Die Zersiedelung der Städte ist inzwischen groß genug, um die globale Erwärmung auf das Land auszuwirken

Wie viel Wärme trägt die Zersiedlung der Städte zur großflächigen Erwärmung bei? Das ist eine seit langem gestellte Frage, die Forscher kürzlich in einer neuen Studie zu beantworten versuchten. veröffentlicht im Journal Eine Erde.

Man ging früher davon aus, dass die Urbanisierung zu kleine Flächen der Erdoberfläche bedeckt, um das Klima in größerem Maßstab zu beeinflussen. Die neue Studie legt jedoch nahe, dass die Urbanisierung tatsächlich einen erkennbaren Einfluss auf die globale Erwärmung über dem Land hat, und dass dieser Einfluss möglicherweise noch weiter zunimmt, da die Städte weiter wachsen.

Am dramatischsten sind die Auswirkungen in einigen der am schnellsten urbanisierten Regionen der Welt. Im geschäftigen Jangtse-Becken beispielsweise, wo mehr als 480 Millionen Menschen leben (ein Drittel der Gesamtbevölkerung Chinas), trug die Zersiedlung zwischen 2003 und 2019 fast 40 Prozent zur Erwärmung der Region bei.

In Japan, wo fast 10 % der Landesfläche bebaut sind, trug die Urbanisierung ein Viertel zur während des Untersuchungszeitraums beobachteten zusätzlichen Erwärmung bei. In Europa und Nordamerika war das urbane Signal weniger ausgeprägt, wo die Urbanisierung etwa 2–3 % zur Erwärmung beitrug. Das liegt wahrscheinlich daran, dass ein Großteil der Entwicklung dort vor dem Untersuchungszeitraum stattfand und es im Vergleich zu anderen kleineren Regionen und Ländern proportional gesehen noch immer viel unbebautes Land gibt.

Insgesamt trugen die Städte etwas mehr als 1 Prozent zur erhöhten Erwärmung der Landoberflächen auf der ganzen Welt bei: 1,3 Prozent am Tage und 1,1 Prozent in der Nacht.

„Urbanisierung“ ist eine Art Sammelbegriff. Er umfasst nicht nur die baulichen Strukturen der Städte, sondern auch die vielen klimabeeinflussenden Faktoren wie Luftverschmutzung, Stadtparks und Bevölkerungswachstum, die mit ihrer Existenz verbunden sind.

Das städtische Klimasignal

Traditionell werden Städte in globalen Klimamodellen entweder nicht berücksichtigt oder sehr vereinfacht dargestellt, so die Autoren der Studie. Wenn Klimaforscher diese Modelle beispielsweise verwenden, um zu verstehen, wie sich Extremwetter in einer wärmeren Welt verändern könnte, berücksichtigen sie Städte in ihren Simulationen selten. Und wenn sie überhaupt einbezogen werden, werden sie nicht als wachsende, sich verändernde Einheiten dargestellt, obwohl der Rest der Welt sich laut Prognosen in den nächsten Jahrzehnten verändern wird.

Das ist ein Mangel, sagte der Hauptautor und Geowissenschaftler TC Chakraborty vom Pacific Northwest National Laboratory des Energieministeriums. Eine große Anzahl von Forschungsarbeiten zeigt, dass Städte das Klima um uns herum auf unzählige Arten beeinflussen.

Gebäude absorbieren und speichern Wärme, was bedeutet, dass Städte viel länger brauchen, um sich aufzuwärmen und abzukühlen als ländliche Gebiete. In manchen Fällen könnte dies bedeuten, dass Stadtbewohner mehr Zeit in unangenehmer Hitze verbringen als ihre Nachbarn auf dem Land. Stadtlandschaften können die Art und Weise verändern, wie sich die Luft um uns herum bewegt, oder sogar extreme Wetterbedingungen verstärken.

Während der Einfluss städtischer Flächen auf lokaler Ebene klar erkennbar ist, stellen Forscher die Frage, ob Städte auf regionaler, kontinentaler und planetarischer Ebene von Bedeutung sind.

