Geospatial analysis to study environmental change: climate variability and vegetation cover dynamics in Ethiopia and the Horn of Africa

Abstract

Rainfall variability and changes in long term amounts and distributions is a condition currently affecting many countries over recent decades. This situation controls the vegetation pattern significantly. In order to understand the existing variability and trends of the seasonal rainfall in east Africa at large and Ethiopia in specific, an in depth spatio temporal analyses is required. Spatial data on rainfall and vegetation cover can be used make quick assessments. Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) maps have a good allow comparisons of the spatial and temporal variability in the amount and condition of vegetation. These can be used to assess agricultural production and trends in desertification in areas that rely on rainfed agriculture. Rainfall Estimates (RFE) can be used to asses trends in rainfall. To meet the Millennium Development Goals (MDGs) of eradicating extreme poverty and hunger, such tools can be used to enable proper planning. The main research questions are: Can the RFE data be used reliably to analyse seasonal rainfall variability? How well NOAA satellite rainfall estimates (RFE) and NMA rainfall records are correlated? How does the seasonal rainfall and vegetation cover trends and variability look like? The study analysed monthly satellite rainfall estimates (RFE) from NOAA (National Atmospheric and Oceanic Administration) and monthly rainfall records (January 1996–December 2006) collected from weather stations by NMA (National Meteorological Agency of Ethiopia). The study further analysed seasonal trend of vegetation cover using Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) from Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR) between 1982 and 2008 (27 years). After doing spatio-temporal analyses of the satellite RFE and monthly weather stations rainfall records, it is found that the two datasets correlated well during the important rainy seasons; summer and spring. Many weather stations have correlation values above 0.5 and 0.75. As a result RFE images are reliable enough to be used for timely spatio-temporal analyses of disasters in times characterized by late inception, dry spells and early cessation of rainfall. Therefore, the RFE images can be recommended for early warning systems in the country and to inform decision makers on the consequences of changes in the magnitude, timing, duration, and frequency of rainfall both temporally and spatially For vegetation cover trend the study period that is from 1982 to 2008, it was assessed in two time slices. The first part is between 1982 and 1995 and the 2nd part which is from 1995 to 2008. During the first half, the overall vegetation cover was in constant decline in most parts of east Africa with the exception of Sudan where relative stability was observed. During the second half, the overall vegetation trend was better than the first half. Though relatively stable, there are areas with fast decline particularly in western escarpment of the Ethiopian rift valley, southern Kenya and western Uganda. The trend showed higher decline of Vegetation during summer and spring seasons. There is an increasing deterioration of vegetation cover near and around Victoria region, most part of central and northern Tanzania, significant portion of southern Ethiopia and northern part of the rift-valley escarpment. The changes in the current rainfall with a rainfall amount forecasted using trend analyses were compared and it showed a decrease in the rainfall amount in most parts of east Africa particularly during winter and spring. For example, in more than 90% of the total area of Kenya, the rainfall amount in spring after 10 years of time is expected to decrease by 7 % or more. On the other hand, in southern Sudan autumn and spring rainfall amounts show an increasing trend that will increase by up to 10% particularly around the central southern Sudan.

