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
Humboldt-Universität zu BerlinLGF Agrarklimatologie
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
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Humboldt-Universität zu BerlinLGF Agrarklimatologie
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
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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
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Quelle: Chmielewski 2009
Agrarmeteorologie beim Deutschen Wetterdienst
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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
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Agrarmeteorologie beim Deutschen Wetterdienst
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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
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Projekte zur Thematik „Klimawandel und Obstbau“ an der HU
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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)
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Klimawandel und Obstbau
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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, …)
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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
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Quelle: Chmielewski, Blümel, Henniges, Müller 2009
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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
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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
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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
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Quelle: Chmielewski, Blümel, Henniges, Müller 2009
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
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Quelle: Chmielewski, Blümel, Henniges, Müller 2009
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
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Quelle: Chmielewski, Blümel, Henniges, Müller 2009
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)
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TT-Modell (11b)t1: 1. Januar, TBf = 3.3 °C, F*= 157 FU
Quelle: Chmielewski, Blümel, Henniges, Müller 2009
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
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Quelle: Chmielewski, Blümel, Henniges, Müller 2009
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
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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
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Quelle: Chmielewski, Blümel, Henniges, Müller 2009
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)
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Quelle: Chmielewski, Blümel, Henniges, Müller 2009
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 %
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Quelle: Chmielewski, Blümel, Henniges, Müller 2009
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
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Quelle: Chmielewski, Blümel, Henniges, Müller 2009
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
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
KWS Winterseminar in Sachsen / Anhalt am 7. Dezember 2009
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