Hot summer 2018 and Cyanobacteria: Data from space support impact evaluation over whole Germany

English version

Summer 2018 is known to be the second warmest summer since the beginning of systematic weather observations. The high temperatures in July and August and extremely low rainfall from early summer to autumn led to critical water shortages – especially in agriculture and inland waterways. Furthermore, extreme temperatures had severe impacts on water quality in Germany’s waters: In many places, fish kills and massive algae growth were observed and even bathing bans were imposed due to potentially toxic blue algae blooms.

It became clear that the previous, official monitoring based on random on-site sampling of the water quality quickly reached its limits. Moreover, when assessing water quality, only hygienic parameters are collected by the authorities and the general condition of the water, and in particular the occurrence of algae blooms, is not monitored consistently. For this reason, blue algae blooms are not systematically recorded in many waters.

Citizens’ concerns and media coverage have been confronted with very few official or scientific measurements. “In view of the insufficient data availability, it was a difficult job to provide the many enquiries in press, television and affected persons with valid information and facts”, reports Prof. Dr. Dietrich Borchardt, Head of the Water Resources and Environment Division at the Helmholtz Centre for Environmental Research (UFZ).

The UFZ decided to get to the bottom of the issue using satellite-based measurement techniques and commissioned the high-tech company EOMAP to map all surface waters nationwide. “We have been using such satellite-based measurements routinely over inland waters for several years, for example for official monitoring tasks in the USA or for the direct evaluation of the ecological effects of industrial activities in the Baltic Sea,” reports Dr. Thomas Heege, CEO of EOMAP. Satellite-based measurements are extremely cost- and time-efficient when it comes to area-wide surveying, up to global dimensions: It was not until 2018 that EOMAP caused a sensation with the first global survey of water quality in inland waters commissioned by UNESCO.

Satellite-based environmental analysis provides data on algae, water turbidity and differentiation of potentially toxic blue algae. The highlight is that the increasing network of various satellite sensors can now be used to achieve temporal sampling rates that are logistically impossible on the ground. These data were made available to the UFZ for over 1000 water bodies throughout Germany (Figure 1) – easily accessible via a web application (Figure 3). A 2017 test campaign in five standing waters of Sachsen-Anhalt, which differed greatly in terms of their nutrient load, showed reliable detection of blue algae growth in the affected lakes as well as correct identification of unpolluted waters.

German version

Der Sommer 2018 gilt als zweitwärmster Sommer seit Beginn der systematischen Wetteraufzeichnungen. Die hohen Temperaturen in den Monaten Juli und August und extrem geringen Niederschläge vom Frühsommer bis in den Herbst führten zu vielen Wasserverknappungen – insbesondere in der Landwirtschaft und bei der Binnenschifffahrt. Zudem hatten die Extremtemperaturen auch drastische Auswirkungen auf die Wasserqualität in Deutschlands Gewässern: Vielerorts wurden Fischsterben und Algenmassenentwicklungen beobachtet und gar Badeverbote aufgrund von potentiell toxischen Blaualgenblüten ausgesprochen.

Dabei wurde deutlich, dass die bisherige behördliche Überwachung mit stichpunktartigen Beprobungen der Badewasserqualität schnell an ihre Grenzen stößt. Hinzu kommt, dass bei der Beurteilung der Badegewässerqualität ausschließlich hygienische Parameter von behördlicher Seite erhoben werden und der allgemeine Gewässerzustand, und insbesondere das Auftreten von Algenblüten, hierbei nicht einheitlich überwacht wird. An vielen Badegewässern werden daher Blaualgenentwicklungen nicht systematisch erfasst.

So standen den Besorgnissen von Bürgern und Berichterstattungen in den Medien nur äußerst spärliche behördliche oder wissenschaftliche Messungen gegenüber. „Angesichts der unbefriedigenden Datenlage war das ein schwieriger Job, die vielen Anfragen in Presse, Fernsehen und Betroffenen mit validen Antworten zum Hintergrund und mit Fakten zu bedienen“, berichtet Prof. Dr. Dietrich Borchardt, Leiter des Themenbereichs Wasserressourcen und Umwelt am Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ).

Das UFZ entschied sich, der Sache mithilfe satellitengestützter Messtechniken auf den Grund zu gehen und beauftragte das High-Tech-Unternehmen EOMAP mit einer bundesweiten Kartierung aller Oberflächengewässer. „Solche satellitengestützte Messungen setzen wir seit einigen Jahren routinemäßig über Binnengewässern ein, zum Beispiel für behördliche Überwachungsaufgaben in den USA oder zur direkten Bewertung der ökologischen Auswirkungen industrieller Aktivitäten in der Ostsee.“, berichtet Dr. Thomas Heege, Geschäftsführer der EOMAP. Satellitengestütze Messungen sind extrem kosten- und zeiteffizient, wenn es um die flächendeckende Vermessung geht, bis hin zu globalen Dimensionen: Erst 2018 hatte EOMAP Aufsehen durch die erste globale Vermessung der Wasserqualität in Binnengewässern im Auftrag der UNESCO erregt.

