Werkstattbericht. Auswertung der Vegetationsperiode in der Metropolregion Hannover-Braunschweig-Göttingen (-Wolfsburg) Andrea Krause

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1 Werkstattbericht Auswertung der Vegetationsperiode in der Metropolregion Hannover-Braunschweig-Göttingen (-Wolfsburg) Andrea Krause Institut für Meteorologie und Klimatologie der Leibniz Universität Hannover Für die 3 Vertiefungsregionen Göttingen, Hildesheim und Uetze / Celle wurde die Vegetationsperiode berechnet. Dazu wurden die 3-stündlich gemittelten CLM-Daten für die Temperatur (C20_2_D2 und A1B_1_D2) für den Zeitraum 1960 bis 2100 zu Tagesmitteln aggregiert. Laut DWD ist die Vegetationsperiode (Synonym für Vegetationszeit) definiert [...]als derjenige Zeitraum des Jahres, in dem die Pflanzen photosynthetisch aktiv sind, d.h. wachsen, blühen und fruchten. Als Beginn der Vegetationsperiode werden pflanzenspezifisch verschiedene Schwellenwerte angenommen. Hier werden 5 C, 10 C und 12 C verwendet. Der Tag an dem beispielsweise das erste Mal eine Tagesmitteltemperatur von 5 C überschritten wird, wird somit als Beginn der Vegetationsperiode bezeichnet. Der Tag im Herbst wenn das erste Mal die 5 C im Tagesmittel unterschritten wird bezeichnet das Ende der Vegetationsperiode. Zudem wurde das Eintreten des letzten Frosttages im Frühjahr und des ersten Frosttages im Herbst untersucht. Ein Frosttag bezeichnet einen Tag an dem die Minimumtemperatur weniger als 0 C beträgt. Die Basis dafür bildet die tägliche Minimumtemperatur, die mit dem CLM im Zeitraum 1960 bis 2100 simuliert wurde. Die folgenden Abbildungen zeigen zum einen den jährlichen Vegetationsbeginn und das Vegetationsende sowie das jährliche Eintreten des letzten Frosttages im Frühjahr und des ersten Frosttages im Herbst. Zur Veranschaulichung eines möglichen Trends wurde zudem eine Regressionsgerade bestimmt.

2 Göttingen Abb. 1: Beginn und Ende der Vegetationsperiode in Göttingen Schwellenwert: 5 C, simuliert mit CLM (Szenario C20_2 und A1B_1). Abb. 2: Datum des Eintretens des letzten Frosttages im Frühjahr und des ersten Frosttages im Herbst in Tagen nach Jahresbeginn in Göttingen, simuliert mit CLM (Szenario C20_2 und A1B_1).

3 In der Region Göttingen zeigt sich für alle 3 Schwellenwerte der Trend zu einem früheren Beginn und einem späteren Ende der Vegetationsperiode. Die Abbildung 1 beschreibt den Beginn und das Ende der Vegetationsperiode in Göttingen, definiert als der Tag des ersten Überschreitens und des ersten Unterschreitens einer Tagesmitteltemperatur von 5 C. Während im Zeitraum im Mittel 27 Tage nach Jahresbeginn, also Ende Januar, das erste Mal eine Tagesmitteltemperatur von 5 C überschritten wird, wird die Temperatur im Mittel bereits um den 7. Januar erreicht. Die bedeutet eine durchschnittliche Verfrühung um 1,4 Tagen pro Dekade. Das frühe Eintreten einer Vegetationsperiode bedeutet aber nicht, dass danach nicht auch noch Frosttage mit einer Minimumtemperatur < 0 C auftreten können an denen das Pflanzenwachstum dann wieder ruht, welches die Abbildung 2 beweist. Das Vegetationsende verschiebt sich um ca Tage nach hinten von im Mittel Tag 290 (Mitte November) auf Tag 303 (Ende November). Insgesamt verlängert sich so die Vegetationsperiode um einen Monat von 264 Tagen im Zeitraum auf 296 Tage zum Ende des Jahrhunderts. Die Abbildung 2 zeigt das Eintreten des letzten Frosttages im Frühjahr und des ersten Frosttages im Herbst. Im Mittel verschiebt sich das Datum des letzten Frosttages von Mitte April (Tag 107 nach Jahresbeginn) im Zeitraum auf 79 Tage nach Jahresbeginn (Mitte März) in der Periode und verlagert sich somit um einen Monat nach vorn. Ähnlich verhält es sich mit dem Auftreten des ersten Frosttages im Herbst. Dieser verschiebt sich zum Ende des Jahrhunderts um einen Monat nach hinten von Ende Oktober auf Ende November. In der Abbildung 3 ist die Differenz zwischen dem Eintreten der Vegetationsperiode ab einem Schwellenwert von 5 C und dem letzten Frostereignis im Frühjahr in Tagen dargestellt. Auch hier zeigt sich eine große Variabilität des Abstandes zwischen dem Beginn der Vegetationsperiode und dem letzten Frostereignis. Die Werte schwanken zwischen 17 Tagen im Jahr 2058 und 123 Tagen im Jahr Der 10-jährige gleitende Mittelwert, hier in rot dargestellt, verdeutlicht jedoch, dass das Spätfrostrisiko auch weiterhin bestehen bleibt. Der Vegetationsbeginn und der letzte Frosttag im Frühjahr verfrühen sich somit annähernd gleichermaßen.

