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.
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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.
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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. Temperaturgradienten …66 6.5. Wind …73 6.5.1. Häufigkeitsverteilung der Windgeschwindigkeit …73 6.5.2. Windrichtungen an den einzelnen Stationen …75 6.5.3. Hangwindsystem …80 6.5.4. Föhn …86 6.5.5. Nordwestlagen …89 6.6. Schneehöhe …91 6.6.1. Schneehöhenänderung …94 6.6.2. Wetterlagen mit ergiebigen Schneefällen …95
7. Schlussfolgerungen …97
8. Zusatzinformationen …101
Literaturverzeichnis …111
Abbildungsverzeichnis …115
v
Tabellenverzeichnis …119
vi
1. Einleitung
1.1. Motivation der Arbeit
Im Sommer 2005 startete das Europäische Forschungsprojekt GALAHAD (Advanced Remote Monitoring Techniques for Glaciers, Avalanches and Landslides Hazard Mitigation; www.galahad.eu). Dieses Projekt zielte darauf ab Naturgefahren in Bergregionen, die durch Gletscher, Lawinen und Erdrutschen hervorgerufen werden, zu reduzieren. Dazu wurden Fernerkundungstechniken weiterentwickelt und Vorhersagemethoden verbessert. Für jedes dieser drei Themen wurde ein Untersuchungsgebiet eingerichtet. Untersuchungen von Hangrutschungen fanden in Formigal (Spanien) statt. Gletscherbewegungen konnten am Belvedere Gletscher (Italien) mit Fernerkundungsgeräten gemessen werden, während die Themen Schnee und Lawinen in der Wattener Lizum behandelt wurden. Die neu entwickelten Fernerkundungsgeräte wurden in diesen Versuchsgebieten getestet. In der Wattener Lizum kamen ein terrestrischer Laserscanner (TLS) und ein Ground-Based Synthetic Aperture Radar (GB-SAR) zum Einsatz. Zum Zweck der Verifikation und der Parametrisierung von Algorithmen sind mehrere automatische Wetterstationen errichtet worden. Im Zuge des GALAHAD Projektes gab es verschiedene Arbeiten zu diesem Thema (Details siehe Kapitel 2). Zusätzlich standen die Daten der Wetterstationen der örtlichen Lawinenkommission und dem Lawinenwarndienst zur Verfügung.
Allerdings wurden in diesem Zusammenhang die meteorologischen Daten nicht weiter bearbeitet. Daher besteht die Motivation der vorliegenden Arbeit darin, die Messergebnisse der automatischen Wetterstationen auf ihre Qualität zu überprüfen und die Anwendbarkeit für meteorologische Fragestellungen zu testen, bzw. grundlegende meteorologische Informationen für diesen Talbereich zu erarbeiten.
1.2. Aufbau der Arbeit
Das folgende Kapitel gibt einen Überblick über bereits durchgeführten Arbeiten in der Wattener Lizum (Kapitel 2). Dies sind hauptsächlich Arbeiten die sich mit Eigenschaften des Schnees befassen. Abgesehen davon fanden Arbeiten, die sich mit hydrologischen Fragestellungen im Wattental auseinandersetzen, statt. Das Kapitel 3 beschreibt das Untersuchungsgebiet. Es werden die Standorte der einzelnen Messstationen genauer beschrieben. Details über die Stationen und deren Sensorik, sowie die Messperioden liefert das Kapitel 4.
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Die verschiedenen Probleme bei den Messungen werden in Kapitel 5 beschrieben. Dabei wird darauf eingegangen, wie Fehler vermieden werden, und etwaige Korrekturen durchgeführt werden können. Kapitel 6 setzt sich mit den einzelnen meteorologischen Parametern auseinander. Da die Sonnenscheindauer bzw. der Sonnenstand für viele meteorologische Größen eine wichtige Rolle spielt, wird im ersten Abschnitt des Kapitels 6 näher darauf eingegangen. Daran schließt eine Betrachtung der verschiedenen Strahlungsgrößen an. Es folgt eine nähere Analyse der Lufttemperatur. Des Weiteren wird auf die Windverhältnisse an den einzelnen Stationen eingegangen. Das Kapitel 6 befasst sich abschließend mit dem Thema Schneehöhe. Die Arbeit endet mit den gewonnenen Schlussfolgerungen (Kapitel 7).
2. Literaturüberblick
Die ersten wissenschaftlichen Arbeiten wurden bereits im Jahr 1963 publiziert. Versuche mit Kolktafeln wurden an der Forschungsstelle in der Wattener Lizum im Winter 1950/51 begonnen (Wopfner und Hopf, 1963). Kolktafeln sind tafelförmige Windhindernisse, welche im Lawinenabbruchgebiet aufgestellt werden und unter Ausnützung des Windes Kolke (Mulden) in der Schneedecke erzeugen. Die Idee bestand darin die Wirkung von Kolktafeln auf die Schneedecke zu studieren, um Schneeablagerungen im Anbruchgebiet von Schneebrettlawinen zu stören. Es wurde gezeigt, dass Kolktafeln Wächtenbildung unterbinden. Zur Verhinderung von Schneebrettanbrüchen konnten die Kolktafeln nur mit Vorbehalt herangezogen werden. Weitere Versuche mit solchen Kolktafeln wurden am Patscherkofel, in Obergurgl, im Sellraintal und im Zillertal durchgeführt.
Das GALAHAD Projekt war ein Europäisches Forschungsprojekt. Daran beteiligt waren 8 Partner aus 4 europäischen Ländern (Österreich, Italien, Spanien, Schweiz). Das BFW (Bundesforschungs- und Ausbildungszentrum für Wald, Naturgefahren und Landschaft) war einer dieser Partner, und verantwortlich für die Weiterentwicklung und Verifikation von Lawinensimulationsmodellen. Zu diesem Zweck wurde das Untersuchungsgebiet am Truppenübungsplatz (TÜPL) Lizum/Walchen eingerrichtet.
Für das GALAHAD Projekt wurden 2 terrestrische Fernerkundungsgeräte installiert. Einmal der TLS der Firma Riegl (LPM-i2K) und ein GB-SAR. Der TLS misst punktweise die Distanz von seinem Standort zum gegenüberliegenden Hang. Der TLS führt eine Vielzahl von Punktmessungen durch und berechnet mit Hilfe der jeweiligen Azimuth und Höhenwinkeln ein digitales Höhenmodell (DHM). Das schneefreie DHM wird vom schneebedecktem DHM subtrahiert und daraus resultiert die Schneehöhenverteilung (Jörg et al., 2006). Die folgenden Arbeiten untersuchten die Qualität der vom TLS erstellten Höhenmodelle.
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Ziel der Arbeit von Wallensteiner (2007) war die Erstellung von hochaufgelösten DHM. Diese DHM dienten als Grundlage zur Lawinensimulation des EU-Projekts GALAHAD. Zur Verfeinerung des Höhenmodells wurden Methoden der terrestrischen Vermessung verwendet. Neben der neuen Methode des TLS und dem Global Positioning System (GPS) wurde auch noch die geodätische Vermessung mittels einer Totalstation (Theodolit) benutzt. Die Daten aus dem DHM und den drei Vermessungsmethoden wurden zu einem Höhenmodell kombiniert, das zur Simulation von Lawinen verwendet wurde. Zum Vergleich der DHM wurde eine quantitative Geländeanalyse durchgeführt. Die Qualität der Lasermessungen wurde durch geodätische Aufnahmen überprüft.
Adams (2008) untersuchte verschiedene Interpolationsmethoden. Diese Methoden berechnen aus den unregelmäßig verteilten Einzelmessungen ein DHM mit regelmäßigem Gitter. Seine Ergebnisse zeigen, dass die Algorithmen „Linear Interpolation“ und die „Regularised Spline with Tension“ für diese Zwecke am geeignetsten sind.
Sailer et al. (2008) untersuchten die Massenbilanz einer Lawine im Beobachtungsgebiet und optimierten das Simulationsmodell SAMOS (Snow Avalanche Modelling and Simulation; Sampl und Zwinger, 2004). SAMOS ist ein dreidimensionales Lawinensimulationsmodell, das sowohl die Bewegung des Fließ- als auch des Staubanteils einer Lawine berechnet. Für die Massenbilanzuntersuchungen wurden die Messungen des TLS verwendet. Die TLS Daten und eine Serie von Dichtemessungen ermöglichte eine sehr genaue Bestimmung der Anbruchmasse. Analog dazu wurde auch die Masse der Ablagerungen ermittelt. Die Masse des Schnees, die während des Lawinenabgangs erodiert wurde, war somit bekannt. Dies ermöglichte es das Modell SAMOS optimal zu parametrisieren.
Mit Hilfe des SAR lässt sich das Schneewasseräquivalent über einen Hang bestimmen (Guneriussen et al., 2001). Die technischen Daten des GB-SAR am TÜPL Lizum/Walchen werden von Luzi et al. (2009) beschrieben.
Schaffhauser et al. (2008) kombinierten die Messungen von GB-SAR und TLS, um die Eigenschaften der Schneedecke, wie Schneehöhendifferenzen und Schneewasseräquivalent sowie mittlere Schneedichten, zu bestimmen.
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3. Untersuchungsgebiet
Das Untersuchungsgebiet liegt etwa 20 km südöstlich von Innsbruck, der Landeshauptstadt von Tirol in Österreich (Adams, 2008; Abbildung 3.1).
Abbildung 3.1: Ostalpen (hellgrau), Tuxer Alpen (gelb). Einteilung basierend auf einer Übereinkunft der Alpenvereine von 1984. Aufgebaut auf der "Moriggl-Einteilung" aus dem Jahr 1924 (Quelle: http://www.wikimedia.org).
Das Untersuchungsgebiet befindet sich am Ende des Wattentales, wo der Talboden eine Höhe von ca. 2020 m ü. M. erreicht, und ringsum von Bergen umgeben ist. Das Wattental ist ein südliches Seitental des Inntales, und zweigt bei Wattens vom Unterinntal ab (Abbildung 3.2).
Abbildung 3.2: Lage des Untersuchungsgebietes (Quelle: Wallensteiner, 2007). 4
Es hat etwa eine Länge von 9,5 km, bevor das Mölstal in eine südwestliche Richtung bei Walchen abzweigt. Das Wattental wird vom Wattenbach durchflossen. Die Tuxer Voralpen sind eine Untergruppe der Zentralalpen in den Ostalpen. Der höchste Gipfel ist der Lizumer Reckner (2886 m ü. M.) zwischen der Wattener Lizum und dem Navistal.
Im äußeren Teil des Tales erstrecken sich die beiden Streusiedlungen der Gemeinden Wattenberg und dem Ortsteil von Wattens „Vögelsberg“ (Wattenberg, 2009).
Im Talschluss befindet sich die Wattener Lizum mit dem Truppenübungsplatz (TÜPL) Lizum/Walchen des Österreichischen Bundesheeres. Die Wattentaler Lizum wird im Volksmund auch Wattener Lizum bezeichnet. Lizum bedeutet: Almgebiet am Talschluss.
Die Wattener Lizum gehört zum Gemeindegebiet Wattenberg (Gesamtfläche: 67,71 km²). Die Wattener Lizum ist Ausgangspunkt für Wanderungen und Skitouren mit relativ sanften, teils aber lawinengefährdeten Hängen im Bergkranz (Abbildung 3.3).
Die Abbildung 3.3 zeigt den Nordosthang in der Wattener Lizum. An diesem Hang befinden sich die automatischen Wetterstationen die die Daten für diese Arbeiten lieferten. Im nächsten Kapitel wird dies ausführlicher beschrieben. Im Vordergrund befindet sich die Lizumer Hütte des Alpenvereins. Hinter der Lizumer Hütte liegt die Sonntagsrinne. Vom Joch oberhalb der Sonntagsrinne Richtung Süden (links) zu den Tarntalerköpfen befindet sich die Gratstation (G). Der vorgelagerte Felsrücken bildet eine Ebene für die Station Plateau (P). Die Station Hang (H) ist links unterhalb der Station Plateau errichtet. Die Station Fernerkundung ist in diesem Bildausschnitt nicht zu sehen.
P G
H
Abbildung 3.3: Untersuchungsgebiet mit Lizumer Hütte (Quelle: Wallensteiner, 2007).
