Impacts of land-cover change on the regional climate of Northern Germany

Abstract

Land-cover is continuously modified both by natural as well as anthropogenic processes. These modifications show impacts on climate especially on the regional scale. The scope of this thesis is to investigate impacts of land-cover changes on the regional climate of Northern Germany with special focus on Hamburg and Berlin. For this purpose,the regional climate model COSMO-CLM (CCLM) is used in a convection permitting mode at a horizontal grid mesh size of 2.8km. A broad spectrum of land-cover changes from anthropogenic impacts-so far-across large-scale impacts caused by one-way land-cover changes up to possible land-cover changes in terms of ongoing urbanization are addressed. In the first step, the maximum range of regional climate impacts due to extreme land-cover changes is investigated. Four extreme land-cover scenarios are implemented in CCLM: mixed forest only, non-irrigated arable land only and continuous urban fabric only with either sealed or porousground. For these scenarios 2-year simulations for 2002 and the year of a strong heatwave, 2003 are conducted. Clear effects on near surface temperature caused by a different portioning of surface fluxes and changes in the hydrological cycle become visible. It is shown, that the current land-cover of Northern Germany has already led to an effect on the regional climate compared to the potential natural land cover, namely mixed forest. Strongest impacts are caused by the most extreme scenario: sealed urban land. This scenario causes for example increased summer mean 2m temperatures up to 4K higher than in the control run due to diminished evaporative cooling. In general, changes in the degree of sealing and the amount of vegetation show strongest effects in this sensitivity study.

In the second step, combined effects of land-cover and greenhouse-gas changes on the climate of Northern Germany are analyzed for the end of the 21st century (2090-2099) compared to the landcover status for thetime slice 1998-2007. Herein, two urbanscenarios areappliedand evaluated: the urban sprawl and the compact city scenario. Both scenarios are based on the assumption of a growing urban population and an increasing demand on living space. In the "urban sprawl" scenario, the currently as "growing" declared urban areas of Northern Germany are enlarged horizontally. Their urban characteristics are kept constant. In the "compact city" scenario, urban growth happens next to low horizontal growth, especially in the vertical with clearly higher buildings and the building of new housing on vacant plots. Simulations results suggest that the two land-cover change scenarios play a minor role for the regional climate of Northern Germany with respect to urban growth. Nevertheless, on the local scale land-cover changes play an important role in the surface energy budget and the hydrological cycle. In general, changes in the degree of sealing and the amount of vegetation lead again to strongest effects on the surface climate. This becomes especially evident in the "compact city" scenario with sealed ground. The fast run-off of precipitation at the surface due to the sealed and vegetation free surfaces prevents the storage of water. Whereas temperatures in both land-cover change scenarios are increased particularly in summer, due to the decreased cooling effect of evaporation. The increased turbulence above the cities caused by the increased heating and a higher roughness length leads to impacts on the local wind field and therefore influences the precipitation pattern around the modified cities.

Die Landbedeckung wird kontinuierlich sowohl durch natürliche als auch durch anthropogene Einflüsse verändert. Diese Änderungen wirken sich auf das Klima insbesondere auf der regionalen Skala aus. Das Ziel dieser Doktorarbeit ist es den Einfluss von Landnutzungsänderungen auf das regionale Klima von Norddeutschland und insbesondere von Hamburg und Berlin zu untersuchen. Dafür wird das regionale Klimamodell COSMO-CLM (CCLM) in konvektionsauflösendem Modus bei einer horizontalen Gitterweite von 2.8km verwendet. Ein breites Sprektrum an Landnutzungsänderungen von bisherigen anthropogenen Einflüssen über grossflächigen Änderungen mit einseitigen Landnutzungsänderungen über mögliche Landnutzungsänderungen in Bezug auf fortschreitender Urbanisierung werden betrachtet. Zunächst wird der maximale Effekt auf das regionale Klima, den extreme Landnutzungsänderungen hervorrufen können, abgeschätzt. Dazu werden vier extreme Landnutzungsänderungsszenarien in das CCLM implementiert: nur Mischwald, nur nicht bewässerte Landwirtschaft und nur durchgängig städtische Bebauung mit einmal versiegeltem und einmal durchlässigem Boden. Für diese Szenarien werden 2-jahres Simulationen für die Jahre 2002 und 2003, dem Jahr mit einer starken Hitzeperiode, durchgeführt. Es zeigen sich deutliche Effekte auf die bodennahe Temperatur durch eine veränderte Aufteilung der bodennahen Flüsse und den hydrologischen Kreislauf. Die heutige Landbedeckung scheint bereits jetzt deutliche Effekte auf das regionale Klima von Norddeutschland bewirkt zu haben wie der Vergleich zur potentiellen natürlichen Landbedeckung, nämlich Mischwald, zeigt. Insgesamt führt die durchgängig städtische Bebauung mit versiegeltem Boden zu den stärksten Effekten. Dieses Szenario verursacht bis zu 4K höhere mittlere Sommertemperaturen in 2m Höhe als im Kontrolllauf aufgrund verringerter Kühlung durch Verdunstung. Insgesamt rufen Veränderungen des Versiegelungsgrads und der Vegetation die stärksten Effekte im Rahmen dieser Sensititivitätsstudie hervor.

Im zweiten Schritt werden kombinierte Effekte von Landnutzungsänderungen und erhöhter Treibhausgaskonzentration auf das Klima von Norddeutschland am Ende des 21. Jahrhunderts (2090-2099) im Vergleich zum Zeitraum 1998 bis 2007 mit heutiger Landnutzung untersucht. Dabei werden zwei Stadtszenarien, die "gestreute Stadt" und die "kompakte Stadt", angewendet und evaluiert. In beiden Szenarien wird davon ausgegangen, dass sowohl die städtische Bevölkerung als auch der Wohnflächenbedarf pro Person weiter zunimmt. Bei der "gestreuten Stadt" wird die Stadtfläche Norddeutschlands, orientiert an als wachsend geltenden Städten, horizontal vergrößert. Die städtischen Eigenschaften bleiben dabei unverändert. Im Szenario "kompakte Stadt" wachsen die Stadtflächen etwas horizontal doch insbesondere vertikal durch deutlich höhere Gebäude und durch Neubauten auf Freiflächen innerhalb der Stadt. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die durchgeführten Landnutzungsänderungen in Hinblick auf Stadtwachstum eine untergeornete Rolle für das Klima von Norddeutschland spielen. Jedoch haben sie auf der lokalen Skala einen wichtigen Einfluss auf den Bodenenergiehaushalt und den hydrologischen Kreislauf. Auch hier rufen Änderungen des Versiegelungsgrades und der Vegetation die stärksten Effekte hervor. Vor allem in der kompakten Stadt mit versiegeltem Boden wird das deutlich. Der versiegelte Boden führt einerseits zu einem schnellen Abfluss von Niederschlag und andererseits kombiniert mit fehlender Vegetation, zu fehlendem Wasserresorvoir am Boden. Beide Szenarien bewirken vor allem höhere Sommertemperaturen aufgrund des fehlenden kühlenden Effekts durch Verdunstung. Die vergrößerte Turbulenz über der Stadt und die höhere Rauhigkeitslänge beeinflussen das lokale Windfeld was wiederum zu Veränderungen im Niederschlagsfeld um die veränderten Städte herum führt.