D3 Auswirkungen der Landnutzungsänderung auf das
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Werner Eugster und Nicolas Schneider Auswirkungen der Landnutzungsänderung auf das regionale Klima: das Typbeispiel Juragewässerkorrektion Werner Eugster (Zürich/Bern) und Nicolas Schneider (Bern) 2 Die großen Flusskorrektionen der Schweiz Mit dem Beginn des 19. Jahrhunderts begannen sich in der Schweiz (wie anderswo) die Kräfte zu bündeln, die einem jahrhundertealten Problem der Bevölkerung zu Leibe rücken sollten: der dauernden Überschwemmungsgefahr bei Hochwasser in den Talböden der großen Flusslandschaften (Abb. 1). 1 D3 Klimatrends und Extremereignisse 1 Einleitung Wenn heute von Klimawandel gesprochen wird, verstehen Laien darunter gewöhnlich den globalen Anstieg der CO2-Konzentration und setzen diesen direkt mit dem Treibhauseffekt in Verbindung, also mit einem Phänomen, das weit weg und außerhalb des täglich erfahrbaren Lebens liegt (siehe dazu STEHR/VON STORCH 1995). Oft wird auch nur von Klimaerwärmung gesprochen. Die Klimaerwärmung ist in ihrer reinen Form ebenfalls nicht direkt erfahrbar für gewöhnliche Menschen. Es können zwar Temperatur- und Niederschlagsveränderungen gemessen werden, die eigentliche Erwärmung ist aber für uns nicht direkt spürbar (BORD et al. 1998). Obwohl bekannt ist, dass der größte Teil der globalen Klimaerwärmung von menschlichen Aktivitäten initiiert wird, sind viele trotzdem nicht bereit, etwas dagegen zu unternehmen. Sie unterstützen weder politische Aktionen noch betätigen sie sich auf freiwilliger Basis (O’CONNOR et al. 2002). Skeptiker äußern auch, dass es nicht genügend Sicherheit gäbe, dass eine Klimaerwärmung außerhalb der natürlichen Veränderung stattfindet (BULKELEY 2001). LANGFORD (2002) unterscheidet vier Typen von Strategien, nach denen die Befragten das Problem wahrnehmen und ihr Handeln ableiten: (1) der verneinende Typ, (2) der Desinteressierte, (3) der Zweifelnde und (4) der engagierte Typ. Während es keine weiteren Argumente braucht, um den engagierten Typ vom Klimawandel zu überzeugen, dürfte für die Typen 1–3 sicher auch der Umstand eine Rolle spielen, dass die akademische Diskussion zum Klimawandel nicht auf der Ebene des täglich erlebbaren Maßstabsbereichs spielt. Der mittlere Aktionsradius der Schweizer (ohne Auslandreisen) zum Beispiel beträgt täglich lediglich 37,1 km (Mikrozensus 2000; ARE 2002). Berücksichtigt man, dass diese Verkehrsleistung sowohl einen Hinwie einen Rückweg beinhaltet, liegt also der Radius der täglichen Erfahrung deutlich unterhalb von 20 km, einem Bruchteil der räumlichen Auflösung, die heutige globale Klimamodelle in der Lage sind zu berechnen. In unserer Studie haben wir uns deshalb zum Ziel gesetzt, auf der Maßstabsebene der täglichen Erfahrung einen speziellen und bisher wenig erforschten Aspekt des Klimawandels zu untersuchen, nämlich den Zusammenhang zwischen Landnutzungsänderung und lokalem bis regionalem Klima. Als Typlandschaft diente uns das Schweizer Dreiseenland mit Neuenburger-, Bieler- und Murtensee, das nordwestlich von Bern im Vorland des Juras liegt. Auswirkungen der Landnutzungsänderung auf das regionale Klima Abb. 1: Gebiete der Schweiz, die maßgeblich durch die im 19. Jahrhundert durchgeführten oder begonnenen Korrekturen der Alpenflüsse geprägt sind. Die Jahreszahlen zeigen den (nicht