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4. Messdaten
Im Rahmen des EU-Projektes GALAHAD errichtete das BFW ein gut ausgestattetes Stationsnetz. Teile davon sind derzeit noch in Betrieb. Vier automatische Wetterstationen wurden in der Wattener Lizum aufgebaut. Der folgende Abschnitt gibt einen Überblick über die Anordnung der Stationen, die unterschiedliche Bestückung der Stationen und die technischen Details der Sensoren.
4.1. Lage der Stationen
Drei Stationen liegen ausschließlich am Nordosthang (Abbildung 4.1). Dies sind die Station Plateau, Hang und Grat. Die Station Fernerkundung, die im Talboden liegt, befindet sich am Fuße des Gegenhangs, der nach Nordwesten ausgerichtet ist. Das Wattental selbst ist nordsüdgerichtet und mündet im Norden ins Inntal. Zusätzlich ist in der Abbildung 4.1 die Station Tarntalerboden eingezeichnet. Diese Station wurde erst im Herbst 2009 errichtet, daher fließen die Daten nicht in
diese Arbeit ein.
Abbildung 4.1: Lageskizze der Messstationen in der Wattener Lizum. 6
4.1.1. Station Fernerkundung (2045 m)
Die Station erhielt ihren Namen, weil wenige Meter südlich, auf einem Fundament die Fernerkundungsgeräte (Projekt GALAHAD) installiert waren (Abbildung 4.2). Eine Holzhütte schützte die Fernerkundungsgeräte vor Witterungseinflüssen und diente zur Montage von Webkamera und anderem. An der Westseite der Hütte konnte die Seitenwand geöffnet werden, um den Fernerkundungsgeräten freie Sicht auf den Beobachtungshang zu gewähren.
Abbildung 4.2: Hütte mit Fundament schützt die Fernerkundungsgeräte des Projektes GALAHAD (TLS, GB- SAR, Webkamera) vor Witterungseinflüssen. Im Hintergrund der Gittermast der Messstation Fernerkundung (Foto: BFW).
Die Station Fernerkundung, die einige Meter entfernt von der Fernerkundungshütte liegt, besteht aus einem 7 Meter hohen Gittermast der Firma Campbell (Abbildung 4.3). Daran befindet sich ein 6 Meter langer Ausleger (Richtung SSE), welcher am Ende abgestützt wird.
Abbildung 4.3: Gittermast mit Ausleger der Messstation Fernerkundung (Foto: BFW). 7
Für die Datenerfassung wurde der Universal-Logger CR10X der Firma Campbell verwendet. Das Messintervall war eine Sekunde, und das Speicherintervall 10 Minuten. Die Datenübertragung verlief via GSM-Modem (Global System for Mobile Communications) der Firma Campbell, über das A1 Mobilfunknetz. Das Österreichische Bundesheer stellte eine permanente Stromversorgung sicher. Ein Bleiakku diente dazu um kurze Spannungsunterbrechungen zu überbrücken. Tabelle 4.1 stellt eine Auflistung der verwendeten Sensoren dieser Station dar.
Messgrösse Typ Hersteller Windgeschwindigkeit und - Propelleranemometer Young richtung Lufttemperatur und -feuchte HMP 45 C Vaisala Strahlungsschutz künstlich ventiliert Gill Schneehöhe Ultraschallsensor Judd Oberflächentemperatur IR-Thermometer, IRTS-P Campbell Globalstrahlung Pyranometer CM21, ventiliert Kipp & Zonen reflektierte kurzwellige Strahlung Pyranometer CM21 Kipp & Zonen atmosphärische Gegenstrahlung Pyrgeometer CG4, ventiliert Kipp & Zonen langwellige Ausstrahlung Pyrgeometer CG4 Kipp & Zonen Luftdruck Setra CS100 Campbell
Tabelle 4.1: Sensoren der Messstation Fernerkundung.
Die einzelnen Sensoren werden später im Abschnitt 4.3. im Detail betrachtet.
4.1.2. Station Plateau (2345 m)
Diese gut ausgestattete Station liegt etwa auf halber Höhe des Nordosthanges (Abbildung 4.1 und 4.4). Damit diese Station nicht von natürlichen oder künstlich ausgelösten Lawinen bedroht wird, ist sie auf einem Plateau errichtet worden. Daher kommt auch der Name der Station. Die Datenerfassung und Datenübertragung erfolgt wie an der Station Fernerkundung mit einem Campbell Datenlogger und einem GSM-Modem. An dieser Station erfolgt die Stromversorgung mit Hilfe einer Solaranlage, wobei die Ventilation der Temperatur- und Feuchtemessung von einer autarken Solaranlage mit einem zusätzlichen Akku (40 Ah) bewerkstelligt wurde.
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Abbildung 4.4: Gittermast mit Sensoren und Solarzellen der Messstation Plateau (Foto: BFW).
Die Tabelle 4.2 zeigt eine Auflistung der verwendeten Sensoren der Station Plateau. Im Unterschied zur Station Fernerkundung fand hier keine Oberflächentemperaturmessung statt, und es wurden Strahlungsmessgeräte der Firma Schenk verwendet.
Messgrösse Typ Hersteller
Windgeschwindigkeit und - Propelleranemometer Young richtung Lufttemperatur und – feuchte HMP 45C Vaisala Strahlungsschutz, künstlich ventiliert Gill Schneehöhe Ultraschallsensor Judd Globalstrahlung Pyranometer Schenk reflektierte kurzwellige Strahlung Pyranometer Schenk atmosphärische Gegenstrahlung Pyrradiometer Schenk langwellige Ausstrahlung Pyrradiometer Schenk
Tabelle 4.2: Sensoren der Messstation Plateau.
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4.1.3. Station Grat (2529 m)
Diese Station befindet sich am Grat zwischen den Tarntalerköpfen und den Klammspitzen (Abbildung 4.1 und 4.5). Die Grat-Station wurde errichtet, um die Schneedrift und die damit verbundene Akkumulation von Schnee in kammnahen Anbruchgebieten besser abschätzen zu können. Sie ergänzt die vorher angeführten Stationen. Die Sensoren zur Messung der Lufttemperatur und –feuchte wurden nicht künstlich ventiliert. Die Gründe dafür sind, dass erstens die Station überwiegend im Schatten liegt. Daher ist der Strahlungsfehler gering, und eine Solaranlage müsste entsprechend groß dimensioniert werden um genügend Strom zu liefern. Zweitens ist die Station durch ihre Lage am Grat einer höheren natürlichen Ventilation durch den Wind ausgesetzt.
Abbildung 4.5: Station Grat mit Windgeber, Temperatur- und Feuchtesensor, Solarzellen, Kasten mit Datenlogger und –übertragung, sowie Antenne (Foto: BFW).
Die Tabelle 4.3 zeigt eine Auflistung der verwendeten Sensoren der Station Grat.
Messgrösse Typ Hersteller
Windgeschwindigkeit und - richtung Propelleranemometer Young Lufttemperatur und – feuchte MP 408A Rotronic Strahlungsschutz, unventiliert Young
Tabelle 4.3: Sensoren der Station Grat. 10
4.1.4. Station Hang (2160m)
Die Station Hang wurde errichtet, um die Messwerte des TLS und des GB-SAR zu verifizieren (Abbildung 4.1 und 4.6). Das bedeutet, dass die Station im Sichtfeld der Fernerkundungsinstrumente errichtet wurde. Die Messung der Schneehöhe am geneigten Hang diente vor allem zur Verifikation der ermittelten Schneehöhe der Fernerkundungsgeräte.
Abbildung 4.6: Station Hang mit Schneehöhensensor, Windgeber, Solarzelle und Antenne (Foto: BFW).
Die Tabelle 4.4 zeigt eine Auflistung der verwendeten Sensoren der Station Hang.
Messgrösse Typ Hersteller
Windgeschwindigkeit und – richtung Propelleranemometer Young Schneehöhe Ultraschallsensor Judd
Tabelle 4.4: Sensoren der Station Hang.
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4.2. Messperioden
Mit den Messungen wurde im Winter 2005/2006 begonnen. Als erstes wurde die Station Plateau errichtet (Start der Messungen Dezember 2005), und danach die Station Fernerkundung (Start der Messungen Februar 2006). Im Winter 2005/2006 waren nur diese beiden Stationen in Betrieb.
Im Winter 2006/2007 kamen die zwei Stationen Hang und Grat dazu. Allerdings zerstörte eine künstlich ausgelöste Lawine die Station Hang im April 2007. Die Station Hang wurde nicht mehr neu aufgebaut.
Im Winter 2007/2008 vernichtete ebenfalls eine Lawine die Station Plateau. Dies war im März 2008.
Im Winter 2008/2009 war nurmehr die Station Fernerkundung im Betrieb.
Im Sommer wurden alle Stationen abgebaut, da keine Daten benötigt wurden, und um Schäden durch Blitzschlag zu vermeiden.
Einen Überblick über die Messperioden aller Stationen gibt Abbildung 4.7. Die Abszisse zeigt die einzelnen Monate von September bis Juni. In jedem Monat sind die jeweiligen Wochen dargestellt. Auf der Ordinate sind die vier Stationen in jedem Jahr zu finden. Beginnend mit der Gratstation (orange), dann die Station Plateau (blau), danach die Station Hang (rot) und zuletzt die Station Fernerkundung (grün). Die farbigen Balken markieren Bereiche an denen Messungen stattgefunden haben. Was an den jeweiligen Stationen gemessen wurde ist in den Tabellen 4.1 bis 4.4 zu finden.
0 0 1 2 2 0 1 2 2 0 1 1 2 0 0 1 2 2 0 1 1 2 0 0 1 2 0 0 1 2 3 0 1 2 2 0 1 1 2 0 0 1 2 1 8 5 2 9 6 3 0 7 3 0 7 4 1 8 5 2 9 5 2 9 6 2 9 6 3 2 9 6 3 0 6 3 0 7 4 1 8 5 1 8 5 2 Grat
05/06
06/07
07/08
08/09
Plat- eau
05/06
06/07
07/08
08/09
Hang
05/06
06/07
07/08
08/09
Fern.
05/06
06/07
07/08
08/09
0 0 1 2 2 0 1 2 2 0 1 1 2 0 0 1 2 2 0 1 1 2 0 0 1 2 0 0 1 2 3 0 1 2 2 0 1 1 2 0 0 1 2 Tag 1 8 5 2 9 6 3 0 7 3 0 7 4 1 8 5 2 9 5 2 9 6 2 9 6 3 2 9 6 3 0 6 3 0 7 4 1 8 5 1 8 5 2 September Oktober November Dezember Jänner Februar März April Mai Juni
Abbildung 4.7. Zeiträume der Messungen der Stationen Fernerkundung (grün), Hang (rot), Plateau (blau), Grat (orange). 12
4.3. Beschreibung der Sensorik
Die nächsten Unterkapitel dienen dazu, einen genaueren Einblick über die verwendeten Sensoren an den einzelnen Stationen zu erhalten. Die technischen Daten stammen aus den jeweiligen Betriebsanleitungen der Hersteller.
4.3.1. Lufttemperatur und Luftfeuchte
Zur Lufttemperatur und -feuchtemessung an der Station Fernerkundung und Plateau wurde ein Sensor der Firma Vaisala (Typ: HMP 45C) verwendet (Abbildung 4.8). An der Gratstation kam ein Sensor der Firma Rotronic (Typ: MP 408A) zum Einsatz.
Der HMP 45C zeichnet sich durch seine Langzeitstabilität und den geringen Stromverbrauch aus (Campbell Scientific, 2009). Der Sensor verwendet den Vaisala HUMICAP-Luftfeuchte-Chip. Er ist unempfindlich gegen Staub und besitzt eine sehr hohe Genauigkeit. Der HMP 45C verwendet PRT (Platinum Resistance Temperature detector PT1000, Klasse B) zur Temperaturmessung und einen kapazitiven RH – Chip (Relative Humidity) zur Luftfeuchtemessung.
Technischen Daten des Sensors:
Durchmesser: 24 mm Länge: 240 mm Temperaturmessbereich: - 40 °C bis + 60 °C Genauigkeit der Temperaturmessung: ± 0,5 °C bei – 40 °C und ± 0,2 °C bei + 20 °C Genauigkeit der Luftfeuchte: ± 2 % RH zwischen 10 und 90 % RH ± 3 % RH zwischen 90 und 100 % RH Temperaturabhängigkeit der relativen Feuchtemessung: ± 0,05 % RH/°C Ansprechzeit: 0,15 s
Abbildung 4.8: HMP 45C Sensor (Quelle: www.campbellsci.co.uk). 13
Die künstliche Ventilation der Temperatur- und Feuchtemessung an den Stationen Fernerkundung und Plateau erfolgte mit dem Strahlungsschutz von Gill (Campbell Scientific, 2006 a; Abbildung 4.9).
