Statistische Analyse von Klimadaten in der Städteregion Aachen, Herzogenrath und Roetgen

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1 Kurzfassung Bachelorarbeit vorgelegt von Jana Samlowski 2015 Statistische Analyse von Klimadaten in der Städteregion Aachen, Herzogenrath und Roetgen Das Thema Klimawandel ist heutzutage allgegenwärtig. Wann immer es zu Naturkatastrophen, wie verheerenden Waldbränden, Tsunamis oder Starkregenereignissen kommt, fällt in der anschließenden Diskussion das Stichwort Klimawandel. Vor dem Hintergrund außergewöhnlicher Starkregenereignisse in den letzten Jahren und im Besonderen im Sommer 2014 in NRW (Münster, Düsseldorf etc.) stellt sich die Frage, ob dies eine zufällige Erscheinung ist oder ob ein systematischer Trend als Folge des Klimawandels dafür verantwortlich gemacht werden kann. In dieser Bachelorarbeit wird die Entwicklung ausgewählter klimatologischer Parameter anhand langjähriger Messreihen, geeigneter statistischer Verfahren und Softwaresysteme untersucht. Basierend auf Auswertungen der Parameter Niederschlag, Lufttemperatur und Luftfeuchte werden die langjährigen Entwicklungen in der Städteregion Aachen, repräsentiert durch die Stationen Aachen, Herzogenrath und Roetgen, nach linearer Regression auf Trendverhalten untersucht. Die Auswertungen konzentrieren sich auf spezifische Kenngrößen des Niederschlag, sowie der Lufttemperatur und des Phänomens Trockenstress. Die Signifikanzen werden mittels t-test und Mann-Kendall-Test, soweit statistisch möglich, getestet. Werkzeuge Das zentrale Werkzeug für die Auswertungen dieser Arbeit war das Messdatenmanagementsystem AQUAZIS der Firma aqua_plan GmbH. In AQUAZIS erfolgte die Sammlung und Haltung aller Stamm- und Zeitreihendaten. Untersuchungsgebiet/ Datengrundlage Auf der Suche nach repräsentativen und möglichst langjährigen Zeitreihen wurde der Datenakquisitionsbereich weiträumig um Aachen angesetzt. So gingen insgesamt 105 Stationen von Wegberg als nördliche Grenze über Elsdorf/ Erftkreis als östliche Grenze bis nach Dahlem-Schmidtheim als südliche Grenze in die Auswahl ein. Die politisch und administrativ gegebenen Grenzen zu Belgien und den Niederlanden steckten das Gebiet in westlicher Richtung ab. Dabei wurden Zeitreihen des Landesamtes für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz NRW (LANUV NRW), des Deutschen Wetterdienstes (DWD) und des Wasserverbandes Eifel-Rur (WVER) in die Vorauswahl einbezogen. Abbildung 1: Datenakquisitionsbereich in AQUAZIS

2 Die zu untersuchende Städteregion Aachen wird durch drei Stationen, eine im Stadtgebiet Aachen, eine im Norden von Aachen (Flachland) und eine im Süden von Aachen (Mittelgebirge), repräsentiert. Hauptentscheidungskriterien waren Langjährigkeit, Vollständigkeit und die Lage der einzelnen Stationen. Die langjährigsten Beobachtungsreihen finden sich als Tagessummen (Niederschlag) bzw. Tagesmittelwerte (Lufttemperatur). Diese Tageswerte bilden die Grundlage nahezu aller Auswertungen. Für die Untersuchungen des Starkregenverhaltens kurzer Dauerstufen (< 1 Tag) werden kontinuierliche Daten benötigt, die allerdings nur für einen sehr viel kürzeren Zeitraum vorliegen. Die Auswertungen zum Phänomen Trockenstress werden anhand