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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-15985
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/1598/


Müller, Marc

Auswirkungen von Änderungen der Landnutzung auf das lokale Klima in Räumen mit unterschiedlichem Relief : der nächtliche Strahlungshaushalt historischer Landnutzungsmuster im Bereich südlicher Oberrhein, Schwarzwald und Baar

Effects of land use changes on the local climate in areas with different terrain : the nocturnal radiation balance of historical land use patterns in the region of Southern Upper Rhine, Black Forest and Baar

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Kurzfassung in Deutsch

Die vorliegende Dissertation ist eingebettet in das interdisziplinär ausgerichtete Forschungsprogramm des DFG-Graduiertenkollegs "Gegenwartsbezogene Landschaftsgenese" (692/1) und liefert diesbezüglich einen Beitrag zur zeitübergreifenden Erforschung der Wechselwirkung zwischen Mensch und Umwelt unter klimatischen Gesichtspunkten. Dabei wird speziell der Frage nachgegangen, wie sich die räumliche Differenzierung des lokalen Klimas in wolkenarmen und windschwachen Nächten (Strahlungsnächten) in unterschiedlich reliefierten Teilgebieten der Regio TriRhena hinsichtlich nächtlicher Oberflächentemperatur, nächtlicher Strahlungsbilanz und Kaltluftproduktion zu verschiedenen historischen und prähistorischen Zeitschnitten mit ihren unterschiedlichen Landnutzungsmustern gestaltet und wie sich diese jeweilige räumliche Differenzierung geeignet visualisieren läßt.

Das methodische Gerüst der Arbeit bildet ein auf Parametrisierung von Relief und Landnutzung basierender Ansatz, der es unter Verwendung einer Satellitenthermalaufnahme als Referenz erlaubt, das nächtliche Muster der Oberflächentemperatur in Strahlungsnächten für verschiedene Zeitpunkte mit Strahlungswetterlage und für unterschiedliche Zustände der Landnutzungsverteilung zu modellieren. Aus der Subtraktion der atmosphärischen Gegenstrahlung von der terrestrischen Ausstrahlung je Geländepunkt für den jeweiligen Zeitpunkt resultiert ein Flächendatensatz der nächtlichen Strahlungsbilanz, auf dessen Basis Aussagen über Kaltluftproduktion getroffen werden können.

Die für die verschiedenen Zeitschnitte verwendeten repräsentativen Landnutzungsdatensätze werden auf der Grundlage unterschiedlicher Quellen gewonnen. Dazu zählen für das 20. Jahrhundert Fernerkundungsdaten, für das 19. und 18. Jahrhundert historische Kartenwerke, für die Spätbronzezeit (1200-800 v. Chr.) ein Besiedlungsmodell sowie für die Zeit vor Einsetzen der Rodungen durch den Menschen (vor 5500 v. Chr.) das Szenario einer geschlossenen Waldbedeckung.

Als Konsequenz aus den von den erarbeiteten Landnutzungsmustern abgedeckten Flächen und der Forderung nach einer möglichst großen geomorphologischen Vielfalt der Untersuchungsräume werden folgende Arbeitsgebiete gewählt: erstens der Kaiserstuhl und sein Umland, zweitens Freiburg, das Zartener Becken und die Schauinslandregion, drittens das im Hochschwarzwald südöstlich des Feldbergs gelegenene Menzenschwander Tal sowie viertens die sich an die Schwarzwaldostabdachung östlich anschließende Hochmulde der Baar.

Die Anwendung der Modellierung erfolgt für alle Teilgebiete sowohl auf Grundlage der aktuellen Landnutzungsverteilung als auch auf Grundlage der "nur Wald"-Annahme. Die dazwischenliegenden Zeitschnitte mit ihren den jeweiligen prähistorischen und historischen Landnutzungssituationen entsprechenden nächtlichen Mustern der Oberflächentemperatur und Strahlungsbilanz werden chronologisch je Untersuchungsraum "eingehängt". Darüber hinaus wird die Modellierung analog zu "nur Wald" für weitere einheitliche Landnutzungsannahmen durchgeführt. Der Volumenfluß an abgekühlter Luft wird für das Menzenschwander Tal und die Baar ermittelt, und zwar einerseits für die aktuelle Situation der Landnutzungsverteilung und andererseits für die Szenarien "nur Wald" und "nur Wiese".

Der Visualisierung der Ergebnisse wird besonderes Gewicht beigemessen und erfolgt zunächst in Form von Transsekt-Darstellungen und Perspektivansichten. Die mit dem Wechsel der Landnutzung vom Szenario "nur Wald" zur heutigen Situation der Landnutzungsverteilung verbundenen Änderungen im Muster der nächtlichen Oberflächentemperatur werden in Form eines virtuellen 3-D-Fluges über die Untersuchungsräume visualisiert.