Dieser Strahlungsschutz besteht aus einem weißen thermoplastischen Material, das niedrige Wärmeleitfähigkeit und einen Strahlungsschutz bietet. Das Ansaugrohr ist von konzentrischen nach unten weisenden Schilden umgeben. Der Sensor, der in der Mitte des Rohres senkrecht nach oben weist, ist somit vor direkter Sonneneinstrahlung geschützt. Im Dauerbetrieb wird Luft in das Schild und über den Sensor gesogen, wodurch der Strahlungsfehler minimiert wird. Dies ermöglicht Lufttemperatur mit einem RMS-Fehler (root mean square) von weniger als ± 0,2 °C zu messen.
Technische Daten:
Durchflussgeschwindigkeit: 3 - 7 m/s Temperaturbereich: ± 50 °C Strahlungsfehler: < 0,2°C Lebenserwartung: 80 000 Stunden bei + 25 °C
Abbildung 4.9: 43408 Gill Strahlungsschutz (Quelle: www.campbellsci.com).
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Zur Temperatur und Feuchtemessung an der Gratstation wurde ein MP 408A der Firma Rotronic (Rotronic, 2009) verwendet. Dies ist ein Fühler mit einem linearen Stromausgang. Dieser Fühler zeichnet sich durch seine Resistenz und Langzeitstabilität aus. Der Temperatursensor ist ein PT100.
Technische Daten
Temperaturbereich: - 40 °C bis 60 °C Genauigkeit bei 23 °C: ± 1,5 % RF, 0,3 °C Ansprechzeit: 12 bis 15 s
An der Station Grat fand keine künstliche Ventilation statt. Als Strahlungsschutz (Abbildung 4.10) kam das Strahlungsschild der Firma Young (Typ: 41003-X) zum Einsatz (Campbell Scientific, 2006 b). Dieser Strahlungsschutz besteht aus 10 weißen Lamellen, und schützt den Temperatur- und Feuchtesensor vor Strahlung und Niederschlag. Die Luft kann durch die Lamellenkonstruktion ungehindert durchströmen. Das Material des Strahlungsschutzes ist für hohe Reflektivität, niedrige thermische Leitfähigkeit und maximale Witterungsbeständigkeit entwickelt.
Technische Daten
Strahlungsfehler bei 1080 W/m²: 0,4 °C bei 3 m/s 0,7 °C bei 2 m/s 1,5 °C bei 1 m/s
Abbildung 4.10: Strahlungsschutz von Young (Quelle: www.campbellsci.com).
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4.3.2. Luftdruck
An der Station Fernerkundung wurde bei der Luftdruckmessung ein kapazitiver Drucksensor verwendet. Kapazitive Sensoren machen sich die Abstandsänderung zweier Kondensatorplatten in Abhängigkeit vom Druck zunutze (ChemgaPedia, 2009; Abbildung 4.11). Eine der beiden Kondensatorplatten besteht aus einer verformbaren Membran. Durch die Änderung des Drucks verformt sich diese, und es ändert sich der Abstand zur zweiten Kondensatorplatte und somit die Kapazität des Kondensators.
Abbildung 4.11: Funktionsprinzip eines kapazitiven Drucksensors (Quelle: www.ChemgaPedia.mht).
Vorteile von kapazitiven Sensoren sind:
hohe Genauigkeit und Empfindlichkeit einfacher, robuster Aufbau hohe Temperaturstabilität gut für dynamischen Einsatz geeignet
Nachteile sind:
Kabel mit hoher Isolation erforderlich Staub- und feuchteempfindlich
Der CS 100 der Firma Campbell besteht aus einem robusten Kunststoffgehäuse und verwendet den kapazitiven Sensor Setraceram von Setra mit einer integrierten Analogschaltung, um den barometrischen Druck zwischen 600 hPa und 1100 hPa zu messen (Campbell Scientific, 2008; Abbildung 4.12).
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Das Analogsignal wird direkt von einem Datenlogger aufgezeichnet. Der CS 100 hat eine Auflösung von 0,01 hPa und eine Genauigkeit von ± 1,5 hPa bei - 20°C bis + 50°C. Um Kondenswasserbildung zu vermeiden muss der Sensor in einem geschützten Gehäuse mit Trockenmitteln installiert werden. Er darf aber nicht „hermetisch“ geschlossen montiert werden um immer noch den Umgebungsdruck zu erkennen.
Abbildung 4.12: CS 100 barometrischer Drucksensor (Quelle: www.campbellsci.co.uk).
4.3.3. Strahlung
Kurzwellige Strahlung
Bei der Messung der kurzwelligen Strahlung wird zwischen der Globalstrahlung (einfallende direkte und diffuse Sonnenstrahlung) und der an der Erdoberfläche reflektierten kurzwelligen Sonnenstrahlung unterschieden (z.B. Hupfer und Kuttler, 2006). Daher werden für die Messung der kurzwelligen Strahlung Sensoren benötigt, die die von oben einfallende Strahlung, sowie die von der Erde reflektierte Strahlung, messen.
Die Globalstrahlung wurde mittels eines Pyranometers an den Stationen Fernerkundung und Plateau gemessen. Ein Pyranometer ist ein Sensor zur Messung der Strahlungsflussdichte (W/m²) mit einem Sichtfeld von 180°. Pyranometer erfassen im Idealfall die aus dem Halbraum über dem Sensor eintreffende Globalstrahlung. Das Pyranometer besteht aus einer Abdeckung, einem Glasdom, das es vor Umwelteinflüssen schützt, und aus einer geschwärzten Thermosäule. Die Thermosäule absorbiert die einfallende Strahlung und erwärmt sich dadurch. Daraus resultiert eine Temperaturdifferenz zum Gehäuse des Pyranometers, die mittels Thermoelement erfasst und in eine der Strahlungsmenge proportionale Spannung konvertiert wird. Das Ausgabesignal ist mittels eines Kalibrierfaktors direkt proportional zur Bestrahlungsstärke (W/m²). Der messbare Spektralbereich hängt von der Durchlässigkeit des Glasdomes ab. 17
An der Station Fernerkundung wurde ein Pyranometer CM21 von Kipp & Zonen verwendet (Abbildung 4.13), und an der Station Plateau ein Pyranometer der Firma Schenk.
Das Pyranometer CM21 (Kipp & Zonen, 2004 a) kann die Bestrahlungsstärke (Strahlungsflussdichte (W/m²)) nicht nur auf einer ebenen Oberfläche messen sondern auch auf einer geneigten Oberfläche. Um nur die diffuse Komponente der Sonnenstrahlung zu messen, kann die direkte Sonnenstrahlung halbautomatisch durch einen Schattenring vom Pyranometer abgeschirmt werden. Das CM21 zeichnet sich durch seine geringe Störanfälligkeit und Rauschempfindlichkeit aus. Das CM21 ist zudem gering temperaturempfindlich und hat eine geringe Nichtlinearität. Bei der Aufstellung des Pyranometers ist zu beachten, dass keine Hindernisse oberhalb der Ebene des Fühlerelementes sind.
Technische Daten des Pyranometer CM21:
Reaktionszeit (Zeit bis zu 95% Ansprechen) < 5 s Einfallswinkel: 180° (2 π sr) Spektralbereich: 305 - 2800 nm (50 % Punkte) 335 - 2200 nm (95 % Punkte) Richtungsfehler (Ansprechen auf Lichtbündel): ± 10 W/m² Temperaturansprechen: ± 1 % (- 20 °C bis + 50 °C) Neigungsfehler: ± 0,25 % Spektrale Selektivität: ± 2 % (0,35 μm bis 1,5 μm) Nichtlinearität: ± 0,25 % Abweichung bei 500 W/m²
Abbildung 4.13: Pyranometer CM 21 (Quelle: www.kippzonen.com).
Für die reflektierte kurzwellige Strahlung wurde ein zweites CM21 nach unten gerichtet montiert.
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Das Pyranometer der Firma Schenk kam an der Plateaustation zum Einsatz. Zur Erfassung der Globalstrahlung und der reflektierten kurzwelligen Strahlung wurde ein Albedometer Modell 8104 (Schenk, 1991 a) der Firma Schenk eingesetzt (Abbildung 4.14). Dieses sogenannte Doppelpyranometer dient der Erfassung des Reflexionsvermögens (Albedo) des Bodens in Prozenten. Es ermittelt auch die kurzwellige Strahlungsbilanz. Hierbei sind zwei Sternpyranometer direkt miteinander verbunden. Somit wird jeweils ein Signal für den oberen und den unteren Halbraum verfügbar. Die Signale des nach oben gerichteten Pyranometers und des nach unten gerichteten Pyranometers wurden getrennt voneinander vom Datenlogger aufgezeichnet. Das Messprinzip besteht darin, dass die Temperaturdifferenz mittels Thermosäulen zwischen 6 weißen und 6 schwarzen Empfängerflächen ermittelt wird. Die Temperaturdifferenz der schwarzen und weißen Empfängerflächen wird mit einer an der Unterseite der Fläche angebrachten Temperatursäule aufgenommen. Die Thermosäule gibt eine elektrische Spannung ab, die 15 μV/(W/m²) beträgt, bei einem Innenwiderstand von ca. 30 Ohm. Wichtig für eine genaue Messung ist die Wartung des Sensors. Die Glaskuppeln müssen sauber und trocken sein.
Technischen Daten des Albedometer 8104:
Spektralbereich: 0,3 … 3 μm Empfängerflächen: 2 x 6 schwarze und 6 weiße Kupferplättchen Messbereich: 15 μV/(W/m²) … 0 bis 1500 W/m² Empfindlichkeit: < 1 W/m² Innenwiderstand: ca. 30 Ohm Gehäuse: Metall lackiert Abdeckung: Halbkugelschale aus geschliffenem optischem Glas Umgebungstemperatur: - 40 °C bis + 60 °C Temperaturabhängigkeit: ± 0,03 %/K Ansprechzeit: 20 s auf 95 % des Endwertes
a) b) Abbildung 4.14: Albedometer Model 8104 (Quelle: Schenk, 1991 a) a), (Foto: BFW) b). 19
Langwellige Strahlung:
Bei der terrestrischen (langwelligen) Strahlung wird zwischen der gesamten terrestrischen Strahlung von oben (atmosphärische Gegenstrahlung) und der gesamten langwelligen Strahlung von unten (Ausstrahlung der Erdoberfläche + terrestrische Reflexstrahlung) unterschieden (z.B. Kraus, 2001). Daher wird auch hier ein nach oben gerichteter und ein nach unten gerichteter Sensor benötigt.
An der Station Fernerkundung wurde zur Messung der langwelligen Strahlung ein Pyrgeometer der Firma Kipp & Zonen (Typ: CG4) verwendet. Das nach oben gerichtete Instrument wurde künstlich ventiliert (Abbildung 4.15).
An der Station Plateau fanden zwei Pyrradiometer der Firma Schenk (Typ: 8111) Anwendung. Diese Sensoren wurden nicht künstlich ventiliert (Abbildung 4.16).
Das CG4 wurde für die zuverlässige, genaue meteorologische Messung der langwelligen Strahlung entwickelt (Kipp & Zonen, 2003). Es erzeugt eine Spannung die in direkter Relation zur Nettostrahlung im Infrarot steht. Daraus kann die nach unten gerichtete Langwellenstrahlung berechnet werden. Aus diesem Grund ist das CG4 zusätzlich mit einem Thermistor versehen, um die Gerätetemperatur zu messen. Das Instrument ist mit einer Siliziumabdeckung ausgestattet, welche die Transmission langwelliger Strahlungskomponenten erlaubt. Obwohl dieses Fenster nicht halbkugelförmig ist, verfügt es über ein Sichtfeld von 180° bei einem vernachlässigbaren Richtungsfehler. Auf der Innenseite des Siliziumdomes blockiert ein Blindfilter die Solarstrahlung unter 4,5 μm. Eine witterungsbeständige Aussenbeschichtung schützt den Dom vor Umwelteinflüssen. Bei der Aufstellung des CG4 ist zu beachten, dass sich keine Sichthindernisse über dem Sensorelement befinden. Für eine akkurate Messung der Strahlung ist eine genaue Ausrichtung der Thermosäulenoberfläche notwendig. Weitere technische Details des CG4 sind in Kapitel 8 in Anhang A.
