Unter den extremen Wetterauswirkungen, die sich aus dem Klimawandel ergeben, ist Dürre ein weltweit wachsendes Problem, das zu häufigen Waldbränden, Bedrohungen der Wasserressourcen und größerer Ernährungsunsicherheit führt.
Dürre wird auf der ganzen Welt – einschließlich Connecticut – überwacht, wobei Warnungen ausgegeben werden, wenn die Bedingungen trocken genug werden, um eine Benachrichtigung zu verdienen. Für eine Reaktion ist es dann jedoch oft zu spät. Forscher von UConn haben einen Weg gefunden, Dürrebedingungen Wochen oder sogar Monate vor ihrem Eintreten vorherzusagen, indem sie nicht meteorologische Daten, sondern Pflanzen betrachten. Die Studie wurde diese Woche im Fachblatt veröffentlicht PNAS.
Die Studie konzentrierte sich auf eine Art von Dürre, die als Blitzdürre bezeichnet wird und durch einen schnellen Beginn gekennzeichnet ist, der sich schnell intensivieren und zu verheerenden Ergebnissen führen kann. Typischerweise dauern Blitzdürren ein bis zwei Monate, dauern aber manchmal länger als herkömmliche Dürren an, erklärt Guiling Wang, Professor für Umwelttechnik an der UConn und Fellow der American Meteorological Society.
Die USA erlebten 2012 und 2017 große Blitzdürren. Wang führt an, wie die Dürre 2012 zu einem Rekordanstieg der Lebensmittelpreise in den Vereinigten Staaten führte. Die vorhandene Überwachungstechnologie ist nicht in der Lage, diese schnell eintreffenden Dürren vorherzusagen, daher konzentrierten sich die Forscher auf die Daten von 2012 und 2017, um sie besser zu verstehen.
„Wir haben uns Evapotranspiration, Temperatur, Bodenfeuchtigkeit, Dampfdruckdefizit und Fernerkundungsdaten zur Vegetation angesehen, um zu sehen, wie die Dürre fortschreitet und wie Pflanzen darauf reagieren. Ein Signal stach wirklich hervor“, sagt Wang.
Bei der Photosynthese sendet der Farbstoff Chlorophyll eine geringe Menge Licht aus. Diese Fluoreszenz, die als solarinduzierte Chlorophyllfluoreszenz (SIF) bezeichnet wird, wird über Satellit überwacht und dient als nützlicher Proxy für die Messung des Ausmaßes der stattfindenden Photosynthese. SIF spiegelt die Photosynthese genauer wider als andere Satellitensignale wie der Normalized Difference Vegetation Index (NDVI), sagt Wang. Die photosynthetische Leistung schwankt mit Jahreszeiten und anderen Bedingungen, und die Forscher bemerkten interessante Trends bei SIF, die zwei Wochen bis zwei Monate vor dem Beginn einer Blitzdürre reichten.
„Wir konnten ein starkes Signal sehen, das den Dürren vorausging, was auf einen langsameren als gewöhnlichen Anstieg von SIF hinweist, zu einer Zeit, in der die pflanzliche Photosynthese voraussichtlich schnell zunehmen wird. Wir hatten eine Reaktion erwartet, die der Dürre hinterherhinkte. Stattdessen sahen wir das Signal Wochen bis Monate, bevor das Signal der Dürre vom US Drought Monitor (USDM) erfasst wurde. Wir haben dann erkannt, dass es nicht mehr nur um die Reaktion auf die Dürre geht, sondern vor allem darum, wie wir sie vorhersagen“, sagt Wang.
Einer der nächsten Schritte in der Forschung des Teams besteht darin, genau zu identifizieren, was hinter diesen Änderungen in der SIF-Trajektorie steckt.
„Das Signal kann auf Feuchtigkeitsmangel im Boden, niedrige Feuchtigkeit in der Luft, hohe Temperaturen, die die Luft relativ trocken machen, oder eine Kombination dieser Faktoren zurückzuführen sein, die die Wachstumsbedingungen nach und nach beeinflussen“, sagt Wang.
Wang erklärt, dass das Signal für die Dürren 2012 und 2017 im Frühjahr zu Beginn der Vegetationsperiode begann, als der Dürre ein langsamer als üblicher Anstieg der Photosynthese vorausging. Bei Dürren in anderen Jahreszeiten kann der Dürrevorläufer stattdessen ein schneller als üblicher Rückgang der Photosynthese sein.
Umweltingenieurwesen Ph.D. Student und Erstautor der Arbeit, Koushan Mohammadi, sagt: „Bestehende Dürrewarnsysteme erfordern hochwertige hydrometeorologische Daten, die in vielen Regionen der Entwicklungsländer nicht oder nur spärlich verfügbar sind. Unser Ansatz kann die Entwicklung eines globalen Frühwarnsystems unterstützen helfen, die Ernährungssicherheit der Menschen zu schützen. Ich plane, unsere Studie auf Entwicklungssysteme auszudehnen, in denen die regengespeiste Landwirtschaft die Hauptstütze und extrem anfällig für Blitzdürre ist.“
Mit etwas Vorlaufzeit können die Interessengruppen möglicherweise proaktive Maßnahmen ergreifen, um die Dürre besser zu überstehen und möglicherweise einige der negativen Auswirkungen abzumildern.
Das SIF-Signal ist vielversprechend und das Team plant, seinen Nutzen weiter zu erforschen – „das sind sehr ordentliche Ergebnisse, aber wir müssen sie besser verstehen, um letztendlich robuste Modelle für subsaisonale bis saisonale Vorhersagen zu entwickeln, sei es für Dürre oder andere Bedingungen .“
Koushan Mohammadi et al., Flash-Dürre-Frühwarnung basierend auf der Flugbahn der sonneninduzierten Chlorophyll-Fluoreszenz, Proceedings of the National Academy of Sciences (2022). DOI: 10.1073/pnas.2202767119