Agrarmeteorologische Stationen: Vergleich der „vor Ort“ gewonnenen Wetterdaten mit denen umliegender offizieller Wetterstationen

Agricultural weather stations: Comparison of on-the-spot weather data with those from surrounding official weather stations

Das Ziel der Arbeit ist die Beantwortung der Frage, in welchem Maße „vor Ort“ installierte lokale agrarmeteorologische Stationen verwertbare Informationsgewinne gegenüber Stationen und Messstellen offizieller Mess­netze ermöglichen.

In der Praxis könnte das zu Konsequenzen hinsichtlich der Bewertung der Ergebnisse von Wachstums-, Befalls- und Ertragsmodellen führen, deren Datenbasis häufig auf Messungen offizieller, in der Regel entfernt liegender meteorologischer Stationen beruht.

2 Material und Methoden

2.1.2 Meteorologische Stationen des DWD. In die Analyse wurden fünf meteorologische Stationen des DWD (Tab. 1) einbezogen. Diese umschließen das Dahnsdorfer Versuchsfeld in einem Radius von 72 km, wobei die Station Wiesenburg mit nur 14 km Entfernung dem Versuchsfeld am nächsten liegt, aber in ihrer Lage sehr exponiert ist.

Alle Stationen des DWD befinden sich in Stadtrand­lagen. Ihre Messfelder sind in unterschiedlichem Umfang von Siedlungsflächen, Vegetation (Büsche, Bäume) sowie Acker- und Grünflächen umgeben.

Erfasst werden stündliche Werte der Lufttemperatur, der relativen Luftfeuchte und des Niederschlages. Erst­genannte ergeben sich jeweils als Mittelwert aus 60 Messungen (jede Sekunde) zwischen der 49. und 50. Minute der vorangegangenen Stunde (z.B. Terminwert von 07.00 Uhr: Mittelwert der Messungen zwischen 06.49 Uhr und 06.50 Uhr).

2.1.3 Niederschlagsmessstellen des DWD. Zur Charakterisierung der räumlichen Verteilung der Niederschläge wurden – neben den meteorologischen Stationen – zusätzlich 16 Niederschlagsmessstellen in 3,3 km bis 42,5 km Entfernung von Dahnsdorf betrachtet. Das Datenmate­rial dieser Messstellen umfasst ausschließlich Tagessummen des Niederschlages (Tab. 9).

Zur Einbeziehung von Tages- und Monatswerten in die Analysen erfolgte eine Verdichtung der Originalwerte.

3 Ergebnisse

3.1.1 Zusammenhang der Messwerte zweier Stationen. Zwischen den Werten der Lufttemperatur der agrar­meteorologischen Station und denen der DWD-Stationen bestehen sehr enge Zusammenhänge (Tab. 2). Abhängigkeiten von der räumlichen Entfernung sind für die betrachteten Stationen nicht nachweisbar. Allerdings ist die nahegelegenste Station (Wiesenburg) auch die von der Höhenlage her exponierteste. Daher ist eine Überlagerung der Effekte aus räumlicher Entfernung, Exponiertheit und Höhenlage der Station nicht auszuschließen.

3.1.2 Analyse der Differenzen der Messwerte. Größere Unterschiede zwischen den Messreihen offenbaren die zeitabhängigen Differenzen der Einzelwerte zwischen der agrarmeteorologischen Station und den DWD-Stationen. Abb. 1 zeigt die zugehörigen Summenhäufigkeiten. Markant ist die Ausnahmestellung der Station Wiesenburg: Während den Verteilungen der anderen DWD-Stationen eine annähernde Symmetrie der Temperatur-Differenzen eigen ist, überwiegen im Vergleich zur Station Wiesenburg die positiven Differenzen deutlich. Diese Station ist verglichen mit Dahnsdorf die einzige mit kühleren Temperaturen; sie weist zudem den größten Betrag der Differenzen auf (Tab. 3). Ursache ist die exponierte Lage der Station, die sich sowohl aus der Stationshöhe (H_S = 187 m) als auch aus der näheren Umgebung der Station ergibt. Den Einfluss der Umgebung verdeutlicht die Station Genthin: Ein exponiertes Messfeld bedingt – trotz geringer Stationshöhe (H_S = 35 m) – ähnlich ge­ringe Temperaturen wie in Wiesenburg und Dahnsdorf.

