiner geworden.

Er zijn echter nog steeds jaren die wel aan het temperatuur-criterium voldoen maar waarin toch geen tocht geschaatst is, bijvoorbeeld 2012. De oorzaak was dat jaar de uiterst ongelukkige timing van sneeuwval op heel dun ijs, die verdere aangroei tegenhield (de Vries et al, 2013). Het werkelijke aantal Elfstedentochten ligt dus wat lager dan het aantal potentiële bepaald op basis van de 15-daags gemiddelde temperatuur, aangezien die geen rekening houdt met dit soort omstandigheden.

Huidig klimaat

Het is lastig de trend in winter-extremen te bepalen, omdat er grote verschillen zijn tussen strenge en zachte winters. Die verschillen, gemiddeld ruim vijf graden, zijn veel groter dan de opwarming door klimaatverandering tot nu toe van anderhalf tot twee graden. Dit is ook te zien aan de grilligheid waarin koude 15-daagse periodes en Elfstedentochten voorkomen (Fig. 2). Ook goed te zien is dat de verdeling niet symmetrisch is: koude uitschieters zijn veel groter dan warme. Dat komt omdat de koude lucht uit Siberië of de poolstreken veel meer afwijkt van het gemiddelde dan de zachte lucht van de Atlantische Oceaan. Water koelt veel langzamer af dan land in de winter.

Figuur 2: laagste 15-daags gemiddelde daggemiddelde temp. in De Bilt (blauw), temp. criterium (rood) en de geschaalde wereldgemiddelde temp. met een 4-jaar lopend gemiddelde (paars). De pijltjes geven de jaren aan waarin een Elfstedentocht verreden werd.

Op het oog lijkt er een afname van de koude extremen te zijn sinds de jaren 1970, en een corresponderende afname in het aantal Elfstedentochten. We gebruiken twee methodes om te berekenen hoe groot de kans nu is op basis van de waarnemingen. Die kans kan op twee manieren worden uitgedrukt: als een percentage per jaar of als een herhalingstijd. Dat komt op precies hetzelfde neer: een herhalingstijd van 12 jaar betekent een kans van 1/12 ≈ 8% elk jaar, niet dat het elke 12 jaar voorkomt.

De eerste methode is gebaseerd op Visser en Petersen (2009). Hierin transformeren we eerst de laagste 15-daags gemiddelde temperatuur, die we TG15n noemen, naar log(10-TG15n) om de verdeling meer symmetrisch te maken. Deze reeks wordt gefit aan een Integrated Random Walk (IRW) statistisch model. Dit neemt aan dat de variabiliteit constant is in de tijd. De fit volgt de toename van extreem koude winters van het relatief zachte begin van de 20e eeuw tot het midden van de eeuw, om daarna weer af te nemen (Figuur 3).

Figuur 3: de kans op een TG15n < −4,2 ºC in het IRW model op log(10-TG15n).

De berekening is gevoelig voor de laatste paar jaar. Toen de berekening in 2008 gedaan werd, was de kans op een potentiële Elfstedentocht 5,5% (1 op 18 per jaar met een 95% onzekerheidsmarge van 1 op 64 tot 1 op 7 jaar). Na de relatief koude winters van 2009–2013 was de kans bij een herberekening in 2014 10% (CLO 2014) ( 1 op 10 met een marge van 1 op 5 tot 1 op 25 jaar). Op dit moment, na weer een aantal zachte winters, is de kans terug op 7% (1 op 15 jaar met marge van 1 op 6 tot 1 op 41 jaar), zoals af te lezen is uit figuur 3. Binnen de grote onzekerheidsmarges zijn al deze getallen gelijk. De trend naar een lagere kans op een Elfstedentocht dan vroeger is echter statistisch significant.