Abbildung 4.15: Pyrgeometer CG4 (Quelle: Kipp & Zonen, 2003). 20
Das Pyrradiometer der Firma Schenk (Typ: 8111) besteht aus einem massiven Messkörper aus Leichtmetall mit 2 Trockenbehältern (Schenk, 1991 b).
An der Ober- und Unterseite des Messkörpers befinden sich die beiden geschwärzten Empfängerflächen. Jede der beiden Empfängerflächen ist durch eine Lupolenkuppel abgeschirmt und wasserdicht verschlossen. Jedes Pyrradiometer ist mit einem elektrischen Widerstandsthermometer zur Messung der Instrumententemperatur versehen. Diese Temperatur ist die Bezugstemperatur für die Messung der Strahlungsströme vom oberen und unteren Halbraum. Die Strahlungsströme werden thermoelektrisch gemessen; sie beruhen also auf der Messung einer Temperaturdifferenz. Weitere technische Details des Pyrradiometer 8111 sind in Kapitel 8 in Anhang B.
Abbildung 4.16: Pyrradiometer 8111 (Quelle: www.schenk.co.uk).
Abbildung 4.17: Zwei Pyrgeometer (links) und zwei Pyranometer (rechts) an der Station Fernerkundung (Foto: BFW).
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4.3.4. Windgeschwindigkeit und Windrichtung
Die Windgeschwindigkeit und –richtung wurde an allen vier Stationen mit einem Propelleranemometer der Firma Young (Typ 05103) gemessen (Abbildung 4.18).
Der Windmonitor 05103 misst horizontale Windgeschwindigkeit und –richtung (Campbell Scientific, 2005). Der Windgeschwindigkeitssensor ist ein Vier-Blatt-Propelleranemometer und die Propellerumdrehungen erzeugen eine induzierte Wechselspannung mit einer Frequenz, die direkt proportional zur Windgeschwindigkeit ist. Der Windrichtungssensor ist eine robuste und leichtgewichtige Windfahne mit einer Genauigkeit von 3°, die selbst unter variierenden Windverhältnissen zuverlässig arbeitet. Die Windrichtung wird über ein präzises Potentiometer erfasst, das in einem abgedichteten Gehäuse installiert ist. Das Gehäuse, der Propeller und die Innenteile bestehen aus UV-stabilisiertem Kunststoff-Spritzguss. Vorteile dieses Anemometers sind seine robuste und korrosionsbeständige Ausführung, sein geringes Gewicht und sein geringer Strombedarf.
Technische Daten:
Messbereich: 0 bis 100 m/s Genauigkeit: ± 0,3 m/s 0 bis 360°; Genauigkeit: ± 3° Anlaufgeschwindigkeit: 1,0 m/s (Propeller und Fahne) Einsatzbereich: - 50 °C bis + 50 °C
Abbildung 4.18: Windgeber 05103 (Quelle: Campbell Scientific, 2005).
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4.3.5. Oberflächentemperatur
Die Oberflächentemperatur wurde nur an der Station Fernerkundung gemessen, und dies mit einem IR-Thermometer der Firma Campbell (Typ: IRTS-P; Abbildung 4.19).
Das IRTS-P ist ein Präzisions-IR-Thermometer, das berührungslos die Bodenoberflächentemperatur durch Messen der IR-Strahlung, angibt (Campbell Scientific, 2006 c). Es misst die emittierte langwellige Strahlung eines Körpers. Das Ausgabesignal entsteht durch ein Typ-K-Thermoelement. Um kurzfristige Temperaturschwankungen des Instrumentes zu vermeiden ist das Gehäuse aus Aluminium. Die Gehäusetemperatur wird separat mit einem zweiten Thermoelement gemessen.
Technische Daten:
Genauigkeit: ± 0,2 °C von 15°C bis 35 °C ± 0,3 °C von -10 °C bis 55°C ± 0,1 °C, wenn Sensor und Ziel bei der gleichen Temperatur sind Reaktionszeit: < 1 s Wellenlängenbereich: 6 bis 14 μm
Abbildung 4.19: IRTS-P Sensor (Quelle: www.campbellsci.co.uk).
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4.3.6. Schneehöhe
Die Schneehöhe wurde an den Stationen Fernerkundung, Plateau und Hang gemessen. Ein Ultraschallsensor der Firma Judd (Judd Communication Depth Sensor) wurde dazu verwendet (Abbildung 4.20). Dieser Sensor ist eine günstige Lösung für Schneehöhenmessung (Judd, 2009). Der Sensor misst die Zeit, die ein Ultraschall-Impuls braucht, um vom Sensor zur Oberfläche und wieder retour gestreut zu werden. Ein integrierter Temperaturfühler, der vor Sonneneinstrahlung geschützt ist, misst gleichzeitig die Lufttemperatur. Da die Schallausbreitung temperaturabhängig ist, dient diese Lufttemperaturmessung zur Korrektur. Ein eingebetteter Microcontroller führt eine grobe Fehlerprüfung durch.
Technische Daten:
Messbereich: 0,5 m bis 10 m Genauigkeit: ± 1 cm Auflösung: 3 mm Temperaturbereich: - 40 °C bis + 70 °C Temperatursensor Genauigkeit: ± 0,5 °C, - 40°C bis + 85°C Temperatursensor Auflösung: 0,5 °C
a) b)
Abbildung 4.20: Judd Ultraschallsensor (Quelle: www.judd.com) a), und Judd Ultraschallsensor am Montagearm (Foto: BFW) b).
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Eine abschließende Abbildung zu den Sensoren zeigt den Messaufbau an der Station Plateau (Abbildung 4.21). Ganz oben befindet sich der Windgeber, direkt darunter ist die Solarzelle für den Datenlogger und die Ventilation. Am langen Ausleger befindet sich der Ultraschallsensor. Links im Vordergrund befinden sich der Temperatur- und Feuchtesensor mit Strahlungsschutz. Darunter im Vordergrund sind die Strahlungsgeber.
Abbildung 4.21: Station Plateau mit Windgeber, Solarzellen für Datenlogger und Ventilation, Ultraschallsensor, Temperatur- und Feuchtesensor mit Strahlungsschutz und Ventilation, Strahlungsgeber (Foto: BFW).
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5. Probleme der Messungen – Qualitätskontrolle
In den nächsten Unterkapiteln wird auf die Probleme bei den Messungen eingegangen. Es wird erläutert, wie versucht wurde, Fehler und Messungenauigkeiten zu beheben bzw. welche Korrekturen vorgenommen wurden, um möglichst genaue Messdaten zu erhalten.
Eine erste Qualitätsprüfung die alle meteorologischen Parameter betrifft wurde anhand der automatisch standardisierten Grafiken, welche im Internet passwortgeschützt zur Verfügung standen, gemacht. Anhand dieser Grafiken wurde täglich eine subjektive Plausibilisierung der Daten durchgeführt.
5.1. Schneehöhenmessung
Der Sensor für die Schneehöhenmessung sendet Ultraschallimpulse aus, die von der Schneeoberfläche reflektiert werden. Aus den zurückgestreuten Signalen wird die Laufzeit bestimmt, welche ein Maß für die Entfernung zwischen Sensor und Oberfläche ist. Die Schneehöhe ergibt sich aus der Subtraktion des gemessenen Wertes von der Höhe des Sensors am Mast. Der Sensor wurde so montiert, dass er normal auf die Oberfläche gerichtet ist. Der Ultraschallsensor von Judd hat einen Öffnungswinkel von 22° (Judd Communications LLC, 2009). Über dem Kreis der durch die Ultraschallkeule abgedeckt ist ergibt sich ein Mittelwert für die Schneemächtigkeit. Der Einfluss der Schneehöhe auf die Kreisfläche der Ultraschallkeule wird in Kapitel 8 in Anhang C beschrieben.
Die Ausbreitung des Schalls ist von der Temperatur des Mediums abhängig. Aus diesem Grund wird der Sensor der Firma Judd mit einem Temperaturfühler ausgestattet. Dieser Temperatursensor ist durch ein weißes Kunststoffrohr vor direkter Strahlung geschützt (Abbildung 4.19). An den Stationen Fernerkundung und Plateau stand eine höherwertige Temperaturmessung zur Verfügung, da an diesen Stationen eine künstliche Ventilation der Temperaturmessung stattfand. Um die Schneehöhenmessung zu verbessern wurde an diesen beiden Stationen diese Lufttemperaturmessung herangezogen (Fromm, 2008).
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Die Schneehöhe 푠푑 (cm) wird mit Gleichung (1) berechnet.
푇 푠푑 = 푠푑 1 + 푎𝑖푟 Gl. (1) 푇푎𝑖푟 푆푒푛푠표푟 273,15
푠푑푇푎𝑖푟 ist die Schneehöhe bei gegebener Lufttemperatur 푇푎𝑖푟 (°C).
푠푑푆푒푛푠표푟 ist die Schneehöhe die der Sensor liefert, welcher von einer Lufttemperatur von 0° C ausgeht.
Die Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit von der Luftfeuchtigkeit ist deutlich geringer als von der Temperatur. Sie wurde daher vernachlässigt.
Während Niederschlags- und Schneedriftperioden bewegen sich Schneepartikel zwischen Sensor und Oberfläche. Diese Partikel streuen die Ultraschallsignale. Einerseits kann es dadurch zu einer Mehrfachreflexion kommen, was die Laufzeit vergrößert; andererseits wird durch Reflexion des Signals am Schneepartikel die Laufzeit verringert. Daraus folgt ein stark streuender Schneehöhenverlauf. Um solche Datenausreisser zu eliminieren, wurde eine erste Korrektur vorgenommen. Dabei wird gefordert, dass der Messwert innerhalb zweier Grenzwerte liegen muss. Liegt der gemessene Schneehöhenwert innerhalb der beiden Grenzwerte so erfüllt er Gleichung (2), und wird als korrekter Messwert akzeptiert. Die Grenzwerte wurden empirisch ermittelt. Der Einfluss des Koeffizienten 푘 wird in Kapitel 8 in Anhang D diskutiert.
푠푑푡0 − 푘 ∆푡 < 푠푑푡1 < 푠푑푡0 + 푘 ∆푡 Gl. (2)
푠푑푡0 entspricht dem Schneehöhenwert (cm) zum Zeitpunkt 푡0, was dem letzten akzeptierten Wert entspricht.
푠푑푡1 ist die Schneehöhe (cm) des nächsten Zeitschritts.
∆푡 (s) ist jene Zeit, die vom letzten akzeptierten Messwert bis 푡1 verstrichen ist.
Liegt der Messwert außerhalb der Grenzwerte, so wird 푠푑푡0 beibehalten und ∆푡 um den nächsten Zeitschritt erhöht.
푘 entspricht 0,49.
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5.2. Strahlungsmessung
5.2.1. Negative Werte
Grundsätzlich können keine negativen Werte der kurzwelligen Strahlung auftreten. Jedoch wurden in der Nacht zeitweise negative Werte aufgezeichnet. Zurückzuführen ist dies auf Ungenauigkeiten der Sensoren. Bei der Datenauswertung wurden Werte, die geringfügig kleiner Null waren, auf Null gesetzt. Deutlich negative Werte wurden als Fehlerwerte interpretiert.
5.2.2. Schneeablagerungen
Ein weiteres Problem für die Strahlungssensoren stellen Schneeablagerungen dar. Dies ist in der Abbildung 5.1 deutlich zu sehen.
Abbildung 5.1: Schneeablagerung auf den Strahlungsgebern der Station Fernerkundung am 11. Dezember 2006 (Foto: BFW).
Ein Beispiel dazu zeigen die Messungen vom 19. Dezember 2006 und 20. Dezember 2006 (Abbildung
5.2).
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Abbildung 5.2: Strahlungsverlauf der einfallenden (schwarz) und reflektierten (rot) kurzwelligen Strahlung, der atmosphärischen Gegenstrahlung (grün) und der langwelligen Ausstrahlung (dunkelblau), der kurzwelligen Strahlungsbilanz (orange), der langwelligen Bilanz (hellblau) und der Gesamtstrahlungsbilanz (punktiert), am 19. Dezember 2006, und am 20. Dezember 2006.
