Kopfweiden und Waldmoore – Kulturlandschaft und Klimaschutz am Beispiel des Biosphärenreservats Flusslandschaft Elbe

Vergleichende Untersuchungen zur Lufttemperatur und dem horizontalen Windfeld eines Waldmoores im Biosphärenreservat Flusslandschaft Elbe

Langanki, J.*, Schulz, L.*

*TU Berlin, BSc Ökologie und Umweltplanung 2015

Abstract

The study compares the microclimate conditions in different locations of a forest peat bog in the UNESCO Biosphere Reserve Flusslandschaft Elbe in Germany.  Three measuring stations where set up in a transect to collect data of different climate elements on three consecutive days from 11/11–13/11/2014. Specifically, we looked at the air temperature and the horizontal wind field. Our hypothesis states, that there are differences at peat locations and also compared to a measuring station of the DWD monitoring network nearby.  Considering the weather conditions and the short time span of our measurements, differences in average air temperatures between the stations where evident but within measuring  tolerance, the wind conditions where measurably dampened at peat bog stations compared to the DWD station. These results are discussed in terms of differences in solar radiation between different location due to expositions.

Keywords:

microclimate, peat bog, forest, air temperature, wind field 

Einleitung

Moore spielen in der Anpassungsstrategie an den Klimawandel eine wichtige Rolle, u.a. dadurch, dass sie als bedeutende Verdunstungsflächen eine kühlende Wirkung auf die Umgebung entfalten können (z.B. SOLANTIE 1999). Die meisten wissenschaftlichen Untersuchung zum Mikroklima in Mooren betrachten einen bestimmten Aspekt, wie etwa die unterschiedlichen Kleinklimata verschiedener Vegetationskomplexe (vgl. SCHMIDT 1997), die Evapotranspirationsleistung verschiedener Moorstandortstypen (vgl. NEUHÄUSEL 1975) oder die thermischen Eigenschaften von Torfboden und seine Auswirkung auf das Kleinklima im Moor (DIERSSEN & DIERSSEN 2001). Jedoch gibt es bisher keine detaillierte Betrachtung einer speziellen Moorform, der Waldmoore, bzgl. des Kleinklimas und einer daraus folgenden möglichen klimatischen Auswirkung auf die Umgebung. Als Waldmoore werden mit dem Wald verbundene gehölzbestandene, sowie gehölzfreie Moore definiert. Ihr Einzugsgebiet ist überwiegend bewaldet und ihr Wasserhaushalt entscheidend durch dieses geprägt.  Im vorliegenden Messkonzept wurden primär die Lufttemperatur sowie Windstärke und Windrichtung untersucht, da sie relativ einfach erfassbar und gut statistisch vergleichbar sind. Um die genannten Parameter zu erfassen, wurden im Mörickeluch (Brandenburg) an drei Moorstandorten sowie einer Vergleichsstation außerhalb des Moores Lufttemperatur und Wind gemessen. Die Frage war: Gibt es Unterschiede der durchschnittlichen Lufttemperatur sowie der Ausprägung des horizontalen Windfeldes über 24h an den verschiedenen Moorstandorten und gegenüber einer Vergleichsstation außerhalb des Moores? Die Arbeitshypothese besagte, dass die  durchschnittliche Lufttemperatur im Moor geringer als die der Vergleichsstation ist und dass die Windstärken aufgrund der hohen Reibung des umgebenden Waldes insgesamt ebenfalls geringer sind.

Material und Methoden

Das 11 ha große Waldmoor Mörickeluch befindet sich im Verwaltungsgebiet des Landkreises Prignitz im Süden der Gemeinde Perleberg im Nordosten Deutschlands. Das Gebiet ist durch einen lichten Kiefern-­Moorwald sowie im Osten durch eine offene, eingesenkte Moorfläche geprägt (Übergangs-­Schwingrasenmoor und Waldkiefern Moorwald). Umgeben wird das Moor von Kiefernforstbeständen. Das Mörickeluch befindet sich im Mecklenburgisch-Brandenburgischen Übergangsklima (LUGV 2014). Die Jahresdurchschnittstemperatur liegt bei 8,4°C, wobei im kältesten Monat im Mittel -3,1°C gemessen werden, im wärmsten Monat 22,9°C (PIK 2009). 

