Versuchsfeld Dahnsdorf – 15 Jahre agrarmeteorologische Messungen Teil 1: Allgemeines

Trial field Dahnsdorf – 15 years of agrometeorological measurements Part 1: General

2 Material und Methoden

Die Methode der Datengewinnung unterscheidet sich von der an den meteorologischen Stationen des Deutschen Wetterdienstes (DWD) üblichen: Beim DWD werden im Sekundenabstand 60 Messungen durchgeführt und über eine Minute (49. Minute jeder Stunde) verdichtet.

Die Standard-Konfiguration des Datenloggers blieb weitgehend unverändert (Tab. 1). In unregelmäßigen Abständen (Lufttemperatur und -feuchte mindestens monatlich) wurden Kontrollmessungen durchgeführt und – im Abstand von zwei bis fünf Jahren – wesentliche Messwertgeber kalibriert bzw. ausgetauscht.

Als Ersatzgeräte dienten ein in einer Thermometerhütte auf dem Messfeld befindlicher Thermohygrograph sowie ein Hellmann-Niederschlagsmessgerät. Mit diesen erfolgte die Ergänzung der (relativ seltenen) Ausfälle des Luft­temperatur- und Luftfeuchtegebers (2,0 m Höhe) sowie des Niederschlagsgebers. In Ausnahmefällen wurden die Messergebnisse der Stationen Wittenberg (Lufttemperatur und -feuchte) und Wiesenburg (Niederschlagshöhe) des DWD in die Datenergänzung mit einbezogen.

Die gewonnenen Messdaten der agrarmeteorologischen Station wurden jährlich einer Prüfung auf Plausibilität unterzogen. Diese beinhaltete vorrangig die Prüfung auf Unter- bzw. Überschreitung von Grenzwerten, die im Rahmen einer Ingenieurarbeit (Kuhlmey, 1987) zusammengestellt wurden und sich als praktikabel und valide erwiesen haben.

Danach erfolgte die Speicherung dieser Werte in einer separaten ACCESS-Datenbank sowie der ORACLE-Datenbank „Schadorganismen und Folgenabschätzung“ des Institutes für Strategien und Folgenabschätzung im JKI.

Neben dem Standardprogramm erfolgten für Einzelprojekte Sondermessungen: Dazu zählten von 1998 bis 2001 Profilmessungen der Lufttemperatur und -feuchte in landwirtschaftlichen Beständen sowie von 2004 bis 2009 die Messung der Saugspannung in vier verschiedenen Tiefen in vegetationslosem Boden bzw. unter Rasen.

Die statistischen Auswertungen wurden mit dem Statistikprogramm SAS realisiert; Signifikanztests erfolgten stets zum Signifikanzniveau α = 0,05.

Grundlage der Betrachtungen waren grundsätzlich Tageswerte: Das heißt, dass unabhängig von der Anzahl der Messwerte, auf den jeweiligen Tag (23:51 Uhr MEZ des Vortages bis 23:50 Uhr MEZ des Messtages) bezo­gene Mittel- und Extremwerte bzw. Summen berechnet und für die Analysen verwendet wurden.

Die für Vergleiche herangezogenen langjährigen Normalwerte wurden für die Normalwert-Zeiträume 1951/80 und 1961/90 einschlägigen Veröffentlichungen (Veit et al., 1987; Müller-Westermeier, 1996) entnommen bzw. auf der Basis der vom DWD in (https://werdis.dwd.de/werdis) zur Verfügung gestellten Beobachtungsergebnisse ausgewählter Stationen und Messstellen berechnet (Normalwert-Zeiträume 1971/2000 und 1981/2010). In Anlehnung an Deutscher Klimaatlas (http://www.deutscher-Klimaatlas.de) wurde standardmäßig der offizielle Normalwert-Zeitraum 1961/90 verwendet; die Betrachtung anderer Zeiträume diente vorrangig dem zusätzlichen Informationsgewinn.

Neben der Berechnung der eigentlichen langjährigen Mittelwerte und Summen werden in der Klimatologie Tage mit Über- bzw. Unterschreitung definierter Schwellwerte ausgezählt. Für die Lufttemperatur sind vier Schwellwerte gebräuchlich (Tab. 2), die im Rahmen dieser Arbeit analysiert wurden.

Betrachtet werden die meteorologischen Größen Luft­temperatur und Niederschlagshöhe des Gesamtzeitraums sowie der einzelnen Jahre. Diese werden mit den aktuell gültigen Normalwerten (Zeitraum 1961/90) der DWD-Station Wittenberg (Lufttemperatur) bzw. der DWD-Messstelle Treuenbrietzen (Niederschlagshöhe) verglichen.