von Terminwerten ausgeführt. Lücken in den Datenreihen wurden, soweit möglich, durch Ergänzen anderer Zeitreihen mittels Regressionsanalyse und berechnung gefüllt. Die folgenden Zeitreihen bilden die Datengrundlage dieser Arbeit: Nr. Station Name Quelle Tageswerte von bis / / / *c =kontinuierliche Daten Aachen/ Aachen Orsbach Roetgen Dreilägerbachtalsperre ergänzt durch Roetgen N Herzogenrath ergänzt durch Niederbardenberg DWD (Lücke ) DWD LANUV (c) DWD LANUV (c) Tabelle 1: Auswahl Zeitreihen: Parameter Niederschlag (Tagessummenzeitreihen) Nr. Station Name Quelle Kontinuierliche Daten von / Aachen Soers ergänzt durch Soers KA LANUV WVER Roetgen LANUV / Worm ergänzt durch Worm KA LANUV WVER Tabelle 2: Auswahl Zeitreihen: Parameter: Niederschlag (kontinuierliche Zeitreihen) Nr. Station Name Quelle Parameter Tageswerte von bis / Aachen/ Aachen Orsbach DWD Lufttemperatur, Tagesmittel Tabelle 3: Auswahl Zeitreihen: Parameter Lufttemperatur (Tagesmittelwertzeitreihen) Nr. Station Name Quelle Parameter Terminwerte von bis / Aachen/ Aachen Orsbach DWD Lufttemperatur, Terminwerte Luftfeuchte, Terminwerte Tabelle 4: Auswahl Zeitreihen: Phänomen Trockenstress (Terminwerte) bis

3 Niederschlag Neben Auswertungen zu Starkregenereignissen oder statistischen Regenhöhen, welche den wohl größten Stellenwert für wasserwirtschaftliche Fragestellungen haben, wurden auch grundlegende Kenngrößen, wie die jährliche Niederschlagshöhe (WWJ) oder monatliche Niederschlagshöhen einer Trendanalyse unterzogen. Bei den Untersuchungen zu den grundlegenden Kenngrößen konnten überwiegend sehr geringe Entwicklungen ohne Signifikanz festgestellt werden. Eine Ausnahme dazu bildet die jährliche Niederschlagsmenge an der Station Herzogenrath. Während an den Stationen Aachen und Roetgen kaum Änderungen der jährlichen Niederschlagsmenge (Signifikanzniveau 9%-51%) festgestellt wurden, sticht die Station Herzogenrath mit einer Zunahme um 1,24 mm/jahr (Signifikanzniveau 95%) heraus. Dies entspricht über 100 mm seit Aufzeichnungsbeginn Trendentwicklungen der Jahresniederschlagssummen (WWJ) Station Trend Signifikanz Trend Signifikanz nach mm/a mm seit 1891 nach Mann-Kendall mm/a mm seit 1931 Mann-Kendall Aachen -0,0050-0,6 9 % 0, ,5 51 % Roetgen 0, ,0 20 % Herzogenrath 1, ,6 95 % Tabelle 2: Trendentwicklungen der Jahresniederschlagssummen (WWJ) Bei den Auswertungen der Monatsniederschlagssummen stechen einige Monate durch einheitliche Entwicklungen an den drei Standorten und hohe Signifikanzen ihres Trendverhaltens heraus. In der folgenden Abbildung sind die Monatstrends für den Zeitraum mit ihrer jeweiligen Signifikanz (Hintergrundfärbung) dargestellt. Station J F M A M J J A S O N D Aachen Roetgen Herzogenrath Abbildung 2: Monatstrends für den Zeitraum und ihre Signifikanz (Hintergrundfärbung) Im März sind Trends zwischen 0,15 mm/jahr und 0,27 mm/jahr (Signifikanzniveau 76%-96%) zu verzeichnen. Die Zunahme um 0,27 mm/jahr an der Station Herzogenrath entspricht insgesamt 22 mm seit Im Monat April nimmt der monatliche Niederschlag zwischen -0,25 mm/jahr und -0,51 mm/jahr auf hohen Signifikanzniveaus zwischen 87%-98% ab, wobei die stärkste Abnahme um - 0,51 mm/jahr in Roetgen ermittelt wurde. Das entspricht 42 mm seit Im Dezember wird eine Zunahme der monatlichen Niederschlagsmenge zwischen 0,28 mm/jahr und 0,41 mm/jahr festgestellt (Signifikanzniveau 84%- 99%). Die größte Zunahme mit 0,41 mm/jahr, was 34 mm seit 1931 entspricht, findet man dabei in Herzogenrath. Trend Signifikanz 0.1 mm/a 95% 0.05 mm/a 90% > < mm/a 0.05 mm/a 80% mm/a < 80% mm/a blau = steigender Trend rot = fallender Trend