4 Abb. 3: Letztes Spätfrostereignis nach Einsetzen der Vegetationsperiode (Vegetationsbeginn: Tm > 5 C) in Tagen in Göttingen, simuliert mit CLM (Szenario C20_2 und A1B_1). Abb. 4: Summe aller Tagesmitteltemperaturen > 5 C pro Jahr in Göttingen, simuliert mit CLM (Szenario C20_2 und A1B_1).

5 Die Verschiebung der Frosttage sowie die Verlängerung der Vegetationsperiode verdeutlichen, dass somit in der Vegetationsperiode insgesamt höhere Temperaturen herrschen müssen. Die Abbildung 4 zeigt die Wärmesumme pro Jahr in Göttingen. Hier werden alle Tagesmitteltemperaturen von über 5 C im Jahr aufaddiert. Je größer also die Wärmesumme, desto wärmer war das Jahr. Die Abbildung zeigt einen deutlichen Anstieg der Wärmesumme von im Mittel rund 2500 C im Zeitraum auf 3600 C zum Ende des Jahrhunderts. Werden die Wärmesummen in Relation zur Länge der Vegetationsperiode gesetzt ergibt sich für den Zeitraum ein mittlerer Temperaturanstieg von 2,8 K gegenüber Ergänzend zum Vegetationsbeginn bei 5 C soll hier ebenfalls die Schwellenwerte 10 C (Abbildung 5) und 12 C (Abbildung 6) dargestellt werden, da viele Kulturpflanzen deutlich höhere Temperaturen benötigen wie beispielsweise der Mais, der erst bei einer Temperatur von ca. 10 C keimt und Hirse ab einer Tagesmitteltemperatur von 12 C. Abb. 5: Beginn und Ende der Vegetationsperiode in Göttingen Schwellenwert: 10 C, simuliert mit CLM (Szenario C20_2 und A1B_1). Bei einem Schwellenwert von 10 C zeigt sich ein ähnliches Bild wie bereits bei 5 C. Zum Ende des Jahrhunderts verlängert sich zunehmend die Vegetationsperiode von im Mittel 141 Tagen in der Referenzperiode auf rund 200 Tage im Zeitraum Es kommt gleichermaßen zu einem verfrühten Vegetationsbeginn von 30 Tagen als auch zu einem verspäteten Ende der Vegetationsperiode von rund einem Monat zum Ende des 21. Jahrhunderts im Vergleich zur