Auf eine zeitlich detailliertere Darstellung der meteorologischen Größen wird im Rahmen dieses Teils des Themenheftes verzichtet. Dieser Teil soll zunächst nur einen ersten Überblick liefern.

Abb. 1. Jahresmittel der Luft­­temperatur und Jahres­summen der Niederschlagshöhe (Dahnsdorf, 1998 bis 2012) (gestrichelte Lini­en: Normalwerte).

Abb. 2. Abweichung der Jahres­mittel der Lufttempera­tur und der Jahressummen der Nie­derschlagshöhe (Dahns­dorf, 1998 bis 2012) vom langjährigen Nor­malwert (Wittenberg, 1961/90 bzw. Treuen­brietzen, 1961/90).

Die deutliche Erwärmung gegenüber dem Normalwert-Zeitraum spiegelt sich auch in der Zahl der Tage mit Über- bzw. Unterschreitung definierter Schwellwerte der Lufttemperatur wider: Während die Zahl der Eistage und die der Frosttage unter denen des Normalwert-Zeitraumes lag, überschritt die Zahl der Sommertage und der heißen Tage diese.

Die Streuung zwischen den einzelnen Jahren ist erheblich (Tab. 3): So traten 2010 im Vergleich zu 2008 mehr als 9-mal so viele Eistage auf; gleichzeitig wurden 2003 aber auch mehr als 5-mal so viele heiße Tage als in den Jahren 1999 und 2007 verzeichnet.

Im betrachteten Zeitraum von 1998 bis 2012 fiel im Jahresdurchschnitt erheblich mehr Niederschlag als im Normalwert-Zeitraum (Abb. 1). Das gilt sowohl für den über den Gesamtzeitraum gemittelten Wert als auch für die meisten Werte der einzelnen Jahre (Abb. 2): Im Gesamtzeitraum wurden mit 608,8 mm jährlich fast 100 mm (+19,5%) mehr Niederschläge registriert. Von den insgesamt 15 Jahren waren nur drei zu trocken: Besonders extrem war das Jahr 2003 mit einer Jahressumme < 400 mm. Die Abweichungen zum Normalwert betrugen zwischen –23,0% und +54,5%.

Auch bei der Niederschlagshöhe sind erhebliche Unterschiede zwischen den einzelnen Jahren erkennbar: So fiel im Jahr 2007 (786,7 mm) doppelt so viel Niederschlag wie vier Jahre zuvor (2003: 392,4 mm).

Eine Analyse der Zahl der Tage mit Überschreitung definierter Schwellwerte zeigt stets höhere Werte in Dahnsdorf. Grundsätzlich vergrößert sich dabei die Differenz zwischen den Dahnsdorfer und den Normalwerten mit zunehmender Schwellwertgröße (Abb. 3). So wurden in Dahnsdorf 38% mehr Tage mit Niederschlagshöhen ≥ 10,0 mm registriert. Die Anzahl der Tage mit Tagessummen ≥ 50,0 mm unterschied sich noch deutlicher: Während in den 30 Jahren des Normalwert-Zeitraums 1961/90 nur an einem Tag eine derartige Niederschlagsmenge gemessen wurde, trat diese in Dahnsdorf in 15 Jahren an insgesamt vier Tagen auf.

Abb. 3. Relative Häufigkeit des Auftretens von Tagen mit Überschreitung de­finierter Schwellwerte der Niederschlagshöhe (Dahnsdorf, 1998 bis 2012).

Auf diesen Zeitraum wurde auch – um die Vergleichbarkeit mit anderen Veröffentlichungen zu wahren – im Rahmen dieser Arbeit vorrangig Bezug genommen.

Unabhängig davon muss, vor allem unter dem Aspekt des Klimawandels, auf die Bedeutung der Wahl des Normalwert-Zeitraumes hingewiesen werden: Umfangreich veröffentlichtes Datenmaterial und moderne Rechentechnik ermöglichen die Berechnung zeitnäherer und – in Abhängigkeit von der Zielstellung – meist aussagekräftigerer Normalwerte.

Dieser Abschnitt soll das anhand der für Vergleiche mit dem Versuchsfeld in Dahnsdorf herangezogenen DWD-Stationen Wittenberg und Potsdam sowie der DWD-Niederschlags-Messstelle Treuenbrietzen verdeutlichen (Wittchen et al., 2011).

