Blitzschnelle Austrocknung: Was uns Satellitendaten über das Risiko von Blitzdürren und die Regionen sagen können, die wir im Auge behalten sollten

Steve Levay | 10. Juli 2023

Autoren: Stephen Levay und Megan Zaroda

Von Arjan Geers generierte und analysierte Datensätze

Visualisierungen von Max Borrmann

Besonderer Dank geht an Richard De Jeu, Maarten Lambrechts, Ryder Kimball und Yoann Malbeteau

Weltweit ist Dürre wohl der größte Feind, mit dem Landwirte konfrontiert sind. Nach Angaben der Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen sind die Auswirkungen der Dürre besonders schmerzhaft für die Landwirtschaft in einkommensschwachen und weniger entwickelten Ländern, wo mehr als 34 % aller landwirtschaftlichen Verluste auf Dürre zurückzuführen sind. Auch die Gefahr einer Dürre wird immer schwieriger vorherzusagen. Eine aktuelle Studie hat gezeigt, dass Dürren, die sich innerhalb weniger Wochen bilden – sogenannte Sturzdürren –, häufiger und schneller auftreten. Das Verhältnis von sich schnell zu langsam entwickelnden Dürren ist in den letzten Jahrzehnten um über 74 % gestiegen.

Das Besondere an diesen durch den Klimawandel verschärften Dürreperioden ist, dass sie zusammen mit längeren Perioden geringer Niederschläge zu extremer Verdunstung führen. Stellen Sie sich eine unstillbar durstige Atmosphäre vor, die so heiß und trocken wird, dass sie buchstäblich das Wasser aus den Pflanzen und dem Boden saugt.

Während aktuelle Überwachungssysteme, einschließlich Satellitendaten, nicht vorhersagen können, wo und wann die nächste plötzliche Dürre auftreten könnte, können wir die Planetenforensik als anschauliches Instrument nutzen, um das Dürrerisiko abzuschätzen und Regionen zu identifizieren, die besonders dürregefährdet sind. Basierend auf einem von Planet von Februar bis Mai 2023 durchgeführten Modell zeigten unsere Daten zum Bodenwassergehalt (SWC) Blitzdürrebedingungen in folgenden Bereichen:

Wir werden uns im Rahmen einer mehrteiligen Serie weiter mit der Dynamik dieser Regionen befassen und Möglichkeiten erkunden, die globale Abdeckung dieses Datensatzes zu nutzen, um Dürrerisiken auf der gesamten Erdoberfläche aufzudecken. Schauen wir uns zunächst an, wie wir Daten zum Bodenwassergehalt nutzen können, um schnelle Veränderungen der globalen Bodenfeuchtigkeit zu analysieren.

Wie Satellitendaten das Dürrerisiko aufdecken können

Dürre ist ein dynamisches Phänomen, und Planet's Soil Water Content, einer unserer Datensätze zu planetarischen Variablen, erfasst mithilfe granularer Echtzeitmessungen eine Momentaufnahme der Bedingungen, die auf Dürre hinweisen. Der Bodenwassergehalt nutzt Daten, die von Satelliten der NASA, ESA und JAXA gesammelt wurden, die passive Mikrowellendaten verwenden, um den Prozentsatz des in der obersten Bodenschicht vorhandenen Wassers mit verbesserter Auflösung zu berechnen.

Um genauer zu untersuchen, wo plötzliche Dürren auftreten, haben wir globale Messungen von SWC-Daten über den Verlauf eines ganzen Jahres, August 2021 bis Juli 2022, visualisiert. Auf der Karte sind trockenere Regionen in Gelb dargestellt, während feuchtere Gebiete in Grün dargestellt sind. Durch das Stapeln Dutzender Karten im Laufe des Jahres entsteht eine animierte Version, und in dieser Bewegung zeichnen sich klare regionale Muster und Trends ab.

Abbildung 2: Durch das Stapeln von Karten des Bodenwassergehalts entsteht eine Animation, die sich im Laufe der Zeit verändernde Dürrebedingungen aufzeigen kann.*

Einige grundlegende saisonale Muster sind klar: zum Beispiel das jährliche Frühjahrstauwetter in der Arktis oder der Sommermonsun in Indien. Auch anhaltend trockene Regionen wie die Sahara und die Arabischen Wüsten sind das ganze Jahr über sichtbar. Aber es ist auffällig und besorgniserregend, wenn es in einigen Regionen längere oder intensivere Trockenperioden gibt, wie die Animation im Westen der USA oder in Zentralchina zeigt. Die Daten der Planetary Variables reichen bis zu zwei Jahrzehnte zurück, sodass wir regionale Muster mit dem historischen Kontext vergleichen können, wie wir es kürzlich in einem Blogbeitrag über die Dürre am Horn von Afrika getan haben.

