Versuchsfeld Dahnsdorf – 15 Jahre agrarmeteorologische Messungen Teil 4: Extreme Witterungsereignisse

Trail field Dahnsdorf – 15 years of agrometeorological measurements Part 4: Extreme weather events

Die Messgeräte wurden im Abstand von maximal zwei Jahren kalibriert bzw. ausgetauscht. Datenergänzungen und Korrekturen fehlerhafter Werte erfolgten unter Nutzung eines in unmittelbarer Nähe in einer Thermometerhütte befindlichen Thermohygrographen (Lufttemperatur) bzw. eines HELLMANN-Niederschlagsgebers mit 200 cm² Auffangfläche; Globalstrahlungswerte wurden nicht ergänzt.

Für die Messungen im Boden standen fest installierte SKTS 200 Boden-/Wassertemperatur-Sensoren (Bodentemperatur) sowie Watermark Granular Matrix Sensoren (Saugspannung) zur Verfügung.

Alle 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: Diese ergaben sich für die Lufttemperatur bis Februar 1999 aus dem Zeitintervall von 9 Minuten vor der vollen Stunde (h–9‘) bis zur vollen Stunde (h), ab März 1999 aus dem Zeitintervall 9 Minuten vor der vollen Stunde bis 50 Minuten nach der vollen Stunde (h+50‘): Die Stundensummen der Niederschlagshöhe ergaben sich einheitlich aus dem letztgenannten Zeitintervall.

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

Sofern neben den genannten gleichzeitig andere, für das Ereignis relevante meteorologische Größen beobachtet wurden, wurden diese in die Betrachtungen mit einbezogen.

Vom 15.07. bis 14.08.2003 überschritten die Tagesmittel der Lufttemperatur den Wert von 20,0°C an 27 von 31 Tagen (Abb. 1). Der Mittelwert dieses Zeitraums betrug 22,7°C, als geringstes Tagesmittel wurden 19,8°C und als höchstes 27,9°C registriert. Die Hälfte aller Tage dieses Zeitraums waren „heiße Tage“ (Max. ≥ 30,0°C). Mit 34,7°C war der 12.08.2003 der wärmste Tag; der darauffolgende mit 10,0 K jener mit der größten Abweichung vom Normalwert (Wittenberg, 1961/90).

Innerhalb dieses Zeitraums fielen mit 30,8 mm Niederschlag nur ca. 60% der für die Monate Juli (44,7 mm) und August (51,0 mm) üblichen Niederschlagsmenge. Die Niederschlagstage waren ungleichmäßig verteilt: In der Julihälfte waren es zehn, in der Augusthälfte nur einer.

Der gesamte Zeitraum war mit wenigen Ausnahmen durch eine überdurchschnittliche, angesichts der hohen Temperaturen aber nicht extreme Globalstrahlung gekennzeichnet. Sie betrug im Mittel des Zeitraums mit 5,1 kWm^–2d^–1 etwa die Hälfte der astronomisch mög­lichen von ca. 11 kWm^–2d^–1 (Kuttler, 2009). Die niederschlagsintensive Julihälfte und die niederschlagsarme Augusthälfte unterschieden sich dabei nur unwesentlich: Von den 18 Tagen mit mehr als 5 kWm^–2d^–1 traten acht im Juli und zehn im August auf.

Die relativ hohe Globalstrahlung führte sowohl zu einer starken Erwärmung der Luftschicht oberhalb des mit Rasen bewachsenen Messfeldes als auch der oberen Schicht des vegetationslosen Bodens. Mit 25,6°C übertraf der Mittelwert der Tagesmittel der Bodentemperaturen in 5 cm Tiefe jene der Lufttemperatur in 2,0 m Höhe um 2,9 K; in 20 cm Tiefe war es 1,4 K wärmer. Als Maximalwerte (10-Minuten-Mittel) der Bodentemperatur wurden 33,7°C (5 cm Tiefe) bzw. 28,4°C (20 cm Tiefe) regis­triert. Diese Werte lagen unter den Extremwerten der Luft­temperatur.

Abb. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der Tagesmittel­werte bzw. Tagessummen der genannten meteorologischer Größen des Zeitraumes vom 15.07. bis 14.08.2003.