Anhand der Lufttemperatur lässt sich eine deutliche Erwärmung nachweisen (Tab. 4). Der langjährige Mittelwert erhöhte sich an der Station Wittenberg stetig von 8,6°C (1951/80) auf 9,5°C (1981/2010). Die Auszählungen der Tage mit Unter- bzw. Überschreitung von Schwellwerten bekräftigen diese Aussage: Während sich die Zahl der Eistage im Mittel von 25,8 (1951/80) auf 21,5 (1981/2010) und die der Frosttage von 89,6 (1951/80) auf 81,0 (1981/2010) verringerte, steigerte sich die mittlere jährliche Zahl der Sommertage an dieser Station kontinuierlich von 37,0 (1951/80) auf 47,2 (1981/2010).

Ähnliche Aussagen können aus den Beobachtungen der Station Potsdam abgeleitet werden. Vor allem in der letzten Dekade (2001 bis 2010) zeigte sich ein deutlicher Temperaturanstieg. Dieser Zeitraum repräsentiert aber im Wesentlichen auch jenen der Dahnsdorfer Messungen. Es ist also grundsätzlich davon auszugehen, dass die in Dahnsdorf gemessenen Lufttemperaturen deutlich über den langjährigen Normalwerten des aktuellen Normalwert-Zeitraums 1961/90 liegen werden.

Die Niederschlagshöhe bietet bessere Vergleichsmöglichkeiten zwischen aktuellen Werten und langjährigen Normalwerten. Von den nahe gelegenen Niederschlags-Messstellen des DWD besitzt nur Treuenbrietzen eine ausreichend lange Messreihe. Diese lässt innerhalb des Zeitraumes von 1951 bis 2010 keine Trends hinsichtlich einer Zu- oder Abnahme der Niederschläge erkennen. Gleiches gilt auch für die betrachteten DWD-Stationen. Daher erscheint der Normalwert-Zeitraum für die Niederschlagshöhe unerheblich.

Deutlich größere Unterschiede verzeichnen die langjährigen Normalwerte der umliegenden Messstellen (Tab. 5). Auf zwanzig Kilometer Entfernung differieren die mittleren Jahressummen, bei ähnlicher orographischer Lage, um mehr als 60 mm. Das entspricht mehr als 10 Prozent.

Da vorangegangene Untersuchungen (Wittchen et al., 2011) einen direkten Zusammenhang zwischen den Differenzen der Niederschlagshöhen zweier Messstellen und deren Entfernung voneinander nachgewiesen haben, erscheint die Wahl der Messstelle Treuenbrietzen als Vergleichsstation unlogisch: Allerdings besitzen die näher gelegenen Messstellen entweder keinen Normalwert für den Zeitraum 1961/90 oder existieren gegenwärtig als Messstelle nicht mehr.

Beginn, Ende und Andauer der Vegetationsperiode der einzelnen Jahre des betrachteten Zeitraums (1998 bis 2012) wurden nach unterschiedlichen Methoden (Tab. 6) ermittelt.

Die Ergebnisse wurden in Abb. 4 dargestellt, wobei als Vegetationsbeginn und Vegetationsende jeweils der erste Tag des das Kriterium erfüllenden Zeitraums definiert wurde.

Abb. 4. Vegetationsbeginn und -ende in Abhängigkeit der verwendeten Me­thode (Dahnsdorf, 1998 bis 2012).

Es zeigen sich teilweise deutliche Unterschiede, die in Einzeljahren beim Vegetationsbeginn bis 75 Tage (2005), beim Vegetationsende bis 29 Tage (2000) betragen. Dieses gilt vor allem für jene Jahre, die durch eine frühe Wärmeperiode (Vegetationsbeginn) bzw. einen frühen Kälteeinbruch (Vegetationsende) gekennzeichnet sind. Ein Beispiel hierfür ist das Jahr 2005. Abb. 5 dokumentiert den Temperaturverlauf der ersten drei Monate dieses Jahres: Die Rechtecke kennzeichnen den für die Definition des Vegetationsbeginns maßgebenden Zeitraum: Die von Formayer et al. (2007) festgelegten fünf aufeinander folgenden Tage werden bereits in der ersten Januar-Dekade erreicht. Danach folgt eine Phase mit – für diese Jahreszeit und die Vegetationsruhe üblichen – Tagesmittelwerten zwischen –6°C und +5°C. Der Vegetationsbeginn nach Franke et al. (2007) datiert, obwohl dessen Definition nur zwei Tage mehr fordert (sieben aufeinander folgende Tage), erst in der dritten März-Dekade, d.h. zu einem Zeitpunkt, ab dem die 5°C-Marke stetig überschritten wird. Chmielewski (2003) lässt innerhalb eines 30-tägigen, mit einem Tag (i) mit einem Tagesmittel der Lufttemperatur (T_M(i)) ≥ 5,0°C beginnenden Zeitraumes Kompensationen zu; d.h. einzelne Tage innerhalb dieses Zeitraumes dürfen kälter als 5°C sein: Solange sie durch davor liegende wärmere Tage ausgeglichen werden. Dadurch wird die zweite März-Dekade zum Vegetationsbeginn.

