Zimmermann, K., & Kienast, F. (1995). Das Klima lässt sich nicht kartieren - Klimakarten werden gerechnet. Informationsblatt Landschaft, 27, 1-3.

Informationsblatt des Forschungsbereiches Landschaftsökologie

Nr. 27 / Juli 1995

Informations du secteur de recherche ecologie du paysage

No. 27 / juillet 1995

Institut federal de recherches sur la foret, la neige et le paysage.

Eidg. Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft.

Forschungsbereich Landschaftsökologie CH-8903 Birmensdorf

Secteur de recherche ecologie du paysage

· CH-8903 Birmensdorf

Das Klima lässt sich nicht kartieren - Klimakarten werden gerechnet.

Bis jetzt sind thematische Karten vor allem zum vergleichenden Betrachten geographischer Sachverhalte genutzt worden. In zunehmendem Mass werden Iandschaftsökologische Karten auch in digitaler Form verwendet, um Hypo- thesen, welche grossräumige ökologische Zus?mmenhänge betreffen, zu te- sten. In einem WSL-Projekt werden solche digitalen Karten benötigt, damit Aussagen über die potentiellen Veränderungen des Waldes und der alpinen Vegetation bei Klimaveränderungen gemacht werden können. Da die meisten bioklimatischen Karten allerdings bloss in grober räum1icher Auflösung vorliegen, wurde entschieden, wichtige ökologische Karten auf der Basis eines 50 m-Geländerasters neu zu rechnen. So liegen nun Karten zu Monatswerten für Temperatur, Niederschlag, Bewölkung, direkte Sonneneinstrahlung, po- tentielle Evapotranspiration und die Wasserbilanz (Niederschlag abzüglich Verdunstung) vor. Jahreswerte für Degree-days (Jahrestemperatursumme), Kontinentalitätsindices nach Gams und Kotilainen sind ebenfalls verfügbar.

Klaus Zimmermann & Felix Kienast

Digitale ökologische Karten:

wichtiges Hilfsmittel für Risiko- analysen

«Wie könnte sich das räumliche Mu- ster und die Artenzusammensetzung der Wälder und der alpinen Vegetation bei einem Klimawechsel verändern?»

Dies ist die Hauptfrage des Projektes

«Risikoanalyse Klima» der Gruppe Landschaftsentwicklung. Die Frage- stellung bedingt, dass man (a) die Zu- sammenhänge zwischen Klima und Vegetation kennt und (b) dass mög- lichst hochauflösende, digitale Karten von wichtigen Standortsfaktoren vor- liegen, welche eine räumliche Analyse möglich machen. Im Verlauf der Forschungsarbeiten hat sich gezeigt, dass die bestehenden digitalen Karten wie z.B. Geotektonik, Jahresnieder- schlag oder Jahresmitteltemperatur, welche im besten Fall eine Auflösung von 250 m aufweisen, für die Simu- lation der potentiellen Waldvegetation durchaus genügen, hingegen zur Simulation der räumlichen Verbrei- tung alpiner Pflanzengesellschaften unbrauchbar sind. Auf der Basis eines

neu verfügbaren 50 m-Höhenmodells (Höhenmodell, welches alle 50 m eine Höhenangabe enthält) wurden deshalb detailliertere Karten von ökologisch wichtigen Standortsfaktoren berechnet.

Gegenüber den klassischen 1-km-Rast- er-Höhenmodellen ergibt dies eine 400fach verbesserte Auflösung.

Eine einfache Temperaturkarte entsteht

Thematische Karten - zu denen Klima- karten zählen -sind wichtige Instrumen- te, um geographische Sachverhalte oder ökologische Zusammenhänge darzu- stellen, zu diskutieren und zu interpre- tieren. Grundsätzlich können zwei Ar- ten von thematischen Karten unterschie- den werden. Die Karten des ersten Typs werden im Feld aufgrund von Kar- tierungen erzeugt. Dies sind in der Re- gel Karte~ welche kategoriale Daten wiedergeben, Einheiten wie geologi- sche Schichten und Boden- oder Vege- tationstypen. In einer zweiten Art von Karten werden metrische Daten abge- bildet, die auf punktuellen Messungen basieren. Da die Messverfahren relativ

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aufwendig sind, versucht man, die geo- graphischen Räume zwischen den Messstationen mit Hilfe von statisti- schen Interpolationen zu ergänzen. So können bioklimatische Karten berech- net werden, auch wenn nicht überall in der Schweiz Messungen vorliegen. Es ist nicht einmal nötig, dass diese in regelmässigen räumlichen Abständen gemacht werden.

