Die abhängigkeit und schätzung von temperaturdifferenzen zwischen einem sommerweizenbestand und der klimahütte

Agricultural Meteorology, 15(1975) 87--95 @) Elsevier Scientific Publishing C o m p a n y , A m s t e r d a m -- Printed in The Netherlands

DIE ABHANGIGKEIT UND SCHATZUNG VON TEMPERATURDIFFERENZEN ZWISCHEN EINEM SOMMERWEIZENBESTAND UND DER KLIMAHIJTTE

R. B E I N H A U E R

Deutscher Wetterdienst, Agrarmeteorologische Forschungsstelle Hamburg, Hamburg (Bundesrepublik Deutschland) (Akzeptiert ftir Veroffentlichung am 23. D e z e m b e r 1974)

ABSTRACT Beinhauer, R., 1974. Die Abh~ngigkeit und Sch~tzung yon T e m p e r a t u r d i f f e r e n z e n zwischen einem S o m m e r w e i z e n b e s t a n d und der Klimah~{tte. (The dependence and estimation of differences of temperature of a wheat stand f r o m screen values). Agric. Meteorol., 15: 87--95. The daily m a x i m u m and m i n i m u m air temperatures and soil temperatures (at 5cm, 20 c m soil depth under canopy) of a stand of spring wheat in flat terrain in N-Germany were c o m p a r e d during two growing seasons with the e x t r e m e temperatures of a 2-m standard screen and at 5 cm and 20 cm under bare soil, respectively. The mean m a x i m u m ( m i n i m u m ) air temperatures of the stand were 2.7 C higher (1.2 C lower) than the screen values. The mean m a x i m u m ( m i n i m u m ) temperatures of the soil at 5 cm and 20 cm depth 0 0 o were 7.0°C and 3.8 C lower (0.7 C and 1.2 C lower) than the temperatures of the bare soft of the station. Rainfall greatly diminished the differences. After statistical elimination of some of the meteorological elements, the m a x i m u m t e m p e r a t u r e differences could be calculated f r o m total daily global radiation, soil moisture and rainfall, using multiple regression methods. The differences in the m i n i m u m temperatures were calculated from the grass m i n i m u m , wind at sunrise and rainfall. Global radiation was successfully substituted for by the daily duration of sunshine. A test of the regression formulae (coefficients of d e t e r m i n a t i o n up to 71%) on i n d e p e n d e n t data leads to the conclusion that climatological data may be used for spatial purposes of calculating m a x i m u m and m i n i m u m air and soil temperatures in wheat stands. .

.

.

O

.

O

ZUSAMMENFASSUNG F(ir die Dauer yon zwei Vegetationsperioden wurden im nord-deutschen Flachland (54°N, 10°E) die t~glichen T e m p e r a t u r d i f f e r e n z e n der Maxima und Minima zwischen einem S o m m e r w e i z e n b e s t a n d und einer KlimahiJtte (2 m), sowie Maxima- und Minimadifferenzen zwischen den B o d e n t e m p e r a t u r e n in 5- und 20-cm Tiefe dieses Bestandes und den e n t s p r e c h e n d e n eines unbewachsenen Bodens gemessen. Die Maxima (Minima) der Luft des Bestandes lagen im Mittel um 2,7°C hSher (1,2°C niedriger) als der H{ittenwert. Die Maxima (Minima) des Bodens m 5 cm und 20 cm Tlefe lagen um 7,0 C und 3,8 C niednger (0,7 C und 1,2 C nlednger) als dm des unbewachsenen Bodens der Khmastatlon. Fallender Niederschlag verringerte die Unterschiede stark. .

.

•

.

O

.

O

.

.

.

.

O

.

o

-

.