Konzentration auf das Dürrerisiko

Auch ohne die Verwendung von Archivdaten war unser Team neugierig darauf, eine Technik zu verwenden, um schnelle Veränderungen im Bodenwassergehalt (SWC) zu untersuchen. Ein Team unter der Leitung von Dr. Eswar Rajasekaran nutzte ähnliche Daten, um zu zeigen, dass Änderungen der Bodenfeuchtigkeit über bestimmte Zeiträume eng mit den Dürreüberwachungsindizes korrelieren. Aufbauend auf dieser Arbeit hat unser Team einen Datensatz erstellt, der die Veränderung des SWC über einen Zeitraum von 28 Tagen anzeigt, den wir zum Erstellen einer Karte wie der folgenden verwenden können.

Auf der Karte oben wird die Dynamik der regionalen Austrocknung viel deutlicher sichtbar. Anstatt nur den Grad des Bodenwassergehalts anzuzeigen, können wir kritische Veränderungen in Regionen wie Nordostaustralien identifizieren, die deutlich trockener werden. Dort wurde der Boden deutlich trockener als noch vor 28 Tagen. Dies kann auf einen Mangel an Niederschlägen hinweisen, was die Wasserressourcen belasten und zu Stress für Nutzpflanzen oder Vieh führen kann. Andere Gebiete zeigen im gleichen Zeitraum kaum Veränderungen, was darauf hindeutet, dass ein Mangel an schneller Trocknung auf relativ stabile Bedingungen hinweist. Längerfristig kann das Austrocknen des Bodens in Verbindung mit einer erhöhten Evapotranspiration (bedingt durch Lufttemperatur und Luftfeuchtigkeit) zu schweren Dürreereignissen führen. Da die Geschwindigkeit des Wandels mit der Intensität der Dürre korrelieren kann, können Messungen, die aufzeigen, wo Veränderungen stattfinden, einen Frühwarnindikator für den Beginn einer Dürre liefern.

Wir können diesen Ansatz noch weiter vorantreiben. Auf die gleiche Weise, wie wir mehrere Karten mit Messungen des Bodenwassergehalts gestapelt haben, können wir Veränderungen im Laufe der Zeit betrachten, um Bereiche zu identifizieren, in denen neben bereits besonders trockenen Bedingungen eine schnelle Trocknung stattgefunden hat. Das Ergebnis ist eine Animation wie die folgende.

Abbildung 4: Diese Animation zeigt Gebiete, die im vorangegangenen 28-Tage-Zeitraum vom 1. Februar 2023 bis zum 12. Mai 2023 einen raschen Rückgang verzeichneten und auch besonders trocken waren – wie die Iberische Halbinsel und Angola.*

Wir legen spezifische Schwellenwerte für Trockenheit und Veränderungen der Bodenfeuchtigkeit fest – für diese Animation haben wir Gebiete isoliert, in denen der Bodenwassergehalt in den letzten 28 Tagen unter 0,15 m3/m3 lag und der durchschnittliche Rückgang des SWC über 0,12 lag. Die Visualisierung der Gebiete, die diese Kriterien im Laufe der Zeit erfüllen, zeigt diese schnell trocknenden Regionen in Rot an, und wenn sich die Bedingungen weiter ändern, verschwinden sie. Diese sich schnell verändernden Gebiete können auch als „Hotspots“ betrachtet werden – Warnindikatoren für potenzielle Dürreperioden – die viel deutlicher hervorgehoben werden als durch eine einfache Messung allein. Ein solches Beispiel ist die Iberische Halbinsel, die im April 2023 die Hotspot-Auszeichnung erhält. Ebenso wechselt ein Großteil des südlichen Afrikas, darunter Teile von Angola, Simbabwe, Sambia, Botswana und Südafrika, von März bis März abwechselnd in den Hotspot-Status Mai.

All diese Verschiebungen lassen sich noch immer nur schwer in ein klares Verständnis der von Dürre bedrohten Regionen einordnen. Indem wir jedoch die Anzahl der Tage zählen, an denen sich die Bedingungen an einem bestimmten Ort schnell veränderten, können wir den Effekt zusammenfassen, um die Regionen zu identifizieren, in denen die Bedingungen am intensivsten waren.

