Analyse Meteorologischer Verhältnisse Im Hinteren Wattental Während Der Winter 2006 Bis 2009
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Analyse meteorologischer Verhältnisse im hinteren Wattental während der Winter 2006 bis 2009 Diplomarbeit eingereicht am INSTITUT FÜR METEOROLOGIE UND GEOPHYSIK UNIVERSITÄT INNSBRUCK zur Erlangung des akademischen Grades MAGISTRA DER NATURWISSENSCHAFTEN von Dagmar Walter betreut von DR. FRIEDRICH OBLEITNER Innsbruck, APRIL 2010 Abstract This diploma thesis is focused on the prevailing meteorological conditions at the Wattener Lizum, which is located at the valley bottom of the Wattental (Tyrol, Austria). Four periods from February 2006 to June 2006, from October 2006 to June 2007, from October 2007 to June 2008 and from October 2008 to June 2009 are available. The data were acquired for the European Research Project GALAHAD. One objective of GALAHAD dealt with the topic 'snow and avalanches'. For that purpose data were collected only during autumn, winter and spring. The objective of the present study is to exploit the existing data in order to investigate the average meteorological conditions and some inherent issues related to the existence of inversions, slope winds and their interaction with upper winds. At four positions automatic weather stations measured air temperature, relative humidity, air pressure, radiation, wind speed and direction, as well as snow depth and snow surface temperature. A primary quality control is mainly based on consideration of technical specification of the used instruments and related data inhomogeneities. A primary quality control had to be made. With the checked data the meteorological parameter were analyzed. First statistics about the common periods of all stations were created. Mean value, standard deviation, minima and maxima of several meteorological parameters were determined. Mean diurnal variations of the air temperature an relative humidity, as well as radiation components were regarded. Secondly the sun height and the azimuth were calculated for each day and hour. Shadowing effects caused by the topography were considered. The mean daily radiation balance shows negative values during the winter months. In the middle of March the sign of the mean radiation balance changed. Several approaches estimating the longwave radiation were applied and compared with measured data. During clear sky and overcast conditions the calculations agree very well with the observations, but all sky parameterisation using the recorded relative humidity were only conditionally applicable. The air temperature was analyzed with simple statistical methods and discussed by case studies. Vertical gradients of the air temperatures were calculated using the recorded data from the weather stations at different elevations. In this context the relevance of artificial ventilation was shown, while the results indicate a lack of inversion conditions. Inversion conditions were rarely observed. The frequency distributions of wind speed and direction were analyzed. Outstanding topographic effects were pointed out as well as prevailing downslope winds. It was shown that a thermal induced upwind only exists during snow-free conditions. The impact of typical upper air flow regimes on the local wind conditions was investigated as well. At the valley bottom the wind direction was nearly south during south-foehn, but the weather stations at higher sea levels recorded westerly winds. Northwesterly flows induced northwesterly winds at all weather stations. The long term mean snow depths show values between 1 and 2 meters. The major snowfall events occurred at northwesterly flows, lows south of the Alps and continental lows. i Zusammenfassung In dieser Diplomarbeit wird auf die meteorologischen Gegebenheiten in der Wattener Lizum, am Ende des Wattentales (Tirol, Austria) eingegangen. Dazu stehen Messdaten von vier Perioden zur Verfügung, welche von Februar 2006 bis Juni 2006, Oktober 2006 bis Juni 2007, Oktober 2007 bis Juni 2008 und Oktober 2008 bis Juni 2009 dauern. Die Messdaten in der Wattener Lizum wurden ursprünglich für das Europäische Forschungsprojekt GALAHAD gesammelt, welches sich mit dem Thema Schnee und Lawinen auseinandersetzte. Für diesen Zweck stehen nur Daten aus den Herbst-, Winter- und Frühlingsmonaten zur Verfügung. Das Ziel der vorliegenden Arbeit besteht darin, die vorhandenen Messdaten für meteorologische Fragestellungen, zu verwenden, und auszuwerten. Vier automatische Messstationen lieferten Werte meteorologischer Parameter wie Lufttemperatur und -feuchtigkeit, Luftdruck, Strahlung, Wind, Schneehöhe und Oberflächentemperatur. Die verwendeten Sensoren werden mit Hilfe der technischen Datenblätter der Hersteller beschrieben. Veränderungen im Aufbau des Stationsnetzes und technische Probleme verursachten des Öfteren inhomogene