Die Trockenheit im Sommer 2018 in Aachen und Düren

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  Wiese nahe Aachen G. Stauch

Der Sommer 2018 in Mitteleuropa war durch hohe Sonnenscheindauer und niedrige Niederschläge (Pressemitteilung Klimageo) geprägt. In der Folge ging die Aktivität der Vegetation in weiten Teilen Zentraleuropas und auch im Raum Aachen stark zurück; Wiesen färbten sich braun und viele Bäume zeigten einen verfrühten Blattabwurf.

Eine Möglichkeit die Aktivität von Pflanzen flächenhaft zu bestimmen, ist die Berechnung des NDVI (Normalized Difference Vegetation Index). Dieser Vegetationsindex beruht auf dem Verhältnis der Reflektion von elektromagnetischen Wellen im roten Bereich (0,6 - 0,7 µm) zur Reflexion im Bereich des nahen Infrarots (0,7 - 1,3 µm). Lebendige Pflanzen, welche Photosynthese betreiben, nutzen hierfür das Licht des blauen und roten Spektrums (das grüne Licht wird weitgehend reflektiert). Daher ist die Reflexion von den Pflanzen in diesen beiden Wellenlängenbereichen gering. Das nahe Infrarot wird hingegen in den Blattzwischenräumen gespiegelt und kann von den Pflanzen aufgrund der großen Wellenlänge nicht genutzt werden. Bei vitaler Vegetation ist die Reflexion im Bereich des nahen Infrarots hoch. Positive Indexwerte beruhen daher auf niedriger Reflexion im roten Licht und starke Reflexion im nahen Infrarot. Sie sind ein Anzeichen für große photosynthetische Aktivität der Pflanzen. Vegetationsfreie Flächen hingegen haben niedrige NDVI Werte und Wasserflächen aufgrund der stärkeren Absorption im Bereich des nahen Infrarots sogar negative Werte.

Da der NDVI die Vitalität der Pflanzen anzeigt, kann über einen Vergleich von aktuellen Werten mit dem Durchschnittswert einer Basisperiode aufgezeigt werden, ob sich die Vegetation zu einem Zeitraum besser oder schlechter als im Durchschnitt entwickelt (mehr zur Methode am Ende des Textes).

  Entwicklung des NDVI im Sommer 2018 (rot sind negative Werte, grün positive Werte, Basis MODIS). G. Stauch

Die erste Zeitreihe zeigt die Entwicklung des Sommers 2018 in Deutschland, den Niederlanden, Belgien und Luxemburg von Mai bis August 2018 auf Basis der MODIS Sensoren auf den NASA Satelliten Terra und Aqua. Während der NDVI im Mai noch geringe bzw. positive Abweichungen, dargestellt durch die grünen Farben, zeigt, bleibt die Aktivität der Pflanzen in den Folgemonaten immer stärker hinter dem Durchschnitt der Jahre 2002 bis 2017 zurück. Insbesondere der Beginn des Augusts ist durch sehr geringe Aktivität im Nordwesten Deutschlands, in Belgien und den Niederlanden sowie in Teilen Ostdeutschlandes geprägt. Über dies zeigt sich, dass die Trockenheit im Westen Deutschlands erst später einsetzt, dann aber sehr ausgeprägt ist.

  Differenz NDVI Basisperiode 1984-2017 aus Landsatdaten (30m). G. Stauch

Für eine detaillierte Betrachtung des Aachener Raumes wurden die Daten der Landsatreihe mit einer höheren Auflösung verwendet. Auch hier zeigen sich in den NDVI Daten vom 04.08. für weite Teile geringere Werte als im Durchschnitt der Basisperiode 1984 bis 2017, allerdings gibt es deutliche räumliche Unterschiede. Besonders starke negative Abweichungen sind in den Wiesengebieten des Münsterländchens im Umfeld von Breinig und Walheim zu verzeichnen. Besonders die Hochflächen sind hier betroffen. Ähnliches gilt für die Weiden um Hürtgen. Ebenfalls stark negative Werte finden sich in der Jülicher und Zülpicher Börde im Norden und Osten. In den Börden liegen aber auch immer wieder Gebiete mit positiven Abweichungen. Die negativen Werte sind häufig auf den Trockenstress der Ackerpflanzen zurückzuführen. Bei den positiven NDVI Werten zeigen sich sowohl die deutlich frühere Aussaat von Folgefrüchten aufgrund der besonderen Wettersituation, als auch Veränderungen in der Landnutzung im Verhältnis zur Basisperiode.