Abb. 1. Relative Summenhäufigkeit der Differenzen der Stundenwerte der Lufttemperatur zwischen der agrarmeteorologischen Sta­tion Dahnsdorf und ausgewählten DWD-Stationen, 2000 bis 2009.

Die Verdichtung der Stundenwerte zu Tageswerten intensiviert die Sonderstellung der Station Wiesenburg (Abb. 2). An dieser sind 77% der Tage kälter als in Dahnsdorf; an den anderen DWD-Stationen sind es lediglich zwischen 25% (Magdeburg) bis 38% (Potsdam). Zudem führt die Verdichtung des Datenmaterials zu eher asymmetrischen Verteilungen der Temperaturdifferenzen.

Abb. 2. Relative Summenhäufigkeit der Differenzen der Tagesmittel der Lufttemperatur zwischen der agrarmeteorologischen Station Dahnsdorf und ausgewählten DWD-Stationen, 2000 bis 2009.

Deutliche Unterschiede lassen auch die Differenzen der Tages-Extremwerte erkennen: Diese betreffen sowohl Mittelwerte und Standardabweichungen als auch die Bereiche zwischen dem 1. und 3. Quartil sowie die Spannweiten (Abb. 3). Besonders auffällig: Der Werte­bereich der Differenzen der Tagesminima ist erheblich größer als der der Tagesmaxima. Die von ihrer Lage her exponierten Stationen sind offensichtlich für extreme Minima bevorzugt: Unabhängig von der Höhenlage werden in Dahnsdorf (H_S: 88 m) und Wiesenburg (H_S: 187 m), teilweise aber auch in Genthin (H_S: 35 m) ähn­liche Werte gemessen. Diese unterschreiten jene geschützter liegenden Stationen im Mittel um 1,0 K. Die Tages-Maxima werden dagegen durch die Umgebung der Station geringer beeinflusst als durch deren Höhenlage. Hier weist die höchst gelegene Station Wiesenburg größere (–1,1 K) Defizite gegenüber dem Versuchsfeld und dieses geringere (–0,2 K) im Vergleich zu den rest­lichen Stationen auf.

Abb. 3. Mittelwert (Punkt), 1. und 3. Quartil (Kreuz) und Spannweite der Differenzen der Tagesmaxima (blau) sowie der Tagesminima (orange) der Lufttemperatur, 2000 bis 2009.

3.1.3 Zeitliche Verläufe der Differenzen.
Jahresgang:Die Temperatur-Differenzen der Einzelwerte zwischen der agrarmeteorologischen Station und den DWD-Stationen unterliegen einem Jahresgang (ohne Abb.). Hinsichtlich ihrer Werte ist eine Differenzierung zwischen Wiesenburg und den anderen DWD-Stationen erforderlich. Diese variieren um ca. 1,0 K. Der zeitliche Verlauf ist dagegen ähnlich.

Zwischen den einzelnen Abschnitten des Jahres existieren geringfügige Unterschiede: Bevorzugt in den Monaten April bis Juni verzeichnet das Versuchsfeld mit –0,7 K höhere Differenzen gegenüber den DWD-Stationen. Diese ergeben sich aus der in diesem Zeitraum besonders hohen Abgabe latenter Wärme infolge der Evapotranspiration der Pflanzenbestände. In den anderen Monaten schwanken die Temperaturdifferenzen um –0,3 K.

Tagesgang:
Wesentlich deutlicher ist der Tagesgang der Temperatur-Differenzen zwischen der agrarmeteorologischen Station und den DWD-Stationen ausgeprägt. Es besteht eine deutliche Abhängigkeit sowohl von der Tageszeit als auch von der Jahreszeit: In den Stunden nach Sonnenaufgang erwärmt sich das Versuchsfeld schneller als die Messfelder der DWD-Stationen; in den Stunden vor Sonnenuntergang kühlt es sich rascher ab (Abb. 4). Mit zunehmender Strahlungsintensität erhöhen sich die Werte der Temperatur-Differenzen. Ursache dieses markanten Tagesganges ist der – in Folge der freien Lage des Versuchsfeldes – ungehinderte Austausch der Luft­massen. Dieser führt auf dem Versuchsfeld zu einer intensiveren Durchmischung der Luft und damit zu schnellerer Erwärmung (nach Sonnenaufgang) bzw. Abkühlung (vor Sonnenuntergang) der bodennahen Luftschicht.