Datensätze. Bevor die Daten bearbeitet werden konnten, mussten sie auf ihre Qualität überprüft werden. Anschließend wurden mit den geprüften und verbliebenen Daten die einzelnen meteorologischen Parameter analysiert. Zu Beginn wurde eine Statistik über gemeinsame Perioden der verschiedenen Stationen erstellt. Mittelwert, Standardabweichung, Minima und Maxima verschiedener meteorologischer Parameter sind untersucht worden. Mittlere Tagesgänge der Lufttemperatur, Luftfeuchte und Oberflächentemperatur, der einzelnen Strahlungskomponenten sowie der Windgeschwindigkeiten werden betrachtet. Als Nächstes wurde die Lage der Stationen in Bezug auf die Sonnenscheindauer und auf den Sonnenstand überprüft. Es zeigte sich, dass die Abschattung der Berge eine wichtige Rolle für andere Parameter, wie Strahlung, Lufttemperatur, Wind und Schneebedeckung, spielt. Die Tagesmittel der Strahlungsbilanz wurden näher betrachtet, und es ergab sich, dass in den Wintermonaten die Gesamtstrahlungsbilanz negativ war. Ab Mitte März änderte sich das Vorzeichen der Gesamtstrahlungsbilanz. Verschiedene Formulierungen zur Bestimmung der atmosphärischen Gegenstrahlung wurden angewendet. Die Ergebnisse wurden mit den gemessenen Werten verglichen. Während bei wolkenlosem und stark bedecktem Himmel gute Übereinstimmungen erzielt werden konnten, erwies ii sich die Parametrisierung der Bewölkung mit Hilfe der relativen Luftfeuchtigkeit als bedingt anwendbar. Die Lufttemperatur wurde anhand von einfachen statistischen Analysen und verschiedenen Fallbeispielen diskutiert. Aus der Lufttemperatur an den Stationen (in verschieden Seehöhen) wurden mittlere Temperaturgradienten berechnet. Dabei kam die Bedeutung der künstlichen Ventilation der Temperatursensoren zum Tragen. Es konnte festgestellt werden, dass die Wattener Lizum keine lokalen Kälteseen im hinteren Talboden ausbildet. Häufigkeitsverteilungen der Windrichtungen und Windgeschwindigkeit an den verschiedenen Stationen sind analysiert worden. Dies ergab, dass die Topographie einen großen Einfluss auf die Windrichtung sowie –geschwindigkeit hat. Es konnte gezeigt werden, dass sich ein Hangwindsystem nur bedingt ausbildet, und stark davon abhängt, ob eine geschlossene Schneedecke vorhanden ist oder nicht. Im Winter überwiegen Hangabwinde, während in den Frühjahrsmonaten auch Hangaufwinde vorkommen. Die synoptischen Strömungsrichtungen wurden untersucht und es wurde ermittelt, dass bei Südföhn im Talboden eine südliche Windrichtung herrscht, die höher gelegenen Stationen aber eine westliche Komponente aufweisen. Nordwestliche Höhenströmungen verursachen an allen Stationen Nordwestwinde. Die mittleren Schneehöhen liegen in der Wattener Lizum im Winter zwischen einem und zwei Metern. Die Zeitreihen der Schneehöhen aller Winter wurden miteinander verglichen. Die starken Variationen der einzelnen Winter erlaubten nur eingeschränkte Aussagen. Es konnte aber gefolgert werden, dass die ergiebigsten Schneefälle bei Nordwestlagen, Tiefdruckgebieten südlich der Alpen und kontinentalen Tiefs auftraten. iii Inhaltsverzeichnis Seite Abstract …i Zusammenfassung …ii Inhaltsverzeichnis …iv 1. Einleitung …1 1.1. Motivation der Arbeit …1 1.2. Aufbau der Arbeit …1 2. Literaturüberblick …2 3. Untersuchungsgebiet …4 4. Messdaten …6 4.1. Lage der Stationen …6 4.1.1. Station Fernerkundung …7 4.1.2. Station Plateau …8 4.1.3. Station Grat …10 4.1.4. Station Hang …11 4.2. Messperioden …12 4.3. Beschreibung der Sensorik …13 4.3.1. Lufttemperatur und Luftfeuchte …13 4.3.2. Luftdruck …16 4.3.3. Strahlung …17 4.3.4. Windgeschwindigkeit und Windrichtung …22 4.3.5. Oberflächentemperatur …23 4.3.6. Schneehöhe …24 5. Probleme der Messungen – Qualitätskontrolle …26 5.1. Schneehöhenmessung …26 5.2. Strahlungsmessung …28 5.2.1. Negative Werte …28 5.2.2. Schneeablagerungen …28 5.2.3. Schneereste am Boden …30 5.2.4. Abspannseil …30 5.2.5. Ventilation …31 5.2.6. Silikagel …31 5.3. Lufttemperatur und Luftfeuchte …32 iv 5.3.1. Vereisung und technische Probleme …32 5.4. Windgeschwindigkeit und Windrichtung …35 5.4.1. Vereisung …35 5.4.2. Geringe Windgeschwindigkeiten …36 5.5. Lawinenereignisse …36 6. Ausgewählte meteorologische Parameter – Klimatologie …37 6.1. Statistik der Stationen und Parameter in gemeinsamen Perioden …37 6.1.1. Mittelwerte, Standardabweichungen, Minima und Maxima …38 verschiedener meteorologische Parameter 6.1.2. Mittlerer Tagesgang der Lufttemperatur, Luftfeuchte und …40 Oberflächentemperatur 6.1.3. Mittlerer Tagesgang der einzelnen Strahlungskomponenten …42 6.1.4. Mittlerer Tagesgang der Windgeschwindigkeit …43 6.2.Sonnenstand und Sonnenscheindauer …44 6.3.Strahlung …49 6.3.1. Albedo …52 6.3.2. Langwellige Strahlung …54 6.4. Lufttemperatur …59 6.4.1. Mitteltemperatur/Frosttage/Eistage an der Station …59 6.4.2. Winter 2005/06 …61 6.4.3. Winter 2006/07 …63 6.4.4. Winter 2007/08 …64 6.4.5.