4 Starkregenereignisse Die mittlere Anzahl von Starkregenereignissen in der Städteregion Aachen ist je nach Dauerstufe unterschiedlich. Für die Dauerstufe 15 Minuten ist eine deutliche Zunahme erkennbar (siehe Abb. 3), wobei die Umstellung der Messtechnik Einfluss auf die Ereigniszahlen hat. Bei der Dauerstufe 60 Minuten kann der Einfluss der Messtechnik vernachlässigt werden. Bemerkenswert ist hier die starke Zunahme in Roetgen gegenüber den leichten Abnahmen in Aachen und Herzogenrath (siehe Abb. 4). Die Zunahme der Ereignisse kurzer Dauerstufen (<< 1 Tag) mahnt zu einer verstärkten Beobachtung dieser Starkregenereignisse, die in erster Linie für die Stadtentwässerung relevant sind. Für Dauerstufen 1 Tag kann anhand der vorliegenden Messdaten kein eindeutiger Trend der Zunahme von Starkregenereignissen in Auftretenshäufigkeit und Intensität festgestellt werden. Da im Zuge der Bachelorarbeit lediglich vier verschiedene Dauerstufen an drei Messstationen beurteilt wurden, ist diese Aussage natürlich nicht allgemeingültig. Abbildung 3: mittlere Anzahl von Starkregenereignissen pro Jahr für D=15 min je Station Abbildung 4: mittlere Höhe von Starkregenereignissen pro Jahr für D=60min je Station Entwicklung der statistischen Regenhöhen Es lässt sich abschließend kein einheitlicher Trend für die Entwicklungen der statistischen Regenhöhen verschiedener Dauerstufen und Jährlichkeiten erkennen, auch wenn sich die Entwicklungen an den einzelnen Stationen unterscheiden. Für die Dauerstufe 15 Minuten wird ein klarer Anstieg für alle Stationen vermerkt, welcher allerdings nicht zuverlässig von der Änderung der Messtechnik abgegrenzt werden kann, aber durch die weniger ausgeprägte Zunahme für die Dauerstufe von 60 Minuten bestätigt wird. Für die untersuchten Dauerstufen 1 Tag werden nur sehr geringe Änderungen oder aber konträre Entwicklungen festgestellt. Für die Mehrzahl der Auswertungen ergeben sich positive Steigungen in den Trendgeraden, was eine Zunahme der Starkregenhöhen bedeutet. Bei einem Fortschreiten dieses Prozesses wird sicherlich eine Anpassung der Bemessungsgrößen erforderlich werden. Den Untersuchungen zu den längeren Dauerstufen liegen über 100 Jahre Messdaten zu Grunde. Durch die vorhandene Unabhängigkeit der einzelnen angrenzenden Zeitfenster kann zwar eine Aussage über die Entwicklung der statistischen Niederschlagshöhen gewonnen werden, jedoch ist ein Signifikanztest aufgrund der geringen Datenmenge nicht anwendbar. Für die Auswertungen zu den kurzen Dauerstufen konnten nur etwa 30 Jahre Messdaten betrachtet werden. So ist hier weder eine zuverlässige Aussage über eine mögliche Entwicklung, noch eine statistische Prüfung der Trends möglich. Daher ist es unerlässlich in den nächsten Jahren weiterhin die Niederschlagsgeschehnisse aufzuzeichnen und regelmäßig einer statistischen Auswertung zu unterziehen.