Es liegt in der Natur metrischer Da- ten, dass es keine festen Grenzen gibt, sondern fiiessende Übergänge. Bei vie- len klimatischen Faktoren liegt es auf der Hand, dass eine starke Abhängig- keit vom Relief besteht, insbesondere von der Höhe über Meer. Wie lässt sich also auf Grund der Höhenkarte eine Karte der Julimitteltemperaturen erzeu- gen, welche berücksichtigt, dass die Abhängigkeit zwischen Relief (Höhe über Meer) und Temperatur regional unterschiedlich ist?

Les cartes thematiques etaient classiquement utilisees pour com- parer des realites geographiques.

Elles sont desormais egalement exploitees auformat numerique pour verifier des hypotheses portant sur des relations ecologiques

a

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La vegetation alpine sous l 'effet du changement climatique. Lorsque la precision des cartes existantes s'avera insuffisante, de nouvelles cartes furent calculees avec une resolution de 50 m. Sont ainsi representees pour l' ensemble de La Suisse les valeurs mensuelles pour la temperature, les precipitations, La couverture nuageuse, La radiation solaire directe, l 'evapotranspiration potentielle et le bilan hydrique.

Abb. l: Monatsmittel der Julitemperaturen auf O Meter ü. M. reduziert Fig. i: Moyenne des temperatures de juillet ramenees llt O metre d' altitude.

«Das Tessin und das Wallis sind im Sornmer warm». Diese Aussage kann anhand von langjährigen Mittehiverten der SMA, beispielsweise der Juli- temperaturen, überprüfi: werden. Zum Vergleich müssen die gemessenen Werte ( die Messstationen liegenja auf unterschiedlicher Höhe) vom Relief der Schweiz entkoppelt und auf eine vergleichbare Basis gesetzt werden. Da die Temperaturen in der Regel propor- tional zur Höhe abnehmen, kann mit- tels linearer Regression jeder Stations- wert so transformiert werden, als ob die jeweilige Station aufMeeresni veau (0 m ü. M.) liegen würde. Der Regressionsgkichung entnehmen wir, dass die Juhmütehemperatur um 0.55°C je hundert Höhenmeter ab- nimmt, und im Durchsdmüt über die ganze Schweiz betrachtet bei 20.8°C liegt Einmal auf Meeresniveau umge- rechnet, weicht jede Station mehr oder weniger stark von diesem Mittelwert ab. Liegen die positiven Abweichun- gen nun vor allem im Tessin und im W allis, so stimmt obige Aussage. Mit räumlichen Interpolationen (Kriging- oder Spline-Funktionen) werden diese punktueUen Informationen räumlich ausgedehnt, so dass auch dort, wo nicht gemessen wurde, eine Aussage mög- lich ist Als Resultat dieser räumlichen Interpolation erhalten wir für die Juli-

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mittelternperatur eine Karte, wekhe die Momtswerte auf hypothetischer Meereshöhe räumlich differenziert darstellt (Abb.1). Die regionalen Ab- weichungen vom gesamtschwei- zerischen Miittel, welche vorher im starken ReHef der Schweiz verborgen waren, werden pfötzlich sk:htbaL Die Werte variieren zwischen 19.6° und 24 °C, In einem letzten Schritt werden nun anhand der Regressionsgleichung und der «richtigen» Höhe die Tempe- raturen auf das Relief übertragen. Da- bei wird vJlerdings die Regressions- konsltante ( der miHlere O m-Tempera- 1turwert) durch die regional gültige Ab- weichung ersetzt So kann für jeden beliebigen Punkt in der Sch,veiz die Juli:rnitteltemperamr berechnet wer- den. Zum ·Berechnen einer ganzen Karte benötigt inan daher eine digitaie Höhenkarte (DHM). Am Schluss die- ser Berechnungen sollten die berech- neten Werte in der Karte an der Stelle der Messstationen mit den gemesse- nen Werten übereinstimmen.

Welche loi.olld.i.m:J.tischen Karten sind neu verfügbmrr?

Nicht alle ökologischen Karten sind gleich einfach herzustellen wie die so- eben beschriebenen Temperaturkmten.