6 Referenzperiode. Es fällt auf, dass der Vegetationsbeginn bei einem Schwellenwert von 10 C größeren Jahr-zu-Jahr-Schwankungen unterliegt als das Vegetationsende. Abb. 6: Beginn und Ende der Vegetationsperiode in Göttingen Schwellenwert: 12 C, simuliert mit CLM (Szenario C20_2 und A1B_1). Auch bei einem Schwellenwert von 12 C verlängert sich die Vegetationsperiode signifikant um 62 Tage. Der Anbau von z.b. Hirse wird so zum Ende des Jahrhunderts zwischen Anfang April und Mitte September möglich, wohingegen in der Periode die Anbauzeit durchschnittlich nur zwischen Ende April und Ende Juli / Anfang August liegt. Es fällt auf, dass sich hier hauptsächlich das Vegetationsende verschiebt um rund 45 Tage. Dies kann auf die steigenden Temperaturen im Sommer zurückgeführt werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich die Vegetationsperiode durch die steigenden Temperaturen, insbesondere im Sommer und im Winter, signifikant verlängert. Dabei verschiebt sich die Vegetationsperiode im Mittel gleichermaßen hin zu einem früheren Vegetationsbeginn als auch zu einem späteren Vegetationsende mit danach einsetzender Vegetationsruhe. Eine längere Vegetationsperiode bietet z.b. in der Landwirtschaft die Möglichkeit bei geeigneter Sortenwahl länger anzubauen bzw. sogar zweimal pro Jahr zu ernten. Ein limitierender Faktor könnten dabei jedoch die Niederschläge sein. Zum Ende des 21. Jahrhunderts wird mit dem CLM ein Rückgang der Sommerniederschläge von rund 20% gegenüber projiziert. Gleichzeitig erhöht sich die Andauer und Häufigkeit von Trockenperioden. Während im

7 Zeitraum mit dem CLM für Göttingen 21 Trockenperioden von 10 und mehr Tagen ohne signifikanten Niederschlag, also < 1mm, simuliert wurden, werden bereits 39 Trockenperioden simuliert. Dies entspricht nahezu einer Verdoppelung der lang anhaltender Trockenperioden. Dies heißt jedoch nicht, dass nicht auch starke Niederschlagsereignisse, beispielsweise durch Gewitter, eintreten können. Die Analyse des Einflusses extremer Niederschlagsereignisse auf die Vegetationsentwicklung ist ebenfalls Bestandteil der aktuellen Forschungsarbeiten am Institut.

8 Hildesheim In der Region Hildesheim befinden sich die fruchtbarsten Böden der ganzen Bundesrepublik. Aufgrund der hohen Bodenzahlen der Lössböden der Hildesheimer Börde wachsen dort unter anderem Zuckerrüben und Weizen. Die Zuckerrübe gewinnt heute ebenfalls zunehmende Bedeutung als nachwachsender Rohstoff, z.b. für die Herstellung von Biogas und Bioethanol. Auch die Triticale, eine Kreuzung aus Roggen und Weizen, ist in dieser Region zunehmend zu finden. Abb. 7: Beginn und Ende der Vegetationsperiode in Hildesheim Schwellenwert: 5 C, simuliert mit CLM (Szenario C20_2 und A1B_1). Bei Betrachtung des ersten Erreichens einer Tagesmitteltemperatur von 5 C fällt auf, dass diese genau wie in der Region Göttingen sich ebenfalls signifikant verfrüht. Das Ende der Vegetationsperiode, definiert durch eine Tagesmitteltemperatur unter 5 C wird zum Ende des 21. Jahrhunderts ebenfalls später erreicht. Im Mittel verlängert sich so die Vegetationsperiode um rund 35 Tage gegenüber der Referenzperiode Die Zuckerrübe benötigt für eine rasche Keimung jedoch höhere Tagesmitteltemperaturen. Die Keimung erfolgt bei einer Bodentemperatur von 6-8 C, die jedoch aufgrund der dunklen Farbe der Böden zeitiger erreicht wird als in Regionen mit sandigen Böden, die eine schlechtere Wärmeleitfähigkeit aufweisen, wie z.b. in der Lüneburger Heide.