5 Lufttemperatur Die Auswertungen zum Parameter Lufttemperatur beschränken sich auf die Station Aachen. Es wurden Auswertungen der mittleren Jahres- und Halbjahrestemperaturen, Jahresminima und maxima und Monatsmitteltemperaturen einer Trendanalyse unterzogen. Bei den Trendanalysen der mittleren Jahres- und Halbjahrestemperaturen wurden ausschließlich positive Trends auf sehr hohem Signifikanzniveau (100%) festgestellt. Der Temperaturanstieg im Wasserwirtschaftsjahr beträgt seit ,0096 C/Jahr. Seit 1891 ist die durchschnittliche mittlere Jahrestemperatur also um 1,18 C gestiegen. Im Winterhalbjahr wurde ein Anstieg um 0,0109 C/Jahr (1,34 C seit 1891) und im Sommerhalbjahr um 0,0083 C/Jahr (1,02 C seit 1891) festgestellt. In Abbildung 5 sind die Entwicklungen der mittleren Jahresund Halbjahrestemperaturen grafisch dargestellt. Dabei sticht vor allem das Wasserwirtschaftsjahr 2007 durch seine Rekordtemperaturen heraus lag die mittlere Jahrestemperatur bei 11,7 C und im Winterhalbjahr wurde eine rekordverdächtige mittlere Lufttemperatur von 8,3 C gemessen. Im Wasserwirtschaftsjahr 2014 wurden zwar keine neuen Rekorde aufgestellt, doch es gilt ebenfalls als eines der wärmsten Jahre seit Beginn der Aufzeichnungen. Abbildung 5: Report Jahres- und Halbjahresmitteltemperaturen (WWJ) Aachen ab 1891 Bei der Auswertung von Kalenderjahren, ist das Kalenderjahr 2014 mit einer mittleren Jahrestemperatur von 11,3 C sogar das wärmste Jahr seit Beginn der Aufzeichnungen (siehe Abb. 6). Abbildung 6: mittlere Jahrestemperaturen im Kalenderjahr an der Station Aachen ab 1891

6 Die Trendanalysen der Monatsmitteltemperaturen zeigen in allen Kalendermonaten eine Zunahme. Dabei tritt die geringste Zunahme in den Monaten Februar und Juni jeweils ohne festgestellte Signifikanz auf, während in den übrigen Monaten die Signifikanz sehr hoch ist (86%-100%). Dabei treten die stärksten Temperaturzunahmen im Januar (0,0153 C/Jahr), März (0,0125 C/Jahr) und Oktober (0,0128 C/Jahr) auf. Die Ergebnisse sind in der folgenden Abbildung für den Zeitraum mit ihrer jeweiligen Signifikanz dargestellt. Trendentwicklungen der mittleren Monatstemperaturen an der Station Aachen Monat Trend Signifikanz nach C/a C seit 1891 Mann-Kendall Januar 0,0153 1,88 98 % Februar 0,0093 1,14 67 % März 0,0125 1,54 99 % April 0,0104 1,28 95 % Mai 0,0105 1, % Juni 0,0019 0,23 41 % Juli 0,0095 1,17 88 % August 0,0084 1,03 98 % September 0,0058 0,71 86 % Oktober 0,0128 1,57 99 % November 0,0096 1,18 98 % Dezember 0,0082 1,01 88 % Tabelle 3: Trendentwicklungen der mittleren Monatstemperaturen Parameter J F M A M J J A S O N D Mittel Abbildung 7: Monatstrends Lufttemperatur für die Station Aachen für den Zeitraum und ihre Signifikanz (Hintergrundfärbung) Trend Signifikanz 0.01 C/a 95% C/a 90% > C/a < C/a 80% C/a < 80% C/a blau = steigender Trend rot = fallender Trend Der aus den vorliegenden Messdaten festgestellte und signifikante Lufttemperaturanstieg zieht unglaublich viele Folgen mit sich. Zum einen verändert der Temperaturanstieg die Zirkulation von Luft und Wasser und bringt weitere Folgen für den Wasserhaushalt, die Höhe des Meeresspiegels, den ph-wert der Weltmeere und die Herausbildung extremer Wetterereignisse mit sich (vgl. Mahammad Mahammadzadeh u.a S.11). Andererseits steigt durch die erhöhten Temperaturen im Winterhalbjahr die winterliche Hochwassergefahr und durch die erhöhten Temperaturen im Sommerhalbjahr kommt es verstärkt zu Wasserverdunstung und zum Mangel an Kühlwasser, was ein großes Problem für die Industrie darstellt (ebd. S.16). Eine Erhöhung der Temperatur kann auch die Verbreitung von Insekten wie z.b. der Malariamücke begünstigen, welche eine direkte Bedrohung der menschlichen Gesundheit darstellt. Natürlich führt die Erhöhung der Temperatur unserer Fließgewässer auch zu einer Veränderung der Biozönose, was wiederum weitere Folgen mit sich zieht. Man kann dieses Szenario immer weiter und weiter treiben und erhält im Ergebnis eine nicht endende Liste von Wirkungen und Folgen, die lediglich aus einem Temperaturanstieg von 1-2 C resultieren.