Abb. 5. Tagesmittel der Luft­­temperatur (Dahnsdorf, 01.01. bis 31.03.2005) und Vegetationsbeginn 2005 (rot: Methode A, grün: Methode B, braun: Methode C).

Die letztgenannte Methode offenbart einen, der Entwicklung der Pflanzen entsprechenden Vorteil: Eine kurzzeitige Unterschreitung der 5°C-Marke „beendet“ die Vegetationszeit nicht – sofern diese Unterschreitung zeitlich und wertmäßig nur geringfügig ist. Das ist bei den anderen Methoden nicht der Fall.

Die von Formayer et al. (2007) geforderte Andauer von fünf Tagen erscheint zudem zu kurz: Über den Gesamtzeitraum betrachtet, verschiebt sich dadurch der Vegetationsbeginn um ca. zehn Tage nach vorn; die Vegetationszeit verlängert sich entsprechend (Tab. 7).

Allerdings sind hinsichtlich der Mittelwerte des Vegetationsbeginn, des Vegetationsendes sowie der Vegeta­tionsdauer keine signifikanten Unterschiede zwischen den einzelnen Methoden nachweisbar.

Eine andere Methode zur Ermittlung des Vegetationsbeginns beschreibt Hoffmann (2006): Ausgehend vom Jahresbeginn werden aus dem Tagesmittel der Lufttemperatur Temperatursummen ermittelt. „Dabei werden Werte unter 0°C nicht gerechnet und vom Januar nur 50%, vom Februar 75% und ab März 100% der summierten Daten berücksichtigt.“ (Hoffmann, 2006, S. 21). Als Vegetationsbeginn gilt jener Tag, an dem die Temperatursumme den Wert 200 überschreitet. Obwohl in der Landwirtschaft häufig Temperatur- bzw. Wärmesummen verwendet werden, besteht ein wesentlicher Nachteil dieser Methode in der Berechnung dieser Temperatursumme. Selbst in den milden Wintern der Jahre 2007 (Januar/Februar: 5,3°C/3,8°C) und 2008 (Januar/Februar: 4,2°C/4,9°C) wäre nach dieser Definition der Ve­getationsbeginn erst am 06.03.2007 bzw. am 04.03.2008: Obwohl in diesen Jahren in den Monaten Januar bis März lediglich sechs (2007) bzw. acht (2008) Tage mit einem Tagesmittel der Lufttemperatur < 0,0°C auftraten.

In diesem Zusammenhang muss jedoch auf die Bedeutung des Vergleichszeitraumes und der Vergleichsstation für die Interpretation der Ergebnisse hingewiesen werden: Der Normalwert-Zeitraum ist zu weit von der Gegenwart entfernt. Gleiches gilt in räumlicher Hinsicht zwischen Versuchsfeld und Vergleichs-Messstelle. Erstgenanntes beeinflusst den Vergleich der Lufttemperaturen, Letztgenanntes den der Niederschlagshöhen. Beide, der Normalwert-Zeitraum und die Wahl der Vergleichs-Messstelle, sind jedoch den Gegebenheiten geschuldet und nicht beeinflussbar. Dem entsprechend müssen die Vergleiche kritisch bewertet werden.

Unabhängig davon ist die Festlegung eines neuen Normalwert-Zeitraums – auch unter dem Aspekt des viel diskutierten Klimawandels – überfällig.

Ebenfalls Handlungsbedarf besteht hinsichtlich der Definition landwirtschaftlich relevanter Zeitpunkte bzw. Phasen. Ein Beispiel hierfür liefert der Zeitpunkt des Vegetationsbeginns und des Vegetationsendes. Die in dieser Arbeit diskutierten Methoden zu deren Bestimmung sind nur ein Teil dessen, was an Definitionen angeboten wird. Doch selbst diese vermitteln einen Eindruck von der Komplexität dieses Themas. Hier sollte auf eine, zumindest für bestimmte Kulturgruppen, einheitliche Regelung hingearbeitet werden.

Insgesamt stellt dieser 1. Teil des Themenheftes nur einen allgemeinen Überblick zum Thema „15 Jahre agrarmeteorologische Messungen auf dem Versuchsfeld Dahnsdorf“ dar. Differenziertere Betrachtungen meteorologischer Größen und deren Interaktionen zu landwirtschaftlichen Parametern folgen in den Teilen 2 bis 4 dieses Themenheftes.