„PhaenOPT“ – Satellitengestütztes Phänologiemonitoring in Thüringen

Pflanzen ändern Ihr Aussehen im Jahresverlauf: Sie blühen im Frühling, produzieren Blätter und Früchte im Jahresverlauf und verfärben sich im Herbst. Dennoch gibt es Unterschiede: Ackerpflanzen sind nur eine begrenzte Zeit im Jahr vorhanden, Laubbäume haben nicht immer Blätter und Nadelbäume sind auch im Winter grün.

Diese Unterteilung ist sogar aus dem Weltall zu erkennen (Abb. 1); sie kann helfen, Änderungen dieser Vegetationsbereiche z. B. durch den Klimawandel zu erkennen.

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Abb.1: Falschfarbenbild einer mehrjährigen Beobachtung der Vegetation Thüringens aus dem All. Deutlich heben sich ein unterschiedliches Pflanzenwachstum in Abhängigkeit der Landnutzung ab. (Vergleiche Abb. 4)
• Rottöne – ganzjähriges Wachstum (Nadelbäume)
• Blautöne – kein Wachstum im Winter (Laubholz)
• Grüntöne – schnelles und schwankendes Pflanzenwachstum (Landwirtschaftliche Flächen)
• Schwarz – Städte (geringes, bis kein Pflanzenwachstum)
(Quelle: Friedrich-Schiller-Universität Jena, Lehrstuhl für Fernerkundung, 2016)
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Abb.2: Phänologische (Doppel-)Uhr für Deutschland. Vergleich der Zeiträume der phänologischen Stadien im Bezugszeitraum 1961-1990 (äußerer Ring) und 1991-2015 (Innerer Ring). Angabe der Zeiträume in Tagen. Zum Vergrößern bitte anklicken (Quelle: DWD, 2016)

Einfluss des Klimawandels

Die Auswirkungen des Klimawandels  in Thüringen sind bereits heute direkt spürbar: Durch eine gestiegene Durchschnittstemperatur (+1,3°C 1986-2015 im Vergleich zu 1881-1910) kommt es immer häufiger zu Trockenereignissen, die vor allem die Landwirtschaft treffen.

Eine weitere direkt messbare Folge des Klimawandels ist die Verschiebung der Vegetationsperiode von Pflanzen in den Winter – sie blühen früher und länger im Jahr. Messbar sind sie mit zehn sog. phänologische Phasen, die in einer phänologischen Uhr abgebildet werden (Abb. 2).

Die Sal-Weide, als Indikator für den Vorfrühling, blüht heute bis zu 15 Tage früher als noch vor 50 Jahren – und der Trend hält an. Änderungen über die letzten Jahrzehnte sind anhand von kontinuierlichen Beobachtungsdaten freiwilliger Beobachter in Diensten des Deutschen Wetterdienstes (DWD) sehr gut belegbar.

Klimafolgenindikatoren

Die Verschiebung der phänologischen Phasen wird als „Klimafolgenindikator“ bezeichnet, dessen Änderungen auch über einzelne Dekaden (10 Jahre) aufgeschlüsselt werden kann (Abb. 3). Anhand der Änderungen, können Rückschlüsse auf potentielle Folgen für Mensch und Umwelt gezogen werden.

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Abb.3: : Klimafolgenindikator "Verschiebung der Phänologie". Erklärung im Text (Quelle: TMUEN, 2017)

Klimafolgenmonitoring

Potentielle Folgen für Mensch und Umwelt, durch Änderungen in der Phänologie, können sein:

  • Zunehmende gesundheitliche Beeinträchtigungen von Allergikern durch früheren und verstärkten Pollenflug
  • Zunahme von Ernteausfällen bei Kulturpflanzen in der Landwirtschaft (da die Gefahr von Spätfrösten und Trockenperioden steigt)
  • Verstärkung von Wassermangelerscheinungen, da die Vegetation länger im Jahr aktiv ist und weniger Niederschläge im Sommer zu erwarten sind – Wasser, das an anderer Stelle fehlen wird.

