Versuchsfeld Dahnsdorf – 15 Jahre agrarmeteorologische Messungen Teil 2: Lufttemperatur

Trial field Dahnsdorf – 15 years of agrometeorological measurements Part 2: Air temperature

Die Daten wurden jährlich auf Plausibilität, im Wesentlichen auf Über- bzw. Unterschreitung definierter Schwellwerte geprüft.

Sie wurden in einer separaten ACCESS-Datenbank sowie der ORACLE-Datenbank „Schadorganismen und Folgenabschätzung“ des Instituts „Strategien und Folgenabschätzung“ gespeichert.

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

Grundsätzlich wurden Stundenwerte verwendet: Das heißt, dass unabhängig von der Anzahl der Messwerte, auf die jeweilige Stunde (h) bezogene Mittel- und Extrem­werte berechnet und analysiert wurden. In Abhängigkeit von der Anzahl der Messwerte variierte das Bezugs-Intervall für die Stundenwerte: Bis Februar 1999 waren es die letzten 10 Minuten vor jeder vollen Stunde, ab März 1999 das Zeitintervall von 9 Minuten vor der vollen Stunde (h–9‘) bis 50 Minuten nach der vollen Stunde (h+50‘).

Für Vergleiche mit Klimadaten wurden die langjährigen Normalwerte des Normalwert-Zeitraums 1961/90 der DWD-Station Wittenberg (Müller-Westermeier, 1996) genutzt.

Detaillierte Informationen über die Lufttemperatur des Gesamtzeitraums und der Einzeljahre auf dem Versuchsfeld in Dahnsdorf enthält der 1. Teil – Allgemeines dieses Themenheftes.

Die zeitliche Differenzierung der Lufttemperatur erfolgt zunächst anhand der Monatsmittel und deren Extremwerten. Diese werden mit den langjährigen Normalwerten verglichen (Abb. 1).

Abb. 1. Monatsmittel- und -ex­tremwerte der Lufttem­peratur (in°C) (Dahnsdorf, 1998 bis 2012) sowie Abwei­chung der Monatsmittel vom Normalwert (in K) (Wittenberg, 1961/90).

Im Mittel aller Jahre des Zeitraumes von 1998 bis 2012 waren – mit Ausnahme des Juni und Oktober (jeweils ±0,0 K) – alle Monate in Dahnsdorf wärmer als die des Normalwert-Zeitraumes in Wittenberg (Abb. 1). Die höchsten Differenzen verzeichneten die Monate Januar bis April. In diesem Zeitraum erreichten sie Werte zwischen +1,0 K und +1,6 K.

Besonders in den Wintermonate (Dezember bis Februar) schwankten die Monatsmittel der Einzeljahre erheblich. Die Spannweite zwischen den einzelnen Jahren überschritt teilweise 10,0 K (Tab. 1).

Deutlich stabiler zeigten sich dagegen die Monate der Jahresmitte. Von Mai bis September betrugen – mit Ausnahme des Juli (6,5 K) – die Differenzen zwischen den einzelnen Jahren weniger als 5,0 K.

Tab. 2 dokumentiert – für die einzelnen Monate – die an Hand der Tagesmittelwerte berechneten statistischen Maßzahlen (Mittelwert, Standardabweichung) sowie die im Gesamtzeitraum (1998 bis 2012) ermittelten Extremwerte.

Die Standardabweichung der Tagesmittel der Lufttemperatur (StAbw(m)) unterliegt einem Jahresgang. Dieser kann – bezogen auf die Monate (m, m = 1…12) – mit der Funktion

StAbw(m) = 0,0557 m² – 0,8147 m + 6,037 (R² = 0,9051)

beschrieben werden.

