Auswirkungen von Landnutzungsänderungen auf das regionale Klima in Nordrhein-Westfalen

Abstract

Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Analyse der Auswirkungen gegenwärtiger Landnutzungsänderungen in Nordrhein-Westfalen auf das regionale Klima. Die heutigen Flächenumwandlungen sind im wesentlichen durch die Ausweitung der Siedlungsflächen auf Kosten landwirtschaftlich genutzter Bereiche gekennzeichnet. Die grundlegenden Fragen sind, wie sich die mit den Landnutzungsänderungen verbundenen Änderungen des Energie-, Impuls- und Stoffaustausches zwischen Erdoberfläche und Atmosphäre auf das regionale Klima auswirken, welche Größenordnungen zu erwarten sind und ob sich die Veränderungen der Landoberfläche und ihre thermischen Effekte an Hand von satellitengestützten Beobachtungsdaten nachweisen lassen. <br /> Zur Erfassung des Landschaftswandels und dessen Auswirkungen werden zwei unterschiedliche Ansätze angewendet. Um die Größenordnung der Effekte abschätzen zukönnen, werden zunächst Simulationen mit dem Lokal-Modell (LM) des Deutschen Wetterdienstes durchgeführt. Dabei werden für verschiedene Wetterlagen Modellläufe gerechnet, die sich nur durch die Modellparameter der Landoberfläche unterscheiden. Diese Parameter repräsentieren dabei die Landnutzung der Jahre 1981, 1988 und 1997. Zusätzlich werden die Auswirkungen einer prognostizierten Landnutzung für 2015 und einer vollständigen Waldbedeckung in Nordrhein-Westfalen simuliert. <br /> Neben den Modellsimulationen werden 10 Tages-Komposite des maximalen <i>Normalized Difference Vegetation Index </i>(NDVI) des<i> Advanced Very High Resolution Radiometer </i>(AVHRR) zwischen 1989 und 2000 mit einer räumlichen Auflösung von ca. 1 km als Beobachtungsdaten herangezogen. Die Analyse der Landnutzungsänderungen erfolgt im solaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums über die beiden Kanäle im sichtbaren und nahinfraroten Bereich sowie den daraus abgeleiteten Vegetationsindizes NDVI und GEMI (<i>Global Environmental Monitoring Index</i>). Zur Analyse der thermischen Effekte werden Oberflächentemperaturen aus den beiden Kanälen im fernen Infrarot abgeleitet. <br /> Nach den Modellsimulationen ergeben sich mit der Ausdehnung der Siedlungsbereiche leichte Temperaturanstiege. Ursache ist die abnehmende Verdunstung der Landoberfläche infolge des Vegetationsrückgangs mit der Ausweitung der Siedlungsflächen. Entsprechend geht auch die spezifische Feuchte am Boden zurück. Bei geringem Wolkeneinfluss bestehen sehr enge Beziehungen zwischen den Änderungen der Oberfläche und den simulierten Auswirkungen auf Oberflächentemperatur und spezifischer Feuchte am Boden. <br /> Bei starker Bewölkung und hoher Bodenfeuchte sind die Unterschiede der Oberflächentemperaturen und der spezifischen Feuchte am Boden zwischen den verschiedenen Landnutzungsszenarien geringer. Dichte Bewölkung hemmt die Pflanzenverdunstung, und falls gleichzeitig die oberste Bodenschicht ausreichend feucht ist, kann die modellierte Verdunstung des blanken Bodens die der Pflanzen übertreffen. In diesen Fällen ergibt sich eine entgegengesetzte Tendenz mit abnehmenden Oberflächentemperaturen bei zunehmenden Siedlungsflächen.<br /> Durch die Ausweitung der Siedlungsflächen erhöht sich die Rauhigkeit der Erdoberfläche, was zu abnehmenden bodennahen Windgeschwindigkeiten führt. <br /> Auf die zeitliche und räumliche Entwicklung von Bewölkung und Niederschlag wirken sich die geänderten Landnutzungen deutlich aus, wobei allerdings keine räumlichen Zusammenhänge zu den gegenwärtigen Änderungen der Landnutzung bestehen. Bei beiden Fallstudien mit Regen nehmen die Niederschlagsmengen um ca. 10 % im Vergleich zu einer vollständig waldbedeckten Landschaft ab. <br /> Die aus den AVHRR-Daten zwischen 1989 und 2000 abgeleiteten Vegetationsindizes zeigen im langjährigen Mittel eine gute räumliche Übereinstimmung mit den aus den Daten des Liegenschaftskatasters abgeleiteten Vegetationsbedeckungsgraden. In den Zeitreihen der Satellitensignale werden die Änderungen der Landoberfläche aber insbesondere von der Variation des phänologischen Jahresgangs überlagert. Systematische Fehler werden durch die kontinuierliche Verspätung der Überflugzeit der Satelliten NOAA 11 und NOAA 14 relativ zur Lokalzeit verursacht, weil dadurch signifikante Trends der Oberflächentemperaturen sowie des NDVI und der Reflexionsgrade der kurzwelligen Kanäle entstehen. Die Auswirkungen der Trends der Einstrahlungsbedingungen wurden anhand von homogenen Testflächen korrigiert, an denen nach den Liegenschaftskatasterdaten keine Änderungen der Oberflächeneigenschaften auftreten. <br /> Die Vegetationsindizes zeigen im Landesmittel weder vor noch nach der Korrektur des Einflusses des Sonnenzenitwinkels einen eindeutigen Trend. Vergleicht man die Mittelwerte für die beiden Perioden 1989 bis 1993 und 1995 bis 1999, so zeigen sich aber signifikant höhere NDVI - Werte für die zweite Hälfte der 90-er Jahre. Dieser Effekt verschwindet mit der Berücksichtigung des Sonnenzenitwinkeleffekts. Für den GEMI sind die Unterschiede vor und nach der Korrektur geringer und die Differenzen zwischen der ersten und der zweiten Hälfte der 90-er Jahre entsprechen weitgehend denen des korrigierten NDVI. <br /> Die Differenzen zwischen beiden Perioden sind nach der Korrektur für die Verspätungen der Satelliten im Vergleich zu den Schwankungen innerhalb der beiden Perioden gering. In Nordrhein-Westfalen zeigen praktisch nur die Bereiche des Rheinischen Braunkohletagebaus Veränderungen, die mit Sicherheit größer als die zwischenjährliche Variabilität der einzelnen Perioden sind. Demgegenüber sind die Effekte der Urbanisierung auf der Pixelebene in der Zeitreihe der Satellitendaten nicht signifikant. <br /> Die Untersuchungen an den Tagebaubereichen verdeutlichen aber, dass sich drastische Landnutzungsänderungen durchaus in den Entwicklungen der Vegetationsindizes bemerkbar machen. An diesen Flächen zeigen sich darüber hinaus Zunahmen der Oberflächentemperaturen bei abnehmenden Vegetationsgehalten (und umgekehrt), allerdings nicht in den Strahlungstemperaturen, sondern erst nach der Berücksichtigung der Emissivität über den NDVI. Die Ergebnisse zeigen somit, dass für die Analyse der Auswirkungen von Landnutzungsänderungen mit mehrjähriger AVHRR-Datenreihen systematische Fehler und die natürliche zwischenjährliche Variabilität der Witterung berücksichtigt werden müssen. Weiterhin wird deutlich, dass die Interpretation von Änderungen der Vegetationsindizes durch die zusätzliche Auswertung der Kanäle im sichtbaren Bereich und im nahen Infrarot erheblich an Aussagekraft gewinnt.