Dunes influenced by climate change : remote sensing observations from the northeastern Tibetan Plateau

Dörwald, Lukas; Stauch, Georg; Lehmkuhl, Frank; Yang, Xiaoping

doi:44149

Dunes influenced by climate change : remote sensing observations from the northeastern Tibetan Plateau

Dörwald, Lukas^RWTH*

2024 & 2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Lukas Dörwald, M.Sc. RWTH

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2025

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Lehmkuhl, Frank (Thesis advisor)^RWTH* ; Stauch, Georg (Thesis advisor)^RWTH* ; Yang, Xiaoping (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-12-06

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-00563
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1002599/files/1002599.pdf

Einrichtungen

Projekte

BMBF 01LP2003A - Klimaforschung mit China - Dünen als Indikator für den Klimawandel in Zentralasien (DUNE) (01LP2003A) (01LP2003A)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
ERA-5 (frei) ; RDP (frei) ; climate change (frei) ; dune movement (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 550

Kurzfassung
Der Klimawandel ist ein fortlaufender Prozess rund um den Globus. Eines der am stärksten gefährdeten Gebiete sind die Trockengebiete. Die Wüstenbildung ist in den meisten dieser Gebiete weit verbreitet und aufgrund ihres Einflusses auf menschliche Infrastrukturen und Lebensräume von besonderem Forschungsinteresse, da in Trockengebieten etwa 40 % der menschlichen Bevölkerung leben. Die Ausdehnung der weltweiten Trockengebiete schwankt seit den 1940er Jahren mit einer allgemeinen Zunahme, die im Zeitraum 1980-2008 mit einer Zunahme von 3,1 % im Vergleich zu 1948-1979 ihren Höhepunkt erreichte (Li et al., 2019). Unter verschiedenen Szenarien der globalen Erwärmung könnten sich aride und semi-aride Gebiete bis zum Jahr 2100 um bis zu 7-12 % ausweiten und mehr Menschen beeinflussen (Feng und Fu, 2013; Koutroulis, 2019; Yao et al., 2020). Eines der häufigsten geomorphologischen Merkmale in ariden und semi-ariden Umgebungen sind Dünen. Sie reagieren schnell auf Veränderungen der lokalen Klimabedingungen und wurden von zahlreichen Forschern zur Untersuchung und Rekonstruktion kurz- und langfristiger klimatischer Veränderungen genutzt. Das nordöstliche tibetische Hochland wird weithin als dritter Pol angesehen und weist eine einzigartige regionale Konfiguration mit hohen Gebirgen und unterschiedlicher Topografie auf. Für den Menschen und andere Lebewesen ist das TP von großer Bedeutung, da es als Wasserquelle dient und mehrere große Flussnetze speist, darunter den Jangtse, den Gelben Fluss, den Indus und den Ganges. Die wichtigsten Windregime sind die Westwinde mittlerer Breite, die in den Wintermonaten dominieren, und der ostasiatische Sommermonsun (EASM). Diese Kombination führt zu einer extremen Saisonalität mit trockenen, kalten und windigen Wintern und regnerischen, milderen Sommern. Dünen sind Landschaftsmerkmale, die in der nordöstlichen TP weit verbreitet sind. Die Sandquellen sind vielfältig und reichen von Erosionssedimenten aus Gebirgen bis hin zu fluvialem Material, das ausgeblasen wird. Es gibt jedoch nur wenige dünenspezifische Studien über das nordöstliche tibetische Hochland, die sich auf die rezente Zeit konzentrieren. Auch die Untersuchung einer großen Anzahl einzelner Dünen in Verbindung mit vom Wind abgeleiteten Werten für ihre genaue Lokalität ist nicht sehr verbreitet. Der Hauptdünen-Typ in den Untersuchungsgebieten sind Barchan-Dünen, sowohl in Dünenfeldern als auch einzeln. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die Dünenbewegungsraten, die Dünenfelddichte und die Entwicklung der Sandflächen des nordöstlichen tibetischen Hochlandes in Bezug auf die Klimaveränderungen der letzten sechs Jahrzehnte zu analysieren. Die Dünenbewegungsraten als Hauptmesswert sowie die Dünenfelddichte werden aus multitemporalen Satellitenbildern extrahiert. Eine wichtige Datenquelle zur Erfüllung dieser Aufgabe sind die CORONA KH-4B-Satellitenbilder aus den 1960er Jahren. Sie haben eine ausreichend hohe räumliche Auflösung von bis zu 1,8 m, die die Identifizierung einzelner Barchane ermöglicht. Die Windinformationen werden hauptsächlich aus dem ERA-5-Reanalysedatensatz (30 km räumliche Auflösung) gewonnen, um den gewählten Zeitraum abzudecken. Hier werden das Driftpotenzial und entsprechende Indizes berechnet, analysiert und mit den ausgewählten Dünen räumlich und zeitlich verglichen. Diese Datensätze werden durch ERA5-Land-Reanalysedaten (9 km räumliche Auflösung) für Temperatur und Niederschlag sowie den Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) aus Landsat-5-, -7- und -8-Aufnahmen seit 1987 ergänzt. Ausgehend von dem nordöstlichen tibetischen Hochland wurden drei exemplarische Schwerpunktregionen ausgewählt, sowie eine im benachbarten Norden, um vergleichbare Daten für die gesamte Region und die angrenzenden Gebiete zu erhalten. Die Ergebnisse der drei vorgestellten Studien zeigen eine gute Korrelation zwischen den Dünen als geomorphologische Landoberflächenformen und den Klimamodelldaten, dargestellt durch ERA-5. Regionale Kontraste werden jedoch bei den Dünenmigrationsraten deutlich, wo der Einfluss der Hauptwindregime dominant ist. Es wurde festgestellt, dass die Westwinde, die nach wie vor den wichtigsten Faktor für den Sandtransport darstellen, in den Sommermonaten schwächer sind, während sie im Winter dominieren. Dieses Nord-Süd-Gefälle ist in den Bewegungsraten von 563 kartierten und gemessenen Barchandünen auf dem nordöstlichen tibetischen Hochland, einem großen Fundus an Dünenbewegungsdaten, gut nachvollziehbar. Dort wo der EASM einen größeren Einfluss hat gibt es kaum Barchandünen. Darüber hinaus wurde der Einfluss des Menschen berücksichtigt und es wurde festgestellt, dass dieser die natürliche Entwicklung beeinflusst, was anhand der Daten zur Dünenfelddichte in landwirtschaftlichen Gebieten im Hexi Korridor besonders messbar war.