Genau drei Jahre nach der ersten Hitzeperiode, begann am 15.07.2006 eine zweite, die 18 Tage bis zum 01.08.2006 andauerte (Abb. 3). Mit Ausnahme der beiden ersten Tage überstieg das Tagesmittel die 20°C-Marke; der Mittelwert des gesamten Zeitraums betrug 23,4°C. Zwei Drittel der Tage waren „heiße Tage“ (Max. ≥ 30,0°C). Am 20.07.2006 kletterte das Quecksilber des Thermometers auf 36,6°C und übertraf den langjährigen Normalwert um 9,3 K. Die täglichen Extremwerte erreichten im Mittel 30,7°C (Maximum) bzw. 14,7°C (Minimum).

In diesem Zeitraum fiel nur an einem Tag Niederschlag: Am 29.07.2006 waren es 10,8 mm.

Die Tagessummen der Globalstrahlung lagen zwischen 4,2 kWm^–2 und 7,4 kWm^–2, wobei speziell in der ersten Hälfte ungewöhnlich hohe Werte gemessen wurden. Verantwortlich waren mehrere Hochdruckgebiete, die vor allem in den ersten Tagen des betrachteten Zeitraums zu einem schnellen Anstieg der Lufttemperatur führten (AgrarMet, 2006a).

Zu dessen Ende stiegen die täglichen Maxima der Lufttemperatur in Bodennähe (0,2 m Höhe) über mit Rasen bewachsenem Boden auf Werte bis 33°C; die Bodentemperaturen in 5 cm Tiefe auf Werte zwischen 25°C und 30°C bzw. zwischen 23°C und 27°C in 20 cm Tiefe. Besonders markant: In 5 cm Tiefe wurden in der Hälfte der Tage Tagesmittel über 28,0°C registriert (Abb. 4).

Interessante Aspekte offenbart der Vergleich der beiden Hitzeperioden (Tab. 1). Den Einfluss der Globalstrahlung auf Luft- und Bodentemperatur dokumentieren die beiden Phasen der Periode 1 sowie der Vergleich der beiden Perioden: Hohe Globalstrahlung führt zu hohen Temperaturwerten.

Keine deutliche Aussage gestattet die Betrachtung der Temperaturdifferenzen zwischen 2,0 m und 0,2 m Höhe. Hier existieren erhebliche und überraschende Unterschiede zwischen den beiden Hitzeperioden, die durch die Globalstrahlung allein nicht zu erklären sind.

Abb. 5 verdeutlicht dieses anhand des Tagesganges der mittleren Temperaturdifferenzen zwischen den beiden Messhöhen: Grundsätzlich gilt, dass tagsüber in Folge der kurzwelligen Strahlung (Globalstrahlung) die Schicht unmittelbar über dem Erdboden (0,2 m Höhe) – im weiteren Text als bodennaher Bereich bezeichnet – stärker erwärmt wird als die in 2,0 m Höhe. Bei fehlender Einstrahlung (nachts) überwiegt die langwellige Ausstrahlung der Erdoberfläche; der bodennahe Bereich kühlt sich stärker als der in 2,0 m Höhe ab. Im Ergebnis entsteht ein Tagesgang der Temperaturdifferenzen, der tagsüber höhere Temperaturen in 0,2 m Höhe, nachts in 2,0 m Höhe ausweist. Die Beträge der Differenzen erhöhen sich tags mit zunehmender Einstrahlung, nachts mit zunehmender Ausstrahlung.

Für den Gesamtzeitraum von 1998 bis 2012 ergab sich in 2,0 m Höhe im Mittel eine um 0,8 K höhere Lufttemperatur (siehe Teil 2 – Lufttemperatur, Abschnitt 3.8 dieses Themenheftes) als in 0,2 m Höhe; die mittleren Differenzen der einzelnen Stunden bewegten sich zwischen +1,5 K (nachts) und –0,3 K (tags).

Der Tagesgang der mittleren Temperaturdifferenzen der Periode 1 (15.07. bis 14.08.2003) folgte in seinem Verlauf annähernd dem des Gesamtzeitraums: Tagsüber erwärmte sich, durch die hohe Globalstrahlung bedingt, der boden­nahe Bereich stärker (Max: –1,9 K) als im Gesamtzeitraum; nachts waren die Differenzen geringer (Max: 1,2 K). In dieser Periode war auf Grund der häufigen Niederschläge der ersten Phase von einem feuchten Boden auszugehen, der bei hohen Bodentemperaturen über eine hohe Wärmekapazität verfügte und damit die nächtliche Abkühlung des bodennahen Bereiches reduzierte. Entsprechend war ein im Mittel dieser Periode um 0,2 K wärmerer bodennaher Bereich (0,2 m) nachvollziehbar.