An den Tagen vor dem 19. Dezember 2006 hat es geschneit, und Schnee hat sich auf den nach oben gerichteten Strahlungssensoren abgelagert. Dadurch ist der Anteil der reflektierten kurzwelligen Strahlung höher als der der einfallenden kurzwelligen Strahlung. Bei der langwelligen Strahlungsmessung sind die Hinweise auf Schneeablagerungen auf den Sensoren nicht so eindeutig erkennbar. In den meisten Fällen ist die atmosphärische Gegenstrahlung geringer als die langwellige Ausstrahlung. Die Schneeoberflächentemperatur ist meist höher als die Temperatur der Wolkenuntergrenze. Liegt nun auf dem langwelligen Strahlungsgeber Schnee, so werden für die langwellige Ausstrahlung und die atmosphärische Gegenstrahlung ähnliche Werte erreicht.
Der 20. Dezember 2006 war ein sonniger Tag. Durch die intensive Sonneneinstrahlung und die damit verbundene Erwärmung konnte bereits am Vormittag der Schnee anschmelzen und von den Strahlungssensoren abrutschen. Der Verlauf der kurzwelligen Strahlung weist ab hier auf einen sonnigen Tag hin. Die einfallende kurzwellige Strahlung (퐾푊푒𝑖푛 ) ist höher als die reflektierte kurzwellige Strahlung (퐾푊푎푢푠 ), und hat ihr Maximum zur Mittagszeit, zu Sonnenhöchststand.
Aus diesem Grund wird eine Korrektur der Globalstrahlung angewendet. Dabei wird angenommen, dass die Albedo maximal 0,9 erreichen kann, was einem Wert einer Neuschneeoberfläche entspricht (Fromm, 2008).
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Wird aus den Messwerten eine Albedo größer 0,9 errechnet, dann wird die Globalstrahlung mittels Gleichung (3) bestimmt.
퐾푊푎푢푠 퐾푊푒𝑖푛 = Gl.(3) 푎푚푎푥
푎푚푎푥 stellt die maximal mögliche Albedo dar.
Dabei wird davon ausgegangen, dass bei Schneeablagerung auf dem Sensor, somit bei Schneefall, die höchste Albedo auftritt.
5.2.3. Schneereste am Boden
Wie in Kapitel 5.2.2. angeführt, rutscht auf den Sensoren abgelagerter Schnee mit der Erwärmung allmählich ab. Dadurch wird die Schneeoberfläche gestört, und es entstehen Abdrücke oder Erhöhungen in der Schneeoberfläche. Um eine Korrektur durchzuführen wären visuelle Beobachtungen erforderlich. In der reflektierten kurzwelligen Strahlung wirkt sich dies aus. Diese Unebenheiten werfen einen Schatten im Sichtfeld der Strahlungsgeber, was die Albedo erniedrigt.
5.2.4. Abspannseil
Zu Stabilisationszwecken wurde der Gittermast der Station Fernerkundung mit drei Seilen abgespannt (Abbildung 4.16). Diese wurden an vorhandenen Felsblöcken mittels Bohrhaken befestigt. Ein Abspannseil verlief Richtung SSE und warf dadurch kurzzeitig einen Schatten auf die Strahlungssensoren (Abbildung 5.3). Die Abschattung war kurz vor dem Sonnenhöchststand, allerdings wirkte sie sich nur gering auf die Messung aus. Die Pfeile in Abbildung 5.3 deuten auf die Auswirkungen des Schattenwurfs in der einfallenden kurzwelligen Strahlung hin. In der Messung der reflektierten Strahlung ist dies nicht zu finden. Nach dem ersten Messwinter wurde die Konstruktion des Auslegers, an dem die Strahlungsgeber montiert waren, so verändert, dass dieses Phänomen nicht mehr auftrat.
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Abbildung 5.3: Gemessene kurzwellige Strahlung an der Station Fernerkundung. Ein Abspannseil des Mastens wirft einen Schatten auf die Sensoren (Pfeil; Quelle: BFW).
5.2.5. Ventilation
Die nach oben gerichteten Strahlungsgeber der Station Fernerkundung wurden permanent ventiliert. Das vermindert die Reif- und Taubildung an den Sensoren. Beim Pyranometer ist Reif und Tau an der äußeren Halbkugel ein starker Lichtstreuer und erhöht somit das Pyranometersignal. Beim Pyrgeometer wird die Messung der atmosphärischen Gegenstrahlung aufgrund von Absorption der Infrarotstrahlung durch Reif und Tau erhöht. An der Station Plateau fand keine künstliche Ventilation statt, da kein Stromanschluss gegeben war. Der oben angeführte Effekt spielt somit eine größere Rolle.
5.2.6. Silikagel
Vor dem Winterbeginn wurde an beiden Stationen (Fernerkundung und Plateau) ein trockenes Silikagel eingesetzt. Dieses entzieht der Luft Feuchtigkeit und verhindert somit Feuchtigkeitsbildung an der Innenseite des Glasdoms. Bei Verfärbung des Silikagels sollte es ausgetauscht werden. Da der Zustieg zur Station Plateau während des Winters nicht möglich ist (unwegsames Gelände, Lawinengefahr), konnte das Silikagel an dieser Station nicht kontrolliert, und somit auch nicht ausgetauscht werden. 31
5.3. Lufttemperatur und Luftfeuchte
5.3.1. Vereisung und technische Probleme
Die künstliche Ventilation der Temperatur- und Feuchtemessung erfolgte mit dem Strahlungsschutz von Gill. Während es an der Station Fernerkundung keine Einschränkungen gab, musste die Ventilation wegen Vereisung der Solarzellen und technischer Probleme der Station Plateau zeitweise abgeschaltet werden.
Die Tabelle 5.1 zeigt die Zeiträume an denen keine künstliche Ventilation an der Station Plateau stattfand.
Keine Ventilation Anfang Ende 24. Dez. 2005 25. Jän. 2006 13. Dez. 2006 19. Dez. 2006 05. Jän. 2007 17. Jän. 2007 30. Jän. 2007 31. Mär. 2007
Tabelle 5.1: Zeiträume ohne künstliche Ventilation an der Station Plateau.
Die Auswirkung der fehlenden Ventilation an der Station Plateau wird anhand eines Beispiels vom 05. März 2007 gezeigt.
Die Abbildung 5.4 zeigt den vertikalen Temperaturverlauf der Station Fernerkundung (unterster roter Punkt) über die Station Plateau (Punkt Mitte) bis zur Station Grat (Punkt oben) an drei aufeinanderfolgenden Tagen (vom 4. März bis 6. März 2007). Dargestellt sind jeweils Mittagswerte der Temperatur (°C). Obwohl an keinem der drei Tage eine künstliche Ventilation erfolgte, ist besonders der 05. März 2007 auffällig. Es scheint, dass sich an diesem Tag eine Inversion ausgebildet hat. An der Station Plateau ist die Temperatur markant höher als an der Station Fernerkundung. Die Temperatur nimmt zur Station Grat wieder ab.
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Abbildung 5.4: Vertikaler Temperaturverlauf an den Stationen Fernerkundung, Plateau und Grat vom 04. März 2007 bis zum 06. März 2007.
Die Abbildung 5.5 zeigt die Zeitreihe vom 03. März. 2007 bis zum 07. März 2007. Dargestellt sind die Windgeschwindigkeit, Windrichtung, Globalstrahlung an der Station Plateau und Temperaturgradienten von der Station Fernerkundung zur Station Grat (blau), von der Station Fernerkundung zur Station Plateau (schwarz) und von der Station Plateau zur Station Grat (rot).
Abbildung 5.5: Zeitreihe der Windgeschwindigkeit, Windrichtung und Globalstrahlung an der Station Plateau, sowie Temperaturgradienten der Stationen Fernerkundung/Grat (blau), Fernerkundung/Plateau (schwarz) und Plateau/Grat (rot).
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Am 05. März 2007 war die Windgeschwindigkeit gering gegenüber den anderen zwei dargestellten Tagen. Somit hat nicht nur die künstliche Ventilation, sondern auch die natürliche Ventilation gefehlt, was sich in den Temperaturgradienten die die Station Plateau betreffen sehr stark bemerkbar macht. Die Temperatur von der Station Fernerkundung zur Station Plateau nimmt zu, und von der Station Plateau zur Station Grat sehr stark ab. Der Grund ist die zu hohe Temperatur an der Station Plateau. Auch in den anderen Tagen, an denen die Windgeschwindigkeit geringer war, spiegelt sich dies wieder. An Tagen an denen die Globalstrahlung höhere Werte aufweist, ist der Effekt noch verstärkt.
Der Einfluss der fehlenden künstlichen Ventilation wirkt sich daher stark auf die Betrachtung der Temperaturgradienten aus. Dadurch werden im Kapitel 6 nur Zeiträume betrachtet an denen an der Station Plateau eine künstliche Ventilation stattgefunden hat, bzw. wird das Fehlen der Ventilation berücksichtigt.
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5.4. Windgeschwindigkeit und Windrichtung
5.4.1. Vereisung
Die Propelleranemometer (Young) vereisten selten, und wenn, dann nur wenige Stunden. Besonders bei Lufttemperaturen um die 0° C, hoher Luftfeuchtigkeit, geringen Windgeschwindigkeiten und unter Umständen leichtem Niederschlag kann sich Eis auf den Windgebern bilden. Das Eis verändert die Aerodynamik des Windgebers. Sowohl die Windgeschwindigkeit, als auch die Windrichtung wird falsch aufgezeichnet. Wenn über einen Zeitraum (> 10 Minuten) die Windgeschwindigkeit exakt Null registriert wird, dann kann von Vereisung ausgegangen werden. Eine Zusammenfassung über die Tage, an denen die Propelleranemometer vereisten gibt die Tabelle 5.2.
Fernerkundung Plateau Hang Grat 28. + 29. Apr. 2006 28. Mär. 2006 14. Mai 2006 27. + 28. Apr. 2006 24. Mai 2006 20. Mai 2006
10. + 11. Dez. 2006 04. + 05. Okt. 2006 07. Dez. 2006 19. Dez. 2006 24. Mär. 2007 17. + 18. Dez. 2006 09. + 10. Dez. 2006 06. Mai. 2007 24. Mär. 2007 24. Mär. 2007 06. + 07. Mai 2007 06. + 07. Mai 2007
25. + 26. Sep. 2007 24. Nov. 2007 24. Nov. 2007 28. Sep. 2007 17. Jän. 2008 17. Jän. 2008 21. Okt. 2007 16. Mär. 2008 21. Mai 2008 24. Nov. 2007 26. + 27. + 28. Mär. 2008 13. Jun. 2008 13. Jän. 2008 17. Jän. 2008 28. Mär. 2008 07. Apr. 2008 15. Apr. 2008 22. Apr. 2008 21. Mai 2008 25. Mai 2008
13. + 14. Nov. 2008 07. + 08. Dez. 2008 12. Dez. 2008 18. + 19. Dez. 2008 07. Mär. 2008 30. Apr. 2008 02. + 03. Mai. 2008
Tabelle 5.2: Tage an denen die Propelleranemometer vereisten.
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5.4.2. Geringe Windgeschwindigkeiten
Für Windgeschwindigkeiten kleiner 1 m/s wurde die Richtungsangabe als Fehlwert interpretiert und in den Analysen nicht weiter berücksichtigt.
5.5. Lawinenereignisse
In Kapitel 2 wurde bereits erwähnt, dass im Rahmen des EU-Projektes GALAHAD die Anwendbarkeit von Fernerkundungsinstrumenten auf lawinenbezogene Fragestellungen untersucht wurde. In diesem Zusammenhang wurden natürliche Lawinenabgänge beobachtet, und einmal pro Winter wurde versucht künstliche Lawinen auszulösen.
Die Standorte der Stationen sind so gewählt worden, dass eine Gefährdung durch Lawinen gering war. Trotzdem zerstörte eine künstlich ausgelöste Lawine die Station Hang am 25. April 2007 (Abbildung 5.7). Am 26. März 2008 wurde die Station Plateau durch eine natürliche Lawine beschädigt. Aufgrund des Schadens nahm das BFW diese Station nicht mehr in Betrieb.
Abbildung 5.6: Künstlich ausgelöste Lawine die die Messstation Hang am 25. April 2007 zerstörte (Foto: BFW).