Um auf diese Folgen mit passenden Strategien zu reagieren, wird vom Freistaat Thüringen ein „Klimafolgenmonitoring“ eingerichtet. Es ist Bestandteil des Integrierten Maßnahmenprogramms zur Anpassung an die Folgen des Klimawandels im Freistaat Thüringen – IMPAKT.

Mit „PhaenOPT“ soll ein erster, zuverlässiger webbasierter Monitoring-Dienst eingerichtet werden, der Aussagen zu zeitlichen Änderungen phänologischer Phasen treffen kann. Die Informationen sollen frei abrufbar sein.

 

Das Projekt nutzt traditionelle und moderne Datengrundlagen

Die erwähnten phänologischen Beobachtungen des DWD an 65 Stationen, ziehen sich durch alle sieben Naturräume Thüringens (Abb. 4) und werden seit 1951 kontinuierlich erfasst. Um diese punktuellen Messungen in die Fläche zu übertragen, bedient sich „PhaenOPT“ der Fernerkundung.

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Abb.4: Übersicht der sieben Naturräume Thüringens (Quelle: Hiekel et al., 2004).

Auf Basis von Daten der europäischen Sentinel-Satelliten und anderer Sensoren (z.B. MODIS auf den Satelliten Terra und Aqua) können, über spektrale, klimatische und topographische Zusammenhänge, punktuelle Informationen in die Fläche übertragen werden. Für die Projektdurchführung werden ausschließlich frei verfügbare Satellitendaten genutzt.

Durch die Kombination der Daten, können großräumige Aussagen zur aktuellen Phänologie in den Naturräumen Thüringens getroffen werden.

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Abb. 5: Crowd sourcing-App "MySeasons"

Um die Datendichte der phänologischen Beobachtungen (sog. in-situ Daten) zu erhöhen, verfolgt das Projekt das Ziel, zusätzliche Messmethoden miteinzubeziehen.

Über die App „MySeasons“ (Abb. 5) kann jede/r Interessierte/r Angaben zur Phänologie von ausgewählten Pflanzen in seiner Umgebung machen und somit zum Erfolg des Projekts beitragen.

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Über dieses sog. „Crowd sourcing“ erhoffen wir uns, eine qualitative Verbesserung unserer Ergebnisse. Besonders in den wachsenden Städten sind Daten rar gesät.

Die App wurde an der Friedrich-Schiller-Universität Jena entwickelt und kann kostenlos heruntergeladen und genutzt werden.​

Die europäischen Sentinel-Missionen

Die Satelliten-Missionen der ESA, die „Sentinels“, wurden im Rahmen des europäischen Copernicus-Programms entwickelt und liefern regelmäßige Aufnahmen in kurzen Zeitintervallen von wenigen Tagen.
Die Daten der Satelliten können von jedem kostenfrei über den „Sentinel Data Hub“bezogen werden.

Projektpartner und Förderer

Das Projekt wird im Verbund bearbeitet von:

  • Der Klimaagentur der Thüringer Landesanstalt für Umwelt und Geologie (TLUG)
  • der Friedrich-Schiller-Universität (FSU), Lehrstuhl für Fernerkundung
  • Jena Optronik

           Logo TLUG (Screen) 1719 x 321 px
​     7 Logo FSU Bildmarke 567 x 683 px       

8b Logo Jena-Optronik 232 x 93 px

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Gefördert wird das Projekt aus Mitteln des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) im Rahmen des europäischen Copernicus-Programms. (FKZ 50EW1611)

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Das europäische Programm „Copernicus“

Das europäische Erdbeobachtungsprogramm Copernicus schafft eine moderne und leistungsfähige Infrastruktur für Erdbeobachtung und Dienstleistungen der Geoinformation. Auch für Deutschland schafft Copernicus neue Chancen. Nutzer in Deutschland sollen von den europäischen Investitionen in Copernicus profitieren (Quelle: Copernicus-Deutschland).

Für sechs Themenbereiche werden Dienste und Informationen auf der deutschen Copernicus-Homepage bereitgestellt. Das Vorhaben PhaenOPT entwickelt einen Dienst für den Bereich „Überwachung des Klimawandels“.

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