Ein anderes Bild bot sich für die Periode 2: Noch höhere Globalstrahlung und eine geringere nächtliche Bewölkung müssten die Differenzen (tags die negativen, nachts die positiven) noch verschärfen. Für die mittleren Differenzen der Nachtstunden galt dieses auch (Max: +4,9 K). Im Gegensatz zu den anderen Zeitabschnitten (Perioden) waren allerdings auch tagsüber höhere Lufttemperaturen in 2,0 m Höhe zu verzeichnen: Das heißt, dass eine forcierte Erwärmung des bodennahen Bereiches ausblieb. Ursache dessen war offensichtlich ein extrem trockener Boden, bei dem „… stellenweise sogar schon ausgeprägte Bodendürre (Feuchtevorrat unter 10% nutzbarer Feldkapazität) auf(trat)“ (AgrarMet, 2006b). Die spezifische Wärmekapazität dieses Bodens beträgt nur die Hälfte eines nassen Lehm- oder Sandbodens (Kuttler, 2009). Das ermöglichte eine schnelle Erwärmung und führte tagsüber zu einer „Ableitung“ der bodennahen Wärme in den Boden und damit zu deutlich höheren Bodentemperaturen im Vergleich zu einem feuchten Boden (Heyer, 1998). Nachts kühlte dagegen der Boden und die darüber liegende Luftschicht schneller aus. Abb. 6 zeigt die Zusammenhänge: In der zweiten Nachthälfte (0 bis 4 Uhr) war der Boden deutlich (ca. 10 K) wärmer als der bodennahe Bereich. Dieser erwärmte sich mit beginnender Einstrahlung rascher als die Lufttemperatur in 2,0 m Höhe und die Bodentemperatur. Gegen 8 Uhr fand ein Temperatur„ausgleich“ statt: Die drei Temperaturen näherten sich am stärksten an.

Während anschließend die Luft in beiden Höhenniveaus nur noch geringfügig (ca. 1 K h^–1) erwärmt wurde, erhöhte sich die Bodentemperatur in der obersten Schicht des Bodens um den doppelten Wert. Offensichtlich erfolgte ein Wärmetransport vom bodennahen Bereich in den Boden. Die Tagesmaxima wurden im Mittel zwischen 13 Uhr (bodennaher Bereich) und 15 Uhr (Luftschicht in 2,0 m Höhe) registriert: Der Energiefluss zur und von der Bodenoberfläche befand sich kurzzeitig in einem Gleichgewichtszustand, der allmählich zu Gunsten der Ausstrahlung aufgelöst wurde. Die Temperaturen sanken: Im bodennahen Bereich (0,2 m Höhe) und der oberen Schicht des Bodens etwa in gleichem, in 2,0 m Höhe in etwas geringerem Maße. Mit stetig flacher werdendem Einstrahlungswinkel gelangte immer weniger kurzwellige Strahlung in den bodennahen Bereich. Zwischen 18 Uhr und 21 Uhr sanken die Lufttemperaturen rasant (0,2 m Höhe: –7,8 K; 2,0 m Höhe: –7,0 K), im Boden etwas moderater (–4,8 K). In der ersten Nachthälfte (ab 20 Uhr) schien der bodennahe Bereich vom – noch immer warmen – Boden (28,6°C) zu profitieren.

Interessant in diesem Zusammenhang war das Niederschlagsereignis am 29.07.2006: Die Niederschlagsmenge von 10,8 mm, die zwischen 02:40 und 04:50 Uhr fiel, beeinflusste die Saugspannung in 10 cm Tiefe (trotz extrem trockenem Boden) nur unwesentlich: Sowohl unter vegetationslosem Boden als auch unter Rasen verringerte sie sich mit einer zeitlichen Verzögerung von drei bis fünf Stunden lediglich um ca. 5%.

Der erste beinhaltet den kompletten Januar 2010 (Abb. 7). Dieser präsentierte sich ungewöhnlich eisig: Mit einem Monatsmittel von –5,2°C wich er um –4,4 K vom langjährigen Normalwert ab. 24 der 31 Tage waren „Eistage“, an denen zu keinem Zeitpunkt die 0°C‑ Marke des Thermometers überschritten wurde; der gesamte Monat verzeichnete nur zwei frostfreie Tage (18./19.01.). Die Tagesmittelwerte sanken auf –13,1°C (26.01.); damit unterschritten sie den langjährigen Normalwert um fast 14 K. Am gleichen Tag wurde mit –18,7°C auch das niedrigste Stundenmittel der Lufttemperatur registriert.

Der komplette Zeitraum wies eine geschlossene Schneedecke^* auf. Deren Höhe schwankte zwischen 15 cm (01.01.) und 35 cm (11.01.) und erreichte damit für das Land Brandenburg ungewöhnlich hohe Werte. Die Schneedecke verhinderte ein intensives Eindringen des Frostes in den Boden. So wurden in den ersten beiden Dekaden in 5 cm Tiefe lediglich Bodentemperaturen¹ zwischen 0,0°C und –0,4°C registriert. Erst mit der zunehmenden Verdichtung und Vereisung der Schneedecke in der dritten Dekade verschlechterte sich deren Isolationswirkung (AgrarMet, 2010); die Bodentemperaturen sanken bis –3,8°C (5 cm Tiefe) bzw. –1,8°C in 20 cm Tiefe (27.01.) bevor Neuschnee zum Monatsende die Situation entschärfte.

Trotz sehr geringer Lufttemperaturen waren auf dem Versuchsfeld in Dahnsdorf, begründet durch die bereits genannten isolierenden Eigenschaften der Schneedecke, keine nennenswerten Auswinterungsschäden zu verzeichnen.

Noch extremere Lufttemperaturen herrschten vom 28.01. bis 14.02.2012 (Abb. 8). Der gesamte Zeitraum war – bei einem Mittelwert von –10,0°C – von streng­stem Frost geprägt; zu keiner Zeit wurden positive Luft­temperaturen gemessen. Der kälteste Tag war der 06.02.2012: Bei einem Tagesmittel von –17,4°C (Abweichung vom Normalwert: –18,2 K) und einem Minimum von –23,6°C. An weiteren fünf Tagen sank das Thermometer unter –20°C.

Über den gesamten Zeitraum lag eine dünne, geschlossene Schneedecke¹ mit einer Höhe zwischen 3 cm (28.01.) und 12 cm (11./12.02.). Auch dieser gelang es, das Eindringen des Frostes in den Boden zu beschränken. Auf dem Versuchsfeld in Dahnsdorf wurden in 5 cm Tiefe Bodentemperaturen zwischen 0,3°C und –1,4°C und in 10 cm Tiefe zwischen 0,4°C und –0,8°C registriert; die maximale Frosttiefe betrug ca. 25 cm.

Trotz extrem niedriger Temperaturen und einer teilweise nur geringen Schneedecke kam es auf dem Versuchsfeld in Dahnsdorf zu keinen nennenswerten Auswinterungsschäden.

Auch für die Kälteperioden lohnt ein Blick auf den Tagesgang der Temperaturdifferenzen zwischen 2,0 m und 0,2 m Höhe (Abb. 9). In den Stunden mit Einstrahlung (tagsüber) beeinflusste die Schneedecke die Temperaturdifferenzen. Schnee reflektiert einen hohen Anteil der einfallenden kurzwelligen Strahlung: Dessen Albedo liegt zwischen 75% und 95% für Neuschnee bzw. zwischen 40% und 70% für Altschnee (Ackerboden: 7% bis 17%) (Kuttler, 2009). Das führte zu keiner (im Mittelwert) bzw. zu einer nur geringfügig stärkeren Erwärmung (einzelne 10-Minuten-Mittel) des bodennahen Bereiches.

Bei fehlender Einstrahlung bzw. geringer Sonnenhöhe überwogen tiefere Temperaturen des bodennahen Bereiches, wobei die Extremwerte (Differenzen > 8 K) zum Sonnenuntergang zu verzeichnen waren.

Auf dem Versuchsfeld in Dahnsdorf sind im betrachteten Zeitraum (1998 bis 2012) drei, mehr als 20 Tage andauernde niederschlagsfreie und vier weitere Perioden mit geringem Niederschlag (siehe auch Teil 3 – Niederschlagshöhe, Tab. 6 dieses Themenheftes) dokumentiert. Zwei, für das Wachstum und die Keimung der Pflanzen relevante, sollen nachfolgend analysiert werden.

Die eine beinhaltet den Zeitraum vom 04.04. bis 06.05.2007 (Abb. 10). In diesem fiel in 33 aufeinander folgenden Tagen kein Niederschlag.

Die ersten drei Monate dieses Jahres waren außergewöhnlich mild und niederschlagsreich. Sowohl die Monatsmittel der Lufttemperatur (Jan.: +6,2 K; Feb.: +4,1 K; März: +3,7 K) als auch die Monatssummen der Niederschlagshöhe (Jan.: 276%; Feb.: 143%; März: 204%) lagen deutlich über den langjährigen Normalwerten. Der Vegetationsbeginn des Jahres 2007 datierte – unabhängig von der verwendeten Methode (siehe auch Teil 1 – Allgemeines, Abschnitt 3.3. dieses Themenheftes) – bereits auf Anfang Januar. Die seit Jahresbeginn sehr günstigen Wachstumsbedingungen wurden vor der betrachteten Trockenperiode durch wenige Eis- (3 von 60) und einige Frosttage (23 von 60) ein wenig geschmälert. Zudem sorgte eine niederschlagsarme Phase unmittelbar vor der Trockenperiode (25.03. bis 03.04.: 0,6 mm) bereits für eine negative klimatische Wasserbilanz (Berliner Umfeld: –23 mm) (AgrarMet, 2007), so dass trotz der hohen Niederschläge der Vormonate nicht von einer Sättigung des Bodens ausgegangen werden kann.

Während der Trockenperiode lagen die Lufttempera­turen ca. 2 K über dem langjährigen Mittel, wobei sechs Frosttage zu verzeichnen waren. Die Globalstrahlung variierte in der ersten Hälfte der betrachteten Periode sehr stark, in der zweiten Hälfte erreichte sie fast durchgängig sehr hohe Werte.

Abb. 10 dokumentiert den Verlauf der in der Atmosphäre wirkenden meteorologischen Einflussgrößen (unten) sowie den daraus resultierenden Verlauf der für das Wachstum und die Entwicklung der Pflanzen wesent­lichen Bodentemperatur und Saugspannung (oben) für die grau untersetzte und um einige Tage erweiterte Trockenperiode.

Für beide, jeweils in 10 cm Tiefe ermittelte Größen, sind deutliche Zusammenhänge erkennbar: Während die unter vegetationslosem Boden gemessene Bodentemperatur wesentlich durch die Lufttemperatur beeinflusst wurde, war für die unter Rasen bestimmte Saugspannung, vor allem bei fehlenden Niederschlägen, die Globalstrahlung und die damit verbundene Photosynthese der Pflanzen von entscheidender Bedeutung. Selbstverständlich verbesserten aber vor allem stärkere Niederschläge nach dem Ende der Trockenperiode die Wasserversorgung der Böden und sorgten damit für die Verringerung der Saugspannung.

Im Jahr 2007 trat eine weitere, über 21 Tage andauernde Trockenperiode auf, in der lediglich an zwei Tagen jeweils 0,2 mm Niederschlag registriert wurden. Sie währte vom 5. bis 25. Oktober 2007. Sie soll vor allem unter dem Aspekt der Wasserversorgung der Getreidesaat während oder kurz nach der Keimung betrachtet werden. Deren Bedeutung betont Geisler (1988), in dem er darauf hinweist, dass „… eine ausreichende Wasseraufnahme des Korns, wobei etwa 30–50% des Eigengewichtes benötigt werden,“ eine Voraussetzung für die Keimung ist.

Auch für diese Periode soll zunächst die Ausgangs­situation charakterisiert werden: Die Lufttemperatur der drei davor liegenden Monate entsprach in etwa dem langjährigen Mittel (Juli: +0,2 K; Aug.: +0,3 K; Sept.: –0,2 K), die Niederschlagshöhe lag deutlich über diesem (Juli: 222%; Aug.: 69%; Sept.: 206%). Unmittelbar vor Beginn dieser Periode gab es teilweise heftige Niederschläge (51,8 mm in 8 Tagen). Diese führten zu sehr geringen Saugspannungen (ca. 200 hPa), die sich jedoch trotz niedriger Temperaturen und geringer, stark variierender Globalstrahlung stetig auf mehr als das Doppelte erhöhten. Auch diese Periode verzeichnete heftige Korrelationen zwischen Luft- und Bodentemperatur (Abb. 11), während ein unmittelbarer Einfluss der Globalstrahlung auf eine der anderen meteorologischen Größen nicht erkennbar war.

Andere nutzen Schwellwerte, die teilweise willkürlich festgelegt werden (http://wiki.bildungsserver.de/Klimawandel) bzw. statistische Ansätze, z.B. 5%-Perzentile der Verteilungsfunktion der Tagessummen der Niederschlagshöhe eines Standortes in einem definierten Zeitintervall (Schönwiese et al., 2006).

Für das Versuchsfeld in Dahnsdorf sollen Schwellwerte betrachtet werden: An vier Tagen des Gesamtzeitraumes (1998 bis 2012) fielen mehr als 50 mm (l/m²) Niederschlag; an der DWD-Vergleichs-Messstelle Treuenbrietzen war es im 30-jährigen Normalwert-Zeitraum (1961/90) nur ein Tag.

In Anlehnung an die Definitionen des DWD für Stark- bzw. Dauerregen ließen sich auch für diese Ereignisse hinsichtlich ihrer Intensität und Andauer zwei Kategorien unterscheiden: Kurze, aber extrem heftige Niederschläge mit Stundensummen > 40 l/m² und 10-Minuten-Summen > 20 l/m² im Zusammenhang mit Schauer oder Gewitter (Abb. 12 oben) bzw. über mehrere Stunden anhaltende Niederschläge mit maximalen Stundensummen zwischen fünf und zehn Liter pro m² (Abb. 12 unten), wobei mehrtägige Niederschläge unberücksichtigt blieben.

Das Schadpotential von Starkniederschlägen definiert sich auf sehr unterschiedlichen Ebenen: Sie beeinträchtigen durch Bodenerosion die Fruchtbarkeit der Böden, gefährden deren Befahrbarkeit und können – speziell vor der Ernte – durch Lagerbildung und hohe Kornfeuchtewerte des Getreides zu ökonomischen Verlusten führen (vgl. Tischner, 2006).

Andererseits füllen Starkniederschläge auch den Boden­wasservorrat, sofern diese in den Boden infiltriert werden und sichern somit die Versorgung der Pflanzen mit Wasser.

Abb. 13 und 14 dokumentieren die Intensität und den zeitlichen Ablauf, nach dem die Saugspannung in verschiedenen Tiefen (unter Rasen) beeinflusst wird: Abb. 13 zeigt dieses für Tageswerte. Selbst für diese „grobe“ Zeitskala waren schnelle und intensive Reaktionen in der oberen Bodenschicht (10 cm Tiefe) zu erkennen; moderatere und zeitlich verzögerte in den darunter liegenden (20 cm und 30 cm Tiefe). In 60 cm Tiefe blieben selbst bei ergiebigen Niederschlägen (21.07.: 38,8 mm) die Veränderungen sehr gering.

Einen Eindruck von der wahren Dynamik der Prozesse liefert Abb. 14. Diese stellt die Stundenwerte für das Zeit­intervall vom 18. bis 24.08.2005 dar. Die wesentlichste Aussage dieser Darstellung bezieht sich auf den ergiebigen Niederschlag des 21.08.2005 (38,8 mm): An diesem Tag sank die Saugspannung in 10 cm Tiefe innerhalb einer Stunde nach insgesamt 18,6 mm Niederschlag von 503 hPa (14 Uhr) auf 195 hPa (15 Uhr). Bereits eine Stunde später wurde in dieser Schicht eine annähernde Wassersättigung des Bodens erreicht, die jedoch – trotz weiterer Niederschläge – lediglich einen Tag Bestand hatte.

Tiefer gelegene Schichten profitierten deutlich geringer von den ergiebigen Niederschlägen: In 20 cm Tiefe halbierte sich, sechs Stunden verzögert und über ca. 12 Stunden andauernd, die Saugspannung von 400 hPa auf 200 hPa; bereits in 30 cm Tiefe vollzogen sich nur noch unwesentliche Veränderungen.

Die Definition eines solchen Jahres erfolgte auf der Grundlage vereinbarter Merkmale, von denen eine Relevanz auf landwirtschaftliche Erträge erwartet wurde (Tab. 3). Sie orientierte sich an zwei Kriterien: Einerseits an der Über- bzw. Unterschreitung des für den Gesamtzeitraum ermittelten Wertebereiches ± 2 s ( Mittelwert, s Standardabweichung) durch den Wert x_i des Jahres i (i = 1998 … 2012), andererseits an einer Zeitfolge mehrerer aufeinander folgender Tage mit einer (frei gewählten) Eigenschaft. Erstgenanntes konnte dabei sowohl aus einer Auszählung, z.B. Zahl der Tage (siehe auch Teil 1 – Allgemeines, Tab. 2 dieses Themenheftes) als auch einem berechneten Wert resultieren.

Über den Vergleich des Extrembereiches mit dem real beobachteten Wert eines Jahres wurden Jahre mit extremen Witterungsereignissen definiert. Tab. 4 zeigt dieses für einige Merkmale, deren Werte auf der Grundlage der auf dem Versuchsfeld in Dahnsdorf durchgeführten Beobachtungen ermittelt wurden. Als Extrembereich gilt jener außerhalb des Wertebereiches ± 2 s liegende Zahlenbereich; x_i ist der im dokumentierten Jahr bzw. Zeitraum (i) real beobachtete Wert.

Die Erträge der Jahre mit extremen Witterungsereignissen wurden für verschiedene Kulturen mit den Durchschnittserträgen der restlichen Jahre verglichen.

Die Interpretation der Ergebnisse ist schwierig: Einerseits handelt es sich in der Regel nur um die Ergebnisse eines einzelnen Jahres, andererseits können in einem Jahr mehrere extreme Witterungsereignisse auftreten, die sich einander überlagern können.

Trotzdem sollen nachfolgend einige Ergebnisse kommentiert werden.

Eine sehr klare Aussage ermöglicht das Jahr 2003. Dieses war durch einen eisigen Winter mit 39 aufeinander folgenden Frosttagen und einem extrem heißen Sommer mit einer Hitzeperiode vom 15. Juli bis 14. August und 21 heißen Tagen geprägt (Abb. 1). Die Erträge dieses Jahres unterschieden sich für alle betrachteten Kulturen signifikant vom Mittelwert der restlichen Jahre^** (Abb. 15). Dabei muss davon ausgegangen werden, dass die Ursachen vorrangig der Merkmalsgruppe „heiße Sommer“ zuzuordnen sind.

Ein ähnlicher Witterungsverlauf prägte das Jahr 2006. Einer Periode von 44 aufeinander folgenden Frosttagen im Winter folgte eine 18-tägige Hitzeperiode (Abb. 3) mit einer Durchschnittstemperatur von 23,4°C und 12 heißen Tagen im Sommer. Die Erträge dieses Jahres sind differenzierter zu betrachten (Tab. 5). Signifikante Ertragsunterschiede zwischen dem Jahr 2006 und den restlichen Jahren traten lediglich bei Winterweizen (–23%) auf; in den anderen Kulturen waren die Erträge ähnlich. Als Ursache der erheblichen Ertragsdifferenzen gegenüber dem Jahr 2003 ist die Niederschlagssumme der Monate März bis Juni zu vermuten: Im Jahr 2006 wurden 91%, im Jahr 2003 dagegen nur 64% des langjährigen Normalwertes registriert.

Einen nur geringen Einfluss auf die Erträge scheint die Merkmalsgruppe „eisige Winter“ zu besitzen. Beleg hierfür sind die Jahre 2010 und 2012 (Tab. 6). Beide Jahre wiesen ausschließlich extreme Witterungserscheinungen der genannten Merkmalsgruppe auf. Während der kalte Winter des Jahres 2010 im Vergleich zum Mittelwert der restlichen Jahre mit Ausnahme des Winterrapses noch geringere Erträge zur Folge hatte (signifikant nur bei Wintergerste), lagen jene der Winterungen des Jahres 2012 signifikant über denen der restlichen Jahre. Die erhebliche Variabilität wurde vor allem bei der Wintergerste deutlich: Im Jahr 2010 waren 26% geringere, im Jahr 2012 dagegen 31% höhere Erträge gegenüber den rest­lichen Jahren zu verzeichnen.

Für das Merkmal „aufeinander folgende Tage mit Niederschlag ≤ 0,2 mm“ konnte dagegen nur für Winterraps ein signifikanter Einfluss nachgewiesen werden. 33 aufeinander folgende Tage ohne Niederschlag im Zeitraum vom 4. April bis 5. Mai 2007 führten bei drei der vier Winterungen (Winterroggen: –8%, Wintergerste: –10%, Winterraps: –30%) zu Mindererträgen gegenüber den restlichen Jahren; bei Winterweizen wurden leicht höhere Erträge (+3%) erzielt (Tab. 7).

Extreme Witterungsereignisse mehrerer Merkmalsgruppen traten im Jahr 2011 auf. Während sie im Winter die Lufttemperatur betrafen (43 Eistage), waren es im Frühjahr und Sommer vor allem die Niederschläge, die ex­treme Werte zu verzeichnen hatten: In der Vegetationszeit von März bis Juni sehr geringe (49% des langjährigen Mittels bei 87 Tagen ohne Niederschlag), in der Erntezeit vom Juli bis August extrem hohe (264% des langjährigen Mittels). Während die Winterungen in diesem Jahr – vermutlich auf Grund der fehlenden Niederschläge in den Monaten März bis Juni – signifikante Einbußen gegenüber den mittleren Erträgen der restlichen Jahre zu verzeichnen hatten, profitierten die Kartoffeln offensichtlich noch von den hohen Niederschlägen der Monate Juli und August (Tab. 8).

Die hohe Zahl der Eistage (43) schien in diesem Jahr von geringerem Einfluss, da eine noch höhere Anzahl (49) im Jahr 2010, in dem alle extremen Witterungsereignisse ausschließlich der Merkmalsgruppe „Eisige Winter“ zuzuordnen waren, keine signifikanten Unterschiede in den Erträgen ergaben (Tab. 6).

Eine Gesamtübersicht der mittels 1-Stichproben-WILCOXON-Test (Sumpf und Moll, 2003) ermittelten Signifikanzen zwischen den Erträgen des Jahres mit extremen Witterungsereignissen und dem Mittelwert der restlichen Jahre enthält Tab. 9. Gelistet wurden die Überschreitungswahrscheinlichkeiten (p) für die Annahme der Nullhypothese H₀, dass sich der Ertrag des Jahres mit dem extremen Witterungsereignis (μ₀) vom mittleren Ertrag der restlichen Jahre () nicht unterscheidet.

Signifikanzen wurden mit einem Stern (*) gekennzeichnet. Kursive p-Werte symbolisieren einen signifikant höheren Ertrag des Jahres mit extremem Witterungsereignis; in Klammern gesetzte p-Werte kennzeichnen extreme Witterungsereignisse, deren Einfluss auf die Erträge der jeweiligen Kultur (in der Regel aufgrund ihres zeitlichen Auftretens) begrenzt sein dürfte.

Bei der Analyse erwies sich die Einbeziehung weiterer meteorologischer (Globalstrahlung, Bodentemperatur) und pflanzenbaulicher Größen (Saugspannung) als sinnvoll.

Hinsichtlich des Einflusses extremer Witterungsereignisse auf landwirtschaftliche Erträge waren keine allgemeingültigen Aussagen möglich. Die Ursachen lagen einerseits im begrenzten Datenmaterial (15 Jahre) und der sich daraus ergebenden geringen Anzahl von Ereignissen und andererseits in der Tatsache, dass in manchen Jahren mehrere dieser Ereignisse auftraten, die in ihrer Wirkung nicht differenziert zu betrachten waren.

Handlungsbedarf besteht auch hinsichtlich der Definition extremer Witterungsereignisse und deren Bewertung. Ersteres betrifft die Festlegung des ihnen zugeordneten Wertebereiches, unabhängig davon, ob dieses unter Nutzung statistischer Ansätze, in Form von (regional unterschiedlichen) Schwellwerten oder anderen Methoden erfolgt, Letzteres z.B. die Wirkung, die diese Ereignisse (unter bestimmten Voraussetzungen) erzielen. Hierbei wird der Zeitpunkt ihres Eintretens, aber auch der Betrachtungsgegenstand eine entscheidende Rolle spielen: So werden z.B. in der Landwirtschaft extreme Niederschläge im Juli und August für Getreide und Winterraps vermutlich nachteilig wirken, für Mais und Kartoffeln dagegen von Vorteil sein; eine Umkehrung der Vorzeichen dürfte dagegen Trockenheit in diesen Monaten verursachen.

Mit dem 4. Teil des vorliegenden Themenheftes wurde unter Nutzung der Ergebnisse umfangreicher wissenschaftlicher Untersuchungen zu verschiedensten landwirtschaftlichen Aspekten einerseits und der Messergebnisse der agrarmeteorologischen Station auf dem Versuchsfeld in Dahnsdorf andererseits ein Anfang gemacht. Der auch künftig zu erwartende Vorteil dieser Konstellation dürfte in dessen Spezifik liegen: Der räumlichen und zeitlichen Nähe beider Faktoren, die die effektive Verknüpfung der landwirtschaftlichen Forschung mit den unmittelbar „vor Ort“ herrschenden meteorologischen Bedingungen (Wittchen et al., 2011) ermöglicht.

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Fußnoten:

*	DWD-Station Wiesenburg
**	Winterweizen, Winterroggen, Winterraps: 1998 bis 2012; Winter­gerste, Kartoffeln: 2004 bis 2012