Climate changes are an ongoing process around the globe. One of the most vulnerable areas are drylands. Desertification is widely reported in most of these areas and is of particular research interest due to its influence on human infrastructures and habitat, as drylands are home to approximately 40% of the human population. The extent of global drylands fluctuates since the 1940s with a general increase, peaking in the period of 1980-2008 with 3.1% increase relative to 1948-1979 (Li et al., 2019). Under different scenarios of global warming, arid and semi-arid areas could potentially expand up to 7-12% in size effecting more people by the year 2100 (Feng and Fu, 2013; Koutroulis, 2019; Yao et al., 2020). One of the most common geomorphic features in arid and semi-arid environments are dunes. They show fast reaction times to changes in local climatic conditions and have been used to study and reconstruct short- and long-term climatic changes by multiple researchers. The northeastern Tibetan Plateau (TP) is widely regarded as the third pole and holds a unique regional configuration of high elevation and varying topography. For humans and other lifeforms, the TP is of high importance due to its role as a water source, feeding multiple large river networks, including the Yangtze, the Yellow River, the Indus, and the Ganges. The main wind regimes are the mid-latitude Westerlies, dominant in the winter months, and the East Asian Summer Monsoon (EASM). This combination results in extreme seasonality with dry, cold, and windy winters and rainy, mild summer months. Dunes are landscape features which are widely distributed among the northeastern TP. Sand sources are manifold with erosive sediment from mountain processes to fluvial material being blown out. However, dune specific studies with a recent time focus are still scarce on the northeastern TP. Also, the study of a high number of individual dunes in relation to wind derived values for their exact position is not that common. The main dune type found in the study areas are barchan dunes, both in dune fields and solitary. The presented thesis aims to analyze dune migration rates, dune field density, and sand sheet area development on the northeastern TP in relation to climate changes of the past six decades. Dune migration rates as the main metric, as well as dune field density are extracted from multitemporal satellite imagery observation. A key data source to achieve this task are the CORONA KH-4B satellite images from the 1960s. They have a sufficiently high spatial resolution of up to 1.8 m making identification of singular barchan dunes possible. Wind information is mainly extracted from the ERA-5 reanalysis dataset (30 km spatial resolution) in order to cover the given time period. Here, drift potential and related indices are calculated, analyzed and compared to the selected dunes spatially and temporarily. These datasets are completed with ERA5-Land reanalysis data (9 km spatial resolution) for temperature and precipitation, and Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) from Landsat 5, 7, and 8 images since 1987. Upon the broad northeastern TP, three focus regions were chosen, as well as one at the northern margin to get comparative data across the region, and the neighboring areas. Though the three presented studies the results show a good correlation between dunes as actual landscape features and climate model data, represented by ERA-5. However, regional contrasts become apparent in terms of dune migration rates, where the influence of the main wind regimes are dominant. It was found, that the Westerlies, still the dominant driver for aeolian transport, are weaker in the summer months, while dominant in winter. This north-to-south gradient is well represented in the migration rates of 563 mapped and measured barchan dunes across the northeastern Tibetan Plateau, a big repository of dune movement data. Also, where the EASM is more influential, hardly any barchans are found. Further, human impact was considered and is found to alter natural development measurable as presented by dune field density data in agricultural areas.

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