immer exakt eruierbaren) Beginn der Arbeiten an. Durch die beiden Juragewässerkorrektionen (1868–1891 und 1962–1973) wurden rund 400 km2 Land umgestaltet und zunächst für die Landwirtschaft nutzbar gemacht. Später, im 20. Jh. mit dem beschleunigten Bevölkerungswachstum, dehnten sich auch alle Ortschaften in die früher durch häufige Überschwemmungen geprägten ehemaligen Auen- und Riedgebiete aus. Diese Entwicklung, die Entwässerung versumpfter Gebiete und ihre Nutzbarmachung, ist exemplarisch für die Landschaftsentwicklung in verschiedenen Gebieten Europas, nicht nur der Schweiz, weshalb wir unsere Untersuchung auch als Typbeispiel betrachten (SCHNEIDER/EUGSTER 2005). Abb. 2: Überschwemmungsgebiete im Drei-Seen-Gebiet vor den Juragewässerkorrektionen. Pfeil: Richtung der geplanten und ab 1868 realisierten Umleitung der Aare in den Bielersee. Kernstück der ersten Juragewässerkorrektion (1868–1891) war die Umleitung der hauptsächlich für die Überschwemmungen verantwortlichen Aare in den Bielersee, den zweitgrößten der drei Seen, die zudem alle um 2,10 bis 2,40 m abgesenkt wurden (EHRSAM 1974, 114). Einerseits wurde durch die Kanalisierung die Abflusskapazität erhöht, andererseits konnte mit der Umleitung in den See ein riesiges Puffervolumen für die Hochwasser genutzt werden. Durch die gleichzeitige Verbreiterung und Kanalisierung der Flüsse zwischen den anderen beiden Seen wurde zudem das Puffervolumen derart ver- 2 Werner Eugster und Nicolas Schneider größert, dass im Hochwasserfall große Wassermengen in beiden Richtungen zwischen allen drei Seen ausgetauscht werden können. Durch die Absenkung der Seen wurde Land gewonnen, das entweder für Verkehrswege, Siedlungen, Wald und Landwirtschaft genutzt wurde oder heute als Schilfried der Natur überlassen ist. Die ehemalige St. Peters-Insel wurde durch diese Absenkung zur Halbinsel. Weit bedeutender sind jedoch die Landnutzungsveränderungen zwischen den Seen: Wo früher ausgedehnte Flachmoore zur extensiven Streuenutzung dienten, wurden Drainagegräben angelegt, der Boden entwässert und der agrarischen Nutzung zugeführt. 3 D3 Klimatrends und Extremereignisse 3 Methodik Um die Auswirkungen dieser Landschafts-Umgestaltung auf das lokale und regionale Klima im Computermodell simulieren zu können, war zunächst eine detaillierte Rekonstruktion der Landnutzung vor dem Beginn der ersten Juragewässerkorrektion nötig (siehe SCHICHLER 2002). Aus einer heterogenen Menge verfügbarer Landkarten aus den Jahren 1800 bis 1850 (Maßstäbe von 1:10 000 bis 1:100 000) wurde die in Abb. 3 dargestellte Landnutzungskarte kompiliert. Als Computermodell wurde zunächst das am Geographischen Institut der Universität Bern entwickelte MetPhoMod (PEREGO 1999) mit einer Gittermaschenweite von 1,0 km verwendet (siehe SCHNEIDER et al. 2004). Später wurde auf das komplexere, aber in der täglichen Wettervorhersage in Deutschland, der Schweiz und weiterer Länder gut etablierte Lokal-Modell (LM) mit einer Gittermaschenweite von Abb. 3: Rekonstruierte Landnutzung im direkten Einflussbereich 1,5 km umgestiegen (für der beiden Juragewässerkorrektionen (aus SCHICHLER 2002, weitere Details zum Moverändert) dell siehe SCHNEIDER/EUGSTER 2005). Da jedoch keine ausreichenden Informationen verfügbar sind, um ein heutiges Klimamodell im Jahr 1850 laufen zu lassen, wurde folgendes Vorgehen gewählt, das