„Die Antwort ist ja, das tun sie, in geringem Maße“, sagte Chakraborty. „Die Urbanisierung hat einen nachweisbaren Einfluss auf die globale Landerwärmung. Dieser Einfluss ist gering, aber auf globaler Landebene statistisch signifikant und auf kontinentaler Ebene besonders deutlich. Wenn man sich bestimmte Regionen der Welt näher ansieht, können die Auswirkungen ziemlich groß werden.“

Es kommt darauf an, wo man hinschaut, fügte Chakraborty hinzu. Im Fall von Grönland, wo während des Untersuchungszeitraums nur sehr wenig Stadtgebiet hinzukam, hatte die Zersiedelung der Städte keinen großen Einfluss auf die großflächige Erwärmung. In sich rasch urbanisierenden Gebieten wie bestimmten Teilen Asiens hingegen beobachteten die Autoren eine starke, großflächige Erwärmung, die auf die Urbanisierung zurückzuführen war.

Obwohl Städte inzwischen groß genug sind, um das globale Klima zu beeinflussen, bleibt ihr Effekt im Vergleich zu Treibhausgasemissionen und anderen menschengemachten Veränderungen gering. Die neuen Erkenntnisse widerlegen einen weit verbreiteten Skepsispunkt, sagte Chakraborty.

„Manche behaupten, dass der urbane Wärmeinseleffekt ein wesentlicher Faktor für die großflächige Klimaerwärmung ist. Unsere Ergebnisse zeigen, dass dies nicht stimmt: Der Einfluss der urbanen Wärmeinsel auf die globale Landerwärmung ist statistisch signifikant, aber sie ist bei weitem nicht der Hauptfaktor. Unsere bevölkerungsweite Schätzung dieser Erwärmung anhand von Satellitendaten zeigt dies deutlich“, sagte Chakraborty.

Zudem sei der Einfluss der Städte auf das Klima komplex, fügte er hinzu. Anfang des Jahres zeigten Chakraborty und andere PNNL-Forscher, dass eine trockene Wüstenstadt im Laufe ihrer Entwicklung teilweise abkühlte. Sie fanden heraus, dass die Schaffung von mehr Parks und Ackerland, als in einem trockenen Hintergrundklima natürlich möglich ist, der Stadt half, dem Trend der globalen Erwärmung teilweise entgegenzuwirken.

Die Autoren beobachteten in ihrer neuen Studie einen ähnlichen Effekt. Sie fanden heraus, dass Indien und Afrika – letzteres mit vielen trockenen Städten – tagsüber Anzeichen einer Abkühlung zeigten, während sich Städte entwickelten. Im Falle Indiens, so Chakraborty, sei dies eine Kombination aus Bewässerung in ländlichen Gebieten, die den Temperaturunterschied zwischen Stadt und Land moduliert, sowie der zusätzlichen Emission atmosphärischer Aerosole aus Städten.

Zersiedlung der Städte nimmt zu

Zwischen 1992 und 2019 ist die globale urbane Landfläche um 226 % gestiegen. Das entspricht rund 448.113 Quadratkilometern urbanisierter Fläche, die in weniger als drei Jahrzehnten hinzukamen, und übertrifft damit bei weitem das Ausmaß des Stadtwachstums, das im gesamten Jahrhundert vor dem Untersuchungszeitraum stattfand. Stellen Sie sich vor, jeder Zentimeter Kaliforniens wäre als Stadt bebaut; das reicht immer noch nicht aus, um die gesamte urbane Fläche abzudecken, die in diesem Zeitraum hinzukam.

Der größte Teil dieses Wachstums fand in Asien statt. Die Vereinigten Staaten vergrößerten ihre urbanisierte Fläche um 181 %, Indien um 366 % und China um 413 %. Unter den Ländern mit der größten urbanen Fläche verzeichneten China und die USA das größte Wachstum der urbanen Fläche.