9 Abb. 8: Beginn und Ende der Vegetationsperiode in Hildesheim Schwellenwert: 10 C, simuliert mit CLM (Szenario C20_2 und A1B_1). Die Abbildung 8 zeigt den Beginn und das Ende der Vegetationsperiode ab einem Schwellenwert von 10 C Tagesmitteltemperatur. Auch hier zeigt sich eine markante Verlängerung der Vegetationsperiode. Während im Zeitraum die Vegetationsperiode 155 Tage anhält, sind es zum Ende des 21. Jahrhunderts 225 Tage. Die im Mittel 70 Tage länger andauernde Vegetationsperiode verschiebt sich dabei deutlich an den Jahresanfang. Im Zeitraum beginnt diese rund 42 Tage früher als in der Referenzperiode. Die Verlängerung um 28 Tage ist ebenfalls signifikant. Auf die Zuckerrübe wirkt sich eine spätere Ernte insgesamt sehr positiv aus, da somit auch der Zuckergehalt in der Pflanze weiterhin steigt. Frühfröste im Herbst können die Erntefrüchte jedoch auch gefährden. Ähnlich wie bei Göttingen zeigt sich jedoch eine abnehmende Tendenz von Frühfrösten im Herbst. Der frühere Vegetationsbeginn birgt ebenfalls Risiken, da sich die Zuckerrübe besonders frostanfällig im Jungstadium zeigt. In der Abbildung 9 ist das Spätfrostrisiko dargestellt. Berechnet wurde die Differenz zwischen dem Beginn der Vegetationsperiode, also das erste Auftreten einer Tagesmitteltemperatur von 10 C, und dem letzten Frostereignis im Frühjahr. Die Werte kleiner 0 zeigen die Jahre, an denen kein Frost nach Einsetzen der Vegetationsperiode auftritt. Auffällig ist die hohe Jahr-zu-Jahr-Variabilität, die bereits zu Beginn des 21. Jahrhunderts deutlich zunimmt. Die rote Kurve zeigt den 10-jährigen gleitenden Mittelwert. Demnach scheint sich das Spätfrostrisiko für junge Maispflanzen zum Ende des 21. Jahrhunderts von durchschnittlich 3 Tagen nach Vegetationsbeginn im Zeitraum auf circa

10 12 Tage im Zeitraum zu erhöhen. Abb. 9: Letztes Spätfrostereignis nach Einsetzen der Vegetationsperiode (Vegetationsbeginn: Tm > 10 C) in Tagen in Hildesheim, simuliert mit CLM (Szenario C20_2 und A1B_1). Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich für die fruchtbare Region um Hildesheim, durch die Erhöhung der Tagesmitteltemperaturen die Anbaubedingungen zunächst einmal verbessern werden. Ein limitierender Faktor könnten jedoch die Niederschläge sein. Diese nehmen zum Ende des 21. Jahrhunderts in den Sommermonaten signifikant ab.

11 Uetze / Celle Die Region Uetze / Celle befindet sich am südlichen Rand der Lüneburger Heide. Auf den sandigen Böden des durch die Eiszeiten geprägten Geestgebietes gedeihen Kartoffeln, Spargel und Buchweizen. Durch den Einsatz von Düngemitteln und Feldberegnung können hier aber auch anspruchsvolle Arten, wie z.b. Gerste, Mais und Zuckerrüben angebaut werden. Darüber hinaus sind im Naturpark Lüneburger Heide eine Vielfalt unterschiedlicher Waldlandschaften und Heidelandschaften, wie beispielsweise die Calluna-Heide (Besenheide) oder die Glockenheide zu finden. Ausgedehnte Moorlandschaften prägen ebenfalls die Lüneburger Heide. Die Region zeichnet sich insbesondere durch für Niedersachsen vergleichsweise geringen Niederschläge aus, die von den sandigen Böden nur sehr schlecht gehalten werden können. Abb. 10: Beginn und Ende der Vegetationsperiode in Uetze / Celle Schwellenwert: 5 C, simuliert mit CLM (Szenario C20_2 und A1B_1). Wie bereits für die Regionen Göttingen und Hildesheim festgestellt, kommt es auch in Uetze / Celle im Laufe des 21. Jahrhunderts zu einer Verlängerung der Vegetationsperiode, welches die Abbildung 10 verdeutlicht. Während im Zeitraum die Tagesmitteltemperatur von 5 C im Mittel ca. 21 Tage nach Jahresbeginn, also in der zweiten Januarhälfte, überschritten wird, ist dieses Ereignis bereits um den 5. Januar zu erwarten. Somit verfrüht sich der Vegetationsbeginn um ca. 1,2 Tage pro Dekade. Auch das Vegetationsende verlagert sich zum Jahresende von im Mittel Tag 293 auf Tag 312, welches einer Verlängerung der Vegetationsperiode um 1,34 Tage pro Dekade