De tweede methode is een fit met een extreme-waarde functie, in dit geval de Generalised Extreme Value (GEV) distributie. Deze beschrijft op theoretische gronden de hoogste of laagste waarde van een groot aantal identieke gevallen. Nu is er geen echt groot aantal 15-daagse temperatuurgemiddelden per winter, maar de verdeling past toch goed op de waarnemingen. We gebruiken de methode zoals beschreven in van Oldenborgh et al (2015). De aannames zijn dat de extremen een GEV-verdeling volgen en dat deze opschuift met een factor keer de wereldgemiddelde temperatuur, maar daarbij niet van vorm verandert. Deze aannames zullen we later verifiëren.

Deze methode geeft ook een significante trend in de laagste 15-daags gemiddelde temperatuur in De Bilt, TG15n, van 1.7 (0.2 tot 2.8) keer de stijging in de (gladgestreken) wereldgemiddelde temperatuur over 1902–2017. Deze trend lijkt wat hoger dan de stijging van de wintergemiddelde temperatuur van 1.4±0.9 keer de wereldgemiddelde temperatuur. Dit komt omdat de poolstreken, waar de koude lucht vandaan komt, sneller opwarmen dan de Atlantische Oceaan, waar de lucht vandaan komt op zachte winterdagen (Screen, 2014; van Oldenborgh et al, 2015).

Hiermee vinden we een kans op een potentiële Elfstedentocht in het huidige klimaat van 9% (1 op 11), met een marge van 5% tot 19% (1 op 5 tot 1 op 21). Dit stemt goed overeen met de waarde uit het IRW model. Een verschil is dat de methode minder gevoelig is voor de laatste jaren: in 2008 zouden we 13% (7%...21%) hebben gekregen, in 2014 11% (6%...20%). grafiek met GEV-verdeling die opschuift evenredig met de wereldgemiddelde temperatuur aan TG15n. Rood: beste fit en 95% onzekerheidsmarges in huidige klimaat, waarnemingen opgeschoven naar klimaat 2019. Blauw: hetzelfde voor het klimaat van 1902.

Figuur 4: fit van een GEV-verdeling die opschuift evenredig met de wereldgemiddelde temperatuur aan TG15n. Rood: beste fit en 95% onzekerheidsmarges in huidige klimaat, waarnemingen opgeschoven naar klimaat 2019. Blauw: hetzelfde voor het klimaat van 1902.

Andere voorspellers

Er worden ideeën geopperd dat de kans op Elfstedentochten varieert met de zonnevlekkencyclus. Er zijn inderdaad meer Elfstedentochten verreden bij lage zonnevlekkengetallen, maar de temperatuur van de koudste 15 dagen toont geen verband hiermee (figuur 5). Dit is in overeenstemming met het gebrek aan verband dat van Oldenborgh et al (2013) vonden tussen zonnevlekken en wintercirculatie of temperaturen. Andere mogelijke voorspellers van strenge winters worden besproken in een aantal oude KNMI artikelen waar onderaan naar verwezen wordt. grafiek met laagste 15-daags gemiddelde temperatuur van de winter in De Bilt tegen het zonnevlekkengetal. De trend is niet significant verschillend van nul.

Figuur 5: Laagste 15-daags gemiddelde temperatuur van de winter in De Bilt tegen het zonnevlekkengetal. De trend is niet significant verschillend van nul.

Toekomstig klimaat

De volgende vraag is hoe deze kans zich in de toekomst gaat ontwikkelen. Hiervoor gebruiken we de getransformeerde temperatuurreeks voor De Bilt. Hierbij worden de quantielen Q01, Q05, Q50, Q95 en Q99 van de waarnemingen 1981–2010 getransformeerd zodat de verdeling in overeenstemming is met de vier KNMI'14 scenario's (Bakker en Bessembinder 2012). Toevallig is deze periode representatief voor de hele eeuw, met een kans op een potentiële Elfstedentocht van 15% per jaar.

De fits geven aan dat de variabiliteit afneemt: de koudste extremen warmen ook in de toekomst sneller op dan de gemiddelde TG15n (de Vries et al, 2012), o.a. door de snellere opwarming van de poolgebieden. We kunnen dus niet de methodes gebruiken die we over de vorige eeuw gebruikt hebben, aangezien die beide uitgaan van een constante variabiliteit. De afname is tot nu toe zo klein dat dit de resultaten nauwelijks beïnvloedt, maar voor de toekomst is dit effect niet te verwaarlozen. We hebben daarom telkens een stationaire GEV aan dertig jaar data gefit, zodat per 30 jaar alle parameters, inclusief variabiliteit, apart bepaald worden.