Die Karte oben (Abbildung 5) nimmt den gleichen Zeitraum, der von der Animation in Abbildung 4 abgedeckt wird, und fasst ihn zu einem einzigen Frame zusammen, wobei die Anzahl der Tage gezählt wird, an denen eine bestimmte Region den Hotspot-Status anzeigte. Je mehr Tage trocken sind und die Trockenheit rasch zunimmt, desto dunkler wird das Rot. Gebiete wie die Iberische Halbinsel erscheinen dunkelorange, da die Werte des Bodenwassergehalts rapide gesunken sind. Andere Regionen, wie beispielsweise China, haben sich mit Hotspot-Bedingungen überhaupt nicht beschäftigt. Ebenso war die Sahara-Wüste zwar sehr trocken, aber durchgehend trocken, weshalb sie nicht als Hotspot-Wüste eingestuft wird.

So ergreifen Sie Maßnahmen bezüglich der Daten zum Dürrerisiko

Wir glauben, dass die Verfolgung schneller Dürreveränderungen wie dieser Mechanismen ermöglichen kann, die Wissenschaftlern und politischen Entscheidungsträgern frühere Warnungen ermöglichen und proaktive Maßnahmen zur Abmilderung der ökologischen und wirtschaftlichen Auswirkungen von Dürren wie Wassereinsparung oder -einschränkung ermöglichen. Den politischen Entscheidungsträgern einen Vorsprung zu verschaffen, kann auch dazu beitragen, finanzielle Verluste vorherzusehen und abzumildern oder Hilfsprogramme für betroffene Gemeinden zu entwickeln. Die Nutzung dieser Messung kann dazu beitragen, Ressourcen dort zu verteilen, wo sie im Falle einer Dürre am effektivsten sind.

Wassermanager können beispielsweise Zuteilungen vornehmen, um den landwirtschaftlichen Wasserbedarf effizienter zu decken, oder Landwirten, die ihre Felder bewässern müssen, Hinweise zur verfügbaren Wassermenge geben. Die Betrachtung sich schnell verändernder Dürren eignet sich auch sehr gut für die Modellierung von Dürreversicherungen. Wenn beispielsweise eine längere Dürreperiode herrscht, wissen die Landwirte, dass die Ernte wahrscheinlich ohnehin schlecht ausfallen wird – keine Versicherung würde Sie ohnehin versichern; wohingegen die Unterscheidung zwischen frühen und schnellen Effekten unterschiedliche Dynamiken im Spiel zeigt.

Daten und Modellierung des Dürrerisikos sind auch ein wichtiges Instrument für diejenigen, die sich mit dem Management von Waldbränden befassen. Typischerweise interessieren sich diejenigen, die das Risiko von Waldbränden bewerten, vor allem für die obersten Bodenschichten, da dort das größte Risiko besteht. Wenn der SWC unter bestimmte Schwellenwerte fällt, steigt das Risiko für Waldbrände exponentiell an. Diese Art von SWC-Daten kann das Risiko quantifizieren und Entscheidungsträgern beim Risikomanagement helfen, da Sie sowohl die historischen Daten, Ihren eigenen Schwellenwert als auch dynamische Änderungen sehen können. Wenn es zum Beispiel sehr trocken ist und die Wettervorhersage für Sie sehr heiß ist, können Sie sehen, welche Maßnahmen ergriffen werden müssen, z. B. Campern den Zutritt zum Wald zu verbieten, Brandverbote zu erlassen usw. Das ist vergleichbar mit dem Leben Wachen stellen eine Flagge am Strand auf, um Sie vor Flutwellen zu warnen – Dürrerisikoindikatoren können ein Signal für die Gefahr von Waldbränden sein.

Seien Sie gespannt auf zukünftige Beiträge, in denen wir uns mit der Analyse einiger der Regionen befassen, in denen sich die Veränderungen am schnellsten ausgewirkt haben, und sie anhand historischer Daten analysieren.

*Die Messungen bei 1 km pro Pixel wurden heruntergerechnet, um das Bild weltweit darzustellen. Regionen mit starker Vegetation sowie gefrorenen oder schneereichen Bedingungen werden mit Daten zum Bodenwassergehalt nicht effektiv gemessen und zeigen daher keine Daten an.