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Trockenheit

Teich mit niedrigem Wasserstand und Algenblüte im Schlosspark Reinhardtsgrimma im Mai 2018
Schlosspark Reinhardtsgrimma  © LfULG
Die  Änderungen im Temperatur- und Niederschlagsregime begünstigen besonders seit Herbst 2013  zunehmend Aufbau und Ausmaß von Trockenheit. Längerfristige Niederschlagsdefizite und kurzfristige Niederschlagsüberschüsse (Starkregen) treten gleichzeitig auf. Hohe Temperaturen verstärken infolge der Verdunstung die Wirkung eines Niederschlagdefizites.

Aktuelle Ergebnisse

Entwicklung Niederschläge und des anwachsenden Niederschlagsdefizites © ReKIS, LfULG

Seit November 2017 bis August 2020 baute sich ein kumulatives Niederschlagsdefizit von – 400 l/m² (- 18 %) vs. 1961-1990 bzw. – 480 l/m² (- 22 %) vs. 1981-2010 auf. (Der Vergleich mit 1981-2010 wird oft für Analysen zum Wasserhaushalt verwendet.)

Säulendiagramm der Abweichungen der mittleren Lufttemperatur in Sachsen, Darstellungen für die Monate November 2017 bis August 2020, nur vier Monate kälter als Referenz, höchste Abweichung größer als 5 Kelvin (April 2018, Juni 2019, Februar 2020) © ReKIS, LfULG

Aufgrund des sehr hohen thermischen Niveaus (+ 2,2 K vs. 1961-1990 bzw. + 1,6 K vs. 1981-2010) erhöhte sich die potentielle Verdunstung (Sättigungsdefizit der Atmosphäre) im genannten Zeitraum um + 305 l/m² (+ 17 %) bzw. + 235 l/m² (+ 13 %) vs. 1981-2010. Auf diese enorme atmosphärische Sogwirkung reagiert die Landoberfläche mit der tatsächlichen Verdunstung, was sehr hohe Verdunstungsraten von Wasserflächen und bei anhaltenden Niederschlagsdefiziten eine weitgreifende Ausschöpfung des Bodenwassers bis in tiefere Schichten zur Folge hat. Hinzu kommt, dass Wassermangel die tatsächliche Verdunstung unterdrückt und sich somit die bodennahe Luft zusätzlich erwärmt. Kritisch ist, dass über kurzfristige Niederschlagsüberschüsse keine Kompensation erreicht werden kann.

Karte Sachsen mit Darstellung des Niederschlagsdefizits im Vergleich zum Referenzzeitraum 1961 bis 1990 © ReKIS, LfULG

In ganz Sachsen fehlt Niederschlag, am meisten in Teilen der Landkreise Bautzen, Sächsische Schweiz/Osterzgebirge sowie des  Erzgebirgskreises.

Klimatologische Analyse

Klimaänderungen werden auf der Grundlage von Unterschieden zwischen 30-jährigen Vergleichszeiträumen dargestellt.

Zur Bewertung des langfristigen Klimawandels wurde von der Weltorganisation für Meteorologie (WMO) der Zeitraum 1961 bis 1990 als Referenzzeitraum festgelegt Der aktuelle Vergleichszeitraum ist 1981 bis 2010, mit Beginn 2021 dann 1991 bis 2020. Dieser ist der erste vom Referenzzeitraum datenseitig unabhängige 30-jährige Vergleichszeitraum.

Schwankungen werden auf der Grundlage von Unterschieden zwischen 10-jährigen Vergleichszeiträumen dargestellt (Dekaden, z. B. 2001 - 2010).

Innerhalb der Vergleichszeiträume können unterschiedliche Bezugszeiträume (z. B. Kalenderjahr, hydrologisches Jahr, Jahreszeit, Vegetationsperiode, Einzelmonat) verwendet werden.

Definitionen

Trockenheit entsteht aus der Kombination von entsprechenden großräumigen atmosphärischen Bedingungen mit lokalen Standortfaktoren (z. B. Landnutzung, Boden, Relief, Bodenfeuchte, Vegetation). Die o. g. atmosphärischen Bedingungen werden als Trockenheitsmerkmale bezeichnet. Mit zunehmender Andauer und Ausmaß des Niederschlagsdefizites sind tiefere Bodenschichten betroffen und die Folgen für Mensch und Umwelt schwerwiegender.

Als Trockenheitsmerkmale dienen Temperatur, Niederschlag sowie unterschiedliche Indizes, die je nach Fragestellung angewendet werden. Auch die Wahl der Bezugszeiträume (Jahre, Jahreszeiten; 3, 6, 9, 12, 24 oder mehr Monate) richtet sich nach dem Ziel der Untersuchung (z. B. Witterung, landwirtschaftliche Erträge, Waldzustand, Wasser- oder Grundwasserstände).