Die hohe Variabilität der Tagesmittel der Lufttemperatur dokumentiert deren Jahresgang (Abb. 2). Vor allem in den Wintermonaten sind erhebliche Schwankungen zwischen den Extremwerten eines Tages erkennbar. Das gilt sowohl für die Tage mit gleichem Datum innerhalb der Jahre des Gesamtzeitraums als auch für aufeinander folgende Tage. So betrugen die Spannweiten zwischen den Extremwerten Anfang Januar (05.01. bis 09.01.) und Ende Januar bis Anfang Februar (23.01. bis 07.02.) häufig mehr als 20 K, teilweise über 25 K; in den Monaten Juli bis September meist deutlich weniger (häufig < 10 K). An zwei aufeinander folgenden Tagen sind Differenzen > 1,0 K nicht selten: Der zeitliche Verlauf sowohl der Tagesmittel als auch der Tages-Extremwerte ist unregelmäßig. Ursache dessen sind kurze, nur wenige Tage andauernde Zeitabschnitte mit extremen Tagesmittelwerten in einzelnen Jahren. So verringerten die niedrigen Werte des Zeitraums vom 23.01.2010 bis zum 27.01.2010 (–9,9 ... –13,1°C) die Mittelwerte des Gesamtzeitraums um –0,6 bis –0,9 K.

Abb. 2. Tagesmittel der Luft­­temperatur und deren Wertebereich (Dahns­dorf, 1998 bis 2012).

Trotz extremer Schwankungen lassen die Spannweiten der Tagesmittel der Lufttemperatur (SpW(d), d = 1 ... 366) einen funktionalen Zusammenhang mit der Tagesnummer (d) erkennen (Abb. 3). Dieser folgt der Funktion

Abb. 3. Spannweiten (SpW) der Tagesmittel der Luft­temperatur (Dahnsdorf, 1998 bis 2012) mit d = Nummer des Tages im Jahr (d = 1 ... 366).

SpW(d) = 0,0002 d² – 0,0961 d + 19,466 (R² = 0,4476)

Der Vergleich mit den Normalwerten der DWD-Station Wittenberg ermöglicht eine zeitliche Zuordnung der Differenzen der Tagesmittel der Lufttemperatur (Abb. 4). An 262 von 366 Tagen lagen die Tagesmittel des betrachteten Zeitraums über denen des Normalwert-Zeitraums der Vergleichsstation. Neben Zeitintervallen mit deutlich höheren Temperaturen in Dahnsdorf (09.01.–23.01.: > 2 K; 13.02.–18.03.: 1 bis 3 K; 24.04.–04.05.: 2 bis 5 K) existierten aber auch kurze Zeitintervalle, in denen es in Dahnsdorf kälter war (23.01.–27.01.: –1 bis –2 K; 13.05.–18.05.: ca. –1,5 K; 06.10.–20.10.: ca. –1 K).

Abb. 4. Abweichung der Tages­­mittel der Lufttempera­tur (Dahnsdorf, 1998 bis 2012) von den Normal­werten (Wittenberg, 1961/90).

In Abhängigkeit der Methodik der Datengewinnung unterscheiden sich die Messwerte: Die Verdichtung über ein längeres Zeitintervall gleicht Extremwerte innerhalb dieses Intervalls stärker aus. Entsprechend ändert sich der Wertebereich.

Tab. 3 zeigt dieses an Hand der gemessenen 10-Minuten-Mittel und der daraus berechneten Stunden-Mittel der Lufttemperatur in Dahnsdorf. Fehlende 10-Minuten-Mittel wurden nicht ergänzt, die entsprechenden Stunden-Mittel nicht berücksichtigt. Dadurch ergeben sich geringfügige Unterschiede in den Mittelwerten.

Abb. 5 dokumentiert den Wertebereich der gemessenen 10-Minuten-Mittel, d.h. den der Daten mit der kleinsten Zeitskala.

Abb. 5. Wertebereich der 10-Minuten-Mittel der Lufttemperatur (Dahns­dorf, 1998 bis 2012).

