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Die Agrarmeteorologie untersucht den Einfluss von Wetter, Witterung und Klima auf Pflanzenbestände.
Agrarmeteorologische Modelle bilden die Wechselwirkungen zwischen Wetter, Boden und Pflanzen rechnerisch ab. Sie nutzen Mess- und Wetterdaten, um beispielsweise Pflanzenentwicklung, Bodenfeuchte, Wasserbedarf, Stickstoffversorgung und Erträge zu simulieren. Damit können sie landwirtschaftliche Entscheidungen unterstützen.
Viele agrarmeteorologische Verfahren beruhen auf Modellrechnungen. Sie helfen dabei, komplexe Zusammenhänge zwischen Boden, Pflanze und Atmosphäre darzustellen und davon praxisrelevante Informationen für landwirtschaftliche Entscheidungen abzuleiten. Obwohl Modelle die Realität nur vereinfacht abbilden, sind sie oft die einzige Möglichkeit, um die Wechselwirkungen darzustellen und auf Basis des aktuellen Wissens mögliche Entwicklungen aufzuzeigen.
Agrarmeteorologische Modelle liefern Informationen, die unmittelbar in der landwirtschaftlichen Praxis genutzt werden können. So lässt sich beispielsweise aus den aktuellen Bodenfeuchtewerten ein Beregnungsbedarf oder die Befahrbarkeit des Ackers ableiten. Aus dem vergangenen Wettergeschehen können Ertragsaussichten abgeschätzt werden; aus dem Entwicklungsstand der Kulturen lässt sich der Düngebedarf ableiten.
Auch der Witterungsverlauf im Winter beeinflusst die Stickstoffversorgung. Modelle können abschätzen, welche Stickstoffvorräte im Frühjahr durch Mineralisierung aus organischer Substanz zur Verfügung stehen und helfen so bei der Düngeplanung.
Besonders wertvoll werden agrarmeteorologische Modelle durch die Kombination mit Wettervorhersagen, saisonalen Vorhersagen oder Klimaprojektionen. Dadurch können mögliche Entwicklungen abgeschätzt und Bewirtschaftungsmaßnahmen besser geplant werden. Auch die Eignung neuer Kulturen oder Sorten für bestimmte Standorte lässt sich unter verschiedenen Klima- und Bodenbedingungen simulieren.
Das Mikroklima in einem Pflanzenbestand unterscheidet sich grundlegend von den meteorologischen Messwerten, die an Wetterstationen erfasst werden. Es beeinflusst sowohl das Pflanzenwachstum als auch die Ausbreitung von Pflanzenkrankheiten und -schädlingen.
Die zuverlässige Bestimmung der Temperatur an den oberen Pflanzenteilen, insbesondere ihres Minimums, ist beispielsweise für die Nachtfrost-Vorhersage und die Modellierung der Blattbenetzungsdauer wichtig. Diese Informationen können helfen, den optimalen Einsatzzeitpunkt von Pflanzenschutzmaßnahmen zu planen.
Der DWD verwendet das Modell BEKLIMA zur Simulation eines Systems aus Boden, Pflanzen und Atmosphäre. Es bildet den Wasser-, Energie- und Strahlungshaushalt zwischen diesen Komponenten ab und dient zur Berechnung landwirtschaftlich relevanter Parameter wie Temperatur, Feuchte und Blattnässe im Bestand.
BEKLIMA verarbeitet stündlich erfasste Klimadaten wie Temperatur, relative Feuchte, Niederschlagsmenge, Windgeschwindigkeit und Strahlungsdaten (Abbildung 1). Die mit BEKLIMA berechneten Werte dienen als Eingangsgrößen für weitere agrarmeteorologische Modelle.
Das Modell kann für alle gängigen Anbaukulturen der gemäßigten Klimazone eingesetzt werden, darunter Getreide, Mais, Zuckerrüben, Raps, Grünland, Kartoffeln sowie Nadel- und Laubwald.
Auch unbewachsener Boden lässt sich damit abbilden. Die prozentuale Zusammensetzung des Modellbodens aus Sand, Schluff und Ton kann dabei frei gewählt werden.
Für eine möglichst realitätsnahe Simulation der Wechselwirkungen zwischen Luft, Pflanzenbestand und Boden müssen für den jeweiligen Entwicklungsstand Informationen über Bestandshöhe, Blattflächenindex, Bestandsdichte und Wurzelverteilung vorliegen.
Die Bodentemperaturen und -feuchten bestimmen Keimung und Pflanzenwachstum ebenso wie die Befahrbarkeit des Bodens. Damit haben sie einen wesentlichen Einfluss auf Quantität und Qualität der landwirtschaftlichen Erträge sowie auf viele landwirtschaftliche Arbeiten.