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6. Ausgewählte meteorologische Parameter – Klimatologie
Die Ziele der Workpackages des Projektes GALAHAD, die im Untersuchungsgebiet am TÜPL Lizum/Walchen bearbeitet wurden, beschäftigen sich ausschließlich mit der Schneedecke (Kapitel 2). In den Sommermonaten sind die automatischen Wetterstationen (AWS) abgebaut worden, um Schäden durch Blitzschlag zu vermeiden. Aus diesem Grund stehen nur Messungen von den Monaten Oktober bis Juni des darauffolgenden Jahres zur Verfügung. Obwohl in der Meteorologie der Winter vom 01. Dezember bis 28./29. Februar definiert wird (z. B. Rocznik, 1984), wird in dieser Arbeit der Winter als Periode von Anfang Oktober bis Ende Juni des darauffolgenden Jahres bezeichnet. Anhand der gewonnenen Messdaten der AWS wird im folgenden Kapitel ein Überblick über den Witterungsverlauf gegeben. Dazu werden statistische Aussagen getroffen und markante Fallbeispiele diskutiert. Des Weiteren werden verschiedene meteorologische Fragestellungen analysiert.
6.1. Statistik der Stationen und Parameter in gemeinsamen Perioden
Grundsätzlich wurde in den Wintern 2005/06 bis 2008/09 gemessen. Die Messungen fanden jedoch nicht durchgehend an allen vier Stationen statt, sondern wurden je nach Erfordernis für das Projekt GALAHAD angepasst. Daraus ergeben sich zwei Perioden in denen nahezu alle meteorologischen Parameter gemessen wurden. Über diese beiden Perioden, vom 13. Oktober 2006 – 26. März 2007 und 13. Oktober 2007 – 26. März 2008, wird im Folgenden eine Statistik erstellt. Als Erstes werden Mittelwerte verschiedener meteorologischer Parameter der einzelnen Stationen miteinander verglichen. Als Nächstes folgen mittlere Tagesgänge der Lufttemperatur und Luftfeuchtigkeit, sowie mittlere Tagesgänge der einzelnen Strahlungskomponenten und der Windgeschwindigkeit.
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6.1.1. Mittelwerte, Standardabweichungen, Minima und Maxima für verschiedene meteorologische Parameter
Für Lufttemperatur (t), relative Luftfeuchte (rh), Schneehöhe (sd), Windgeschwindigkeit (ff) und Windrichtung (dd) werden Mittelwert, Standardabweichung, Minimum und Maximum ermittelt.
Für die Berechnung des Mittelwertes 푥 gilt Gleichung (4).
1 푥 = 푛 푥 Gl. (4) 푛 𝑖=1 𝑖
Für die Berechnung der Standardabweichung (푠) gilt Gleichung (5).
1 푠 = 푛 푥 − 푥 2 Gl. (5) 푛−1 𝑖=1 𝑖
푛 stellt die Anzahl der Werte dar, 푥𝑖 sind die Einzelwerte.
Die Tabelle (6.1) gibt die ermittelten Werte der beiden Perioden wieder.
13. 10. 2006 – 26. 03. 2007 13. 10. 2007 – 26. 03. 2008 Mittel Stdabw. Min Max Mittel Stdabw. Min Max F -0,7 5,2 -17,9 16,8 -3,2 5 -18 12,9 t (°C) P -2,4 5,3 -19,4 13,7 -4,9 5 -19,5 11,3 G -4,7 5,2 -21,3 11,6 -6,9 5,1 -21,6 10,1 rh (%) F 60,6 24,6 7 100 62,7 25,2 7,2 100 P 63,2 27,2 4,5 100 66,3 27,7 5 100 G 64,7 26,5 4 100 67,3 27,8 4,2 100 F 37,3 29,2 0 139 56,2 25,1 0 127,1 sd (cm) P 47,3 39,5 0 200 62,3 31,6 0 51,4 G F 2 1,6 0 10,8 2,1 2 0 14,4 ff (m/s) P 2,8 2,1 0 12,8 2,8 2,3 0 15,1 G 4,8 2,8 0 18,1 5 3,1 0 19,6 F 91 82 dd (°) P 236 234 G 251 251
Tabelle 6.1: Mittelwert, Standardabweichung, Minimum und Maximum der Lufttemperatur (t), relativen Luftfeuchte (rf), Schneehöhe (sd) und Windgeschwindigkeit (ff), sowie Vektormittel der Windrichtung (dd), in den Zeiträumen vom 13. Oktober 2006 – 26. März 2007 und 13. Oktober 2007 – 26. März 2008 für die Stationen Fernerkundung (F), Plateau (P) und Grat (G).
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Für diese Statistik wurden die drei Stationen Fernerkundung (F), Plateau (P) und Grat (G) herangezogen. Die Station Hang wurde nicht betrachtet, da sie nur in einem Messwinter betrieben wurde. Auch fanden an der Station Hang keine Lufttemperatur und Luftfeuchtemessungen statt.
Die Mitteltemperaturen der beiden gemeinsamen Zeiträume zeigen, dass die erste Periode um mehr als 2 °C wärmer war als die zweite. Die Minima waren ähnlich, die Maxima differieren stärker. Die Standardabweichungen lagen in beiden Fällen an allen Stationen bei etwa 5 °C.
Zur Interpretation der mittleren Lufttemperaturgradienten der drei Stationen, müssen die Seehöhen berücksichtigt werden: Station Fernerkundung 2045 m, Station Plateau 2345 m und Station Grat 2529 m. In der ersten Periode ergibt sich zwischen der Station Fernerkundung und Grat ein mittlerer Temperaturgradient von 0,83 °C/100 m. In der zweiten Periode beträgt der Temperaturgradient zwischen Fernerkundung und Grat 0,76 °C/100 m. Auf die Erläuterung und Probleme bei der Bestimmung der Temperaturgradienten wird in Kapitel 6.4 näher eingegangen.
Die relative Luftfeuchtigkeit liegt in beiden Perioden im Mittel zwischen 60 % und 70 %. Tendenziell nimmt sie mit der Höhe zu.
Schneehöhenmessungen fanden nur an der Station Fernerkundung und Plateau statt. Die zweite Periode war die schneereichere. Die Zunahme der Schneehöhe mit der Seehöhe war 2,0 cm/100 m in der ersten Periode, und 3,3 cm/100 m in der zweiten.
Die Windgeschwindigkeiten der betrachteten Perioden weisen ähnliche Werte auf. Die Windgeschwindigkeiten sind an der höher gelegenen Station Grat größer als an den tiefer gelegenen Stationen Plateau und Fernerkundung. Die Station Grat, wie der Name schon sagt, liegt am Grat zu den Tarntalerköpfen und ist daher dem Wind ausgesetzter.
Das Vektormittel der Windrichtungen stellt für beide Perioden ähnliche Werte dar. Es ist aber zu beachten, dass dieses Maß keine signifikante Aussage über die Windrichtungen erlaubt. In Kapitel 6.5 wird auf die Windrichtungen der einzelnen Stationen näher eingegangen.
Die Tabelle 6.2 zeigt den Mittelwert, die Standardabweichung, das Minimum und Maximum der einzelnen Strahlungskomponenten, sowie die mittlere Sonnenscheindauer in Stunden/Tag für die Station Fernerkundung in den zwei Perioden.
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Fernerkundung 13. 10. 2006 – 26. 03. 2007 13. 10. 2007 – 26. 03. 2008 Mittel Stdabw Min Max Mittel Stdabw Min Max KWein (W/m²) 50,8 135,2 0 1002,6 76,5 152,8 0 954,5 KWaus (W/m²) 43,2 107,3 0 775,8 60,1 113,1 0 766,6 LWein (W/m²) 240,6 40,2 144,9 327,6 241,9 42,2 143,6 323,4 LWaus (W/m²) 281,9 20,8 212,1 344,8 282,8 25,2 200,8 413,8 Sonnenscheindauer 3,08 4,81 (Stunden/Tag)
Tabelle 6.2: Mittelwert, Standardabweichung, Minimum und Maximum der kurzwelligen Einstrahlung, kurzwelligen Reflexion, atmosphärischen Gegenstrahlung und langwelligen Ausstrahlung an der Station Fernerkundung, für die Perioden vom 13. Oktober 2006 – 26. März 2007 und 13. Oktober 2007 – 26. März 2008. Mittlere Sonnenscheindauer in Stunden/Tag für die Station Fernerkundung.
Das Mittel der kurzwelligen Einstrahlung ist in der zweiten Periode um mehr als 20 W/m² höher als in der ersten Periode. Wird die Sonnenscheindauer betrachtet, so ist in der zweiten Periode, im Mittel an die zwei Stunden pro Tag mehr Sonne, als in der ersten Periode.
Das Mittel der kurzwelligen Reflexion ist im zweiten betrachteten Zeitraum um mehr als 15 W/m² höher als im ersten Zeitraum. In der zweiten Periode liegt schon ab Mitte Oktober Schnee, in der ersten Periode erst ab November. Dies trägt zu diesem höheren Mittelwert der reflektierten kurzwelligen Strahlung bei.
Die mittlere atmosphärische Gegenstrahlung und langwellige Ausstrahlung der ersten und zweiten Periode unterscheiden sich kaum. Die Minima und Maxima der einzelnen Perioden weichen allerdings etwas voneinander ab, was sich im Mittel aber wieder ausgleicht.
6.1.2. Mittlerer Tagesgang der Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit und Oberflächentemperatur
In den Abbildungen 6.1 werden mittlere Tagesgänge der Lufttemperatur (°C) und der relativen Luftfeuchtigkeit (%) für die Stationen Fernerkundung a), Plateau b) und Grat c), sowie die Oberflächentemperatur an der Station Fernerkundung, dargestellt.
Betrachtet werden die mittleren Tagesgänge über die beiden gemeinsamen Perioden vom 13. Oktober 2006 – 26. März 2007 und 13. Oktober 2007 – 26. März 2008.
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a) b)
c)
Abbildung 6.1: Mittlerer Tagesgang (MEZ) der Lufttemperatur (° C) und der relativen Luftfeuchtigkeit (%), für die Perioden vom 13. Oktober 2006 – 26. März 2007 und 13. Oktober 2007 – 26. März 2008, für die Station Fernerkundung a), Plateau b) und Grat c), sowie Oberflächentemperatur (°C) für die Station Fernerkundung a).
Der mittlere Tagesgang der Lufttemperaturen weist an allen drei Stationen einen ähnlichen Verlauf auf. Die Temperatur erreicht ihren maximalen Wert zur Mittagszeit. An der im Talboden befindlichen Station Fernerkundung ist das Maximum der Lufttemperatur geringfügig später, was auf die Lage der Station zurückzuführen ist. Direkte Sonneneinstrahlung an der Station Fernerkundung erfolgt tageszeitlich später als an den beiden anderen Stationen (Abbildung 6.4). Generell nehmen die Amplituden der mittleren Temperaturtagesgänge mit der Seehöhe ab. Werden die Stationen Fernerkundung und Grat betrachtet, zeigt sich dies. Die Amplitude des mittleren Tagesganges ist an der Station Grat geringer als an der Station Fernerkundung. Wird dazu die Station Plateau verglichen, die zwischen diesen beiden Stationen liegt, fällt auf, dass an der Station Plateau der mittlere Tagesgang aber am größten ist. Die Ursache dafür ist, dass an der Station Plateau die Ventilation der Lufttemperatur für einen längeren Zeitraum ausgefallen ist. Dies spiegelt sich in der Betrachtung der Amplituden wieder. Daher sind Werte dieser Station mit Vorsicht zu analysieren und werden im Folgenden nur selten näher betrachtet.
Der mittlere Tagesgang der Oberflächentemperatur an der Station Fernerkundung zeigt einen sinusförmigen Verlauf, mit dem Maximum zur Mittagszeit. Die Amplitude der Oberflächentemperatur ist größer als die der Lufttemperatur, wodurch die Temperaturdifferenz der Lufttemperatur und Oberflächentemperatur zur Mittagszeit abnimmt.
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Die mittlere Luftfeuchtigkeit der beiden Perioden liegt an allen drei Stationen zwischen 60 % und 70 %. Sie nimmt zur Mittagszeit leicht ab, was sich mit der Lufttemperaturzunahme deckt. Der mittlere Tagesgang ist an der Station Fernerkundung ausgeprägter als an der Station Grat.
6.1.3. Mittlerer Tagesgang der einzelnen Strahlungskomponenten
In der Abbildung 6.2 ist der mittlere Tagesgang der Strahlung (W/m²) an der Station Fernerkundung für die Perioden vom 13. Oktober 2006 – 26. März 2007 und 13. Oktober 2007 – 26. März 2008 dargestellt.
Abbildung 6.2: Mittlerer Tagesgang der Strahlung (W/m²), an der Station Fernerkundung, für die Perioden vom 13. Oktober 2006 – 26. März 2007 und 13. Oktober 2007 – 26. März 2008. Kurzwellige Einstrahlung (rot), reflektierte kurzwellige Strahlung (grün), atmosphärische Gegenstrahlung (dunkelblau), langwellige Ausstrahlung (hellblau), Gesamtstrahlungsbilanz (schwarz).