Abb. 4. Tagesgang der Differenzen der Stundenwerte der Luft­temperatur zwischen der agrarmeteorologischen Station Dahnsdorf und ausgewählten DWD-Stationen in Abhängigkeit von der Jahreszeit, 2000 bis 2009.

Die Tagesgänge der Temperatur-Differenzen zwischen der agrarmeteorologischen und den einzelnen DWD-Stationen ähneln sich in ihrem Verlauf: Ihre Amplituden unterscheiden sich (Tab. 4). Die mittleren Differenzen der Extremwerte dokumentieren die jahreszeitlich (Frühjahr = F; Sommer = S; Herbst = H; Winter = W) bedingten Einflüsse.

3.2.1 Zusammenhang der Messwerte zweier Stationen. Es besteht ein sehr enger Zusammenhang sowohl zwischen den Stundenwerten als auch den verdichteten Werten (Tages-Mittel) der relativen Luftfeuchte der agrar­meteorologischen Station Dahnsdorf und den DWD-Stationen. Die Stärke des Zusammenhanges unterscheidet sich zwischen den jeweiligen Verteilungen nur gering­fügig (Tab. 5). Gleiches gilt auch für die Tages-Minima. Deutlich variabler präsentieren sich dagegen die Tages-Maxima der relativen Luftfeuchte.

3.2.2 Spannweite der Einzelwerte der Stationen. Für die zu gleicher Zeit (stündlich) an den sechs Standorten gemessenen Werte wurden deren Spannweiten ermittelt (Abb. 5). In nur einem Viertel der Fälle betrugen diese weniger als 10% relativer Luftfeuchte, zu einem weiteren Viertel mehr als 20%. Das deutet auf teilweise erhebliche Differenzen zwischen den einzelnen Stationen hin. Dabei hebt sich keiner der Standorte durch eine Häufung extremer Werte hervor. Lediglich für einen kurzen Zeitraum vor Sonnenuntergang weist das Versuchsfeld Dahnsdorf vielfach höhere Werte der relativen Luftfeuchte gegenüber den geschützter gelegenen DWD-Stationen auf.

Abb. 5. Relative Häufigkeit der Spannweite der Stundenwerte der relativen Luftfeuchte an der agrarmeteorologischen Station Dahnsdorf und ausgewählten DWD-Stationen, 2000 bis 2009.

3.2.3 Häufigkeit der Überschreitung von Einzelwerten. Die Entwicklung der Schadorganismen steht vielfach mit der Häufigkeit und der Andauer der Überschreitung bestimmter meteorologischer Schwellenwerte im Zusammenhang. Ein oft genanntes Maß sind 90% relativer Luftfeuchte (Kluge et al., 1999).

Ausgehend von Stundenwerten wurde die Häufigkeit der Überschreitung einer relativen Luftfeuchte > 90% für die Einzeljahre des untersuchten Zeitraumes ermittelt (Abb. 6). Die betrachteten Standorte unterscheiden sich teilweise erheblich voneinander: Mit 44,5% werden – über den Gesamtzeitraum betrachtet – in Dahnsdorf fast doppelt so häufig derartige Werte registriert als in Magdeburg. Der Charakteristik des Versuchsfelds entsprechen am besten die Standorte Wiesenburg und Genthin; das sind genau jene, deren nähere Umgebung der des Versuchsfeldes am meisten ähnelt.

Abb. 6. Relative Häufigkeit (rH) der Stundenwerte > 90% relativer Luftfeuchte der agrarmeteorologischen Station Dahnsdorf und ausgewählter DWD-Stationen, 2000 bis 2009.

Die Stärke der Unterschiede zwischen den einzelnen Stationen variiert in Abhängigkeit vom betrachteten Zeitintervall: Tab. 6 listet die relativen Häufigkeiten des Auftretens des oben genannten Schwellenwertes in Dahnsdorf (linke Spalte) und setzt die entsprechenden Werte der DWD-Stationen in Relation zu diesen Häufigkeiten. Es zeigt sich eine Ausprägung der Unterschiede im Frühjahr und Sommer, in den Stunden vor Sonnenuntergang (19 bis 22 Uhr).