eigentlich einem Laborexperiment entspricht: Das LM simulierte zunächst die aktuellen Bedingungen wie sie im Monat Juli der Jahre 1998–2000 tatsächlich geherrscht haben. Danach wurden im Modell lediglich die Landnutzung gegen diejenige um 1850 ausgetauscht, und zwar nur im Gebiet der direkten Beeinflussung durch die Juragewässerkorrektionen. Damit konnten die gleichzeitig abgelaufenen Veränderungen der zunehmenden Besiedlung, des CO2-Gehalts der Atmosphäre und dergleichen auf künstliche Weise unverändert gehalten werden, so dass die Differenzen der beiden Modellrechnungen tatsächlich mit den Landnutzungsänderungen der Juragewässerkorrektionen in Verbin- Auswirkungen der Landnutzungsänderung auf das regionale Klima dung gebracht werden können. Innerhalb des Modells wird jede Landnutzungsart durch Modellparameter repräsentiert. Dabei gibt es hauptsächlich zwei Gruppen von Parametern, die für die Landnutzung codieren, einerseits solche, welche die Eigenschaften der Vegetationsbedeckung beschreiben, andererseits solche, welche die Bodeneigenschaften beinhalten. Um besser verstehen zu können, welche Funktion Vegetation (bzw. die Oberfläche) und Boden bezüglich der Klimaänderung ausüben, wurden zwei weitere Computerexperimente durchgeführt, in denen der Juli 1998 einmal nur mit veränderter Oberfläche, aber den Bodeneigenschaften von heute simuliert wurde, und ein zweites Mal nur die Bodeneigenschaften geändert, jedoch die Oberfläche auf dem Ist-Zustand belassen wurde. In einem letzten Schritt wurden nicht nur die Sommerbedingungen, sondern je ein Monat aus allen vier Jahreszeiten simuliert. 4 Wie veränderten die Juragewässerkorrektionen das lokale und regionale Klima? Die detaillierten Resultate zu den Sommerbedingungen wurden in SCHNEIDER et al. (2004) und SCHNEIDER/EUGSTER (2005) publiziert. Die Ergebnisse aus den vier Jahreszeiten sind zur Publikation eingereicht (SCHNEIDER/EUGSTER 2006). Wir stellen hier deshalb nur die für die lokale Bevölkerung am leichtesten greifbare Klimavariable, nämlich die auf der meteorologischen Standardhöhe von 2 m über Grund gemessene Lufttemperatur vor. Abb. 4 zeigt die über die Modelldomäne gemittelten Veränderungen im Tagesgang dieser Temperatur. Durch den Eingriff in die Landschaft erhöhten sich die Nachttemperaturen in Bodennähe um rund 0,3 °C, während die Tagestemperaturen bei Sonnenhöchststand heute 0,3 °C tiefer liegen. Damit reduzierte sich die Tagesamplitude der Temperatur um 0,6 °C. Rein intuitiv hätte man nicht unbedingt dieses Ergebnis erwar- Abb. 4: Mittlerer Tagesgang der Temperaturdifferenz „Heute“–„Früher“ auf 2 m über Grund. Ausgezogene Linie: Mittel aus drei Jahren (Monat Juli); graue Fläche: Spannbreite der drei simulierten Jahre. Dreiecke: die Veränderung der Oberfläche alleine ist für 0,2 °C der Tagesamplitudenveränderung verantwortlich, während der Hauptanteil v.a. tagsüber durch die Veränderung der Bodeneigenschaften bestimmt ist. 4 Werner Eugster und Nicolas Schneider Abb. 5: Differenz der 2-m-Temperatur (heute–früher) im mittleren Tagesgang. Jede Kurve zeigt den räumlichen Mittelwert des Modellbereichs, in welchem die Landnutzung verändert wurde. Für jede Jahreszeit wurde ein Monat simuliert. 