Die kurzwellige Einstrahlung (Globalstrahlung) zeigt am Tage einen sinusförmigen Verlauf, und ist bei Nacht Null. Sie erreicht im Mittel maximale Werte knapp über 300 W/m². Die reflektierte kurzwellige Strahlung hat einen ähnlichen Verlauf, die Amplituden sind aber geringer. Die maximalen Werte liegen etwas unterhalb 250 W/m². Die atmosphärische Gegenstrahlung nimmt im Lauf des Tages geringfügig zu, und liegt bei etwa 240 W/m². Die mittleren Werte der langwelligen Ausstrahlung nehmen im Lauf des Tages etwas stärker zu. Die mittleren Werte der langwelligen Ausstrahlung liegen zwischen 270 W/m² und 300 W/m². Die Zunahme der langwelligen Strahlungskomponenten im Laufe des Tages ist auf den Anstieg der Luft- und Bodenoberflächentemperatur zurückzuführen (Kraus, 2001). 42
Somit sind die mittleren Werte der langwelligen Ausstrahlung um etwa 50 W/m² höher als die der atmosphärischen Gegenstrahlung. Dadurch bleibt die mittlere langwellige Strahlungsbilanz den ganzen Tag über negativ. Die Gesamtstrahlungsbilanz verläuft während des Tages sinusförmig. Sie ist in der Nacht negativ, da die kurzwellige Bilanz Null ist. Die maximalen Werte der Gesamtstrahlungsbilanz liegen bei etwa 50 W/m².
6.1.4. Mittlerer Tagesgang der Windgeschwindigkeit
Die Abbildung 6.3 zeigt den mittleren Tagesgang der Windgeschwindigkeit an den Stationen Fernerkundung, Plateau, Hang und Grat für die Perioden vom 13. Oktober 2006 – 26. März 2007 und 13. Oktober 2007 – 26. März 2008.
Abbildung 6.3: Mittlerer Tagesgang der Windgeschwindigkeit für die Perioden vom 13. Oktober 2006 – 26. März 2007 und 13. Oktober 2007 – 26. März 2008, an der Station Fernerkundung (schwarz), Hang (blau), Plateau (rot) und Grat (grün).
Aus den mittleren Tagesgängen der Windgeschwindigkeit der einzelnen Stationen lässt sich keine Periodizität feststellen. Zu erkennen sind die mittleren höheren Windgeschwindigkeiten an den Stationen Plateau und Grat.
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6.2. Sonnenstand und Sonnenscheindauer
Der Einfluss der Sonneneinstrahlung ist ein wichtiger Faktor bei der Betrachtung von klimatologischen Parametern. Daher ist es sinnvoll die Intensität und Dauer der Sonnenstrahlung näher zu betrachten. Dazu werden zuerst allgemein gebräuchliche Definitionen erläutert.
Die astronomische Sonnenscheindauer ist die maximal mögliche Zeitspanne an einem gewissen Breitengrad, in der direkte Sonneneinstrahlung herrscht, ohne Einfluss von Bewölkung und bei ebenem Horizont. Sie hängt zudem von der Jahreszeit ab (z. B. Häckel, 1999).
Die örtlich effektive Sonnenscheindauer ist die maximale Sonnenscheindauer unter Berücksichtigung der Horizontüberhöhung (Gebirge).
Die tatsächliche Sonnenscheindauer berücksichtigt zusätzlich die verkürzte Sonnenscheindauer durch die Bewölkung.
Die relative Sonnenscheindauer ist der Anteil der tatsächlichen Sonnenscheindauer an der effektiv möglichen Sonnenscheindauer in Prozenten.
Die Sonnenhöhe ist die Erhebung der Sonne über dem Horizont, also der Winkel zwischen dem direkten Sonnenstrahl und der Horizontalebene.
Im Folgenden wird die Sonnenscheindauer an den einzelnen Messstationen in Abhängigkeit von der Lage, der Jahreszeit und der Tageszeit betrachtet.
Die Stationen liegen etwa in 47° 15´ nördlicher Breite und 11° 38´ östlicher Länge. Die Abbildung 6.4 zeigt die astronomische Sonnenscheindauer für diese geographische Lage. Auf der Abszisse sind die Monate eines Jahres aufgetragen. Die Ordinate entspricht der Tageszeit in MEZ (Mitteleuropäische Normal-Zeit). Dargestellt sind Isolinien gleicher Sonnenhöhe. Die Sonnenhöhe Null entspricht dem Sonnenauf- bzw. Sonnenuntergang. Grau schattierte Flächen markieren die Nachtstunden (negative Sonnenhöhen). Zum Sonnenhöchststand, zur Sommersonnenwende, wird eine maximale Sonnenhöhe von
ℎ푚푎푥 = 66,3 ° erreicht.
Die maximale Sonnenhöhe wird in Gleichung (6) berechnet.
ℎ푚푎푥 = 90 ° − 휑 + 훿 Gl. (6)
휑 ist die geographische Breite und 훿 die Deklination der Sonne (am 21. 12.: -23,5 °, am 21. 06.: +23,5° und am 21. 03 und 23. 09.: 0). 44
Am 21. Dezember, am kürzesten Tag des Jahres, wird eine maximale Sonnenhöhe von ℎ푚푎푥 = 19,4 ° erreicht. Die Sonnenscheindauer lässt sich am Schnitt entlang eines Tages (parallel zur y-Achse in Abbildung 6.4) ablesen.
Abbildung 6.4: Sonnenhöhe über einer ebenen Fläche, als Funktion des Tages im Jahr und der Uhrzeit, für 47° 15´ N, 11° 38´ E.
Als Nächstes werden die Geländeeffekte berücksichtigt. Dazu wird die Horizontlinie für einen beliebigen Punkt (Standort der gefragten Station) berechnet. Für jeden Gitterpunkt des digitalen Geländemodells werden der Azimutwinkel und der Höhenwinkel zur betreffenden Station berechnet. Für jeden Azimutwinkel wird der maximale Höhenwinkel gesucht. Diese beschreiben nun die Horizontlinie. Für jeden Zeitpunkt eines Tages wird die Sonnenposition bestimmt. Die Berechnung der Sonnenposition wird in Stull (2000) detailliert beschrieben. Je nach Azimut der Sonne wird überprüft ob die Sonnenhöhe unter– oder oberhalb der Horizontlinie liegt.
Die Abbildungen 6.5 zeigen die Sonnenhöhe als Funktion des Tages an den Stationen Fernerkundung a), Plateau b) und Grat c). Durch die zeitliche und räumliche Diskretisierung ergibt sich der gezackte Verlauf der Sonnen- /Schattengrenze (Übergang weiss/grau).
45
a)
b)
c)
Abbildung 6.5: Sonnenhöhe als Funktion des Tages im Jahr und der Uhrzeit, unter Berücksichtigung des Geländes, für die Stationen Fernerkundung a), Plateau b) und Grat c).
46
Für die effektive Sonnenscheindauer spielt die Geländeform der Umgebung eine große Rolle. In jedem Fall verkürzt sich dadurch die Sonnenscheindauer gegenüber der astronomischen Sonnenscheindauer. Der Geländeeffekt an der Station Grat (Abbildung 6.5 c) variiert während des Jahres besonders stark. Im Dezember liegt die Station den ganzen Tag über im Schatten. Von Mitte Mai bis Anfang Oktober wird die Sonne kaum durch die umliegenden Berge verdeckt.
Im Gegensatz dazu wird die Sonnenscheindauer an der Station Fernerkundung (Abbildung 6.5 a) während des ganzen Jahres verringert. Die Ursache dafür ist der Standort im Talboden und die relativ hohen Berge im Osten und Westen. Die Station Fernerkundung wird an keinem Tag im Jahr während des ganzen Tages aufgrund der Topographie abgeschattet (siehe auch Abbildung 6.6 a).
An der Station Plateau (Abbildung 6.5 b) verhält es sich ähnlich wie an der Station Fernerkundung. Jedoch ist im Spätherbst und Winter der Sonnenuntergang bereits vor Mittag.
Eine andere Art der Darstellung zeigen die Abbildungen 6.6. Zu sehen ist der Tagesgang der Sonne an vier ausgewählten Tagen, anhand von Azimut und Höhenwinkel, wiederum an der Station Fernerkundung a), Plateau b) und Grat c). Der grau hinterlegte Bereich entspricht der tatsächlichen Geländeform an der jeweiligen Station. Die vier Termine geben den Zeitpunkt der Sonnenwenden und der Tag- und Nachtgleiche wieder. Die Zahlenwerte entlang der Sonnenbahn geben die Uhrzeit (MEZ) an.
a)
47
b)
c)
Abbildung 6.6: Tagesgang der Sonne an den Stationen Fernerkundung a), Plateau b) und Grat c).
Es ist deutlich zu sehen, dass bei tiefem Sonnenstand die Station Grat (Abbildung 6.6 c) komplett im Schatten der Tarntaler Köpfe liegt, die Station Plateau (Abbildung 6.6 b) nur kurz beschienen wird, und die Station Fernerkundung (Abbildung 6.6 a) die meiste Sonne erhält. An der Station Fernerkundung geht die Sonne zu jeder Jahreszeit, am spätesten auf, was auf die Lage der Station im Talboden zurückzuführen ist. Die längste Sonnenscheindauer wird im Sommer an der Station Grat, mit über 15 Stunden, erreicht.
48
6.3. Strahlung
Als Strahlungsbilanz wird die Summe der einfallenden und ausgehenden Strahlungsflüsse bezeichnet (z. B. Hupfer und Kuttler, 2006). Während die Strahlungsbilanz des Systems Erde/Atmosphäre im raum-zeitlichen Mittel als ausgeglichen angesehen werden kann, gilt das für die Atmosphäre und die Erdoberfläche im Einzelnen nicht. Die Strahlungsbilanz der Erdoberfläche (푆퐵) ergibt sich aus Gleichung (7).
푆퐵 = 퐾푊퐵 + 퐿푊퐵 Gl. (7)
퐾푊퐵 entspricht der kurzwelligen Bilanz, und 퐿푊퐵 der langwelligen Bilanz.
Die kurzwellige Bilanz 퐾푊퐵 berechnet sich aus Gleichung (8).
퐾푊퐵 = 퐾푊푒𝑖푛 − 퐾푊푎푢푠 Gl. (8)
Mit 퐾푊푒𝑖푛 wird die einfallende direkte und gestreute Sonnenstrahlung, die Globalstrahlung, bezeichnet, und 퐾푊푎푢푠 ist die an der Erdoberfläche (hier Schneeoberfläche) reflektierte Sonnenstrahlung.
Gleichung (9) beschreibt die langwellige Strahlungsbilanz.
퐿푊퐵 = 퐿푊푒𝑖푛 − 퐿푊푎푢푠 Gl. (9)
Dabei bezeichnet 퐿푊푒𝑖푛 die atmosphärische Gegenstrahlung und 퐿푊푎푢푠 die Ausstrahlung der Erd- bzw. Schneeoberfläche.
An den Stationen Fernerkundung und Plateau wurden Strahlungsmessungen durchgeführt. Da an der Station Fernerkundung höherwertige Strahlungssensoren zum Einsatz kamen (siehe Kapitel 4.3.3.), werden im folgenden Abschnitt die Strahlungsflüsse an der Station Fernerkundung betrachtet.
Es wird auf die Gesamtstrahlungsbilanzen aller Winter, an der Station Fernerkundung anhand der Abbildungen 6.7, eingegangen. Auf der Abszisse ist das Datum aufgetragen, auf der Ordinate die Uhrzeit. Die farbige Skala gibt die Strahlungsbilanz in W/m² wieder. Gelb-orange-rote Bereiche deuten auf eine positive Gesamtstrahlungsbilanz hin, blaue Bereiche stellen eine negative Bilanz dar. Weiße Flächen kennzeichnen Tage an denen keine Messung stattfanden. 49
In der Nacht ist die kurzwellige Bilanz, aufgrund der fehlenden Sonnenstrahlung, gleich Null. Die Gesamtstrahlungsbilanz (푆퐵) in der Nacht ist somit nur auf die langwellige Bilanz zurückzuführen. Positive Werte in der Nacht bedeuten, dass die langwellige Einstrahlung grösser ist als die langwellige Ausstrahlung. Dies ist vor allem bei dichter Bewölkung oder Nebel der Fall. Die langwellige Bilanz in der Nacht ist bei klarem Himmel, bzw. geringerer Bewölkung negativ. Klare Nächte zeigen dunkelblaue Werte in der Grafik (Abbildung 6.7), da dort die langwellige Ausstrahlung hohe Werte aufweist.