In den Beträgen und der Verteilung der Werte sind jahreszeitliche Unterschiede erkennbar: In den Wintermonaten traten extrem niedrige Lufttemperaturen auf, deren Differenzen zum Mittelwert deutlich über denen des Vergleiches mit ungewöhnlich hohen Temperaturen im Winter liegen. Besonders intensiv zeigte sich dieses im Februar: Die Spannweite zwischen geringstem und höchstem 10‘-Mittel der Lufttemperatur betrug genau 40,0 K: Das tiefste 10‘-Mittel lag 25,2 K unter, das höchste „nur“ 14,8 K über dem Monatsmittel. 63% der Werte waren kälter gegenüber dem Mittelwert. Die Sommermonate zeigten eine entgegengesetzte, aber nicht so markante Ausprägung. Hier war es der Monat Juni, der mit 35,5 K die größte Spannweite aufwies: Das höchste 10‘-Mittel lag 19,8 K über, das tiefste „nur“ 15,7 K unter dem Monatsmittel. Die positiven Differenzen umfassten rund 56% der Werte.

Zwischen Monatsmitteltemperatur und dem prozen­tualen Anteil negativer bzw. positiver Differenzen der 10‘-Mittel der Lufttemperatur gegenüber dem Monatsmittel ist ein Zusammenhang erkennbar (Abb. 6). Grundsätzlich kann formuliert werden: Im Sommer ist eher mit positiven, im Winter mit negativen Differenzen zu den Mittelwerten zu rechnen.

Abb. 6. Prozentualer Anteil positiver Differenzen der 10-Minuten-Mittel der Lufttemperatur eines Monats (m, m = 1 ... 12) gegenüber dem Monatsmittel (Dahnsdorf, 1998 bis 2012).

Die Auszählung der Dahnsdorfer Werte erfolgte auf Basis der 10-Minuten-Mittel der Lufttemperatur. Betrachtet wurden die einzelnen Jahre innerhalb des Gesamtzeitraums (Tab. 4).

Alle Auszählungen dokumentieren eine hohe Variabilität zwischen den einzelnen Jahren. Dieses gilt vor allem für die markanteren Ereignisse „Eistage“ und „heiße Tage“.

Im zeitlichen Verlauf der die Schwellwerte der Lufttemperatur betreffenden Auszählungen traten überraschende Ergebnisse zu Tage: Während die Normalwerte auf eine Verringerung der Eis- und Frosttage und eine Erhöhung der Sommertage und der heißen Tage hindeuten, wiesen die Dahnsdorfer Werte für den betrachteten Zeitraums (1998 bis 2012) einen Trend zur Erhöhung aller Merk­male auf (Tab. 5). Dabei war der Anstieg der Sommer­tage und der heißen Tage unwesentlich, der der Eis- und Frosttage deutlicher.

Ein signifikanter Anstieg der Zahl der Tage (n.) mit Über- bzw. Unterschreitung der Schwellwerte konnte allerdings für keinen der Schwellwerte nachgewiesen werden.

Die Variabilität dieser Temperatursummen soll für die Dahnsdorfer Daten am Beispiel des Wintergetreides dargestellt werden: Ermittelt wurde – ausgehend vom 1. Januar – der Tag des Erreichens einer Wärmesumme (Tagesmittel der Lufttemperatur T_S ≥ 3,0°C) von 200 K (Abb. 7).

Abb. 7. Tages-Nummer des Er­reichens einer Wärme­summe ≥ 200, beginnend ab 1. Januar für TS = 3°C (Dahns­dorf, 1998 bis 2012).

Zwischen den einzelnen Jahren sind deutliche Unterschiede erkennbar: Im Zeitraum von 1998 bis 2012 wurde die Wärmesumme 200 (T_S = 3°C) im Mittel am 100. Tag des Jahres (10. April) erreicht. Die Extrema traten in zwei aufeinander folgenden Jahren auf: Das späteste Eintrittsdatum am 29. April 2006, das früheste am 14. März 2007: 46 Tage Unterschied innerhalb der ersten vier Monate der Jahre.

Warme und heiße Zeitabschnitte.
Tagesmittel der Lufttemperatur ≥ 20,0°C traten im gesamten Zeitraum von 1998 bis 2012 an 377 von 5479 Tagen (6,9%) auf. Diese verteilten sich auf insgesamt 139 Zeitabschnitte mit einer Dauer zwischen einem (45,6%) und 16 Tagen (0,7%). Fünf dieser Abschnitte währten mindestens 10 Tage (Tab. 6). Als C3-Pflanzen sind bei den heimischen Getreidearten (nicht jedoch Mais) für hohe Wachstumsleistungen Temperaturen < 25°C als günstig anzusehen (Geisler, 1983); Lufttemperaturen > 25°C als ungünstig. Bei Tagesmittelwerten > 20°C ist von mehreren Stundenmittel > 25°C auszugehen, so dass diese Zeitspannen den Ertrag negativ beeinflussen dürften.

