Studie beleuchtet Strategien zur Klimaresilienz in städtischen und ländlichen Gebieten

Lokale Entscheidungsträger, die nach Möglichkeiten suchen, die Auswirkungen von Hitzewellen auf ihre Gemeinden zu reduzieren, verfügen über eine wertvolle neue Möglichkeit: eine neue Studie zur Widerstandsfähigkeit der Vegetation.

Wissenschaftler des Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums führten eine Studie darüber durch, wie die Vegetation in den letzten Jahren extreme Hitzeereignisse in städtischen und ländlichen Gemeinden im ganzen Land überstanden hat. Die Analyse beleuchtet Wege zur Eindämmung des Klimawandels, einschließlich Möglichkeiten zur Reduzierung der Auswirkungen städtischer Wärmeinseln.

Vegetation wie Bäume sorgen für einen wertvollen Kühleffekt, indem sie Oberflächen beschatten und die Sonnenstrahlung ablenken, während sie durch Evapotranspiration Feuchtigkeit an die Atmosphäre abgeben. Dabei handelt es sich um den Prozess, bei dem Pflanzen Wasser über ihre Wurzeln aufnehmen und es in Form von Wasserdampf über ihre Blätter abgeben.

Die Studie, veröffentlicht in der Zeitschrift Nexus PNASist die erste nationale Bilanzierung der Vegetationsresilienz, die den Einfluss der vom Menschen geschaffenen Infrastruktur berücksichtigt. Mit Methoden des maschinellen Lernens untersuchten ORNL-Forscher rund zwei Jahrzehnte Satelliten- und andere Daten aus 85 Großstädten und umliegenden ländlichen Gebieten.

Das Team stellte fest, dass undurchlässige Oberflächen wie Straßen und andere Infrastruktur, Feuchtigkeitsbedingungen und Landbedeckungsart die Widerstandsfähigkeit der Vegetation beeinflussen. Sie bewerteten auch die Auswirkungen der Intensität, Dauer und des Zeitpunkts von Hitzewellen auf die Vegetation.

Die Daten liefern entscheidende Informationen darüber, wie Ökosysteme vor dem Klimawandel geschützt werden können, einschließlich Möglichkeiten, dem Einfluss städtischer Wärmeinseln entgegenzuwirken und die Bewirtschaftung natürlicher Ressourcengebiete zu verbessern, sagte Jiafu Mao, ORNL-Wissenschaftler für Erdsystemmodellierung und Projektleiter.

„Die empirischen Belege, die wir aus dieser Forschung liefern, können Stadtplanern dabei helfen, besser zu verstehen, welche Pflanzen am anfälligsten für Hitzewellen und Stressfaktoren wie die Wasserverfügbarkeit in der lokalen Umgebung sind, und so Entscheidungen über die Pflanzenauswahl und -platzierung sowie städtebauliche Verbesserungen zu treffen“, sagte Mao .

„Die Studie legt nahe, dass die Erhaltung und Verbesserung der Vegetation erheblich zur städtischen Nachhaltigkeit, verbesserten Luftqualität und dem Wohlbefinden der Bewohner beitragen könnte.“

Die Arbeit erweitert die Forschung des ORNL zu Klimaauswirkungen auf städtische und ländliche Ökosysteme. In einer früheren Studie stellten Mao und Kollegen fest, dass zwar alle Regionen des Landes mit steigenden Temperaturen mit einem früheren Beginn der Vegetationsperiode rechnen können, der Trend in den wärmeren Regionen jedoch wahrscheinlich von Jahr zu Jahr unterschiedlicher werden wird. Untersuchungen haben beispielsweise bei steigenden Temperaturen einen Trend zu einer beschleunigten Frühjahrsausbreitung und -blüte von Pflanzen in ländlichen Gebieten festgestellt, legen jedoch nahe, dass sich dieser Trend mit fortschreitender Erwärmung verlangsamen wird.

Identifizieren Sie Modelle als Leitfaden für die lokale Entscheidungsfindung

Die neue Studie zur Widerstandsfähigkeit der Vegetation, beschrieben in Nexus PNAS ergab einen allgemeinen Trend zu einer verstärkten Frühbegrünung als Reaktion auf wärmere Temperaturen in traditionell kühleren Monaten. Doch als die Temperaturen stiegen und die Hitze anhielt, nahm die Begrünung der Vegetation oft erheblich ab, sagte Yaoping Wang, Postdoktorand am ORNL und Erstautor der Arbeit.

Die Studie identifizierte eine Temperatur von 2 Grad Celsius oder mehr über dem historischen Sommerdurchschnitt, die vier Monate oder länger anhält, als Schwelle für die bedeutendsten Auswirkungen auf die Begrünung.

Die Ergebnisse variierten je nach den Merkmalen des lokalen Ökosystems. Beispielsweise wurde festgestellt, dass die städtische Vegetation im Westen der USA im Analysezeitraum widerstandsfähiger war als im Osten, was vor allem auf höhere städtische Wachstumstemperaturen und bessere Bewässerungspraktiken im Westen zurückzuführen war, stellten die Wissenschaftler fest.

„Unsere Analyse ist die erste groß angelegte Quantifizierung der Stadt-Land-Unterschiede in der Vegetation und ihrer Widerstandsfähigkeit gegenüber Extremereignissen in den angrenzenden Vereinigten Staaten und erfasst diese sehr breiten Muster von Umweltveränderungen“, sagte Wang. Zukünftige Umfragen, die mehr qualitativ hochwertige Daten erfassen, würden sowohl Stadtplanern als auch Ökosystemmodellierern zugute kommen, fügte sie hinzu.

Das Projekt liefere wertvolle Daten über die komplexen Wechselwirkungen zwischen biologischen und Umweltfaktoren auf mehreren Zeitskalen bis hin zu einer Auflösung von einem Kilometer, sagte Mao. Die Informationen wurden auch verwendet, um die vom ORNL verwaltete Landoberflächenkomponente für das Exascale Earth System Model von DOE Energy zu verfeinern, das simuliert, wie sich die Welt unter zukünftigen Klimaszenarien verändern könnte.

Für die Analyse wurde die Daymet4-Datenbank mit täglichen Landoberflächenwetter- und Klimazusammenfassungen verwendet, die Teil des ORNL Distributed Active Archive ist, das für das Earth Science Data and Information System-Projekt der NASA verwaltet wird. Die Wissenschaftler nutzten auch den MODIS Enhanced Vegetation Index der NASA und die National Land Cover Database, die vom U.S. Geological Survey verwaltet wird.

Die Forscher nutzten für ihre Analyse den Random-Forest-Algorithmus für maschinelles Lernen und andere Methoden sowie Hochleistungsrechnerressourcen in der Oak Ridge Leadership Computing Facility, einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science.