Viele Länder sind in den letzten Jahrzehnten von Schwankungen des Niederschlags und langfristigen Veränderungen sowohl in der Niederschlagsmenge als auch -verteilung betroffen. Dieser Zustand wirkt sich signifikant auf das Muster der Vegetationsbedeckung aus (Funk 2009). Um Variabilität und Trends der saisonalen Niederschläge in Ostafrika im Allgemeinen und Äthiopien im Speziellen kennen zu lernen, sind eingehende räumliche und zeitliche Analysen erforderlich. Normalized Difference Vegetation Index (NDVI)-Karten ermöglichen Vergleiche der räumlichen und zeitlichen Variabilität von Vegetationsmenge und -zustand. Diese können verwendet werden, um die landwirtschaftliche Produktion und Trends der Desertifikation in Gebieten, die auf Regenfeldbau angewiesen sind zu beurteilen. Um die Millennium Development Goals (MDGs) zur Beseitigung von extremer Armut und Hunger zu erreichen, ist eine angemessene Planung notwendig, basierend auf der Kenntnis aller Zusammenhänge. Folgende Fragen stellten sich: Können die RFE Daten zuverlässig eingesetzt werden, um die Variabilität saisonaler Regenfälle zu analysieren? Wie gut korrelieren die Niederschlagsschätzungen (Rainfall Estimates, RFE) des National Oceanic Atmospheric Administration-Satelliten (NOAA) und die National Meteorological Agency (NMA) von Äthiopien-Aufzeichnungen ? Wie sehen Trends und Variabilität der saisonalen Niederschläge und der Vegetationsbedeckung aus? Die Studie analysierte die monatlichen Niederschlagsschätzungen (RFE) von (NOAA) und die monatlichen Niederschlagsauf-zeichnungen (Januar 1996 - Dezember 2006), die Wetterstationen der (NMA) sammelten. Weiterhin analysierte die Studie saisonale Entwicklungen der Vegetationsbedeckung, unter Verwendung des Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) des Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR) zwischen 1982 und 2008 (27 Jahre). Nach räumlich-zeitlichen Analysen der satellitengestützten RFE- und der monatlichen Niederschlagsaufzeichnungen der Wetterstationen wird festgestellt, dass die beiden Datensätze während der wichtigen Regenzeiten, Sommer und Frühling, gut korrelieren. Viele Wetterstationen haben Korrelationswerte über 0,5 und 0,75. Damit sind RFE-Bilder zuverlässig genug, um für die rechtzeitige räumlich- zeitliche Analyse von Katastrophen in Zeiten von spät einsetzendem Regen (late inception), Trockenperioden innerhalb der Regenzeit (dry spells) und vorzeitiger Beendigung des Niederschlags (early cessation) genutzt zu werden. Daher können die RFE-Bilder verlässlich für Frühwarnsysteme im Land eingesetzt werden und um Entscheidungsträgern die Folgen zu verdeutlichen, die Veränderungen der Niederschlagsmenge, des zeitlichen Ablaufes, der Dauer und der Häufigkeit der Niederschlagsdefizite auf unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Ebenen mit sich bringen. Um die Entwicklungen der Vegetationsbedeckung zu betrachten und um vergangene und aktuelle Entwicklungen zu vergleichen, wurde die Untersuchungs-Periode, welche von 1982 bis 2008 ging, in zwei Abschnitte aufgeteilt. Der erste Teil geht von 1982 bis 1995, der zweite von 1995 bis 2008. Während der ersten Hälfte befand sich in den meisten Teilen Ostafrikas die gesamte Vegetation in ständigem Rückgang. Eine Ausnahme bildete der Sudan, wo eine relative Stabilität beobachtet werden konnte. Während der zweiten Hälfte war die gesamte Vegetationsentwicklung besser als in der ersten Hälfte. Obwohl relativ stabil, gibt es Gebiete mit schnellem Rückgang, vor allem am westlichen Steilhang des äthiopischen Rift Valley, in Süd-Kenia und in West-Uganda. Der Trend zeigte einen höheren Rückgang der Vegetation im Sommer und Frühling. So gibt es eine zunehmende Verschlechterung der Vegetationsbedeckung in und um die Victoria-Region, im größten Teil von Zentral- und Nord-Tansania, in einem erheblichen Teil des südlichen Äthiopiens und im nördlichen Teil des Rift Valley-Steilhangs. Die Veränderungen des aktuellen Niederschlags wurden mit der durch Trendanalysen prognostizierten Niederschlagsmenge verglichen und es zeigte sich eine Abnahme der Niederschlagsmenge in den meisten Teilen Ostafrikas, besonders im Winter und Frühling. Dies zeigte sich auch im relativ schlechten Zustand der Sommer- Vegetation. Für mehr als 90% der Fläche Kenias wird in einem Zeitraum von 10 Jahren ein Rückgang des Frühjahrsniederschlags um 7% oder mehr erwartet. Auf der anderen Seite zeigen die Herbst- und Frühjahrs-Niederschlagsmengen im Süd- Sudan eine steigende Tendenz, welche um bis zu 10% weiter anwächst, vor allem rund um den zentralen Teil des südlichen Sudan.