7 Trockenstress In dieser Arbeit wird durch die Berücksichtigung zusammenhängender Perioden geringer Niederschlagshöhen, hoher Lufttemperaturen und potentieller Verdunstung die Entwicklung eines Trockenstresses ermittelt. Zeitreihen mit Terminwerten, welche für die Auswertungen benötigt werden, liegen für die Station Aachen ab 1951 vor. Lange andauernde Trockenphasen führen zu Dürreperioden, welche wiederum Trockenstress verursachen. Trockenstress entsteht, wenn geringe Niederschläge, hohe Lufttemperaturen und geringe Luftfeuchtigkeit dazu führen, dass die Transpiration (Verdunstung von Wasser über die Blätter der Pflanze) höher ist als die Wasseraufnahme der Pflanze. Dazu wurde das Verhalten der Lufttemperatur, der Luftfeuchtigkeit und der Verdunstung innerhalb von Phasen mit wenig Niederschlag bewertet. Der Grenzwert für Tage mit wenig Niederschlag wurde mit den gesetzlichen Vorgaben für Trockenwettertage in NRW gleichgesetzt. Ein Trockenwettertag wird durch folgende Niederschlagsbedingungen definiert: Niederschlagssumme am Tag 0,3 mm und Niederschlagssumme am Vortag 0,3 mm. Vergleichend wurden ebenfalls die Entwicklungen der oben genannten Parameter für eine generelle Schwellenwertunterschreitung von 0,3 mm/ Tag, also ohne die Vortagsbedingung, untersucht. Dabei zeigten sich folgende Ergebnisse: Die Zunahme der Anzahl der Trockenwettertage ist mit 0,1427 d/jahr deutlich höher als die Zunahme der Tage mit weniger als 0,3 mm Niederschlag mit 0,0311 d/jahr. Betrachtet man diese Ergebnisse, so stellt man fest, dass es nicht unbedingt viel mehr Tage mit wenig Niederschlag gibt, jedoch entwickelt sich der Trend dahingehend, dass die Tage mit wenig Niederschlag zunehmend in zusammenhängenden Perioden auftreten. Abbildung 8: Zeitreihenreport Trendanalyse Trockenwettertage/ Tage 0,3 mm Niederschlag Steigende Temperaturen, sowie sinkende Luftfeuchtigkeit in diesen Perioden begünstigen die Verdunstung. Je mehr Wasser aus den Pflanzenoberflächen, sowie aus den Bodenporen verdunstet, desto stärker wird die Wasseraufnahme der Pflanzen- im Besonderen beim Auftreten von lang andauernden Trockenphasengehemmt. Es kommt zum Effekt des Trockenstresses. Wie aus den Ergebnissen in Tabelle 7 ersichtlich, begünstigen die ermittelten Entwicklungen das Auftreten von Trockenstress. Die nach Haude berechnete Jahressumme der potentiellen Verdunstung in den niederschlagsfreien bzw. niederschlagsarmen Zeitspannen zeigt für beide Betrachtungsweisen eine deutliche Zunahme von 0,76 mm/jahr bzw. 0,81 mm/jahr (100% signifikant). Das entspricht in etwa 50 mm seit Gleichzeitig zeigen die Temperaturdaten einen Anstieg um 0,04 C/Jahr bzw. 0,05 C/Jahr (Signifikanzniveau von 100%) und die Luftfeuchte nimmt jährlich um -0,04% bzw. um -0,05 % (Signifikanzniveau von 100%) ab.