12 entspricht. Abb. 11: Letztes Spätfrostereignis nach Einsetzen der Vegetationsperiode (Vegetationsbeginn: Tm > 5 C) in Tagen in Uetze / Celle, simuliert mit CLM (Szenario C20_2 und A1B_1). In der Abbildung 11 ist das letzte Frostereignis im Frühjahr in Tagen nach Eintreten der Vegetationsperiode bei einer Tagesmitteltemperatur von 5 C aufgetragen. Es zeigt sich insgesamt eine starke Varianz von Tagen nach Vegetationsbeginn. Die rote Kurve beschreibt das 10- jährige gleitende Mittel über den gesamten Zeitraum. Insgesamt lässt sich ein abnehmender Trend erkennen, d.h. der Abstand zwischen Vegetationsbeginn und Spätfrost verringert sich und 2088 wird sogar in 2 Jahren kein Spätfrostereignis nach Vegetationsbeginn simuliert. Während 2088 die Vegetationsperiode am 21. Tag nach Jahresbeginn für diesen Zeitraum vergleichsweise spät eintritt, wird für das Jahr 2068 kein Frosttag in der ersten Hälfte des Jahres simuliert. Der Vegetationsbeginn wird für den 1. Januar simuliert. Im Mittel wurde für den Zeitraum das letzte Frostereignis 75 Tage nach Vegetationsbeginn simuliert, wohingegen zum Ende des 21. Jahrhunderts rund 62 Tage, also 2 Monate bis zum letzten Spätfrostereignis vergehen. Bei einem mittleren Vegetationsbeginn von 5 Tagen nach Jahresbeginn tritt der letzte Frost im Frühjahr im Zeitraum im Mittel 67 Tage nach Jahresbeginn ein, also in der ersten Märzhälfte. Zum Vergleich beginnt die Vegetationsperiode durchschnittlich am Tag 21 und das letzte Frostereignis erfolgt im Mittel 75 Tage danach. In dieser Zeit wurden Frostereignisse noch bis zur ersten Aprilhälfte simuliert.

13 Zusammenfassend ergeben sich für die Metropolregion folgende Ergebnisse. Es zeigt sich für alle 3 Untersuchungsgebiete eine signifikante Verlängerung der Vegetationsperiode. Eine Tagesmitteltemperatur von 5 C wird in der Metropolregion durchschnittlich um 1,2 Tage pro Dekade in der Region Uetze / Celle und Hildesheim und bis zu 1,4 Tage pro Dekade in der Region Göttingen früher überschritten als noch im Zeitraum Das Ende der Vegetationsperiode, also das erstmalige Unterschreiten des 5 C Schwellenwertes, tritt durchschnittlich 0,9 Tage pro Dekade später ein in Göttingen und 1,3 Tage später in Hildesheim und Uetze / Celle. Die Vegetationsperiode ist somit im Zeitraum im Mittel 32 bis 35 Tage länger als im Zeitraum Dies bedeutet für die Landwirtschaft ebenfalls eine längere Anbauperiode. Die Analyse hat jedoch ebenfalls gezeigt, dass das Spätfrostrisiko weiterhin bestehen bleibt. Die Spätfrostgefahr verfrüht sich analog zur früher beginnenden Vegetationsperiode, so dass auch noch bis 70 Tage nach Überschreiten einer Tagesmitteltemperatur von 5 C Frost auftreten kann. Für einen Schwellenwert von 10 C und 12 C lassen sich ähnliche Ergebnisse feststellen.