5 Genereller Zusammenhang zwischen Landnutzung und Klima Die Zusammenhänge und Rückkopplungsmechanismen, die als wesentlich für das generelle Verständnis der hier modellierten Zusammenhänge zwischen Landnutzung und Klima betrachtet werden, sind in Abb. 6 schematisch dargestellt. In Abb. 6 sind einige positive, sich aufschaukelnde Wirkungskreise feststellbar, die alle über die zentrale Größe der Nettostrahlung oder Strahlungs-Bilanz führen (siehe Abb. 7). Systeme, die ausschließlich positive Wirkungskreise enthalten, sind nicht stabil 5 D3 Klimatrends und Extremereignisse tet: Die Ausgangshypothese war, dass die Trockenlegung weiter Teile des untersuchten Gebietes zu einer Verminderung der Verdunstung und damit zu einer Erhöhung des fühlbaren Wärmestromes und damit zu einer höheren Lufttemperatur führen sollte. Es zeigt sich aber, dass die so genannte Albedo, das ist die Reflektivität der Erdoberfläche im sichtbaren Wellenlängenbereich, durch den Wechsel von extensivem Riedland zu mehrheitlich landwirtschaftlich genutztem Land leicht erhöht wurde. Damit steht insgesamt etwas weniger Netto-Energie (Rn) für die drei wesentlichen Wärmeströme der Energiebilanz der Erdoberfläche zur Verfügung: Rn = H + LE + G , (1) mit H fühlbarer Wärmestrom, LE Verdunstung (Evapotranspiration) und G Bodenwärmestrom. Die für die Sommersituation (Juli) gerechneten Unterschiede treten auch in den anderen simulierten Jahreszeiten zu Tage (Abb. 5). Während der Nachtstunden ist unabhängig von der Jahreszeit eine leichte mittlere Erwärmung von 0,2 °C (Herbst) bis 0,3 °C (Sommer und Winter) feststellbar. Entsprechend der unterschiedlichen Tageslänge hält dieser Effekt im Winter länger, im Sommer kürzer an. Tagsüber ist mit einer leicht abgeschwächten Maximaltemperatur zu rechnen, die heute im April bis zu 0,6 °C tiefer liegt. Die Tagesamplitude verminderte sich um 0,3 °C (Herbst) bis 0,85 °C (Frühling), das Lokalklima dürfte also leicht gemäßigt worden sein durch den Eingriff während der beiden Juragewässerkorrektionen. Auswirkungen der Landnutzungsänderung auf das regionale Klima und reagieren selbst-verstärkend auf Veränderungen. Es sind die negativen Rückkopplungsmechanismen, die das System in den Schranken halten. In diesem Fall ist dies insbesondere die negative Beziehung zwischen Bewölkung und kurzwelliger Einstrahlung. Während Abb. 6 und 7 nur die qualitativen Beziehungen zeigt, ist es wichtig, zu wissen, dass die kurzwellige Einstrahlung tagsüber und auch im Tages- und Jahresmittel die mit Abstand größte Energieflussgröße darstellt. Alle drei positiven Wirkungskreise (Abb. 7) führen über die Bewölkung, die zwar die langwellige Gegenstrahlung erhöht, aber gleichzeitig die kurzwellige Strahlung viel stärker vermindert. Dieser Umstand stabilisiert das Klimasystem. Abb. 6: Rückkopplungsmechanismen, die für die lokale und regionale Klimaveränderung als Funktion einer Landnutzungsänderung von Bedeutung sind (ohne Niederschlagsprozesse). Ausgezogene Pfeile zeigen eine positive (verstärkende), gestrichelte eine negative (dämpfende) Rückkopplung an. Die graue Umrandung zeigt die Modellgrenzen, die beiden Kasten darunter zeigen die externen Wirkungsfaktoren Vegetationseigenschaften (bestehend aus Albedo und Oberflächen-Rauigkeit) und Bodeneigenschaften (Wärmekapazität und thermische Leitfähigkeit), über die heutige und frühere Landnutzung dem Modell bekannt gemacht werden (Quelle: SCHNEIDER/EUGSTER 2005, verändert). 