88 Nach Statistischer Eliminierung einiger meteorologiseher Einflussgr~ssen verblieben zur Sch~tzung der Maxima mit Hilfe multipler Regressionen die Globalstrahlung, die Bodenfeuchte und der Niederschlag, zur Sch~tzung der Minima die Ausstrahlung ~ber Gras, der Wind und der Niederschlag. Anstelle der Globalstrahlung kann die Sonnenscheindauer verwendet werden. Die Verifizierung der Regressionen (Bestimmtheitsmasse bis 71%) an unabhffngigem Material verspricht eine brauchbare und grossr~umige Anwendung fertiger KlimagrSssen zur Temperaturbestimmung des Maximums und Minimums yon Sommerweizenbest~nden in Luft und Boden. EINLEITUNG Die Sch~itzung von E x t r e m t e m p e r a t u r e n in einem Maisbestand anhand von Beobachtungswerten einer Klimastation ist von Rahn und Brown (1971) ffir eine l~ingere Wachstumsperiode vorgenommen worden. Beobachtete Maxima und Minima ffir kurze Zeitspannen aber ohne Prfifung ihrer Abh~ingigkeit yon meteorologischen Faktoren liegen u.a. vor yon Sz~sz (1956) ffir Wintergerste, von Geiger (1961) ffir einen Roggenbestand, von Van Eimern und Mayt (1966) ffir Sommergerste in einer Hfigellandschaft sowie von Kati6 und Stanjevig (1971) ffir einen Maisbestand. Trifft die t~igliche Globalstrahlung einen Pflanzenbestand, so gestaltet sich ausser an Tagen mit fallendem Niederschlag, Nebel oder stark bewSlktem Himmel der Strahlungssaldo des Bestandes positiv. Die haupts~chlich in der oberen Bestandesschicht umgesetzte Absorptionsenergie tritt dann vor allem als ffihlbare W~irme wieder in Erscheinung und heizt den Bestand auf, so dass dessen Temp er atu r e n h/iufig fiber denen liegen, die zur gleichen Zeit in einer 2 m hohen S t a n d a r d w e t t e r h h t t e gemessen werden. Nachts erleidet der Bestand in aller Regel einen Strahlungsverlust, so dass die Bestandestemperaturen h/iufig unter den Hfittenwerten liegen. Die Temperaturunterschiede vergrSssern sich mit steigenden Strahlungsdosen. Sie werden gering bei fallendem Niederschlag. Steigt die Windgeschwindigkeit, so wird der vertikale Austausch gefSrdert und die Temperaturunterschiede nehmen ab. MATERIAL UND METHODEN Ffir die 1972 und 1973 durchgeffihrten Untersuchungen benut zt en wir einen Sommerweizenbestand auf lehmigem Sand, Bestandesdichte ca. 450 Pflanzen pro m 2, ParzellengrSsse ca. 500 m 2 yon quadratischer Form. Kompensographen registrierten die T e m perat uren kontinuierlich. Die Messffihler bestanden aus strahlungsgeschfitzten PT 100 Widerstandsthermometern und waren in Parzellenmitte in ein Drittel, zwei Drittel BestandeshShe, fiber dem Bestand und in 5- und 20-cm Bodentiefe angebracht. Die zur Verarbeitung b e n u t z t e n Bestandesmaxima und -minima der Luft sind die jeweiligen Mittel aus den drei BestandeshShen. Ein Pyr a nom et er (Kipp & Zonen solarimeter) mass die Globalstrahlung fiber einer Rasenfl/iche. Von der Klimastation (2 m) unmittelbar neben der Versuchsparzelle standen die Witterungsdaten zur Verffigung. Die Bestandesbodenfeuchte bestimmten wir zweimal wSchentlich. Die Temp er atu r di f f er e nz e n zwischen den t/iglichen Maxima und Minima der