Da die Weltbevölkerung weiter wächst, wird die Mehrheit davon voraussichtlich in Städten leben. Das bedeutet, dass eine bessere Darstellung von Städten in Klimamodellen immer wichtiger wird, da Forscher versuchen, den regionalen Klimawandel besser zu simulieren, insbesondere wenn sie dies mit dem Ziel tun, Strategien zur Eindämmung und Anpassung zu entwickeln.

„Die Leute nutzen Klimamodelle immer häufiger für regionale Einschätzungen. Es gibt viele Pläne, globale Modelle mit immer feinerer Auflösung laufen zu lassen, während sich unsere Rechenkapazitäten verbessern“, sagte Chakraborty. „Wenn man damit anfängt – und auf die regionale Ebene heruntergeht – braucht man eine Darstellung von städtischen Gebieten und ihren Auswirkungen auf Temperatur, Wolkendecke, Niederschlag und Luftverschmutzung auf regionaler Ebene.“

Indem wir die Zersiedelung in Klimamodelle einbeziehen, „können wir unsere Fähigkeit verbessern, regionale Hitzewellen besser abzuschätzen“, sagte Chakraborty. Darüber hinaus „gibt es viele Hinweise darauf, dass Urbanisierung extreme Niederschläge erhöhen kann, aber es ist schwierig, diese Auswirkungen mit Modellen zu untersuchen, da diese derzeit städtisches Land und seine Eigenschaften nur grob darstellen.“

„Dann gibt es noch die Unbekannten“, fügte er hinzu. „Da wir bisher kaum versucht haben, die Auswirkungen der Urbanisierung auf das Klima im großen Maßstab zu untersuchen, haben wir kaum eine Ahnung, welche anderen durch die Urbanisierung verursachten Rückkopplungen eine Rolle spielen, insbesondere wenn wir die Veränderungen der thermischen, Strahlungs- und aerodynamischen Eigenschaften städtischer Gebiete über Raum und Zeit hinweg berücksichtigen.“

Satelliten sind der Schlüssel

Bei groß angelegten Klimabewertungen wurden als Eingangsdaten meist Messungen der Lufttemperatur an der Erdoberfläche von Wetterstationen verwendet. Solche Messungen sind jedoch anfällig für Stichprobenverzerrungen, da bodennahe Instrumente oft rar gesät sind und nur die Bedingungen in ihrer unmittelbaren Umgebung messen.

„Es ist extrem schwierig, die gesamte Heterogenität des Oberflächenklimas mit diesen Messungen zu erfassen“, sagte Chakraborty. „Allerdings wurden enorme Anstrengungen unternommen, sowohl durch neue Beobachtungsnetze als auch durch bessere Datenassimilierungstechniken, die diese Schätzungen im Laufe der Zeit immer zuverlässiger gemacht haben.“

Um das Stichprobenproblem zu lösen, verwendeten die Autoren der neuen Arbeit stattdessen satellitengestützte Schätzungen der Temperaturveränderungen an Landoberflächen. Satellitenbeobachtungen erfassen die Gesamttemperatur eines Gebiets, indem sie die Infrarotstrahlung von jedem Pixel der Erdoberfläche messen, wodurch räumliche Stichprobenverzerrungen absichtlich ausgeschlossen werden.

Forscher am PNNL arbeiten daran, die Urbanisierung besser in Klimamodelle zu integrieren, sagte Co-Autor und Labormitarbeiter Yun Qian.

„Das Energieministerium hat vor Kurzem erhebliche Investitionen in die Stärkung seiner Führungsrolle bei der Klimamodellierung getätigt, um Forschung voranzutreiben, die zur Entwicklung von Resilienztechnologien zum Schutz der vielfältigen amerikanischen Gemeinden beitragen kann“, sagte Qian.

„Eine dieser großen Anstrengungen ist die Verbesserung der städtischen Darstellung im Vorzeigeprojekt des Energieministeriums, dem Energy Exascale Earth System Model. Sieben nationale Laboratorien arbeiten im E3SM-Projekt zusammen, um die umfassendste Darstellung des Erdsystems in einem Modellierungsrahmen zu entwickeln und die anspruchsvollsten und anspruchsvollsten Erfordernisse der Klimawandelforschung anzugehen.“