Tabel 1 geeft de kansen op een potentiële Elfstedentocht in de toekomst voor de verschillende KNMI scenario’s. Deze kansen hangen sterk af van beide assen van de klimaatscenario's (van den Hurk et al, 2014): de wereldwijde opwarming (Gematigd of Warm) en de gemiddelde toename van westenwind in de winter (Laag of Hoog). Bij een hoge wereldwijde temperatuurstijging (4 ºC in 2100) en een afname van (noord)oostenwind (WH) is de kans op een Elfstedentocht in 2050 nog maar 0,5% en in 2085 verwaarloosbaar (<0,2%). Bij een gematigde opwarming en een kleine verschuiving naar westelijke circulaties blijft de kans zelfs aan het eind van de eeuw nog aanwezig (4%).

Tabel 1. Kans op een potentiële Elfstedentocht in de KNMI'14 scenario's op basis van de getransformeerde temperatuurreeks voor de Bilt 1985–2010. De getallen hebben een onzekerheid van plus of min een factor twee.

Deze waardes stemmen goed overeen met een analyse van de ruwe uitvoer van 30-jaar periodes van de 16 runs van het regionale klimaatmodel RACMO die aan de scenario's ten grondslag liggen: 1,3%...3,8% in 2050 en 0,02%...0,5% in 2085 in het warme RCP8.5 scenario van het IPCC. In dit klimaatmodel zien we ook een afname van de variabiliteit, die nu significant is.

De laagste KNMI scenario's gaan nog uit van een wereldwijde opwarming die hoger is dan de 2 ºC ten opzichte van eind 19e eeuw die in Parijs als bovengrens is afgesproken. Dat doel is nu iets minder dan één graad vanaf de huidige temperatuur, terwijl de laagste KNMI scenario's van anderhalve graad verdere opwarming uitgaan aan het eind van de eeuw. Een interpolatie van de huidige kans en die in de laagste KNMI scenario's geeft rond de 5% per jaar, eens in de 20 jaar, als we het Parijs-doel halen.

We kunnen uit Tabel 1 ook schatten hoeveel Elfstedentochten er deze eeuw nog verreden zullen worden. De beste schatting is tussen de één à twee tochten in het WH scenario tot ongeveer vijf in het GL scenario. Dit zijn echter beste schattingen: uit de grilligheid van het weer volgt dat het er even goed wat meer of minder kunnen zijn.

Conclusies

In het huidige klimaat is de kans op de kou die nodig is voor een Elfstedentocht kleiner geworden dan hij vroeger was. De 15-daags gemiddelde temperatuur in De Bilt kwam aan het begin van de vorige eeuw in ongeveer 20% van de jaren onder de −4,2 ºC die meestal genoeg ijs geeft voor een tocht. Die kans is nu volgens twee onafhankelijke analyses van de waarnemingen afgenomen tot rond de 8% met een onzekerheidsmarge van 5% tot 19%. Winters in Friesland zijn grillig, vandaar de grote onzekerheid. Het feit dat er al 22 jaar geen Elfstedentocht geweest is, verandert de kans dit jaar niet: verschillende jaren zijn volledig onafhankelijk (op de trend na). Niet iedere 15-daagse periode die koud genoeg is levert ook een Elfstedentocht op, dus het echte aantal ligt wat lager.

De kans op potentiële Elfstedentochten neemt in de KNMI'14 scenario's verder af. Hoeveel hangt sterk af van de wereldwijde opwarming en de circulatieverandering. Als we de opwarming beperkt weten te houden tot 2 ºC boven pre-industrieel blijft de kans heel redelijk met ongeveer 5%, gemiddeld eens in de 20 jaar. Echter, als we de opwarming door laten gaan zijn er nog maar één à twee tochten mogelijk voordat de kans in het midden van de eeuw heel klein wordt.