Unsere Messungen fanden am 12.11.2014 von 0 Uhr bis 24 Uhr statt (Sonnenaufgang: 7:30 Uhr, Sonnenuntergang: 16:24Uhr).  Gemessen wurde gleichzeitig an drei verschiedenen Standorten: Nordexponiert (südlicher Rand des Waldmoores, „Station 40“, GPS: 53°01’35.4’’ N 11°52’02.21’’ E), zentral im Moor („Station 20“, GPS:53°01’37.00’’ N 11°52’02.40’’ E) und Südexponiert (nördlicher Rand des Waldmoores, „Station 50“, GPS: 53°01’38.43’’ N, 11°52’03.10’’ E). Die Standorte wurden so gewählt, um möglichst einen Querschnitt durch das Moor und die verschiedenen Standorteigenschaften bzgl. Wasserstand, Vegetation, Horizonteinschränkung und Beschattung zu erhalten. Eine schematische Darstellung findet sich in Abbildung 1. 

Abb. 1: Lage der Messstationen im Mörickeluch und DWD Station, Grenze des Naturschutzgebietes in rot (Quelle: OpenStreetMaps 2015, LGB 2015)

Als Vergleichsstation diente die Station Seehausen (DWD 4642, 52°89’ N, 11°73’ E) des Deutschen Wetterdienstes (DWD) im stündlichen Messintervall. Diese liegt in der brandenburgischen Elbtalniederung direkt an der Elbe auf mineralischem Boden (DWD 2015). Für unsere Messungen im Moor wurde eine Automatische Wetterstation verwendet. Zur Datenaufzeichnung diente ein Datenlogger vom Typ CR800 (Campbell Scientific Ltd.). Die Temperatur wurde mit einem Kombinations-Sensor Typ CS215 (Campbell Scientific Ltd.) auf 2 Höhen (3m und 1m über Grund) gemessen, die Messungen erfolgten im Schatten. Die Globalstrahlung wurde mit einem Pyranometer Typ CS300 (Apogee Instruments Inc.), montiert auf 2 m Höhe, gemessen. Windstärke und -richtung wurden mit einem 3D Ultraschallanemometer „WindMaster“ (Gill Instruments Gtd.) erfasst. Alle Werte wurden alle 60 Sekunden gemessen. Eine schematische Darstellung der automatischen Wetterstation findet sich in Abbildung 2.

Abb.2: Schematischer Aufbau einer Automatischen Wetterstation (TU BERLIN 2015)

Die Temperaturwerte der beiden Höhen wurden zur Auswertung gemittelt und zusammen mit der Vergleichsstation über 24 Stunden als Verlauf (siehe Abb. 3) und als Verteilung dargestellt (siehe Abb. 4). Die Daten wurden statistisch bearbeitet und visualisiert mit dem Programm „R“ sowie der Erweiterung „RStudio“. Die Daten und Skripte sind frei zugänglich auf Github verfügbar (GITHUB 2015).

Ergebnisse

Der Verlauf der Lufttemperaturen der drei Messstationen und der Vergleichsstation Seehausen am 12.11.2014 ist in Abb. 3 dargestellt. An Station 50 wurden immer die geringsten Lufttemperaturen gemessen und an Station 40 immer die höchsten. Station 20 lag bezogen auf die Lufttemperatur immer zwischen den beiden anderen Messstationen. An der Vergleichsstation Seehausen waren die Tagesminima nachts insgesamt etwas höher und die Tagesmaxima etwas niedriger (siehe Abb. 3). Auffallend ist der Unterschied in den Temperaturverläufen der Moorstandorte bezogen auf die Vergleichsstation zu Beginn der Messperiode (ca. 0 Uhr bis 4 Uhr). Die Temperaturen im Moor sind in diesem Zeitraum um ca. 0,5 – 1,5 K geringer als an der Vergleichsstation. Um ca. 1 Uhr findet sogar eine entgegengesetzte Entwicklung statt, die Temperatur im Moor fällt um ca. 0,5 K, während sie an der Vergleichsstation um ca. 0,2 K steigt. Das absolute Minimum im beobachteten Zeitraum wird an den Moorstandorten um 1:04 Uhr erreicht (7,18 °C an Station 50), an der Vergleichsstation hingegen um 4:00 Uhr (8,6 °C). Das absolute Maximum im beobachteten Zeitraum wird an der Vergleichsstation um 13:00 Uhr erreicht und somit früher als an allen Moorstandorten (Abb. 3 und Tab. 1).

