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Die Vermessung des Klimawandels

Kieler Geographie und Hamburger Dienstleister für Umweltdaten liefern Indikatoren und Algorithmen für „Deutsche Anpassungsstrategie Klimawandel“

Wie lassen sich die Auswirkungen des Klimawandels in Deutschland objektiv messen und bewerten, um daraus Maßnahmen abzuleiten? Diese Frage will die „Deutsche Anpassungsstrategie Klimawandel“ (DAS) der Bundesregierung beantworten. In einem ersten Schritt wurden seit 2008 wissenschaftlich begründete Indikatoren ermittelt, die eng mit den Auswirkungen des Klimawandels verknüpft sind. Damit sollen der Wandel selbst (Impact), aber auch die Maßnahmen zur Anpassung an den Klimawandel (Response) über längere Zeiträume evaluiert werden. Bereits zwei Auswertungen wurden seither vorgelegt, mit jedem wurden Indikatoren und Maßnahmen weiterentwickelt und verfeinert. Für die nächste Berichtsrunde hat die Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) gemeinsam mit der Brockmann Consult GmbH den Auftrag erhalten, zu fünf ausgewählten Schwerpunkten genauere Informationen bereitzustellen. Ihr Projekt mit dem Titel „DASIF – Operationalisierung von Indikatoren der Deutschen Anpassungsstrategie Klimawandel mit Fernerkundungsdaten“ ist im Dezember 2019 gestartet. Neu ist: Erstmals sollen damit Satellitendaten des Copernicus-Programms in DAS zum Einsatz kommen.  

Die Blaualgenbelastung von Badegewässern (1), die Eisbedeckung (2) und Wassertemperatur (3) von Seen und der Eintritt der Frühjahrsalgenblüte in stehenden Gewässern (4): Diese vier Werte können dazu beitragen, den stetig fortschreitenden Klimawandel zu verdeutlichen. Sie gelten als sogenannte Impact-Indikatoren und stehen im Fokus des Forschungsprojekts DASIF. Ein weiteres Themenfeld im Projekt ist die Fläche von Gründächern. Als sogenannter Response-Indikator kann hierdurch die Wirksamkeit bestimmter Anpassungsstrategien ausgewertet werden. „Bisher gibt es nur einzelne Fallstudien zu diesen Themen“, erklärt Natascha Oppelt, Wissenschaftliche Leiterin des Projekts DASIF und Geographieprofessorin an der Uni Kiel. „Bei den Gewässerindikatoren gibt es auf Europäischer Ebene hingegen bereits viel Entwicklungsarbeit, die hier in nationale Belange umgesetzt werden kann“, fügt Kerstin Stelzer hinzu, verantwortliche Wissenschaftlerin bei Brockmann Consult und verantwortlich für die Analyse von Blaualgen und Frühjahrblüte. Mithilfe von Satellitendaten will das Team um Natascha Oppelt und Kerstin Stelzer diese fünf Themenfelder grundlegender erforschen.

Wissenschaftliches Neuland

Ganz konkret schauen sich die Kieler und Hamburger Expertinnen für Erdbeobachtung und Modellierung anhand der Fernerkundungsdaten beispielsweise an, wie viel Chlorophyll im Wasser ist: „Daraus können wir Rückschlüsse auf das Algenwachstum in den Seen ziehen“, so die Projektmanagerin Dr. Katja Kuhwald. Wärmebilder liefern wiederum Informationen über Temperaturentwicklungen und Eisbedeckung. „Die Genauigkeit und Detailtiefe der Satellitendaten ist beeindruckend. Sie liefern uns räumliche und zeitliche Überwachungen von Seen, die mit sogenannten in-situ-Untersuchungen, also vor-Ort-Erkundungen, in dieser Datendichte nicht möglich sind.“

Die Herausforderung sei allerdings, dass diese Indikatoren für ganz Deutschland funktionieren sollen, obwohl sich die Gegebenheiten innerhalb der Bundesrepublik stark unterscheiden. „Wir müssen daher einen Weg finden, um große Landschaftseinheiten abzubilden. Gleichzeitig darf das Ergebnis nicht so weit generalisiert sein, dass es keine Aussagekraft mehr hat“, ergänzt Natascha Oppelt.

Dafür testen die Wissenschaftlerinnen verschiedene Ansätze. So kann zum Beispiel die Einteilung in verschiedene Seetypen, abhängig von der Lage und Größe, sinnvoll sein. Oder es werden verschiedene Landschaftstypen, zum Beispiel das Alpenvorland, das Mittelgebirge oder Norddeutsches Tiefland, als Einheiten herangezogen. Auch die Daten von vor-Ort-Untersuchungen durch die einzelnen Bundesländer oder Wetterdaten fließen in die Entwicklung der Indikatoren ein. Und natürlich werden auch nationale wie internationale Expertinnen und Experten auf den fünf Themengebieten einbezogen. „Die Finnen sind zum Beispiel sehr gut in der Erforschung von Eisbedeckungen. In der Schweiz und in Schweden gibt es hervorragende Expertise zum Thema Algenwuchs“, zählt Natascha Oppelt auf. Außerdem muss es eine optimale zeitliche Zusammenführung der Daten geben: Wird monatlich, quartalsweise oder jährlich ausgewertet? „Das bedeutet ganz viel Ausprobieren und Optimieren“, weiß die Geographin. 

Transfer in die Praxis

Um 2023 als anwendungsreife Indikatoren in den DAS-Bericht aufgenommen werden zu können, müssen die wissenschaftlichen Erkenntnisse in Algorithmen überführt werden. Diese Aufgabe wird der Projektpartner Brockmann Consult GmbH übernehmen: „Die Überführung von wissenschaftlichen Algorithmen in operationelle Systeme ist ein wichtiger Baustein für unser Vorhaben“, sagt Kerstin Stelzer von Brockmann Consult. Die Algorithmen und Indikatoren, die entwickelt werden, müssen automatisiert durchführbar sein. Dafür sei professionelle Software notwendig und eine Prozessierungsumgebung, die aus den sehr großen Datenmengen der täglichen Satellitenaufnahmen die auswertbaren, klimarelevanten Indikatoren erzeugen. Wichtig sei hier auch eine gute Definition der Produkte und Formate, so dass die Integration in die späteren Arbeitsabläufe reibungslos funktionieren könne. Auch dieser Prozess wird wieder wissenschaftlich begleitet, um die Qualität der Ergebnisse zu monitoren. Stelzer: „Bei diesem Prozess kann es schon mal einige Iterationen geben, bis alle Anforderungen erfüllt sind.“

Das Vorhaben wird im Auftrag des Umweltbundesamtes durchgeführt und mit Mitteln des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit (BMU) gefördert (Forschungskennzahl 3719 48 101 0).
 

Grafik
© Copernicus data (2019)

Das Forschungsteam nutzt Fernerkundungsdaten, um konsistente Zeitreihen zu schaffen, aus denen deutschlandweit vier Impact-Indikatoren berechnet werden können.

verschiedene Satellitenaufnahmen im Vergleich
© Copernicus data (2019), © U. S. Geological Survey

Der eisbedeckte „Große Alpsee“ bei Immenstadt im Februar 2019 aus der Perspektive von fünf verschiedenen Satellitensensoren. Mit diesen Sensoren ist es möglich, Eis und Wasser zu trennen. Umso genau wie möglich zu erforschen, wie lang der See eisbedeckt war, kombiniert das Kieler Team verschiedene Sensoren.

Satellitenbilder mit Temperaturangaben
© U. S. Geological Survey

Links: Wassertemperatur an der Oberfläche, die aus thermalen Satellitendaten berechnet wurden. Im Plöner See variierte die Temperatur am 20. April 2011 zwischen 10 und 22 Grad Celsius. Mitte: im Mittel lag die Temperatur bei 13,6 Grad Celsius. Rechts: Das gesamte Archiv der Landsat Satelliten wird genutzt, um die Entwicklung der Wassertemperatur im Plöner seit Mitte der 1980er Jahre nachzuvollziehen.

Kontakt:

Professorin Natascha Oppelt
Geographisches Institut der Kieler Universität
Leitung Klima- und Hydrogeographie
0431/880 3330
oppelt@geographie.uni-kiel.de

Dr. Katja Kuhwald
Geographisches Institut der Kieler Universität
0431/880-5642
katja.kuhwald@geographie.uni-kiel.de

Kerstin Stelzer
Brockmann Consult GmbH
040/696 389 307
kerstin.stelzer@brockmann-consult.de

Claudia Eulitz
Sachgebietsleitung Presse, Digitale und Wissenschaftskommunikation