image
Max Planck Institute
for Biogeochemistry
Blick vom Fichtelberg,
Quelle: Kora27
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Blick_vom_Fichtelberg_..IMG_0561WI.jpg
Klima und Waldsterben
Veränderungen im Wasserhaushalt des Erzgebirges
Maik Renner
1
, Christian Bernhofer
2
, Kai Schwärzel
3
, Martin Volk
4
, Ralf
Seppelt
4
, Matthias Forkel
1,5
und Kristina Brust
2,6
1
Max-Planck-Institut für Biogeochemie, Jena;
2
TU Dresden, Meteorologie;
3
UNU FLORES
Dresden;
4
UFZ Leipzig;
5
TU Wien;
6
HydroConsult Dresden
mrenner@bgc-jena.mpg.de
Annaberger Klimatage, 16. Mai 2018

image
Einleitung
Problemstellung
Sektorübergreifende Auswirkungen von Resourcennutzung
Maik Renner (MPI Biogeochemie Jena)
16. Mai 2018
2 / 20

image
Auswirkungen der fossiler Energieträger - Braunkohle
Braunkohle-Tagebau Nochten, Lausitz. Bild: SPBer
wikimedia.org

Treibhausgas Emissionen in Deutschland
751
563
375
max. 250
min. 63
1.251
906
0
200
400
600
800
1.000
1.200
1.400
1990
1995
2000
2005
2010
2015 **
Ziel
2020*
Ziel
2030*
Ziel
2040*
Ziele
2050*
Kohlendioxid (CO₂)
Methan (CH₄)
Distickstoffoxid (Lachgas, N₂O)
Wasserstoffhaltige Fluorchlorkohlenwasserstoffe (H-FKW)
Perfluorierte Kohlenwasserstoffe (FKW)
Schwefelhexafluorid (SF₆)
Stickstofftrifluorid (NF₃)
F-Gase gesamt**
Quelle: Umweltbundesamt, Nationale Treibhausgas-Inventare 1990 bis 2015
(Stand 02/2017) und Schätzung für 2016 (Stand 03/2017)
* Ziele 2020 bis 2050: Energiekonzept der Bundesregierung (2010)
** Schätzung 2016
Treibhausgas-Emissionen seit 1990 nach Gasen
Millionen Tonnen Kohlendioxid-Äquivalente
1Mt = 10
12
g; Umrechnung : 1Mt/(357376km
2
a) = 2.8g m
−2
a
−1
Quelle: Umweltbundesamt, 2017
https://www.umweltbundesamt.de/daten/klima/treibhausgas-emissionen-in-deutschland

Einleitung
Problemstellung
CO2 Emissionen und globale Erwärmung
CO2 Konzentration in
der Atmosphäre
2
emissions from fossil fuel combustion and cement production were 8.3 [7.6 to 9.0] GtC
12
yr
–1
averaged over
2002–2011 (high confidence) and were 9.5 [8.7 to 10.3] GtC yr
–1
in 2011, 54% above the 1990 level. Annual net CO
2
emissions from anthropogenic land use change were 0.9 [0.1 to 1.7] GtC yr
–1
on average during 2002 to 2011 (medium
confidence). {6.3}
2
emissions from fossil fuel combustion and cement production have released 375 [345 to 405]
2
emissions, 240 [230 to 250] GtC have accumulated in the atmosphere, 155 [125
13
. The pH of ocean surface water has decreased by 0.1 since the
beginning of the industrial era (high confidence), corresponding to a 26% increase in hydrogen ion concentration (see
Multiple observed indicators of a changing global carbon cycle: (a) atmospheric concentrations of carbon dioxide (CO
2
) from Mauna Loa
2
at the ocean surface (blue curves)
(a)
(b)
1950
1960
1970
1980
1990
2000
2010
300
320
340
360
380
400
Year
CO
2
(ppm)
pCO
2
(μatm)
Atmospheric CO
2
IPCC 2013 Abb.
SPM4a
Attribution of glob
SPM
Summary for Policymakers
Temperature anomaly (°C) relative to 1961–1990
(a)
−0.6
−0.4
−0.2
0.0
0.2
0.4
0.6
Annual average
−0.4
−0.2
0.0
0.2
0.4
0.6
Decadal average
Observed globally averaged combined land and ocean
surface temperature anomaly 1850–2012
Temperature anomaly (°C)
(b)
Observed change in surface temperature 1901–2012
−0.6
−0.4
−0.2
0.0
0.2
−0.6
−0.4
−0.2
0.0
0.2
0.4
0.6
1850
1900
1950
2000
Decadal average
Year
temperature
Aus dem 5. IPCC Sachstandsbericht, 2013
Maik Renner (MPI Biogeochemie Jena)
16. Mai 2018
5 / 20