8 Trend der Schwellenwertunterschreitung 0,3 mm/ Tag Signifikanz (Mann-Kendall) Trockenwettertage 0,3 mm/ Tag Signifikanz (Mann-Kendall) Lufttemperatur (Jahresmittel) 0,0376 C/a 100 % 0,0448 C/a 100 % Luftfeuchte (Jahresmittel) - 0,0412 %/a 100 % - 0,0529 %/a 100 % Potentielle Verdunstung 0,7648 mm/a 100 % 0,8069 mm/a 100% (Jahressumme) Anzahl der Tage 0,0311 d/a 46 % 0,1427 d/a 87 % Tabelle 4: Trendentwicklungen Trockenstress Anhand der vorliegenden Messdaten kann signifikant nachgewiesen werden, dass sowohl die Anzahl von Trockenwettertagen in zusammenhängenden Perioden, als auch das potentielle Auftreten von Trockenstress in Aachen seit 1951 deutlich zugenommen hat. Dies bringt primär Konsequenzen für die Landwirtschaft mit sich. Ertragseinbußen und steigende Kosten durch künstliche Bewässerung sind die Folge. Ob die Pflanzen im untersuchten Gebiet tatsächlich unter Trockenstress leiden ist eher eine Frage für Biologen und kann hier nicht genau analysiert werden, da unklar ist, ab welchen Werten die Pflanzen in unseren Breitengraden unter Wassermangel leiden. Fest steht aber, dass heute potentiell 50 mm mehr an Niederschlag, innerhalb von niederschlagsfreien bzw. niederschlagsarmen Perioden, verdunsten. Das sind immerhin mehr als 6% der jährlichen Niederschlagsmenge in Aachen (wenn man von 800 mm Niederschlag/ Jahr ausgeht). Zusammenfassung/Fazit Die vorliegenden Auswertungen liefern für den Einfluss des Klimawandels auf die untersuchten Parameter der repräsentativ für die Städteregion Aachen untersuchten Stationen Aachen, Herzogenrath und Roetgen sehr unterschiedliche Ergebnisse. Die Lufttemperaturerhöhung ist die auffälligste Folge des Klimawandels. Auch die Zunahme von lang andauernden Trockenphasen mit simultan steigenden Verdunstungsraten- kurz gesagt die Zunahme des Phänomens Trockenstress- ist signifikant nachweisbar. Eine Anpassung der durch die Änderungen betroffenen Wirtschaftszweige an diese klimatologischen Auswirkungen ist sicherlich erforderlich. Die Änderungen der Niederschlagsverhältnisse zeigen kaum signifikante Entwicklungen. Die Trendverhalten auf Basis der Tageswerte wurden aus über 100 Jahren Messdaten abgeleitet, daher sind die festgestellten Änderungen trotz teilweise fehlender Signifikanz nicht unberücksichtigt zu lassen. Für Starkregenereignisse kurzer Dauerstufen wurde eine deutliche Zunahme festgestellt. Hier gingen allerdings nur etwa 30 Jahre Beobachtungsreihen in die Untersuchungen mit ein. Infolgedessen ist es unumgänglich in Zukunft sowohl die Messungen der Klimadaten, als auch die statistischen Auswertungen fortzuführen und regelmäßig zu überprüfen, welche Entwicklungen sich zeigen, um vorsorglich nachhaltige Anpassungsstrategien entwickeln zu können.

9 Literatur Mahammadzadegh, Mahammad; Biebeler, Hendrik; Bardt, Hubertus (Hrsg.): Klimaschutz und Anpassung an die Klimafolgen. Strategien, Maßnahmen und Anwendungsbeispiele, Köln: Institut der deutschen Wirtschaft Köln Medien GmbH Datenquellen: Deutscher Wetterdienst Quellenangabe gemäß 7 DWD-Gesetz und 3 GeoNutzV: ftp://ftp-cdc.wdw.de/pub/cdc Landesamt für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz Land NRW, Recklinghausen Wasserverband Eifel-Rur, Düren