89 Bestandesparzelle in Luft und Boden und den entsprechenden der Klimastation, hier ist der Boden unbewachsen, korrelierte man mit der BestandeshShe (cm), der Bodenfeuchte (ram Regenkapazit/it bis 60-cm Tiefe, Wassergehalt in Gewichtsprozent pro 10-cm Boden mal Raumgewicht mal 6), der Summe des Niederschlags des gegenw~/rtigen und des vorangegangenen Tages (mm), dem Windmittel (m/s) in 2-m HShe zur Zeit des Maximums (13, 14, und 15 h MOZ) und zur Zeit des Minimums (5, 6 und 7 h MOZ), der Tagessumme der Globalstrahlung (cal- cm -2. d), der Temperatur (°C) in 5 cm fiber Boden (1972), bzw. fiber Gras (1973), der relativen Feuchte der Station (%) zur Zeit des Maximums und Minimums und der Sonnenscheindauer (Stunden pro Tag). Partielle Korrelationsrechnungen schieden stark abh//ngige Variable aus. Die verbleibenden RestgrSssen fasste man in Regressionsgleichungen zusammen, die die Temperaturdifferenz Bestandeswert minus Hfittenwert angibt, so dass die Temperaturdifferenz plus Hfittenwert die Bestandestemperatur ergibt. Zur Verrechnung kamen die Werte vom 1. Juni bis 4. August 1972 und vom 21. Mai bis 25. Juli 1973, die die Wachstumsperiode yon einer 30 cm hohen BestandeshShe bis zur Gelbreife umfassen. ERGEBNISSE Da die Globalstrahlung den gr6ssten der hier behandelten Einflussfaktoren darstellt, zeigt Abb. 1 die mittleren Temperaturdifferenzen der Luft (Bestandeswert--Hfittenwert) ausgew/~hlter Tage (Tage mit weniger als 2/8 Bedeckung und ohne wesentliche Advektion) im Tagesverlauf. Die Kurve gibt ab 4 Uhr morgens bis 19 Uhr abends ffir jede Stunde einen mittleren Differenzwert, der wesentlich yon der Strahlung und der dazugehSrenden Hfittentemperatur abh//ngt. In Tabelle I sind die Einflussgr6ssen aufgeffihrt, die die Temperaturdifferenzen kontinuierlich und signifikant beeinflussten. Weitere EinflussgrSssen sind ausgeschieden worden, weil sie das Bestimmtheitsmass nicht wesentlich erhShten. Die angegebene mittlere Bodenfeuchte (Tabelle I) entspricht einer nutzbaren Wasserkapazit/it yon 58%. Die Niederschlagsmenge des Vortages musste zu der des Bezugstages bis zum Zeitpunkt der Frfih- oder Mittagsablesung des Minimums bzw. Maximums deshalb hinzugenommen werden, weil der Niederschlag des Vortages die Wasserverh/fltnisse im Bestand auch ffir den Folgetag mitbestimmte und die Temperaturen des Folgetages im Bestand trotz oft hoher Einstrahlung und trockener/~usserer Bedingungen den ver/inderten VerhSltnisse nur recht zSgernd folgten. Die extremen Temperaturdifferenzen zwischen dem Bestand und der Klimastation wurden mit ihren wesentlichen EinflussgrSssen korreliert (Tabelle II). Die Mittelwerte sind nur ffir das Mittel des Maximums der Bestandesluft und das Minimum in 20-cm Bodentiefe positiv, was bedeutet, dass ihre absoluten Temperaturen fiber denen des entsprechenden Hfittenwertes liegen, so wie die negativen Mittel niedrigere Bestandeswerte zeigen. Wie am Vorzeichen der Differenzen des Maximums der Korrelations-

9O

23 oTcmperatur

_

_

~

,

o+

20

,9

19

19 18

17

0.7.~~

16

lZ, 13

0605~'2

12

0zh

I 0

-t3~C I 5 3.5

Temperat urdifferenzen

-0~? I

10 7.0

Bestand - Hutt¢ 1.Juni - 25.Juli 1972 I

l

I

I

15 20 25 30 10.5 14.0 17.4 20.9

I

3~5 24/,

40 27.9

~

n= 24 I

I

5 50 55 31.4 34.9 38A

~Globalstrahlung 60 cal.cm-~-h 41.9 kW-m':

Abb. 1. Taglicher Gang der Temperaturdifferenzen in Abh//ngigkeit von Strahlung und H/ittentemperatur. Fig. 1. Daily course of temperature differences depending on radiation and screen temperature. koeffizienten zu sehen ist, haben der Niederschlag und die Bodenfeuchte, die ja am Tage Wasser an den Bestand liefert, einen umgekehrt proportionalen Einfluss auf die Ausbildung der Differenzen der Luft. Die Regressionsgleichungen zwischen den Extremtemperaturdifferenzen und den ausgew/ihlten Einflussfaktoren gibt Tabelle III an. Anstelle der Globalstrahlung 1/isst sich die t/igliche Sonnenscheindauer vorteilhaft verwenden (Tabelle IIl, Zeile 2). Ffir die Einfl/isse der Minima-Differenzen der Luft konnte analog zur EinstrahlungsgrSsse am Tage (Globalstrahlung) als n~chtlicher Ersatz ffir die AusstrahlungsgrSsse die Minimumtemperatur 5 cm fiber Gras gefunden werden, die sich noch besser als die fiber unbewachsenem Boden eignet. Wie schon beim L u f t m a x i m u m , hat auch hier der Niederschlag einen ausgleichenden Effekt, in dem er nur sehr geringe Differenzen zul/isst. Der Windeinfluss hingegen, wie aus Frostschutzbetrachtungen im Gel/inde bekannt, fibt beim Minimum eine betr/ichtliche Wirkung aus, die den des Niederschlags noch fibertrifft. Trotz Windstille ausserhalb des Bestandes konnte im Bestand stets eine Windgeschwindigkeit yon mindestens 0.1 m/s gemessen werden.