Methoden

Oft verwendete Indizes sind:

  • Index nach de Martonne: Der Index zielt auf die pflanzenphysiologische Wirkung des Niederschlags ab und liefert ein einfaches Maß für die Trockenheit eines Lebensraumes. Er ist definiert mit dM = RR/(T+10), wobei RR der unkorrigierte Niederschlag (mm) eines Bezugszeitraumes (z. B. Jahreszeit) und T die Mitteltemperatur (°C) des Bezugszeitraums ist. Die Temperatur fungiert hier als Proxy für die Verdunstung. Der de-Martonne-Index harmoniert mit der klimatischen Wasserbilanz (vgl. Kap. II.2.2.4) und kann als atmosphärische Rahmenbedingungen für Feuchte- und Trockenphasen interpretiert werden. Aufgrund der geringen Datenanforderung lassen sich vergleichsweise lange Zeitreihen berechnen und hinsichtlich Klimawandel bewerten. Positive Abweichungen vom Wert im Referenzzeitraum1961 bis 1990 weisen auch Feuchte-, negative auf Trockenphasen hin.
  • Standardisierter Niederschlagsindex (Standardized Precipitation Index) SPI: Der SPI ist eine aus dem kumulierten korrigierten Niederschlag abgeleitete Größe. Damit kann abgeschätzt werden, wie nass oder trocken ein Zeitabschnitt im Vergleich zu den durchschnittlich „normalen“ Niederschlagsverhältnissen ist. Er ist geeignet, die Häufigkeit bzw. Seltenheit eines Trockenheitsereignisses zu bestimmen. Als geeignetste Verteilungsfunktion für die Wiedergabe des Niederschlags auf verschiedenen Zeitskalen hat sich für Sachsen die Gamma-Funktion erwiesen (Pluntke et al., 2018; siehe Quelle unten).
  • Standardisierter Niederschlags-Verdunstungsindex (Standardized Precipitation-Evapotranspiration Index) SPEI: Basiert auf der Berechnungsmethodik des SPI unter Nutzung der monatlichen (oder wöchentlichen) klimatischen Wasserbilanz (Differenz von Niederschlag und potentieller Verdunstung).
    Zur Berechnung der Verdunstung sind die Ansätze »Grasreferenzverdunstung« und nach TURC-WENDLING für Sachsen gleichermaßen geeignet. Die geeignetste Verteilungsfunktion für die Kennwerte für Sachsen ist die Normalverteilung (Pluntke et al., 2018).

 Quelle:

Pluntke, T.; Kronenberg, R.; Hänsel, S.; Rumpf, D.; Zimmermann, F.; Matschullat, J. & Bernhofer, C. (2018): Konzept zur Darstellung von Trockenheitsmerkmalen in Sachsen unter sich ändernden Klimabedingungen,  Schriftenreihe des LfULG in Vorbereitung

Die Verarbeitung der Daten erfolgte in der Programmiersprache R. Es wird die Version x64 3.1.1 mit der Entwicklungsumgebung R-Studio (Version 0.98.1073) genutzt. Für die Berechnung SPI und SPEI hat sich die R-Programmbibliothek SPEI Version 1.6 als geeignet erwiesen. Für die automatisierte Kartenerstellung können die R-Bibliotheken raster (Version 2.3-12) und rgdal (Version 0.9-1) genutzt werden. Für die Positionierung und Ausrichtung einiger Kartenelemente kann die Programmbibliothek grid (Version 3.1.1.) genutzt werden.

Datengrundlagen

Zeitreihen des Niederschlages und der Temperatur auf Basis von Tages- und z. T. Stundenwerten. von den Messnetzen des DWD, ergänzt um Messnetze in der Zuständigkeit des Freistaates Sachsen und der angrenzenden Tschechischen Republik. Diese wurden umgerechnet auf 1x1 km Rasterzellen und verifiziert durch den Klimareferenzdatensatz Sachsen 1.0 () Bernhofer et al., 2019).In der Version v1.0 umfasst der Klima-Referenzdatensatz Daten im Zeitraum 1951 bis 2015, die umfangreich geprüft und Lücken gefüllt wurden.
Die Daten können über ReKIS (www.rekis.org)  nach wählbaren Qualitätskriterien, die in Abhängigkeit vom gewählten Zeitraum einen Auszug aus dem Klima-Referenzdatensatz bedeuten, heruntergeladen werden. Bereitgestellt werden unbearbeitete und bearbeitete Daten sowie eine Kennzeichnung der Daten (data flagging).

Quelle:
Bernhofer, C.; Pluntke, T.; Barfus, K.; Heidenreich, M.; Kronenberg, R.; Hauffe, C.; Wagner, M.; Schwarze, R.;Gutzmann, B.(2019): Analyse und Bewertung der gemessenen meteorologischen Datengrundlageim Freistaat Sachsen sowie Erzeugungeines Klima-Referenzdatensatzes, Schriftenreihe des LfULG Heft 7/2019.

 

 

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