D3 Auswirkungen der Landnutzungsänderung auf das

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).
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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-
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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.
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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.
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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
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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).
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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.
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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
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