Abb. 3: Lufttemperaturen an den Messtationen 20,40,50 und der Vergleichsstation im Zeitverlauf (über 24h am 12.11.2014)

Dieser Verlauf führt zu den Durchschnittstemperaturen wie in Abb. 4 dargestellt. An Station 40 sowie an der Vergleichsstation wurde die höchste Durchschnittstemperatur gemessen (9.601°C), gefolgt von Station 20 (9.456 °C), und Station 50 (9.419°C). Die Durchschnittstemperatur aller drei Moorstandorte beträgt im beobachteten Zeitraum somit 9,445°C. Die Streuung der einzelnen Temperaturwerte an den drei Moorstandorten ist mit ca. 3 K in etwa gleich. Hierin unterscheiden sie sich von der Vergleichsstation, die mit ca. 2 K eine geringere Streuung aufweist.

Abb. 4: Verteilung der Lufttemperaturen an den Messstationen 20,40,50 und Vergleichsstation, 12.11.2014

Die Windmessungen (siehe Abb. 5) zeigen an Station 20 eine Primärwindrichtung (Windrichtung, aus der der Wind am meisten weht) Ost-Nordost mit einem Anteil von ca. 20% an den Messungen, die maximale Windgeschwindigkeit betrug dabei > 1,5 m/s. An Station 40 war die Primärwindrichtung Ost (> 25%), ebenfalls mit Maximalgeschwindigkeiten > 1,5 m/s. An Station 50 kam der Wind größtenteils aus Nordost (20%). Station 50 meldete zudem insgesamt geringere Windgeschwindigkeiten mit höchstens 1 m/s. An der Vergleichsstation waren die Primärwindrichtungen Südost (30%) und Ost (30%), tendenziell wehte der Wind stärker als an den Moorstandorten (Minimalgeschwindigkeit 1 m/s).

Abb. 5: Windrichtungen an den Messstationen 20,40,50 und Vergleichsstation, 12.11.2014

Um die Temperaturentwicklungen besser nachvollziehen zu können, wurde zusätzlich noch die Globalstrahlung gemessen (Abb. 6). Die Globalstrahlung ist am zentralen Standort durchgängig am höchsten (max. 46,87 W/m²). Die nord- bzw. südexponierten Standorte haben einen ähnlichen Verlauf, jedoch auf niedrigerem Niveau (max. 36,99 W/m²). Insgesamt schwankt die Globalstrahlung im Tagesverlauf auf insgesamt niedrigem Niveau. An keiner Station wird ein Wert von über 50 W/m² erreicht (Tab. 2).

Tab. 2: Parameter der Globalstrahlung (am 12.11.2014, Maximalwerte und arithmetisches Mittel)
Abb. 6: Globalstrahlung an den Messtationen 20,40,50 im Zeitverlauf (über 24h am 12.11.2014)

Diskussion

Das Ziel der Untersuchungen war es, die Klimaelemente Lufttemperatur und Wind im Waldmoor Mörickeluch anhand dreier Messstationen über 24h gegenüber einer Vergleichsstation zu betrachten.

Die Messungen ergaben, dass die durchschnittliche Lufttemperatur im beobachteten Zeitraum im Moor um 0,156 K geringer als an der Vergleichstation war. Aus diesem Wert allein kann jedoch die Arbeitshypothese, dass die durchschnittliche Lufttemperatur im Moor geringer als die der Vergleichsstation ist, nicht zweifelsfrei hergeleitet werden. Zum einen ist die Differenz sehr gering und liegt im Bereich der Messtoleranz der Temperaturfühler, welche im Temperaturbereich von +5°C bis +40°C bei ±0,4°C liegt (TU Berlin 2015). Zum anderen wurde die Messung dadurch beeinträchtigt, dass zumindest von Sonnenaufgang bis Sonnenuntergang eine Wolkenbedeckung wechselnder Dichte herrschte, worauf Verlauf und Maximalwerte der Globalstrahlung hindeuten. Aussagekräftiger ist der benannte Zeitraum zu Beginn der Messungen vor Sonnenaufgang. Hier gibt es größere Temperaturunterschiede zwischen Moorstandorten und Vergleichsstation von bis zu 2 K. Auch die absoluten Minima unterscheiden sich um 1,6 K. Dieser Effekt kann mit der geringen Wärmeleitfähigkeit des Torfbodens erklärt werden (vgl. de Vries et al. 1954). Die tagsüber auf die Bodenoberfläche auftreffende Globalstrahlung wird in Wärmeenergie umgewandelt. Durch die geringe Wärmeleitfähigkeit des Torfbodens kann diese Wärme kaum in darunterliegende Schichten abgeleitet werden. Nachts kann die Wärmeenergie aufgrund der fehlenden hochwüchsigen Vegetation ungehindert abstrahlen, ohne dass wegen der isolierenden Eigenschaft des Torfes eine Wärmenachfuhr, wie es beim Mineralboden an der Vergleichsstation der Fall ist, aus der Tiefe möglich ist. Insgesamt weisen die Moorstandorte einen größeren Unterschied im Tagestemperaturverlauf auf als die Vergleichsstation, was von Heathwaite et al. 1993 ebenfalls nachgewiesen werden konnte. Zudem liegt die Vergleichsstation direkt an der Elbe, die sich als großer Temperaturpuffer mäßigend auf die Umgebungstemperaturen auswirken könnte. Vergleicht man nun noch die Minimal- und Maximaltemperaturen der Moorstandorte und der Vergleichsstation auf mineralischem Boden, gibt es größere Unterschiede zwischen den Minimaltemperaturen als zwischen den Maximaltemperaturen, zu diesem Ergebnis kommt auch Edom 2002.