Einleitung
Problemstellung
CO2 Emissionen und globale Erwärmung
CO2 Konzentration in
der Atmosphäre
2
emissions from fossil fuel combustion and cement production were 8.3 [7.6 to 9.0] GtC
12
yr
–1
averaged over
2002–2011 (high confidence) and were 9.5 [8.7 to 10.3] GtC yr
–1
in 2011, 54% above the 1990 level. Annual net CO
2
emissions from anthropogenic land use change were 0.9 [0.1 to 1.7] GtC yr
–1
on average during 2002 to 2011 (medium
confidence). {6.3}
2
emissions from fossil fuel combustion and cement production have released 375 [345 to 405]
2
emissions, 240 [230 to 250] GtC have accumulated in the atmosphere, 155 [125
13
. The pH of ocean surface water has decreased by 0.1 since the
beginning of the industrial era (high confidence), corresponding to a 26% increase in hydrogen ion concentration (see
Multiple observed indicators of a changing global carbon cycle: (a) atmospheric concentrations of carbon dioxide (CO
2
) from Mauna Loa
2
at the ocean surface (blue curves)
(a)
(b)
1950
1960
1970
1980
1990
2000
2010
300
320
340
360
380
400
Year
CO
2
(ppm)
pCO
2
(μatm)
Atmospheric CO
2
IPCC 2013 Abb.
SPM4a
Temperatur
T [°C]
7
8
9
10
1960
1980
2000
2020
Mittlere Jahrestemperatur für Sachsen, Daten
REKIS, RAKLIDA, 2018
Maik Renner (MPI Biogeochemie Jena)
16. Mai 2018
5 / 20

image
Emissionen von Aerosolen und Trübung der Atmosphäre
Smog am Fichtelberg, Bild: Tilo Arnhold/IfT,
www.git-labor.de

image
Emissionen von Aerosolen und Trübung der Atmosphäre
Emissionen von Schwefeldioxid (SO
2
)
1980
1990
1995
2000
2005
2010
SO
2
Gg/a
D
7514
5282
1704
638
460
430
SO
2
Gg/a
CZ
2257
1881
1089
264
219
170
Daten: United Nations Economic Commission for Europe
(UNECE) 2014
Vergleich: Kreuzfahrtschiff ’Harmony of the seas’
wiegt 227 Gg
Smog am Fichtelberg, Bild: Tilo Arnhold/IfT,
www.git-labor.de

image
Emissionen von Aerosolen und Trübung der Atmosphäre
Emissionen von Schwefeldioxid (SO
2
)
1980
1990
1995
2000
2005
2010
SO
2
Gg/a
D
7514
5282
1704
638
460
430
SO
2
Gg/a
CZ
2257
1881
1089
264
219
170
Daten: United Nations Economic Commission for Europe
(UNECE) 2014
Vergleich: Kreuzfahrtschiff ’Harmony of the seas’
wiegt 227 Gg
Kurzwellige Einstrahlung (aus Sonnenscheindauer)
Rg [W/m2]
100
105
110
115
120
125
1960
1980
2000
2020
Daten: REKIS, 2018
“Global Dimming and Brightening” Wild et. al, (2005) Science
Smog am Fichtelberg, Bild: Tilo Arnhold/IfT,
www.git-labor.de