Bei Niederschlagsberechnungen ist nicht nur die regionale Abweichung

vom ges.amtschweizerischen Mittehvert zu berechnen, sondern beispielsweise auch die Regressionssteigung (Abht',n- gigkeit zur Höhe). Auch diese ist regio„

nal sehr unterschiedlich, nmss also ebenfaHs interpoliert werden. Die Bewölkungswerte der Schweiz anderer- sefü; vedaufen keineswegs Iinear zur Höhe, es müssen quadratische Re- gressionen hergeleitet v1erden. Auf die- se Weise-wurdenMonatswertefürTem- perntur, Niederschfag, Bewölkung und direkte Sonneneinstrahlung berechnet A,us diesen Grundkm'ten lassen sitch weitere ökologisch wichtige Faktoren berechnen. Die folgenden bio klimatisch interessanten ·werte wurden in 50 rn- Auflöstceg gerechnet und sind als digitale Karten erhählich:

Temperaturmittel (:monatlich) Niederschlagssumme (monatlich) Direkte potenti.eHe und aktuelle Sonneneinstrahlung (:monatlich) Bewölkungsprozente (monatlich) Degree„days (Temperatursumme der Werte oberhalb 5.5°C oder0°C) Potentielle Evapotranspiration (mo- natlich nach Tun:)

Kontinentafüätswi.nkd nach Gams Kontmentalitätsindex nach Kotilainen W asserbifanz (Niederschlag - Pot · Evapotranspiraüon, monatlich)

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Wie gut stimmen diese Karten mit den gemessenen Werten überein?

Bevor mit solchen Karten weitergear- beitet wird, sollte eine Verifikation durchgeführt werden. Bei den Juli- temperaturen sehen die Resultate folgendermassen aus:

Wenn man sämtliche Stationswerte mit den gerechneten Kartenwerten ver- gleicht, dann beträgt die Differenz der Temperaturen in 90% aller Stationen weniger als 1 °C. Dies ist zur Analyse grossräumiger Muster hinreichend ge- nau. Für Feinanalysen müssten entwe- der die Karten weiter verbessert oder die Klimadaten lokal erhoben werden.

Mögliche Anwendungen ökologi- scher Karten

Längst nicht alle Fragestellungen be- dingen eine so hohe Auflösung der Daten, wie sie zur Simulation der räum- lichen Verbreitung der alpinen Vege- tation notwendig ist. Überregionale

Vergleiche z.B. lassen sich sehr oft besser mit generalisierten Daten durch~

führen, wobei man jederzeit auf die Detailebene zurückgreifen kann. Be- rechnet man beispielweise die potenti- elle Evapotranspiration des Monats September nach der Formel von Turc und betrachtet die resultierende Karte in 50m Auflösung, so erscheint auf den ersten Blick eine Reliefkarte der Schweiz, weil die potentielle Evapo- transpiration sehr stark reliefabhängig ist (Einfluss der Exposition, der Nei- gung und der Temperatur). Erst ein regionaler Massstab (z.B. ·1 :25 000) erlaubt weitergehende Interpretationen.

Fragt man sich aber, welche Regionen der Schweiz relativ hohe potentielle Evapotranspirationsraten aufweisen, muss versucht werden, die Evapo- transpiration wieder etwas vom Relief zu entkoppeln. Allerdings nur so stark, als noch «reale» Werte vorliegen, Expositions- und Neigungsunter- schiede aber ausgemittelt werden. Dies

lässt sich sehr einfach erreichen, indem über mehrere Zellen hinweg die Wer- te gemittelt werden. Abb.2 zeigt eine Karte der auf je 40 km² gemittelten potentiellen Evapotranspiration nach Turc für den Monat September.

Im bereits erwähnten WSL-Projekt werden diese Karten benutzt, um die Verbreitung von Wald und alpiner Ve- getation aufgrund von ökologischen Karten zu simulieren. Ausgehend von diesen Zusammenhängen lassen sich Risikoanalysen durchführen, indem potentielle Veränderungen für vorge- gebene Szenarien(was ist zu erwarten, wenn ... ?) untersucht werden. Derarti- ge Risikoanalysen sind sicher der grösste Nutzen, der sich aus solchen Karten ableiten lässt. Diese Karten wer- den nie die Realität identisch abbilden.

Wir sollten allerdings nicht jedes Ex- periment mit der realen Natur selber durchführen, sondern mit Karten, wel- che die Wirklichkeit annähern.

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Abb. 2: Potentielle Evapotranspiration nach Turc im September (Mittelwerte über 40 km2).

Fig. 2: Evapotranspiration potentielle en septembre, selon Turc (valeurs moyennes sur 40 km2).

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