Die Vergleichsstation zeigt einen messbaren Unterschied in der Windrichtung und Stärke gegenüber den Moorstandorten. Die unterschiedlichen Ausprägungen des Windfeldes erklären wir mit der unterschiedlichen Rauhigkeit des umgebenden Geländes an den Moorstandorten sowie an der Vergleichsstation. Das Waldmoor ist von weitläufigen Kiefernforstbeständen umgeben, welche den Wind bodennah aufgrund der Rauhigkeit stark abbremsen. Die Vergleichsstation liegt direkt an der Elbe und ist von größtenteils offener Landschaft umgeben, wodurch der Wind weniger abgebremst wird als an den Moorstandorten.

Die gemessenen Globalstrahlung (Abb. 6) spiegelt im Wesentlichen die Bewölkungssituation und die Horizonteinschränkung an den Standorten wieder (vgl. Bendix 2004). Es war im gesamten Tagesverlauf bewölkt mit phasenweise dichterer Bewölkung. Der Rückgang der Globalstrahlung in den Mittagsstunden weist auf eine dichtere Bewölkungssituation hin, hier wäre bei autochtoner Wetterlage die höchsten Werte zu erwarten gewesen. Dies erklärt den wechselhaften Verlauf auf insgesamt niedrigem Niveau. (Im Mittel beträgt die Globalstrahlung in Deutschland 100-130 W/m²). Die nord- bzw. südexponierten Standorte weisen eine ähnliche Horizonteinschränkung durch die hohen Kiefernbestände auf, dadurch reduziert sich die diffuse Bestrahlungsstärke (ebd.). Bei direkter Sonneneinstrahlung wäre am südexponierten Standort eine höhere Globalstrahlung zu erwarten gewesen. Die dichte Bewölkung im gesamten Tagesverlauf erklärt somit die geringen Unterschiede der Globalstrahlung an den Randstandorten (Messstationen 40,50).

Schlussfolgerung/Zusammenfassung

Die Arbeitshypothese wurde teilweise bestätigt. Die Aussagekraft der Temperaturmessungen ist bedingt durch die der Jahreszeit entsprechend flach stehende Sonne und die größtenteils dichte Bewölkung nur bedingt gegeben und liegt nur im Messtoleranzbereich. Die Hypothese, dass die Windstärken im Waldmoor aufgrund der hohen Reibung des umgebenden Waldes insgesamt geringer als an der Vergleichsstation sind, konnte bestätigt werden. Um aussagekräftigere Ergebnisse zur Temperatur zu erzielen, wäre eine Messung bei einer autochtonen Wetterlage nötig, um ggf. auch eine Aussage zum Einfluss der direkten Sonneneinstrahlung treffen zu können. Außerdem scheinen weitere Faktoren den Temperaturverlauf zu modifizieren, welche nicht betrachtet wurden. Insbesondere wären hier andere Parameter der Energiebilanz zu betrachten (Geiger 1961), wie beispielsweise der Bodenwärmestrom und die terrestrische Emission sowie die Oberflächeneingenschaften des Untergrundes (Albedo, Vegetation, Feuchtebedingungen) an den Messstationen und in der Umgebung. Dies wäre in weiteren Untersuchungen zu klären.