91 TABELLE I Mittelwerte, Standardabweichungen und Zahl der F~lle yon Faktoren mit Einfluss auf Temperaturdifferenzen, 1972--73 Einflussfaktoren

Mittel

Standardabweichungen

N

Wind* Globalstrahlung Bodenfeuchte Min. Temp. 5 cm ~iber unbewachsenen Boden 1972 Minimum 5 cm ~ber Gras 1973 Fallender Niederschlag Tag und Tag zuvor Sonnenschein

1,17 m/s 0,86 445 cal'cm -2 "d 162 87 mm 24

131 131 131

9'5°C 7,1°C 4,7 mm

3,5 4,7 7,6

65 67 131

7,6 h

4,7

131

* -- Mittel aus drei Stunden zur Zeit des Minimums; N = Zahl der F~lle.

Dies 1/isst v e r m u t e n , dass der t h e r m i s c h bedingte Austausch h/iufig grSsser als der d y n a m i s c h bedingte ist. Die B o d e n t e m p e r a t u r e n im Bestand liegen am Tage erheblich u n t e r d e n e n der e n t s p r e c h e n d e n T e m p e r a t u r e n des u n b e w a c h s e n e n Bodens. Je f e u c h t e r dieser und je strahlungsintensiver ein Tag ist, u m so leichter wird u n b e w a c h sener B o d e n gegeniiber b e w a c h s e n e m erw/irmt u n d u m so grSsser gestalten sich die T e m p e r a t u r u n t e r s c h i e d e der Maxima, die allerdings auch wieder, wie schon in der L u f t , d u r c h fallende Niederschl/ige angeglichen werden. Im allgemeinen trat das M a x i m u m der Hiitte gegen 14 Uhr das M a x i m u m des Bestandes eine Stunde, das M a x i m u m in 5-cm Bestandestiefe 1,5 h und in 20-cm Tiefe 6 h nach d e m h S c h s t e n S o n n e n s t a n d ein. Das M i n i m u m des Bestandes u n d der Hiitte erfolgte etwa bei Sonnenaufgang, in 5-cm B o d e n t i e f e im Bestand 1,5 h u n d in 20-cm Tiefe ca. 6 h nach Sonnenaufgang. Bei fallend e m Niederschlag fallen zeitliche D i f f e r e n z e n des Eintritts im M a x i m u m u n d M i n i m u m zwischen Bestand u n d Station w e i t g e h e n d fort. Da die e x t r e m e n T e m p e r a t u r d i f f e r e n z e n der Minima in 5- und 20-cm B o d e n t i e f e zwischen Bestand u n d u n b e w a c h s e n e m B o d e n sowie die T e m p e r a t u r d i f f e r e n z e n der m i t t l e r e n T a g e s t e m p e r a t u r bei e t w a 1°C lagen, w u r d e n hierfiir keine Regressionsgleichungen ermittelt. DISKUSSION Die in Abb. 1 aufgefiihrten T e m p e r a t u r p r o f i l e w e r d e n prinzipiell best/itigt von Geiger ( 1 9 6 1 ) fiir Winterroggenbestiinde in Siiddeutschland, von M/ide ( 1 9 4 2 ) fiir einen R o g g e n b e s t a n d in M i t t e l d e u t s c h l a n d u n d von Van E i m e r n u n d M a y r ( 1 9 6 5 ) fiir Gerste in Siiddeutschland. Bei l e t z t e r e m muss allerdings

-0,05

-0,04 -0,04

-0,09 -0,09

-0,06 -0,06

BF

Legende siehe Tabelle II; B = B e s t i m m t h e i t s m a s s .

y = 12

Min. 20 c m B o d e n - - M i n . H S t t e

4,3 1,9

8,6 4,7

7,1 8,3

y = -2,7

y = y =

y = y =

y = y =

Mittl. Min. B e s t a n d - - M i n . H~itte

Max. 20 c m B o d e n B e s t a n d - Max. 2 0 c m u n b e w a c h s e n e r B o d e n

Max. 5 cm B o d e n B e s t a n d - Max. 5 c m u n b e w a c h s e n e r B o d e n

Mittl. Max. B e s t a n d - - M a x . H/itte

(°C)

Temperaturdifferenzen*

-0,012

-0,02

+0,05

GS

+0,03

+0,04 +0,06

+0,06 +0,1

-0,04 -0,05

RR

-0,39

-0,62

-0,15

SS

-0,41

+0,09

Mi. 5 c m

+0,2

+0,04

Wind

71

37

63 65

69 70

55 54

B

132

132

96 96

96 96

132 131

N

Lineare Regressionen der e x t r e m e n T e m p e r a t u r d i f f e r e n z e n , ihre E i n f l u s s f a k t o r e n , B e s t i m m t h e i t s m a s s e u n d Zahl der F~lle