Die satellitengestützte Umweltanalytik liefert Daten zu Algen, zur Gewässertrübung und Differenzierung potentiell toxischer Blaualgen. Der Clou: Aus dem immer dichter werdenden Netz verschiedener Satellitensensoren können nun zeitliche Abtastraten erreicht werden, die am Boden logistisch nicht möglich sind. Diese Daten wurden dem UFZ für über 1000 Gewässer in ganz Deutschland bereitgestellt (Abbildung 1) – einfach zugänglich über eine Web-Applikation (Abbildung 3). Eine Testkampagne aus dem Jahr 2017 in fünf Standgewässern Sachsen-Anhalts, die sich hinsichtlich ihrer Nährstoffbelastung stark unterschieden, zeigte ein verlässliche Detektion der Blaualgen-Massenentwicklungen in den betroffenen Seen sowie eine korrekte Identifikation nicht belasteter Gewässer.

Harmful algae blooms Germany
Figure 1: Germany-wide appearance of blue algae in July/August 2018. Data basis: EOMAP satellite-based cyanobacteria analysis (HAB indicator, yellow = uncritical, red and pink = increased risk). Background map: True color composite from Sentinel-3 data (©ESA)

The environmental and data experts at the UFZ have now researched thousands of media reports from the heat wave of 2018 concerning a documented decline in water quality. Thus, the temporal progression of the frequency of media reports and bathing bans due to blue algae concentrations was analysed (Figure 3), which in turn can be easily compared with the satellite-based data. The difference is that the satellite data represent direct measurements, which can be made available for almost all water bodies of an extent of 50 metres and wider even within a few hours after recording.

How do the waters react to the increasing heat and extended droughts, and what can we expect in the future? The evaluation of the extensive satellite data on the various ecological interrelationships will still take time. But it is already clear that the presumed “relationship between temperature increase, drought and increased growth of blue algae can be confirmed with the help of satellite data. It is surprising that the development of algae can be very different even in directly adjacent waters. The requirements for water monitoring are correspondingly high,” says Prof. Borchardt. Another conspicuous feature last year was the much earlier occurrence of blue algae in many lakes, reports Dr. Karsten Rinke – Head of the Lake Research Department at the UFZ. Typically, blue algae blooms occur in midsummer during the months of July and August. “Last year, however, the first reports reached us at the end of May,” emphasises Rinke, pointing out that the sensitive time windows for the blue algae problem have extended. It is quite obvious that such satellite measurements should be used systematically in the future in order to be able to analyse the increasingly apparent effects of climate change and man-made environmental changes on a fact-based basis and to warn of critical developments in good time.

Die Umwelt- und Datenexperten des UFZ haben nun tausende von Medienberichten aus dem Hitzesommer 2018 hinsichtlich einer dokumentierten Beeinträchtigung der Wasserqualität recherchiert. So wurde der zeitliche Verlauf zur Häufigkeit von Medienberichten und Badeverboten aufgrund von Blaualgenvorkommen untersucht (Abbildung 2), die sich wiederum gut mit den satellitengestützen Daten vergleichen lassen. Mit dem Unterschied, dass die Satellitendaten direkte Messungen darstellen, die über fast alle Gewässer ab einer Ausdehnung von 50 Metern sogar innerhalb von wenigen Stunden nach Aufnahme bereitgestellt werden können.

Wie reagieren nun die Gewässer auf die zunehmende Hitze und ausgedehnte Trockenperioden, und was haben wir in Zukunft zu erwarten? Die Auswertungen der umfangreichen Satellitendaten auf die vielfältigen ökologischen Zusammenhänge werden zwar noch Zeit in Anspruch nehmen. Aber schon jetzt zeigt sich, dass der vermutete „Zusammenhang zwischen Temperaturerhöhung, Trockenheit und erhöhtem Wachstum von Blaualgen mithilfe der Satellitendaten bestätigt werden kann. Dabei ist überraschend, dass die Algenentwicklungen selbst in unmittelbar benachbarten Gewässern sehr unterschiedlich sein können. Entsprechend hoch sind die Anforderungen an die Gewässer-überwachung“, so Prof. Borchardt. Eine weitere Auffälligkeit im vergangenen Jahr war das deutlich frühere Aufkommen von Blaualgen in vielen Seen, berichtet Dr. Karsten Rinke – Leiter des Departments Seenforschung am UFZ. Typischerweise treten Blaualgenblüten im Hochsommer während der Monate Juli und August auf. „Im letzten Jahr erreichten uns die ersten Meldungen aber bereits Ende Mai“, betont Rinke und deutet darauf hin, dass sich die sensiblen Zeitfenster für die Blaualgenproblematik ausweiteten. Klar ist, dass solche Satellitenmessungen in Zukunft systematisch genutzt werden sollten, um die immer stärker zutage tretenden Entwicklungen durch den Klimawandel und die menschengemachten Umweltveränderungen faktenbasiert zu analysieren und vor kritischen Entwicklungen rechtzeitig warnen zu können.

Harmful algae blooms Germany
Figure 3: Number and categorisation of blue algae appearances reported throughout Germany as a result of the heat and drought wave with a significant increase in CW30 (data basis: UFZ media research)
Harmful algae blooms Germany
Figure 2: Satellite-based identification of algae blooms with increased concentrations in Fahrlander See (Brandenburg) on July 16, 2018, visualized in the web application eoApp® (EOMAP)

Contact:

Dr. Thomas Heege
EOMAP GmbH & Co. KG
CEO
heege@eomap.de

Prof. Dr. Dietrich Borchardt,
Helmholtz Centre for Environmental Research (UFZ)
Head of Department Aquatic Ecosystems Analysis and Management
dietrich.borchardt@ufz.de
Website UFZ