Quellen

BENDIX, JÖRG 2004: “Geländeklimatologie”. 1. Aufl., Berlin: Borntraeger.

DE VRIES, D.A., DE WIT, C.T. 1954: „Die thermischen Eigenschaften der Moorböden und die Beeinflussung der Nachtfrostgefahr durch eine Sanddecke“. Meteorologische Rundschau 7 (1954) 3/4. Springer-Verlag Berlin. S. 41–45.

DEUTSCHER WETTERDIENST (DWD) 2015: Wetterwarte Seehausen. URL: http://www.dwd.de/bvbw/generator/DWDWWW/Content/Presse/Broschueren/Wetterwarte__Seehausen_2C__PDF,templateId=raw,property=publicationFile.pdf/Wetterwarte_Seehausen,_PDF.pdf [Stand 30.06.15]

DIERSSEN, K. & DIERSSEN, B. (2001): Moore (Ökosysteme Mitteleuropas aus geobotanischer Sicht). Eugen Ulmer. Stuttgart

EDOM 2001, ZIT. NACH: International Mire Conservation Group and International Peat Society (IMCGIPS) 2002: “Wise use of mires and peatlands - Background and principles including a framework for decisioin-making”. Saarijärven Offset Oy, Saarijärvi, Finland.

GEIGER, RUDOLF 1961: “Das Klima der bodennahen Luftschicht : ein Lehrbuch der Mikroklimatologie”. 4. neubearb. und erw. Aufl. Braunschweig: Vieweg.

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GOOGLE MAPS 2015: “Mörickeluch” . Im Internet unter: https://www.google.de/maps/place/M%C3%B6rickeluch/@53.0267805,11.8673658,393m/data=!3m1!1e3!4m2!3m1!1s0x47aee9a5cc9bb997:0xea83f0bdbc73b51a Abruf am 18.03.2015.

HEATHWAITE, A.L., PRICE, J.S., BAIRD, A.J. 2003: “Hydrological processes in abandoned and restored peatlands: An overview of management approaches”. In: Wetlands Ecology and Management. Heft 11, Ausgabe 1-2 , S. 65–83

LANDESAMT FÜR UMWELT, GESUNDHEIT UND VERBRAUCHERSCHUTZ DES LANDES BRANDENBURG (LUGV), ABT. GR (HRSG.) 2014: “Managementplanung Natura 2000 im Land Brandenburg - Managementplan für das FFH-Gebiet 163 „Mörickeluch“ – Entwurf –. Potsdam

NEUHÄUSLER, B. (1975): Hochmoore am Teich Velké Dárko. Vegetace CSSR A9, S. 267.

PIK – POTSDAM INSTITUT FÜR KLIMAFOLGENFORSCHUNG 2009: “Klimawandel und Schutzgebiete”. Im Internet unter: http://www.pik-potsdam.de/services/infothek/klimawandel-und-schutzgebiete Abruf am 13.03.2015.

SCHMIDT, B. (1997): Vergleichende Untersuchungen zum Mikroklima von Schlenkengewässern und Pflanzenbeständen in Mooren des Alpenvorlandes mit Hinweisen zu Libellen (Odonaata). Telma 27, 35-59

SOLANTIE, R. 1999: “Charts of the climatic impact of the drainage of mires in Finland”. Suo 50 (1999). S. 103–117.

TU BERLIN 2015: Automatische Wetterstation - Lufttemperatur. Im Internet unter: http://www.klima.tu-berlin.de/index.php?show=lehre_E-Learning_aws-temperatur&lan=de Abruf am 25.05.2015

Abbildungen

Abb. 1: Openstreetmaps 2015 (www.openstreetmaps.org), Landesvermessung und Geobasisinformation Brandenburg (LGB) 2015 (www.geobasis-bb.de), Auftragnehmer: Biosphärenreservat Flusslandschaft-Elbe

Abb. 2: TU Berlin 2015: “Bild Automatische Wetterstation”. Im Internet unter: http://www.klima.tu-berlin.de/index.php?show=lehre_E-Learning_aws&lan= Abruf am 18.03.2015

Abb. 3–6: Eigene Darstellung – “Daten zum Messkonzept VP-Elbe”, Online-Repository im Internet: https://github.com/meerestier/r_dev_messkonzept

Tabellen

Tab. 1: “Min. und Max. Temperaturen und Zeitpunkte der Messungen”

Tab. 2: “Parameter der Globalstrahlung”


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