In diesen Zeitintervallen ist auf dem Versuchsfeld in Dahnsdorf fast jeder dritte Wert (31,0% bzw. 31,6%) > 90% relativer Luftfeuchte: In Magdeburg sind es etwa fünfmal weniger; an den anderen Stationen werden derartige Werte dreimal seltener (Wittenberg, Genthin) bzw. nur halb so häufig (Wiesenburg, Potsdam) im Vergleich zu Dahnsdorf registriert.

Diese Zeitintervalle sind jene mit den höchsten negativen Temperatur-Differenzen zwischen dem Versuchsfeld und den DWD-Stationen (s. Abb. 4). Kühlere Luft kann nur eine geringere Menge Wasserdampf aufnehmen; ihr Sättigungsdampfdruck verringert sich: Die relative Luftfeuchte (Verhältnis zwischen aktuellem Dampfdruck und dem gesättigter Luft) erhöht sich entsprechend.

3.2.4 Analyse der Differenzen der Messwerte. Der Vergleich der Stundenwerte der relativen Luftfeuchte zwischen dem Versuchsfeld einerseits und den Stationen des DWD andererseits zeigt deutliche Unterschiede. Mit Ausnahme der Station Wiesenburg verzeichnet das Versuchsfeld höhere Werte der relativen Luftfeuchte. Gegenüber den DWD-Stationen überwiegen positive Differenzen (Abb. 7). Sie betragen zwischen 48% (Wiesenburg) und 70% (Magdeburg).

Abb. 7. Relative Summenhäufigkeit der Differenzen der Stundenwerte der relativen Luftfeuchte zwischen der agrarmeteorologischen Station Dahnsdorf und ausgewählten DWD-Stationen, 2000 bis 2009.

Es zeigen sich zwei Besonderheiten: Der Standort Genthin, der aufgrund seiner freien Lage dem Versuchsfeld sehr ähnlich und zudem als grundwassernah gilt, verzeichnet unerwartet hohe, der in seiner Lage geschützte Standort Potsdam dagegen ungewöhnlich ge­ringe Differenzen der relativen Luftfeuchte gegenüber Dahnsdorf. Die der letztgenannten Station beschränken sich zudem vorrangig auf die Monate April bis Juni.

Die Berechnung von Tagesmittel-Werten aus den stündlichen Differenzen verschärft die Unterschiede zwischen dem Versuchsfeld und den DWD-Stationen: Mit Ausnahme von Wiesenburg (49%) verzeichnet das Versuchsfeld überwiegend höhere Tagesmittel gegenüber den DWD-Stationen. Das gilt in 65% (Potsdam) bis 82% (Magdeburg) der Fälle (Wittenberg: 75%, Genthin: 78%).

3.2.5 Zeitliche Verläufe der Differenzen.
Jahresgang:Wie auch die Tagesmittel der Temperatur-Differenzen folgen die der relativen Luftfeuchte im Vergleich von Dahnsdorf mit den DWD-Stationen einem Jahresgang. Der Zusammenhang ist nicht linear, sondern lässt sich gut mit Hilfe von Polynomen 2. Grades abbilden. Der Verlauf der Funktionen ist ähnlich. Die Beträge und Zeitpunkte der Maxima der Funktionen variieren. Sie treten jedoch stets im Sommerhalbjahr, zwischen der ersten Juni- und der ersten Juli-Dekade auf.

Tagesgang:Die Stundenmittel der Differenzen der relativen Luftfeuchte folgen einem Tagesgang mit einem Minimum gegen 10 Uhr und einem Maximum gegen 22 Uhr MEZ (Abb. 8). Auch hier differieren die einzelnen Standorte vor allem in ihren Werten. Während sich die Standorte Wittenberg, Magdeburg und Genthin nur geringfügig unterscheiden, sind für die Stationen Potsdam und Wiesenburg separate Verläufe erkennbar.