image
Waldschäden in den Kammlagen des Erzgebirges
Foto: Erzgebirge, 1982

image
image
Waldschäden in den Kammlagen des Erzgebirges
Foto: Erzgebirge, 1982
no damage
little damage
moderate damage
heavy damage
dead
Waldschäden 1990
Daten: Waldschadensgutachten VEB Forstprojektierung

image
Fragestellung
Klima, Vegetation
Wasserhaushalt
Daten: LfULG, Michael Wagner TU Dresden
Maik Renner (MPI Biogeochemie Jena)
16. Mai 2018
8 / 20

image
image
image
image
image
image
Fragestellung
Klima, Vegetation
Wasserhaushalt
Maik Renner (MPI Biogeochemie Jena)
16. Mai 2018
8 / 20

image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
Fragestellung
Klima, Vegetation
Wasserhaushalt
Klima
Vegetation
Maik Renner (MPI Biogeochemie Jena)
16. Mai 2018
8 / 20

image
Methoden und Daten
Wasser- und Energiebilanz
Verbindung von Wasser- und Energiebilanz
frei nach Dyck and Peschke (1995)
Wasserbilanz:
P =
E
Q
dW
dt
Energiebilanz:
R
n
= L
E
+ H
dS
dt
Trockenheitsindex:
Budyko (1948, 1974):
Φ =
R
n
/L
P
UNEP 1992:
Φ =
E
0
P
Niederschlag P, reale Verdunstung E
bzw. E
T
, potentielle Verdunstung E
0
,
Abfluss Q, Wasser-äquivalent der
Nettostrahlung R
n
/L,
Verdunstungswärme L [2.510
6
J/kg],
sensible Wärme H, Bodenwasserspeicher
∆S, Bodenwärmestrom G
Maik Renner (MPI Biogeochemie Jena)
16. Mai 2018
9 / 20

Methoden und Daten
Wasser- und Energieaufteilung
Änderungen der mittleren Wasser- und Energieaufteilung
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
q
=
E
T
P
f
=
E
T
E
0
Energie Limit
Wasser Limit
Maik Renner (MPI Biogeochemie Jena)
16. Mai 2018
10 / 20

Methoden und Daten
Wasser- und Energieaufteilung
Änderungen der mittleren Wasser- und Energieaufteilung
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
E
T
P
E
T
E
0
P
=
E
0
humid,
P
>
E
0
arid,
P
<
E
0
energy limit
water limit
Trockenheitsindex als Linie
durch den Ursprung
Maik Renner (MPI Biogeochemie Jena)
16. Mai 2018
10 / 20

Methoden und Daten
Wasser- und Energieaufteilung
Änderungen der mittleren Wasser- und Energieaufteilung
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
E
T
P
E
T
E
0
P
=
E
0
land surface
change
energy limit
water limit
Trockenheitsindex als Linie
durch den Ursprung
Änderungen der
Landoberfläche
bewirken
eine Änderung von E
T
bei
konstantem Klima E
0
/P
Tomer and Schilling (2009), weiterentwickelt in Renner
et al. (2012) HESS, 16, 1419-1433
Maik Renner (MPI Biogeochemie Jena)
16. Mai 2018
10 / 20

Methoden und Daten
Wasser- und Energieaufteilung
Änderungen der mittleren Wasser- und Energieaufteilung
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
E
T
P
E
T
E
0
P
=
E
0
climate change
land surface
change
energy limit
water limit
α
Trockenheitsindex als Linie
durch den Ursprung
Änderungen der
Landoberfläche
bewirken
eine Änderung von E
T
bei
konstantem Klima E
0
/P
Klimaänderungen
, d.h.
Änderungen des
Trockenheitsindex E
0
/P (=
Änderung des Anstiegs)
Tomer and Schilling (2009), weiterentwickelt in Renner
et al. (2012) HESS, 16, 1419-1433
Maik Renner (MPI Biogeochemie Jena)
16. Mai 2018
10 / 20

Methoden und Daten
Wasser- und Energieaufteilung
Änderungen der mittleren Wasser- und Energieaufteilung
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
E
T
P
E
T
E
0
P
=
E
0
climate change
land surface
change
observed change
energy limit
water limit
α
Trockenheitsindex als Linie
durch den Ursprung
Änderungen der
Landoberfläche
bewirken
eine Änderung von E
T
bei
konstantem Klima E
0
/P
Klimaänderungen
, d.h.
Änderungen des
Trockenheitsindex E
0
/P (=
Änderung des Anstiegs)
Annahme: Effekte von
Klimaänderungen
Trockenheitsindex erlaubt
Quantifizierung
Tomer and Schilling (2009), weiterentwickelt in Renner
et al. (2012) HESS, 16, 1419-1433
Maik Renner (MPI Biogeochemie Jena)
16. Mai 2018
10 / 20

image
image
image
Methoden und Daten
Analyse für Sachsen
Analyse für Sachsen, 1950-2009
12
13
14
15
50.0
50.5
51.0
51.5
0
50
kilometers
Border of Saxony
River basins
River gauge
land use
Agricultural
Forest
Other
50
250
500
750
1000
1250
1500
m asl.
0
5
10
15
20
25
30
45
50
55
Daten: LfULG, CLISAX, DWD, CHMI, HQregio, SRTM, Corine
Renner et al. (2014) Hydrol. Earth Syst. Sci.
Maik Renner (MPI Biogeochemie Jena)
16. Mai 2018
11 / 20

Ergebnisse
Analyse sächsischer Einzugsgebiete
●●
●●
0.2
0.4
0.6
0.8
0.2
0.4
0.6
0.8
E
T
P
E
T
E
0
1950
1959
P
=
E
0
Maik Renner (MPI Biogeochemie Jena)
16. Mai 2018
12 / 20

Ergebnisse
Analyse sächsischer Einzugsgebiete
●●
●●
0.2
0.4
0.6
0.8
0.2
0.4
0.6
0.8
E
T
P
E
T
E
0
1950
1959
1960
1969
P
=
E
0
significant
Waldschäden
no damage
little damage
moderate damage
heavy damage
dead
forest damage in 1960
Daten: Waldschadensgutachten VEB Forstprojektierung
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
E
T
P
E
T
E
0
<− Landoberflächeneffekte −>
<− feuchter
trockener −>
Renner et al., (2014) HESS
Maik Renner (MPI Biogeochemie Jena)
16. Mai 2018
12 / 20

Ergebnisse
Analyse sächsischer Einzugsgebiete
●●
●●
●●
0.2
0.4
0.6
0.8
0.2
0.4
0.6
0.8
E
T
P
E
T
E
0
1960
1969
1970
1979
P
=
E
0
significant
Waldschäden
no damage
little damage
moderate damage
heavy damage
dead
forest damage in 1970
Daten: Waldschadensgutachten VEB Forstprojektierung
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
E
T
P
E
T
E
0
<− Landoberflächeneffekte −>
<− feuchter
trockener −>
Renner et al., (2014) HESS
Maik Renner (MPI Biogeochemie Jena)
16. Mai 2018
12 / 20

Ergebnisse
Analyse sächsischer Einzugsgebiete
●●
●●
●●
●●
0.2
0.4
0.6
0.8
0.2
0.4
0.6
0.8
E
T
P
E
T
E
0
1970
1979
1980
1989
P
=
E
0
significant
Waldschäden
no damage
little damage
moderate damage
heavy damage
dead
forest damage in 1980
Daten: Waldschadensgutachten VEB Forstprojektierung
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
E
T
P
E
T
E
0
<− Landoberflächeneffekte −>
<− feuchter
trockener −>
Renner et al., (2014) HESS
Maik Renner (MPI Biogeochemie Jena)
16. Mai 2018
12 / 20

image
Ergebnisse
Analyse sächsischer Einzugsgebiete
●●
●●
0.2
0.4
0.6
0.8
0.2
0.4
0.6
0.8
E
T
P
1980
1989
E
T
1990
E
0
1999
P
=
E
0
significant
Waldschäden
no damage
little damage
moderate damage
heavy damage
dead
forest damage in 1990
Daten: Corine, Wald- Strauch-Übergangsstadien (324)
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
E
T
P
E
T
E
0
<− Landoberflächeneffekte −>
<− feuchter
trockener −>
Renner et al., (2014) HESS
Maik Renner (MPI Biogeochemie Jena)
16. Mai 2018
12 / 20

image
Ergebnisse
Analyse sächsischer Einzugsgebiete
●●
0.2
0.4
0.6
0.8
0.2
0.4
0.6
0.8
E
T
P
E
T
E
0
1990
1999
2000
2009
P
=
E
0
significant
Waldschäden
Corine class 324
forest damage in 2000
Daten: Corine, Wald- Strauch-Übergangsstadien (324)
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
E
T
P
E
T
E
0
<− Landoberflächeneffekte −>
<− feuchter
trockener −>
Renner et al., (2014) HESS
Maik Renner (MPI Biogeochemie Jena)
16. Mai 2018
12 / 20

image
Validierung: Waldschadensfläche nach CORINE
% damaged forest area
[0,0.01]
(0.01,2]
(2,20]
(20,80]
Waldschadensfläche 1990, CORINE
Waldschadensfläche 1990, CORINE

Ergebnisse
Validierung
Waldschadensfläche und Verdunstung
1940
1960
1980
2000
0
200
400
600
800
time
P − Q
Time series of the residual water balance (P − Q)
% damaged forest area
all series
[0,0.01]
(0.01,2]
(2,20]
(20,80]
Maik Renner (MPI Biogeochemie Jena)
16. Mai 2018
14 / 20

Ergebnisse
Validierung
Validierung: ∆E
T
und Waldschadensfläche
[0,0.01] (0.01,2]
(2,20]
(20,80]
0
50
100
150
200
250
relative Waldschadensfläche[%]
Δ
E
T
(mm)
Klimaeinfluss
N = 26
N = 14
N = 21
N = 7
[0,0.01] (0.01,2]
(2,20]
(20,80]
0
50
100
150
200
250
relative Waldschadensfläche[%]
Δ
E
T
(mm)
Landoberflächeneinfluss
N = 26
N = 14
N = 21
N = 7
Ausmaß des Waldsterbens in den Kammlagen des Erzgebirges führte
zu einem deutlichen Rückgang der Gebietsverdunstung
schwächerer, aber überregionaler Effekt durch Änderungen in P, E
p
Maik Renner (MPI Biogeochemie Jena)
16. Mai 2018
15 / 20

image
Ergebnisse
Vegetation und Wasserhaushalt
Überwiegend positiver Trend des Vegetationindex NDVI
Daten: GIMMS3g, Topographie SRTM; Renner et al. (2015) HyWa
Maik Renner (MPI Biogeochemie Jena)
16. Mai 2018
16 / 20

Überproportionaler Beitrag der Wälder zur Ergrünung
NDVI Trend und Landnutzung (CORINE-1990):
●●●● ●
Broad−leaved forest
Complex cultivation patterns
Coniferous forest
Discontinuous urban fabric
Mineral extraction sites
Mixed forest
Natural grasslands
Non irrigate arable land
Pastures
Transitional woodland
−0.010
−0.005
0.000
0.005
0.010
Linear Trend in NDVI 1982−2009
Renner et al. (2015) HyWa
Klimaerwärmung
verlängert
Vegetationsperiode
(Pretzsch et al.,
2014) Nat. Comms.

image
image
image
Ergrünung der Erde (1982-2011)
http://earthobservatory
.nasa.gov/Features/Meas
uringVegetation/measuring_vegetation_2.php
NDVI
=
NIR
R
NIR
+
R
Karte Matthias Forkel (MPI-BGC Jena), Daten: GIMMS3g

image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Klima
Vegetation
Wasser-
haushalt
Maik Renner (MPI Biogeochemie Jena)
16. Mai 2018
19 / 20

image
image
image
image
image
image
image
image
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Vegetation
Foto: https://neugi85.wordpress.com
Waldschäden wirkten
lokal, und Effekt auf
WHH umkehrbar
Bis zu 200mm
Maik Renner (MPI Biogeochemie Jena)
16. Mai 2018
19 / 20

image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Vegetation
Klima
Waldschäden wirkten
lokal, und Effekt auf
WHH umkehrbar
Bis zu 200mm
Foto: https://neugi85.wordpress.com
Direkte Auswirkung der
Veränderung der
Sonneneinstrahlung auf WHH,
ca. 30mm
Maik Renner (MPI Biogeochemie Jena)
16. Mai 2018
19 / 20

image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Vegetation
Klima
Waldschäden wirkten
lokal, und Effekt auf
WHH umkehrbar
Bis zu 200mm
Direkte Auswirkung der
Veränderung der
Sonneneinstrahlung auf WHH,
ca. 30mm
Foto: https://neugi85.wordpress.com
Erwärmung verstärkt
Wachstum, ca. 50 mm
Maik Renner (MPI Biogeochemie Jena)
16. Mai 2018
19 / 20

Zusammenfassung
Bibliographie
Budyko, M.: Evaporation under natural conditions, Gidrometeorizdat, Leningrad, English translation by IPST, Jerusalem, 1948.
Budyko, M.: Climate and life, Academic press, New York, USA, 1974.
Dyck, S. and Peschke, G.: Grundlagen der Hydrologie, 1995.
Pretzsch, H., Biber, P., Schütze, G., Uhl, E., and Rötzer, T.: Forest stand growth dynamics in Central Europe have accelerated since 1870,
Nature Communications, 5, doi:10.1038/ncomms5967, 2014.
Renner, M., Seppelt, R., and Bernhofer, C.: Evaluation of water-energy balance frameworks to predict the sensitivity of streamflow to climate
change, Hydrology and Earth System Sciences, 16, 1419–1433, doi:10.5194/hess-16-1419-2012, 2012.
Renner, M., Brust, K., Schwärzel, K., Volk, M., and Bernhofer, C.: Separating the effects of changes in land cover and climate: a
hydro-meteorological analysis of the past 60 yr in Saxony, Germany, Hydrol. Earth Syst. Sci., 18, 389–405,
doi:10.5194/hess-18-389-2014, 2014.
Renner, M., Forkel, M., Brust, K., Schwärzel, K., Volk, M., and Bernhofer, C.: Ein hydrometeorologisches Verfahren zur Unterscheidung der
langjährigen Auswirkungen von Landnutzung und Klima auf den Wasserhaushalt, in: Aktuelle Herausforderungen im Flussgebiets- und
Hochwassermanagement, vol. 15 of Forum für Hydrologie und Wasserbewirtschaftung, pp. 227–234, 2015.
Tomer, M. and Schilling, K.: A simple approach to distinguish land-use and climate-change effects on watershed hydrology, Journal of
Hydrology, 376, 24–33, doi:10.1016/j.jhydrol.2009.07.029, 2009.
Maik Renner (MPI Biogeochemie Jena)
16. Mai 2018
20 / 20