Stundenmittel der Lufttemperatur ≥ 30,0°C wurden 630-mal registriert; das sind 0,48% aller Werte. Sie verteilten sich auf 123 Tage, wobei sie maximal 12 aufeinander folgende Stunden umfassten. An acht Tagen waren es mindestens 10 Stunden (Tab. 7).

Die heißesten Stunden waren jene zwischen 14 Uhr und 17 Uhr MEZ (Abb. 8). Sie beinhalteten fast 45% der Stundenmittel der Lufttemperatur ≥ 30,0°C; jede einzelne Stunde ca. 15%.

Abb. 8. Tagesgang der relativen Häufigkeit des Auftre­tens von Stundenmittel der Lufttemperatur ≥ 30,0°C (Dahnsdorf, 1998 bis 2012).

Der Gesamtzeitraum beinhaltete 139 heiße Tage (Maxima der 10‘-Mittel ≥ 30,0°C). Diese erstreckten sich über 77 Zeitabschnitte von einem bis fünf Tagen sowie einem Zeitabschnitt von 11 Tagen Länge. Letzterer währte vom 18.07. bis 28.07.2006; die Tagesmittel schwankten in diesem Zeitraum zwischen 23,6°C und 27,0°C.

Kalte und eisige Zeitabschnitte. Eisige Lufttemperaturen sind vor allem hinsichtlich der Winterfestigkeit der Kulturarten von Bedeutung. Häufig verursachen sie – vor allem im Zusammenhang mit Kahlfrösten – Schäden in den Pflanzenbeständen, die bis zu deren Totalausfall führen können. Während Wintergerste und Winterraps (in Abhängigkeit vom Vegetationskegel) ihren Grenzwert bereits bei –15°C erreichen, gilt Winterweizen noch bis –20°C, Winterroggen teilweise bis unter –25°C als robust (Geisler, 1988). Eine Schneedecke mildert diese Effekte, da sie als Strahlungsfläche wirkt und den Erdboden schützt.

Derart geringe Lufttemperaturen wurden in Dahnsdorf selten gemessen: Ihr Anteil an der Gesamtzahl der Messwerte lag deutlich unter 0,1% (Tab. 8).

Im betrachteten Zeitraum wurden 321 Eistage (Maxima der 10‘-Mittel < 0,0°C) registriert. Das sind 5,8% aller Tage. Sie verteilten sich auf 93 Zeitabschnitte, die einen bis 19 aufeinander folgende Tage umfassten. Sechs Zeitabschnitte währten mindestens 10 Tage (Tab. 9).

Frosttage (Minima der 10‘-Mittel < 0,0°C) traten in 289 Zeitabschnitten, die bis 44 Tage andauerten, insgesamt 1249-mal auf. Sechs Zeitabschnitte beinhalteten mindestens 25 aufeinander folgende Tage (Tab. 10).

Die Differenzen der Lufttemperatur zwischen 2,0 m Höhe und 1,0 m Höhe waren relativ gering (Tab. 11). Im Mittel war es in 2,0 m Höhe um 0,15 K wärmer als in 1,0 m Höhe.

Zwischen den einzelnen Monaten existierten nur geringe Unterschiede: Die mittleren Differenzen lagen – mit Ausnahme des April (+0,27 K) – zwischen +0,1 K und +0,2 K.

Es ist ein Tagesgang erkennbar, der mit hohem Bestimmtheitsmaß (R² = 0,9907) einem Polynom 4. Grades folgt:

Deutlich stärker differierten die Werte der Lufttemperatur zwischen 2,0 m und 0,2 m Höhe. Sie betrugen im Mittel der Monate zwischen + 0,6 K und + 0,9 K (Abb. 9) und übertrafen damit die Differenzen zwischen 2,0 m und 1,0 m Höhe um mindestens 0,5 K. Die extremsten Einzelwerte wurden im Mai (–9,9 K) bzw. im Februar (+8,9 K) ermittelt. Grundsätzlich ist ein Jahresgang erkennbar: Die höchsten Spannweiten zwischen dem 5%- und dem 95%-Perzentil traten in den Sommer- und den daran angrenzenden Monaten auf, wobei innerhalb dieser Monate nur geringe Unterschiede zu verzeichnen waren.