6 Werner Eugster und Nicolas Schneider Abb. 7: Wie Abb. 6, aber mit eingezeichneten positiven Wirkungskreisen (links) und der Einteilung in Einflussbereiche (rechts): Albedo-Effekt, spezieller Vegetations-Effekt, BodenmineralisierungsEffekt, und der übergeordnete global wirkende Treibhaus-Effekt. Danksagung Dieser Artikel basiert hauptsächlich auf drei Originalarbeiten, die vom Autor betreut wurden: der Dissertation von Nicolas SCHNEIDER (2004), der Diplomarbeit von Barbara SCHICHLER (2002) und der Semesterarbeit von Madeleine GUYER (2005). Die Untersuchungen wurden vom Schweizerischen Nationalfond gefördert (Projekt Nr. 21-66927.01) und durch die Hans-Sigrist-Stiftung der Universität Bern unterstützt. 7 D3 Klimatrends und Extremereignisse Eigentlich war zu erwarten, dass vom trockengelegten Überschwemmungsland weniger Verdunstung generiert wird als dies früher der Fall war. In unseren Modellrechnungen fiel dieser Effekt aber eher bescheiden aus, einerseits weil auch heute der Grundwasserspiegel noch hoch genug ist, so dass Kulturpflanzen unter normalen Witterungsbedingungen nicht unter Wasserstress geraten (dazu trug auch die Landsenkung bei, die durch die langsame Mineralisierung des organischen Bodens großflächig einsetzte), andererseits weil im Modell wie in der Realität landwirtschaftliche Kulturpflanzen produktiver sind als die ursprüngliche Riedvegetation (heute zusätzlich begünstigt durch die gezielte Düngergabe). Die Reduktion der Strahlungs-Bilanz und die Erhöhung des Boden-Wärmestroms scheinen die Schlüsselgrößen für das Verständnis des Einflusses auf das Klima zu sein. Entsprechend Gleichung (1) steht für H, den fühlbaren Wärmestrom, der die Lufttemperatur erhöht, heute weniger Energie zur Verfügung, weshalb tagsüber ein schwacher Abkühlungseffekt modelliert wurde. Zum Boden-Wärmestrom ist zu erwähnen, dass zwar die Wärmekapazität des Bodens durch Entwässerung und Mineralisierung der organischen Substanz abgenommen hat, gleichzeitig hat aber die thermische Leitfähigkeit zugenommen. In Kombination ergibt sich daraus eine leichte Erhöhung des Boden-Wärmestroms tagsüber, der dann nachts in umgekehrter Richtung die Wärme an die Erdoberfläche wieder abgibt und zu den leicht erhöhten Nachttemperaturen führt. Die erfolgten Landnutzungsänderungen wirken somit dem großräumigen Klimawandel mit dem globalen Anstieg der Lufttemperaturen entgegen. Es ist aber festzuhalten, dass dieser Landnutzungswandel einmalig war, und somit nur den größerräumigen Klimawandel einer Zeit maskieren, nicht aber umkehren oder längerfristig abschwächen kann. Auswirkungen der Landnutzungsänderung auf das regionale Klima Literatur ARE (2002): Ergebnisse Mikrozensus 2000. Bundesamt für Raumentwicklung, Bern, Publikation No. 812.010.d. BORD, R. J./FISCHER, A./O’CONNOR, R. E. (1998): Public perceptions of global warming: United States and international persepectives. In: Climate Research, 11, 75-84. BULKELEY, H. (2001): Governing climate change: the politics of risk society? In: Transaction of the Institut of British Geographers, 26, 430-447. EHRSAM, E. (1974): Zusammenfassende Darstellung der beiden Juragewässerkorrektionen. Nachdruck 1994. Wasser- und Energiewirtschaftsamt des Kanton Bern. G U Y E R , M. (2005): Risikowahrnehmung der globalen Klimaerwär mung und Handlungsmuster: Erklärungsansätze und Fallbeispiele. 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