Die Bodenfeuchte kann sich schlagartig durch Niederschlagsereignisse verändern. Der DWD berechnet sie deshalb operationell mithilfe des Bodenwassermodells AMBAV (Agrarmeteorologische Berechnung der Aktuellen Verdunstung). Dieses Modell simuliert sowohl die Verdunstung aus dem Boden und von nassen Pflanzenteilen (Evaporation bzw. Interzeptionsverdunstung) als auch die Verdunstung der Pflanzen (Transpiration) für dieselben Kulturen wie das Modell BEKLIMA.
Eine Besonderheit von AMBAV ist die genaue Berücksichtigung der phänologischen Entwicklung der jeweils betrachteten Kulturpflanzenart, sowohl oberirdisch als auch im Wurzelraum (Abbildung 2). Die Wurzeltiefe und deren Verteilung im Boden sind interessant, da sie die Wasserversorgung und somit das Transpirationsvermögen der Pflanze wesentlich beeinflussen. Allerdings werden die Wurzeln nicht routinemäßig beobachtet, sondern auf Grundlage spezieller Versuche aus der oberirdischen Pflanzenentwicklung abgeleitet.
Die drei Verdunstungskomponenten Transpiration, Interzeptions- und Bodenverdunstung werden parallel für die relativen Anteile von trockener Vegetation, nasser Vegetation und freiem Boden an der Gesamtoberfläche berechnet.
Grundlage hierfür ist eine artspezifische Steuerung der stomatären Leitfähigkeit durch Temperatur, Einstrahlung, Dampfdruckdefizit und Bodenfeuchte. Das für die Verdunstung benötigte Wasser wird entsprechend der Wurzelverteilung (Kutschera et al. 2009) aus verschiedenen Bodentiefen entnommen.
Durch die Kombination von Modellierung und Vorhersage wird rechtzeitig deutlich, ab wann gegebenenfalls eine Beregnung notwendig wird. Zusätzlich simuliert das Modell Oberflächenabfluss, Versickerung und kapillaren Aufstieg des Wassers. Dazu werden die Bodenkennwerte Sättigungswassergehalt, Feldkapazität, Welkepunkt und Restwassergehalt für jede Bodenschicht verwendet.
Je nach Entwicklungsstand der Pflanzen unterscheiden sich die Wechselwirkungen mit dem Boden und der Atmosphäre. So sind der Wasserverbrauch (Transpiration) und der Nährstoffbedarf eines Keimlings deutlich geringer als bei einer ausgewachsenen Pflanze. Die Kenntnis über den aktuellen Entwicklungsstand ist daher eine wichtige Voraussetzung für realitätsnahe Modellberechnungen. Deshalb wird die Vegetationsentwicklung durch systematische Beobachtungen erfasst.
Der Deutsche Wetterdienst (DWD) unterhält zur bundesweiten Bestimmung der Pflanzenentwicklung das sogenannte phänologische Netz der ehrenamtlichen Sofort- und der Jahresmelderinnen und -melder.
Bei der Jahresmeldung werden die phänologischen Beobachtungen gesammelt und einmal jährlich über einen Meldebogen an den DWD zur Datenverarbeitung geschickt.
Bei der Sofortmeldung werden 80 Entwicklungsstadien von Wild- und Kulturpflanzen unmittelbar online dem DWD übermittelt, damit aktuelle Informationen zur Pflanzenentwicklung für die Modelle zur Verfügung stehen.
Da phänologische Beobachtungstermine sehr stark mit dem zurückliegenden Temperaturverlauf korrelieren, kann der Wachstumsverlauf vieler Pflanzen auch über Temperatursummen beschrieben werden.
Die Dauer der Entwicklungsphasen von Pflanzen beeinflusst, wie die bei der Photosynthese gebildeten Kohlenhydrate auf vegetative und generative Pflanzenorgane verteilt werden.
Ein großer Teil der wichtigsten Kulturarten, darunter alle Getreidearten, steuert ihren Entwicklungsverlauf über die Akkumulation von Temperatursummen. Steigen die Temperaturen, verkürzt sich daher häufig die Dauer der einzelnen Entwicklungsphasen oder der gesamten Entwicklung.
Viele Pflanzen reagieren vor allem um den Zeitpunkt der Blüte besonders empfindlich auf zu hohe oder zu niedrige Temperaturen. Um Schäden zu vermeiden, haben einige Arten Anpassungsmechanismen entwickelt. Dazu zählen beispielsweise die Reaktion auf die Tageslänge oder das Erfüllen einer bestimmten Kältesumme (Vernalisation). Diese Faktoren beeinflussen das Erreichen der generativen Phase, in der Blüten, Früchte und Samen gebildet werden.
Die Stickstoff(N)-dynamik ist durch zahlreiche verschiedene Prozesse geprägt, die räumlich und zeitlich stark veränderlich sind und in hohem Maße durch die Witterungsverhältnisse beeinflusst werden.