Abb. 9. Monatliche Mittelwerte und Wertebereich zwi­schen dem 5% – und dem 95% – Perzentil der Differenzen der Luft­temperatur in 2,0 m und 0,2 m Höhe (Dahnsdorf, 1998 bis 2012).

Einen wesentlich markanteren Verlauf zeigt der Tages­gang der Differenzen der Lufttemperatur der beiden Höhen: Deutlich positiven Differenzen in den Nachtstunden stehen geringfügig negative Differenzen in den Mittagsstunden gegenüber (Abb. 10). Ursache dessen sind vorrangig die Strahlungsverhältnisse. In den Mittagsstunden erwärmt die kurzwellige Einstrahlung die Erdoberfläche und die unmittelbar darüber liegende Luftschicht stärker als jene in 2,0 m Höhe, in der zudem auf dem landschaftlich frei gelegenen Versuchsfeld bereits Durchmischungsvorgänge stattfinden. In den Nachtstunden kühlt die bodennahe Luftschicht dagegen stärker aus.

Abb. 10. Stündliche Mittelwerte und Wertebereich zwi­schen dem 5% – und dem 95% – Perzentil der Differenzen der Luft­temperatur in 2,0 m und 0,2 m Höhe (Dahnsdorf, 1998 bis 2012).

Dass neben den Strahlungsverhältnissen noch andere Faktoren die Temperaturunterschiede zwischen 2,0 m und 0,2 m Höhe beeinflussen, zeigt die Analyse des zeitlichen Auftretens (Tages- und Jahreszeit) extremer Dif­ferenzen. Betrachtet wurden Differenzen ≥ 5,0 K sowie Differenzen ≤ –3,0 K. Die Tageszeit wurde in acht Zeit­intervalle unterteilt, die Jahreszeit an Hand der Monate unterschieden.

Extrem positive Temperaturdifferenzen (in 2,0 m Höhe wärmer) traten überwiegend in den Nachtstunden auf (Abb. 11): Im Zeitraum von 17:51 Uhr bis 05:50 Uhr waren es – über das gesamte Jahr gesehen – 92,8 Prozent der betrachteten Fälle. Ursache war die bereits erwähnte nächtliche Ausstrahlung der Erdoberfläche, die für deren Abkühlung sorgte. Im Frühjahr, vor allem im April und Mai, verstärkten die noch geringen Bodentemperaturen diesen Effekt.

Abb. 11. Relative Summenhäu­figkeit des Auftretens von Differenzen der Lufttemperatur in 2,0 m und 0,2 m Höhe ≥ 5,0 K (Dahnsdorf, 1998 bis 2012).

Ein vollständig anderes Bild bietet sich bei stark negativen Temperaturdifferenzen, d.h. einer höheren Lufttemperatur über dem Erdboden (Abb. 12). Diese Differenzen treten vorrangig in den Vormittags- und Nachmittagsstunden (08:51 Uhr bis 14:50 Uhr), dem Zeitintervall mit der stärksten Sonneneinstrahlung auf. Über das gesamte Jahr betrachtet betrifft das 89,0% der Temperaturdifferenzen ≤ –3,0 K. Auch hier ist der Monat Mai besonders exponiert: Die Sonneneinstrahlung bewirkt, nach – im Vergleich zu den Sommermonaten – noch relativ geringen Nachttemperaturen, die intensivste Erwärmung der unmittelbar über dem Erdboden befindlichen Schicht.

Abb. 12. Relative Summenhäu­figkeit des Auftretens von Differenzen der Lufttemperatur in 2,0 m und 0,2 m Höhe ≤ –3,0 K (Dahnsdorf, 1998 bis 2012).