Die Auswertung der Ergebnisse erfolgt im Sinne einer Sensitivitätsanalyse für die durchgeführte Modellierung, daß heißt es wird dargelegt, welche Änderungen sich für Oberflächentemperatur, Strahlungsbilanz und Kaltluftproduktion in Strahlungsnächten in Relation zur Änderung der Landnutzung ergeben. Sie zeigt insbesondere die großen Spannen zwischen dem Verhalten von Wald und Grünland in reliefiertem Gelände im Hinblick auf den nächtlichen Wärmehaushalt und erlaubt die anderen Landnutzungen graduell zwischen diese beiden Extrempositionen einzuhängen. Ausgehend von der Situation der völligen Bewaldung ergibt sich daraus als Konsequenz, daß der Eingriff des Menschen in das Landschaftsgefüge - in Form von Landnutzungsänderungen in den untersuchten Teilräumen der Regio TriRhena - im Mittel mit einer Abnahme der nächtlichen Oberflächentemperatur und somit einem geringeren Energieverlust im nächtlichen Strahlungshaushalt sowie einem verringerten Kaltluftvolumen verbunden ist. Anthropogen bedingte Erhöhungen der nächtlichen Oberflächentemperatur sind in Bereichen größerer Bebauung und Versiegelung sowie bei den Ackerflächen der Baar beziehungsweise des Oberrhein-Tieflandes zu beobachten.


Kurzfassung in Englisch

This thesis is part of the interdisciplinary DFG-Graduate College research programme "Formation and development of present-day landscapes" and deals with the interaction between humans and environment from a climatic point of view. It focuses on the spatial distribution of surface temperature, net radiation and cold air production in cloudless nights with low wind speed in parts of the TriRhena region (the plain of the Upper Rhine and the surrounding uplands) at different historical and prehistorical time slices with their varying land use patterns, and how this spatial distribution can be visualized.

The surface temperature is estimated by a model which is based on parametrization of relief and land cover and a night thermal satellite image as a reference. The so derived synthetic pattern of surface temperature is calibrated with measurement data of a cloudless night with low wind speed and can be generated for different patterns of land cover. The pattern of net radiation results from subtracting the atmospheric counter radiation from the terrestrial radiation at the corresponding time for each point of the terrain. On this basis conclusions about cold air production can be drawn.

Various sources are used to obtain land use patterns for the different time slices: For the 20th century remotely sensed data, for the 19th and 18th century historical maps, for the late Bronze Age (1200-800 BC) a population model and for the time prior to woodland clearances by humans (before 5500 BC) an "only forest"-scenario.

The nocturnal radiation fluxes are modelled for these land use patterns as well as for further land use assumptions ("only meadow", "only arable land" etc.) in study areas with different terrain. These areas are "Kaiserstuhl", "Freiburg, Zartener Becken, Schauinslandregion", "Menzenschwander Tal" and "Baar". In order to visualize the spatial distribution of these radiation fluxes, transsects and perspective views are chosen. Changes in the nocturnal surface temperature pattern due to changes in land cover from the "only forest"-scenario to the actual situation of land use are demonstrated in a virtual 3D flight.

The discussion of the results is based on a sensitivity analysis for the model used. That means that changes of surface temperature, net radiation and cold air production in cloudless nights with low wind speed are explained in relation to changes in land use. The analysis shows especially the wide ranges between the behaviour of forest and grassland in complex terrain concerning the nocturnal energy budget. Furthermore, it allows a classification of other types of land use between these two extremes.

The comparison between the "only forest"-scenario and today´s land use situation shows that anthropogenic changes to the environment have led - on average - to a decrease of nocturnal surface temperature and thus to a smaller loss of energy in the nocturnal radiation balance as well as to a reduced cold air production. Increases of the nocturnal surface temperature caused by humans are significant in larger urban areas as well as in arable land areas of Baar and Upper Rhine lowland respectively.


SWD-Schlagwörter: Geländeklima , Regio TriRhena , Strahlungsnacht , Oberflächentemperatur , Strahlungsbilanz , Modellierung , Visualisierung , Computeranimation
Freie Schlagwörter (deutsch): Landnutzungsänderungen , Kaltluftproduktion
Freie Schlagwörter (englisch): land use changes , local climate , radiation balance , modelling , 3D visualization
Institut: Institut für Physische Geographie
Fakultät: Fakultät für Forst- und Umweltwissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften, Geologie
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Goßmann, Hermann (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 20.12.2004
Erstellungsjahr: 2004
Publikationsdatum: 25.01.2005
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