Die N-Freisetzung (Mineralisierung) aus organischer Substanz schwankt im Jahresverlauf und ist vom Wetter abhängig. Ebenso verändert sich die N-Aufnahme der Pflanzen im Jahres- und Witterungsverlauf. Dadurch entstehen zeitweise Unterschiede zwischen N-Angebot und N-Bedarf der Pflanzen, aus denen sich der Düngebedarf ableiten lässt (Abbildung 3).
Auch überhöhte Düngergaben können – ebenfalls wetterbedingt – zu unerwünschten Stickstoff-Verlusten führen. Diese erfolgen durch Auswaschung in Form von Nitrat oder durch gasförmige Verluste in Form von klimaschädlichem Lachgas oder Ammoniak.
Zur Ermittlung des Düngebedarfs ist neben einer zeitnahen Erfassung des Bestandes- und Bodenzustands auch eine Abschätzung der N-Nachlieferung notwendig. Hierfür sind Modelle sehr hilfreich.
Die Wasser- und Stickstoffdynamik im Boden sind miteinander verbunden und stehen zudem in Wechselwirkung mit dem Pflanzenbestand. Die überwiegend biologisch ablaufenden Prozesse der Stickstoffdynamik sind temperatur- und feuchteabhängig. Mit steigender Temperatur nimmt die Geschwindigkeit der Stickstoffmineralisation über einen weiten Bereich exponentiell zu. Sowohl bei sehr trockenem Boden als auch unter sehr feuchten Bedingungen wird die mikrobielle Aktivität gestört, sodass organische Substanz kaum umgesetzt wird.
Das Modell HERMES (Kersebaum, 2007) berechnet die
Darüber hinaus werden auch Standortfaktoren wie Bewirtschaftung und Klima berücksichtigt. Das Modell hilft dabei, den Düngebedarf zu ermitteln.
Das Stickstoff-Modell HERMES, das mit einfachen Algorithmen arbeitet und deshalb mit vergleichsweise wenigen Eingangsdaten auskommt, wurde zu dem umfassenderen Prozessmodell MONICA weiterentwickelt.
MONICA berechnet in Tagesschritten den Transport und die biochemische Umsetzung von Wasser, Kohlenstoff und Stickstoff im Boden.
Zunächst wird das Pflanzenwachstum abhängig von Strahlung, verfügbarem Wasser und Temperatur simuliert. Anschließend wird der durch die Photosynthese gebildete Kohlenstoff entsprechend jedes Entwicklungsstadiums auf die verschiedenen Pflanzenorgane verteilt.
Daraus ergibt sich der Stickstoffbedarf der Pflanze, der mit dem im Boden verfügbaren Stickstoff in Beziehung gesetzt wird, sodass die N-Aufnahme simuliert werden kann. Reicht das Stickstoffangebot nicht aus, wird das simulierte Pflanzenwachstum entsprechend reduziert. Aus diesen Berechnungen können für derzeit acht verschiedene Kulturarten die Erntemengen vorhergesagt werden. Für die Stickstoffumsetzung im Boden werden die gleichen Prozesse berücksichtigt wie im Modell HERMES.
Auch aus ökologischer Sicht sind Pflanzenwachstums- bzw. Ertragsmodelle von Bedeutung. Sie ermöglichen langjährige Simulationen, mit denen sich Ertragspotenziale verschiedener Standorte und die jeweiligen Düngebedarfe abschätzen lassen.
Darüber hinaus erlaubt die Modellierung standortspezifische Aussagen über die Auswirkungen bestimmter Bewirtschaftungsmaßnahmen, auch unter dem Einfluss des Klimawandels.
Modelle können somit sowohl die Sortenwahl als auch die Festlegung des optimalen Aussaatzeitpunkts unterstützen.
Das Potenzial der agrarmeteorologischen Modelle ist noch nicht vollständig ausgeschöpft, weil noch kleinräumige meteorologische und kulturspezifische Informationen fehlen.
Durch die immer weiter voranschreitende Fernerkundung sowie die onlinefähigen Verknüpfungsmöglichkeiten diverser Datenquellen wird sicherlich auch die Agrarmeteorologie der Zukunft noch wichtige Verbesserungen in der Modellierung erreichen. Dadurch lassen sich Prozesse künftig genauer abbilden und Modellvorhersagen weiter präzisieren.
Für die Landwirtschaft und Beratung ergeben sich daraus weitere Möglichkeiten, Bewirtschaftungsentscheidungen noch standort- und witterungsspezifischer zu unterstützen.
Dr. Matthias Herbst und Dr. Cathleen Frühauf, Deutscher Wetterdienst - Zentrum für Agrarmeteorologische Forschung (DWD-ZAMF)
Letzte Aktualisierung: 15. Oktober 2026
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