Abb. 8. Tagesgang der Differenzen der Stundenwerte der relativen Luftfeuchte (ΔU) zwischen der agrarmeteorologischen Station Dahnsdorf und ausgewählten DWD-Stationen, 2000 bis 2009.

3.3.1 Zusammenhang der Messwerte zweier Stationen. Die Niederschlagshöhe weist von den analysierten me­teorologischen Parametern die geringsten Zusammenhänge zwischen den Messwerten der agrarmeteorologischen Station Dahnsdorf und denen der DWD-Stationen und -Niederschlagsmessstellen auf (Tab. 7). Das betrifft die Stunden-, Tages- und Monatssummen. Es gilt: Je geringer die Entfernung zwischen den Messstellen, desto stärker ist der lineare Zusammenhang (Abb. 9).

Abb. 9. Korrelationskoeffizienten (r) der Tagessummen der Niederschlagshöhe der agrarmeteorologischen Station Dahnsdorf sowie ausgewählter DWD-Stationen und -Niederschlagsmessstellen in Abhängigkeit von deren Entfernung, 2000 bis 2009.

3.3.2 Analyse der Differenzen der Messwerte. Der Vergleich der Häufigkeitsverteilungen der Differenzen der agrarmeteorologischen Station mit den DWD-Niederschlagsmessstellen zeigt geringfügige Unterschiede zwischen den einzelnen Verteilungen (Abb. 10). Das Gros der Werte konzentriert sich – bedingt durch die hohe Anzahl niederschlagsfreier Tage – im Bereich zwischen –0,1 mm und +0,1 mm. Dieser enthält zwischen 46,3% (Magdeburg: 71,9 km entfernt) und 51,8% (Belzig: 7,0 km entfernt) der Differenzen der Tagessummen der Niederschlagshöhe.

Abb. 10. Relative Summenhäufigkeit der Differenzen der Tagessummen der Niederschlagshöhe zwischen der agrarmeteorologischen Station Dahnsdorf und ausgewählten DWD-Stationen und -Niederschlagssmessstellen, 2000 bis 2009.

An Tagen mit landwirtschaftlich relevanten Niederschlägen sind bereits bei relativ nah gelegenen Stationen deutliche Differenzen erkennbar: Verzeichnet Dahnsdorf eine Tagessumme ≥ 2,0 mm differieren bereits in 30 km Entfernung die Hälfte der an den DWD-Stationen und -Niederschlagsmessstellen gemessenen Werte um mindestens 2,0 mm: Bei Tagessummen ≥ 3,0 mm ist das bereits in 20 km, bei Tagessummen ≥ 5,0 mm in 10 km Entfernung der Fall.

Die Abb. 11 verdeutlicht den Zusammenhang zwischen den Differenzen der Tagessummen des Niederschlages und der Entfernung der Standorte. Betrachtet werden Tagessummen ≥ 2,0 mm auf dem Versuchsfeld in Dahnsdorf. Die Häufigkeit des Überschreitens ausgewählter Differenzen ΔRR nimmt mit der Entfernung die DWD-Stationen und -Niederschlagsmessstellen von der agrarmeteorologischen Station zu. Ihre Abhängigkeit lässt sich mit Hilfe logarithmischer Funktionen beschreiben. Die Bestimmtheitsmaße R² dieser Anpassungen liegen zwischen 0,90 ... 0,94.

Abb. 11. Relative Häufigkeit der Differenzen der Tagessummen der Niederschlagshöhe (ΔRR) zwischen der agrarmeteorologischen Sta­tion Dahnsdorf und ausgewählten DWD-Stationen und -Niederschlagsmessstellen bei Tagessummen ≥ 2,0 mm, 2000 bis 2009.

Einzelne Tagessummen differieren um mehr als 50 mm. Ursache dieser extremen Differenzen sind meist lokal begrenzte Niederschlagsereignisse.

3.3.3 Anzahl der Tage. Zählungen liefern zusätzliche Informationen über meteorologische Messreihen. Gezählt werden Tage mit Überschreitung definierter Schwellenwerte. Tab. 8 listet einige Beispiele. Die Unterschiede zwischen den einzelnen Niederschlagsmessstellen sind gering; keine der Niederschlagsmessstellen ist besonders exponiert.