T A B E L L E III

¢D

94 der Geliindeeinfluss (Hanglage) mit berficksichtigt werden, der gegenfiber dem flachen Lande eine Verschiebung der Temperaturdifferenzen in den sp~iten Nachmittagsstunden bewirkt. Um diese Zeit bildet sich dort eine starke Temperaturinversion aus, die den Bestandeswert um etwa 8°C unter den Hfittenwert sinken 1/isst, w/ihrend die grSsste positive Abweichung in den Vormittagsstunden zur Zeit des st/irksten Temperaturansteigs auftritt. Ffir die Ausbildung der Differenzen des Maximums fand auch Rahn und Brown (1971) bei Mais die Globalstrahlung und das Wasser als wesentliche EinflussgrSssen, ffir die Ausbildung der Differenzen des Minimums die T e m p er atu r in 5 cm fiber Gras und den Wind. Im Prinzip liegen die Einflussgrgssen Robertsons (1953), Nettoeinstrahlung, W/irmemenge ffir Evapotranspiration und Wind auf der gleichen Ebene.

TABELLE IV Summarische Eintreffprozente errechneter Temperaturdifferenzen innerhalb von Temperaturklassen Sommergerste 1968, konsekutive Tage Temperaturklasse 0,5°C

I°C

2°C

3°C

Mittl. Max. Bestand-Max. Hutte

25

74

100

Max. 20 cm Bestand-Max. unbewachsener Boden

40

65

88

84

100

Mittl. Min. Bestand-Min. H~itte

63

N

Max.beobachtete Differenz

31

5,0

60

8,4

69

4,1

4°C

100

KONTROLLE r)ER REGRESSIONSGLEICHUNGEN Die Regressionsgleichungen sind an einer fortlaufenden Reihe eines Sommergerstenbestandes des Jahres 1968 greprfift worden mit Strahlungsmesswerten aus 20-km Entfernung und ergaben die in Tabelle IV auszugsweise dargestellten Werte. In 63% der geprfiften Einzelf/ille (Tabelle IV letzte Zeile) lag die Differenz des mittleren Minimums gegen das Hfittenminimum innerhalb 0,5°C des tats/ichlichen Wertes, in 84% waren die Abweichungen hSchstens 1°C und mehr als 2°C Abweichung kam nicht vor bei einer maximalen Differenz von 4,1°C.

95 SCHLUSSFOLGERUNGEN E x t r e m e t/igliche T e m p e r a t u r d i f f e r e n z e n der L u f t zwischen einem s t e h e n d e n S o m m e r w e i z e n b e s t a n d und einer Klimahfitte im Flachland im Wachstumsabschnitt von d e m Beginn des L/ingenwachstums bis zur Gelbreife k S n n e n je nach K o n s t e l l a t i o n der m e t e o r o l o g i s c h e n F a k t o r e n im M a x i m u m (Minimum) bis auf 10,0°C (-4,0°C) anwachsen, im Mittel j e d o c h nur e t w a ein Drittel davon. Die in der Einleitung g e b r a c h t e n physikalischen Erkl~irungen w e r d e n qualitativ best/itigt. Die T e m p e r a t u r d i f f e r e n z e n liessen sich mit Hilfe einer m u l t i p l e n Regression sch~itzen. Eine Uberprfifung an unabh/ingigem Material ergab, dass die Regressionen auf S c h w a n k u n g e n der EinflussgrSssen wenig reagieren und so fiber einen grSsseren R a u m mit hilfe fertiger klimatologischer E l e m e n t e b r a u c h b a r e Ergebnisse e r b r a c h t e n . LITERATUR Geiger, R., 1961. Klima der bodennahen Luftschicht. Vieweg, Braunschweig, 646 pp. Katie, P. und Stanjevig, S., 1971. Zum vertikalen Temperaturfeld im Maisbestand. IdojSras 75 (1--2): 20--28. M~de, A., 1942. Die Agrarmeteorologie in der Pflanzenz~chtung. R.f.W. Wiss. Abh., 9(6): 1--48. Rahn, J. J. und Brown, D. M., 1971. Estimating corn canopy extreme temperatures from shelter values. Agric. Meteorol., 8:129--138 Robertson, G. W., 1953. Remarkable sizes in temperature. Meteorol. Mag., 82(978): 374--375 Sz~sz, G., 1956. Das Bestandsklima der Wintergerste. Debrecen Meteorol. Min. Inst., 13. Van Eimern, J. und Mayr, E., 1966. t)ber den Unterschied der Lufttemperatur in landwirtschaftlichen Pflanzenbest~inden und in der Wetterhiitte. Agric. Meteorol., 3:345--351.