  Differenz NDVI Basisperiode 1984-2017 aus Landsatdaten (30m). G. Stauch

Einige weitere Besonderheiten des Aachener Raumes sind an zwei usschnitte mit positiven Abweichungen zu erkennen. Östlich des Tagebaus Inden sind die positiven (grünen) Werte in den Rekultivierungsmaßnahmen im Bereich des heutigen Blausteinsees begründet. Die hohen Werte liegen maßgeblich an der Entwicklung der Ufervegetation in den letzten 20 Jahren. Das grüne Band ein wenig weiter im Osten ist eine Folge der Ufervegetation am neuen Flussbett der Inde zwischen Lamersdorf und Kirchberg. Die positiven Werte nordwestlich des Tagebaus Hambach sind ebenfalls auf Rekultivierungsmaßnahmen der ehemaligen Abbaufläche zurückzuführen.

  Vergleich Sommer 2018 und 2013, links 04.08.2018, rechts 21.07.2013 G. Stauch

Die Stärke der Abweichungen des trockenen Sommers 2018 von einem „normalen Sommer“ zeigt die letzte Abbildung. Im Sommer 2013 hielten sich positive und negative NDVI Werte ungefähr die Waage. Der Sommer 2018 ist hingegen fast durchgehend durch stark negative Werte geprägt.

 

Methode

Der Lehrstuhl für Physische Geographie und Geoökologie am Geographischen Institut der RWTH Aachen nutzt schon seit vielen Jahren verschiedene Satellitendaten zur Erfassung globaler Umweltveränderungen. Für die aktuelle Studie wurden MODIS- und Landsatdaten verwendet. MODIS (Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer) ist ein Messgerät für elektromagnetische Strahlung auf den Satelliten Terra und Aqua der NASA. Die räumliche Auflösung reicht von 250 bis 1000m. Durch die Kombination der beiden Satelliten können täglich Bilder von nahezu der gesamten Erdoberfläche erstellt werden. Im Rahmen dieser Studie wurden aggregierte Daten von jeweils 16 Tagen verwendet. Da die Satelliten versetzt fliegen, steht seit dem Jahr 2002 für alle acht Tage ein Datensatz zur Verfügung.

Die Sensoren der Landsat-Satelliten haben hingegen eine räumliche Auflösung von bis zu 30m im Bereich des roten Wellenlängenbereiches und des nahen Infrarots. Allerdings überfliegen sie den gleichen Raum nur alle 16 Tage. Die Reihe der Landsat-Satelliten ist das älteste kontinuierliche, zivile Erdbeobachtungssystem, welches seit 1972 aktiv ist. Für diese Studie wurden die Daten seit Landsat5 aus dem Jahr 1984 verwendet. Mit den Daten sind aufgrund der räumlichen Auflösung Unterschiede in der aktiven Vegetation deutlich besser zu identifizieren als mit den Daten des MODIS.

Sowohl für MODIS als auch für Landsat wurden jeweils ein aktuelles Bild und eine Basisperiode bestimmt. Für MODIS wurden für die Basisperiode jeweils die Daten des gewählten Zeitpunktes (z.B. der 05.08.) für den Zeitraum 2002 bis 2017 bestimmt und der Median ermittelt. In einem vorgelagerten Schritt wurden automatisch alle Pixel mit Wolkenbedeckung oder Schattenwurf aus der Berechnung entfernt.

Für die Landsatdaten wurde der Median der Basisperiode aus einem Zwanzigtagezeitraum um den jeweiligen Zeitpunkt gewählt, da die Datenaufzeichnung nicht zum jeweils gleichen Tag erfolgt. Auch hier wurden vorher über einen Algorithmus alle Pixel mit Wolken oder Schatten entfernt. Für die Daten vom 04.08. wurden folglich alle wolkenfreien Daten in einem Zeitraum vom 25.07. bis zum 14.08. der Jahre 1984 bis 2017 ausgewählt. Aufgrund der häufigen Wolkenbedeckung im Raum Aachen standen aber häufig nur etwas über ein Dutzend Satellitenbildszenen zur Verfügung. Aus dem aktuellen Bild und der Basisperiode wurde dann die Differenz gebildet. Diese zeigt die Anomalie des Sommers 2018 im Verhältnis zum Median der Basisperiode. Die Analyse wurde mit der Earth Engine von Google durchgeführt.

Die Auswertung der Daten wird im Laufe der Sommer fortgesetzt und mit der Verfügbarkeit neuer Satellitendaten ergänzt.

Bei Interesse an der Thematik stehe ich gerne für die Betreuung von Abschlussarbeiten (sowohl Bachelor als auch Master) zur Verfügung. Bitte einfach per Mail anfragen oder in meinem Büro vorbei kommen.