Die vorliegende Arbeit analysiert die sich daraus ergebenden Unterschiede hinsichtlich der meteorologischen Messergebnisse.

Zwei wesentliche Fakten sind zu beachten:

Vorrangiges Ziel der Analyse war es, ein „Gefühl“ für die mesoklimatischen Unterschiede zwischen einer weit­gehend ebenen, von jeder Bebauung und höherem Bewuchs (> 2,5 m) im Umkreis von mehreren 100 m freien landwirtschaftlichen Nutzfläche und einem, sich meist in Randlage zu einem Ort befindlichen Standort zu ent­wickeln.

Die Ergebnisse zeigen, dass diese Unterschiede durch verschiedene Faktoren beeinflusst werden, die sich einander in unterschiedlichem Maße überlagern. Zu diesen Faktoren zählen neben großräumigen (geographische Lage, Höhenlage) und kleinräumigen (Exponiertheit, Bebauung, Bewuchs) auch jahreszeitlich veränderliche (Bewirtschaftung anliegender landwirtschaftlich genutzter Flächen, Beheizung anliegender Siedlungen). Trotz Vorliegen detaillierter Lagebeschreibungen der DWD-Stationen konnte eine Bewertung des Anteils dieser Faktoren nur teilweise erfolgen. Die im Vergleich mit fast allen Stationen (Ausnahme: Wiesenburg) geringeren Temperaturen des Versuchsfeldes deuten auf einen vorrangigen Einfluss der Exponiertheit der ausschließlich landwirtschaftlich genutzten Fläche.

Aus den Ergebnissen konnten Aussagen abgeleitet werden, die einerseits die Auswahl einer Station eines meteorologischen Messnetzes als Repräsentativstation (Hupfer und Kuttler, 2006) einer landwirtschaftlichen Nutzfläche erleichtern und andererseits mesoklimatische Unterschiede zwischen den Standorten erklären.

Dass als Repräsentativstation für die Lufttemperatur und Luftfeuchte nicht immer die nahe gelegenste Station gewählt werden sollte, beweisen die – im Vergleich zu anderen Standorten – recht hohen Temperaturunterschiede zwischen dem Versuchsfeld und der nur 14 km entfernten Station Wiesenburg. Hier scheint der Höhenunterschied von 99 m deutlich schwerer zu wiegen als die größere räumliche Entfernung anderer Stationen: Gegenüber der Station Wiesenburg weist das Versuchsfeld in Dahnsdorf mit +0,50 K die höchste mittlere Temperaturdifferenz auf. Der Vergleich mit den entfernter ge­legenen Stationen Wittenberg, Potsdam, Genthin und Magdeburg (28,5 km bis 71,9 km entfernt) offenbart geringere Werte (–0,17 K bis –0,48 K).

Dem entgegen werden die Niederschlagsverhältnisse am besten durch nahe gelegene Standorte abgebildet. Bereits in 30 km Entfernung differiert ein großer Teil der Tagessummen der agrarmeteorologischen Station einerseits und einer DWD-Station (-Niederschlagsmessstelle) andererseits um den für die Entwicklung der Pflanzen relevanten Betrag von 2,0 mm Tages-Niederschlag. Dieser Teil wächst mit zunehmender Tagessumme der Niederschlagshöhe RR (RR ≥ 2,0 mm: 50%; RR ≥ 3,0 mm: 55%, RR ≥ 5,0 mm: 65%).

Meteorologische Stationen sind in der Regel deutlich mehr als 30 km voneinander entfernt. Das dichtere Messnetz der Niederschlagsmessstellen und deren bessere räumliche Verteilung bevorteilt daher für die Niederschlagshöhe eine nahe gelegene Niederschlagsmessstelle als Repräsentativstation.

Ob und in welchem Umfang die mesoklimatischen Unterschiede einer landwirtschaftlichen Nutzfläche und der ihr zugeordneten Repräsentativstation die Ergeb­nisse fachlicher Anwendungen (z.B. mathematisch-numerische Wachstums-, Befalls- und Ertragsmodelle) beeinflussen, muss in weiteren Untersuchungen analysiert werden. In diesem Zusammenhang könnten auch geographisch orientierte Modelle zur Simulation des Geländeklimas in die Betrachtungen einbezogen werden.

Fußnoten: