Klimawandel und Agrarmeteorologie - dmg-ev.de · Agrarmeteorologie Die Agrarmeteorologie ist ein Teilgebiet der Bioklimatologie, das sich mit der Wirkung des Klimas und des Wetters

Klimawandel und Agrarmeteorologie

Humboldt-Universität zu BerlinLGF Agrarklimatologie

Frank-M. Chmielewski

Landwirtschaftlich-Gärtnerische FakultätProfessur für Agrarklimatologie

Sonderveranstaltung „Angewandte Meteorologie“ des DMG Zweigvereins Berlin und Brandenburg am 29. November 2010


AgrarmeteorologieDie Agrarmeteorologie ist ein Teilgebiet der Bioklimatologie, das sich mit der Wirkung des Klimasund des Wetters auf Kulturpflanzen befasst.

Sie ist eine interdisziplinäre Wissenschaft, die sich vorrangig mit den Wechselwirkungen zwischenBoden, Pflanze und Atmosphäre beschäftigt. Sie ist einerseits eng mit der Mikrometeorologieverbunden, andererseits bestehen sehr enge Berührungspunkte zu den Agrarwissenschaften, dader Fokus auf landwirtschaftliche Kulturen/Maßnahmen gerichtet ist.

Arbeitsmöglichkeiten:- beim DWD im Rahmen der agrarmeteorologischen Beratung und Forschung- zum Teil an agrarwissenschaftlichen Instituten/Fakultäten in Deutschland- Agrarmeteorologie/-klimatologie an der Humboldt-Universität zu Berlin (Forschungsprojekte)

- im Ausland (USA, Russland, Osteuropa) ist die Agrarmeteorologie deutlich stärker an Universitätenetabliert.

Vorlesungen an der HU:- Agrarmeteorologie (4 SWS) in Berlin-Dahlem, ATW 5- Bioklimatologie (2 SWS) in Adlershof am Geographischen Institut der HU



Klassische Aufgabengebiete der Agrarmeteorologie

− Energie-, Wasser- und Stoffkreisläufe im bodennahen Bereich,− Einfluss des Wetters und der Witterung auf Entwicklung, Wachstum und Ertragsbildung von Kulturen− witterungsbedingte Schäden und ihre Verhütung,− meteorlogisch bedingtes Auftreten und die Entwicklung von Krankheits- und Schaderregern in

Kulturpflanzenbeständen,− Beregnungssteuerung und -beratung,− agrarmeteorologische Messungen im Bestand und Untersuchungen zum Bestandesklimas,− agrarklimatische Standortbeurteilungen,− phänologische Beobachtungen und Modellierung,− Entwicklung von Modellen, die die Wechselbeziehungen zwischen Boden, Pflanze und

Atmosphäre detailliert beschreiben (SVAT-Modelle, Ertragsmodelle, Wasserhaushaltsmodelle),− Abschätzung von Auswirkungen des Klimawandels auf die Landwirtschaft



Klimawandel und Landwirtschaft

MitverursacherProblemlöser Betroffener

Landwirtschaft

Emittent von Spurengasen(CH4, N2O, CO2)

Trägt zur CO2-Bindung/Reduktion bei - Biomasse, - Nachwachsende Rohstoffe,

- Bio-Energie/Kraftstoffe,- Bio-Gasanlagen (CH4)

Muss sich an die KlimaänderungenAnpassen (Management, Arten- Sorten-wechsel, Fruchtfolge, Pflanzenschutz, etc.)

Erweitertes Aufgabenspektrum der Agrarmeteorologie


Quelle: Chmielewski 2009

Agrarmeteorologie beim Deutschen Wetterdienst


Agrarmeteorologische Beratungsregionen

AgrarmeteorologischeProdukte

Routineprodukte:Produkte sind vorrangig internetbasiert- Beregnungsberatung- Agrarmeteorologische Wochen- und Monatsbericht- Erosionsgefährdung- Wetterfax für Landwirtschaft für 7 Tage- Mitteilung für die Bauernzeitung- Waldbrandgefährdung (Waldbrandwarnstufen: 0-4)- Schädlinge für Forstbestände durch den Borkenkäfer)

Modell: AMBER (Agrarmeteorologisches Beratungssystem)

AMBER: Verschiedene Teilmodule: B-Klima, Wasserhaushalt, Ertrag, Schädlinge, etc.Input: DWD Daten, zusätzliche Beobachtungen durch Partner Output: 300 Größen


Agrarmeteorologie beim Deutschen Wetterdienst


Beratungsprodukte für längerfristige Entscheidungen (Klimawandel):- Anbau abfrierender Zwischenfrüchte auf den Wasserhaushalt- Veränderungen zur Feldbefahrbarkeit - Verschiebungen in der Pflanzenentwicklung (Phänologie)- Veränderungen des Bodenwasserhaushalts, Begegnungsbedürftigkeit- Ertragsprognostik- CO2-Düngeeffekt- Veränderungen im Schädlings- und Krankheitsdruck

Beispiel: Projekt ZWECKZiel: Identifikation von Veränderungen der Arbeitsmaßnahmen, Ertrag, Pflanzenkrankheiten, Pflanzenschutz, Waldbrandgefahr, Phänologie, BeregnungMethodik: Klimafolgenforschung auf der Grundlage von AMBER unter Verwendung von Klimaszenarien wie STAR, REMO, CLM, WETTREG (1961-1990 vs. 1971-2000)

Weitere Zukunftsthemen beim DWD:- Wirkung von Trockenstress auf landwirtschaftliche Kulturen (sortenabhängige Analysen)- Möglichkeiten neuer Anbauformen (z.B. Zweikulturnutzung)- Identifikation benachteiligter Gebiete in D /Europa- Bereitstellung von Berechnungen für Mehrfachgefahrenversicherungen


Projekte zur Thematik „Klimawandel und Obstbau“ an der HU


KliO: Klimawandel und Obstbau in Deutschland (KliO, KlimaZwei, BMBF, 2006-2009 )

CHARIKO: Chancen, Risiken und Kosten des Klimawandels auf den Obstbau in Hessen (HLUG Hessen, 2009-2013)

CLIMARK: Towards an Integrated Framework for Climate Change Impact Assessments for International Market Systems with Long-Term Investments (US/NSF, 2010-2014)

INIT: Capacity building for climate-proofing of fruit horticulture development in China (2010)


Klimawandel und Obstbau


Relevante Fragestellungen:- ‚Winter Chilling Fulfillment’

- Verschiebung phänologischer Phasen (BB, PR)

- Spätfrostgefahr zur Baumblüte

- Schäden durch Krankheiten und Schädlinge

- Hagelschlag

- Änderungen im Ertrag

- Zusatzwasserbedarf

- Anpassungsstrategien (Arten- und Sortenwechsel, Schädlingsbekämpfung, Bewässerung, …)



SzenarioB1, A1B,...

REMO-UBA

ECHAM-CLM

HadCM3-CLM

WETTREG

ImpaktmodelleAuswirkungen

des Klimawandels- Phänologische Modelle,- Wasserhaushaltsmodelle,- Ertragsmodelle,- Schaderregermodelle

GCM

Anpassungs-strategien

Positive Effekte= Chancen

Negative Effekte= Risiken

Vermeidung

Verifikation

Bestimmung derModellfehler

Quelle: Eigene Darstellung, 2009

Kostendes Klimawandels

1971-20002031-20602071-2100

Methodischer Ansatz Impakt-Forschung

MethodikSpätfrostschäden bei Äpfeln

Phänologische Daten DWD

1961-2005, 10x10 km

Lufttemperaturdaten DWD

1961-2005,10x10 km

Phänologische Modelle*(TT-, CF-, Statistische Mod.)

Verifikation(Regionale Versuchsdaten)

Klimaszenarien WETTREG

2011-2100, B1, A1B

3672 Gitterpunkte BFMa

3672 Gitterpunkte, Tx, Tn

43 Stationen für 11 OR in D

Mögl. Verschiebungen im BFMa2011-2100, für 5 Modelle

Wahrscheinlichkeit für Spätfröste(PF, PF

1, PF2, PF

3)

Frostschäden an BlütenAuf der Grundlage der Froststärke(dFL)

Schäden am Apfelertrag(dF auf der Grundlage von dFL)

bis zu 10d nach BFMa


Quelle: Chmielewski, Blümel, Henniges, Müller 2009



Modell

Gesucht:t2: Tag des Blühbeginns

Beobachtet:T, Tx, Tn

Phänologische Modelle:

1. Thermal Time Model (11b: 2 Parameter: TBf, F*)2. Sequential Model (24b: 5 Parameter: t1,TBc, TBf, a, b)3. Parallel Model I (25b: 5 Parameter: t1, TBc, TBf, a, b) 4. Parallel Model II (26a: 6 Parameter: TBc, C*, TBf, a, b, Km)5. Statistical Model (28: 2 Parameter: a, b)

Phänologische Modellierung



Phänologische Modelle

Winterruhe Ontogenetische Aktives (Dormanz) Entwicklung Wachstum

t0 t1 t2

Ende derDormanz

BlühbeginnBlattaustrieb

‚Chilling requirement‘ C* ‚Forcing requirement‘ F*

Phase 1: 1. Oktober (t0) bis Ende Dormanz (t1)t1: Jahresende, Beginn des Folgejahres

Phase 2: Ende Dormanz (t1) bis Blühbeginn (t2)

2

1

*2( ) , (( :) )f i

t

f fi t

S t wobei FT tR S=

= =∑1

0

*1( ) , (( :) )c i

t

c ci t

S t wobei CT tR S=

= =∑

( )1

0

24

1

*1 0

( ) ,

( ) : 500 1800 , 1.10. (1. )

t

ci t h

c i

c

hS t

wobei S t C CH und t Fro

R

st

T= =

=

= = − =

∑∑ ( )1

0

24*

21

( ) , ( ) :t

fh

ii

f ft

hS t wobei S tR T F= =

= =∑∑

A) CD, CU GDD, FU

B) CH, CU GDH, FU


Berechnung von ‘Chilling Hours‘, 2001-2100für alle148 relevanten FRG-Pixel, REMO A1B

( )0

24

1 01

( ) , ( ) : ,900 1 .t

c c ih ci t h

S t R T wh ere S t t OcCH t= =

= = =∑∑

Dormanz wird nicht gebrochen




Berechnung von ‘Chilling Hours‘, 2001-2100für alle148 relevanten FRG-Pixel, REMO A1B

( )0

24

1 01

( ) , ( ) : , 11 .800t

c c ih ci t h

S t R T wh ere S t t OcCH t= =

= = =∑∑

Dormanz wird nicht gebrochen




TBf = 3.3 °CBeispiel: TT-Modell (11b)t1: 1. Januarzu optimierende Größen: TBf, F*

Phänologische Modellierung des Blühbeginns beim Apfel BFMaParameteroptimierung (TBf, F*)

TBf (°C)

F*, with TBf=const.

F* (FU)

3672 Gitterpunkte < 1000 m




Modellverifikation für die OR: NE

Abb.: Berechnete und beobachtete Termine für BFMa an der NE, 1961-2005

RMSE= 4.1 – 6.4 d

Apfelsorten:

Grüner Boskoop (1975 -2005)Roter Boskoop (1975 -2005)Cox Orange (1969 - 2005)Cox Orange M9 (1985 -2005)Elstar M9 (1990 -2005)Gravensteiner M9 (1995 -2005)Gloster (1980 -2005)Holsteiner Cox (1995 -2005)Jonagold (1990 -2005)



TT-Modell (11b)t1: 1. Januar, TBf = 3.3 °C, F*= 157 FU


RMSE= 3.8 – 5.5 d

Apfelsorten:

Grüner Boskoop (1975 -2005)Roter Boskoop (1975 -2005)Cox Orange (1969 - 2005)Cox Orange M9 (1985 -2005)Elstar M9 (1990 -2005)Gravensteiner M9 (1995 -2005)Gloster (1980 -2005)Holsteiner Cox (1995 -2005)Jonagold (1990 -2005)

CF-Modell (21a)t0: 1. SeptemberTBc = 6.0°C, TBf = 3.6°C, C* = 70 CD, F* = 254 GDD

Year

BF M

a(D

OY)

Modellverifikation für die FGR: NE




A1B

Abb.: Geschätzte Änderungen im Blühbeginn des Apfels an der Niederelbe und am Bodensee NE, BO ECHAM5/MPI-OM, WETTREG, A1B, 1961-1971...2091-2100

WETTREG



Mögliche Änderungen im Blühbeginn des Apfels BFMa, FGR: NE, BO

Abb.: Mögliche Veränderungen in der Wahrscheinlichkeit für Spätfröste (PF) bis zu 10 Tagen nach BFMa in den FGR: NE, BOECHAM5/MPI-OM, WETTREG, A1B, 1961-1971...2091-2100

A1BWETTREG




Änderungen in der Wahrscheinlichkeit für Spätfröste: BO, NE

Schaden: 10 – 90 %

( )( )1nb TFLd a e − ⋅= ⋅ −

Abb.: Beziehung zwischen Blütenschaden (dFL) und Minimumtemperatur (Tn)

10 %

90 %

Abschätzung des Blütenschadens durch Spätfrost (dFL)




Abschätzung möglicher Schäden am Apfelertrag durch Spätfrost (dF)

0.10 , for 0.25

d 0.25F FL FLd d ≤=

( )0.900.1 0.25 , for 0.75

d 0.25FLF FLd d >= + ⋅ −

Der Schaden am Ertrag (dF) unterscheidet sich von dem Schaden an den Blüten, da leichte Blütenschäden kaum ertragswirksam sind!

Abb.: Beziehung zwischen Blüten- (dFL) und Ertragsschaden (dF) infolge von Spätfrost

10 %

70 %




A1B

Abb.: Geschätzte Ertragsverluste beim Apfel (∆dF) durch Spätfröste während der Blüte in den FGR: NE, BOECHAM5/MPI-OM, WETTREG, A1B, 1961-1971...2091-2100

WETTREG




Mögliche Ertragsschäden durch Spätfrost (dF) in den FGR: NE, BO

Zusammenfassung : Möglichen Schäden beim Apfel durch Spätfrost

OR BFMadays

PF%

dFL%

dF%

PF1

%PF

2

%PF

3

%Niederelbe -14.9 6.1 0.3 0.0 4.8 1.4 -0.1West-Mecklenburg -13.8 5.7 0.1 -0.1 4.0 2.0 -0.3Havelland/Brandenburg -11.0 6.7 0.9 0.6 4.8 1.3 0.6Süßer See/Thüringen -14.9 10.4 2.2 1.9 6.8 1.9 1.7Elbtal/Sachsen -13.0 6.1 1.2 1.0 4.5 0.7 0.9Franken -14.9 12.2 2.3 1.8 8.2 2.4 1.6Rheinland/Rheinhessen -15.8 5.6 0.2 0.0 4.8 1.0 -0.2Bergstraße -17.7 6.9 0.4 0.3 5.9 0.9 0.1Neckarregion -15.4 7.0 1.0 0.7 4.8 1.5 0.6Baden -18.8 7.3 1.6 1.3 4.5 1.8 1.0Bodenseegebiet -15.8 14.0 4.0 3.5 7.4 3.4 3.2x -15.1 8.0 1.3 1.0 5.5 1.7 0.8s 2.12 2.87 1.19 1.09 1.38 0.77 1.04

Tab.: Geschätzte Veränderungen einzelner Parameter 2071-2100 vs. 1961-1990, WETTREG, Scenario A1B, x: Mittel, s: Standardabweichung, fette Zahlen entsprechen sign. Änderungen (p≤0.05)

PF1: Wahrscheinlichkeit für leichten Frost mit Blütenschäden < 10 %, -2.0 °C < Tn < 0.0 °C

PF2: Wahrscheinlichkeit für mittleren Frost mit Blütenschäden zwischen 10 - 50 %, -3.5 °C < Tn ≤ -2.0°C

PF3: Wahrscheinlichkeit für starken Frost mit Blütenschäden zwischen 50 - 100 %, Tn ≤ -3.5°C



Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

KWS Winterseminar in Sachsen / Anhalt am 7. Dezember 2009



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