Am Tag kommt die kurzwellige Bilanz zur Gesamtstrahlungsbilanz hinzu. Orange-rote Werte zeigen eine positive Gesamtstrahlungsbilanz mit höheren Strahlungswerten. Vor allem bei ganztägiger Sonneneinstrahlung mit niedriger Albedo ist dies der Fall. Wie sich in der Abbildung 6.7 sehen lässt, finden sich solche Tage vor allem im Frühjahr. Dort ist die mögliche Sonnenscheindauer an der Station Fernerkundung bis zu 10 Stunden. Parallel dazu nimmt die Albedo aufgrund der Ausaperung und dunkler werdenden Schneeoberflächen ab.
a) b)
c) d)
Abbildung 6.7: Gesamtstrahlungsbilanz der Station Fernerkundung in den Wintern 2005/06 a), 2006/07 b) 2007/08 c) und 2008/09 d).
50
Bei der genaueren Betrachtung der Abbildung 6.7 lässt sich erkennen, dass die einzelnen Winter eine ähnliche Charakteristik in der Gesamtstrahlungsbilanz aufweisen. Die Anzahl der Stunden pro Tag mit positiver Gesamtstrahlungsbilanz nimmt im Laufe des Winters bis zum Frühjahr hin zu. Die Intensität der kurzwelligen Strahlung steigt zum Frühjahr hin an.
Die Tagesmittel der Gesamtstrahlung zeigen diesen Trend deutlich (Abbildung 6.8).
a) b)
c) d)
Abbildung 6.8: Zeitreihe der Gesamtstrahlungsbilanz in W/m² an der Station Fernerkundung in den Wintern 2005/06 a), 2006/07 b), 2007/08 c) und 2008/09 d).
In allen Wintern beginnt in der zweiten Märzhälfte die Bilanz positiv zu werden. Die Wintermonate sind von einer negativen Gesamtstrahlungsbilanz gekennzeichnet. Die höchsten positive Werte weist das Frühjahr 2006/07 auf. Von Mitte April weg war es in diesem Jahr sehr sonnig. Nur vereinzelte Cumulusbewölkung (Webcambilder) hat dies unterbrochen, was an der starken Streuung im Mai erkennbar ist. Die positiven Bilanzen im Dezember der Winter 2006/07 und 2008/09 entstanden, weil auch in den Nachtstunden die langwelligen Bilanzen positive Beiträge lieferten (Abbildung 6.7). Ursache dafür sind tiefe Bewölkung bzw. Nebel. Bilder einer Webcam und hohe relative Luftfeuchtigkeit belegen dies.
51
6.3.1. Albedo
Die Albedo 푎 ist das Verhältnis der reflektierten Sonnenstrahlung 퐾푊푎푢푠 zur einfallenden Sonnenstrahlung 퐾푊푒𝑖푛 (z. B. Barry und Chorley, 2010; Gleichung (10)).
퐾푊푎푢푠 푎 = Gl. (10) 퐾푊푒𝑖푛
Die Albedo 푎 wird in Prozent angegeben. Sie ist stark von der Oberflächenbeschaffenheit der bestrahlten Fläche abhängig, sowie vom Einfallswinkel der Sonnenstrahlung (Liljequist und Cehak, 1984). Je dunkler eine Fläche ist, umso kleiner ist seine Albedo. Die Albedo von Schnee wächst mit abnehmender Sonnenhöhe (Kuhn, 1984).
Stellt die Oberfläche eine Schneefläche dar, so ist die Albedo abhängig von der Schneebeschaffenheit. Die Korngröße, der Wassergehalt und die Verschmutzung des Schnees wirken sich auf die Albedo aus (z. B. Gabl, 1996). Einige Richtwerte zur Albedo des Schnees stellt die Tabelle 6.3 dar.
Neuschnee, trocken 90 – 95% Reflexion Altschnee, trocken, sauber 70 – 80% Altschnee, nass (Firn) 50 – 80% Schnee, schmutzig unter 50% Gletschereis 30 – 40%
Tabelle 6.3. Typische Werte der Albedo für Schnee.
Die Albedo des Schnees weist einen Tagesgang und einen Jahresgang auf. Sie ist im Winter größer als im Sommer, und generell in hohen Breiten größer als in niederen Breiten.
Es wird nun versucht, Aussagen über die Albedo zu machen die das Untersuchungsgebiet in der Wattener Lizum betreffen.
Der jahreszeitliche Gang der Albedo an der Station Fernerkundung ist in Abbildung 6.9 dargestellt. Die Albedo weist in den Wintermonaten hohe Werte auf, die dennoch stark variieren. Neuschneefälle bzw. Schneedrift, lassen sich gut anhand der Albedo lokalisieren (Abbildung 6.9). Dies ist beispielsweise im Mai gut zu erkennen. Im Mai waren bereits große Fläche aper. Am 6. Mai hat es noch einmal geschneit und die Albedo steigt stark an.
52
Nach einem Neuschneefall, sinkt die Albedo mit der Alterung des Schnees. Ab April beginnt die Albedo im Mittel zu sinken. Der Wassergehalt, die Verschmutzung und die Korngrösse des Schnees steigen, was zu einer geringeren Albedo führt. Zusätzlich schmilzt der Schnee und es apert aus. Die dunkleren Flächen vermindern die Albedo stark.
Abbildung 6.9: Tagesmittel der Albedo an der Station Fernerkundung im Winter 2006/07; Schneefall am 6. Mai 2007 an der Station Fernerkundung (Foto: BFW).
Für den Tagesgang der Albedo lässt sich schwerer eine Aussage treffen. Wegen der eingeschränkten Sonneneinstrahlung aufgrund der Abschattung durch die Gebirge, kann der Tagesgang der Albedo nur für einen eingeschränkten Zeitraum des Tages betrachtet werden. Der Standort der Station Fernerkundung ist zudem nicht ganz horizontal ausgerichtet, was sich auf den Tagesgang der Albedo stark auswirkt. Der Hang weist eine leichte Nordwestneigung auf. In Abbildung 6.9 wirkt sich die leichte Hangneigung nicht so stark aus, da Tagesmittel verwendet wurden. Die starke Auswirkung der Hangneigung auf die Albedo ist in Abbildung 6.10 anhand des 13. März 2007 dargestellt.
Abbildung 6.10: Tagesgang der Albedo am 13. März 2007 an der Station Fernerkundung.
Es lässt sich erkennen, dass die Werte der Albedo von den Morgenstunden an stetig steigen. Dieses Phänomen wurde in der Arbeit von Suter (2001) ebenfalls beobachtet.
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6.3.2. Langwellige Strahlung
Die langwellige Strahlungsbilanz 퐿푊퐵 setzt sich aus der langwelligen Einstrahlung 퐿푊푒𝑖푛 und der langwelligen Ausstrahlung 퐿푊푎푢푠 zusammen.
Die langwellige Ausstrahlung der Oberfläche, auch terrestrische Ausstrahlung, lässt sich mit dem Stefan-Boltzmann Gesetz berechnen (z. B. Stull, 2000; Gleichung (11)).
4 퐿푊푎푢푠 = 휀 휎 푇0 Gl. (11)
휀 ist das Emissionsvermögen; es kann für Schnee ε = 0,98 gesetzt werden.
휎 ist die Stefan-Boltzmann Konstante mit einem Wert von 휎 = 5,67 10-8 W/m2 K4.
Mit 푇0 wird die Oberflächentemperatur in Kelvin bezeichnet.
An der Station Fernerkundung fanden zusätzlich zu den Strahlungsmessungen Oberflächentemperaturmessungen mittels eines IR-Thermometer statt (Kap. 4.3.5.). Aus den Messungen der langwelligen Ausstrahlung lässt sich die Oberflächentemperatur mittels Umformung der Gleichung (11) ebenfalls bestimmen. Die beiden Oberflächentemperaturen werden, in der nächsten Abbildung 6.11, miteinander verglichen.
Abbildung 6.11: Vergleich der Oberflächentemperatur des IR-Thermometers und der berechneten Oberflächentemperatur aus der langwelligen Ausstrahlung (gemessen mit dem Pyrgeometer) an der Station Fernerkundung im Winter 2008/09. 54
Auf der Abszisse sind die berechneten Oberflächentemperaturen des Pyrgeometers aufgetragen, auf der Ordinate die gemessenen Temperaturen des IR-Thermometers. Die Abweichung von der roten Diagonale zeigt die Differenz der beiden Messmethoden. Es ist zu sehen, dass die Werte beider Messungen nicht genau übereinstimmen. Ein Grund kann der nicht exakte Wert für das Emissionsvermögen des Schnees sein. Dies würde allerdings nur einen geringen Teil ausmachen, und ist daher eher auszuschliessen. Als Zweites kann die Eichung der langwelligen Sensoren angesehen werden. Die Eichung erfolgte vom Hersteller bei etwa 20 °C, und wurde nicht für die kälteren Bedingungen nachgeeicht.
Etwas komplizierter ist die Ermittlung der langwelligen Einstrahlung (퐿푊푒𝑖푛). Die langwellige Einstrahlung, auch atmosphärische Gegenstrahlung ist sehr stark von der Bewölkung abhängig (z. B. Stull, 1988). Die langwellige Einstrahlung steigt mit der Bewölkung. Bei tiefer Bewölkung ist die atmosphärische Gegenstrahlung größer. Es gibt verschiedene Verfahren zur Berechnung der atmosphärischen Gegenstrahlung. Eine davon ist die Formel nach Angström (z. B. Liljequist und Cehak, 1984; Gleichung (12)).
4 −푐 푒퐿 퐿푊푒𝑖푛0 = 휎 푇퐿 푎 − 푏 10 Gl. (12)
푇퐿 ist die Lufttemperatur (K).
푒퐿 der Dampfdruck (hPa) an der Station Fernerkundung.
푎, 푏 und 푐 sind Koeffizienten: 푎 = 0,67; 푏 = 0,174; 푐 = 0,055.
Diese Formel ist bei wolkenlosem Himmel gültig. Der Index 0 steht für einen wolkenlosen Himmel.
Eine weitere Gleichung für die atmosphärische Gegenstrahlung bei wolkenlosem Himmel lautet nach Brunt (z. B. Kuhn, 1984; Gleichung (13)).
4 퐿푊푒𝑖푛0 = 휎 푇퐿 푎 + 푏 푒퐿 Gl. (13)
Für die Koeffizienten werden die modifizierten Werte 푎 = 0,52 und 푏 = 0,07 verwendet.
Bei vollständig bewölktem Himmel (Index 1) und niedrig liegenden Wolken entspricht die Temperatur der Wolkenunterseite (Kondensationsniveau) in guter Näherung der Taupunktstemperatur 푇퐷 (K).
55
Daraus ergibt sich für die langwellige Einstrahlung bei stark bewölktem Himmel (퐿푊푒𝑖푛1) die Gleichung (14).
4 퐿푊푒𝑖푛1 = 휎 푇퐷 Gl. (14)
Die Gegenstrahlung eines teilweise bewölkten Himmels (퐿푊푒𝑖푛2) setzt sich aus einer Kombination der Gleichung (12) und (14) zusammen und ergibt Gleichung (15).
퐿푊푒𝑖푛2 = 푁 퐿푊푒𝑖푛1 + 1 − 푁 퐿푊푒𝑖푛0 (Gl. 15)
푁 ist der Bedeckungsgrat (einheitenlos), und nimmt Werte zwischen 0 und 1 an.
Der Index 2 steht für einen teils bewölkten Himmel.
Die folgenden Abbildungen zeigen Beispiele für einen wolkenlosen Himmel (Abbildung 6.12 a), einen vollständig bedeckten Himmel (Abbildung 6.12 b) und einen teils bewölkten Himmel (Abbildung 6.13), an der Station Fernerkundung.
In der Abbildung 6.12 ist der Vergleich zwischen den tatsächlichen Messungen (schwarze Linie) zu den berechneten Werten der atmosphärischen Gegenstrahlung aufgetragen. Abbildung 6.12 a zeigt das Beispiel zweier wolkenloser Tage im März 2007 und Abbildung 6.12 b zweier stark bewölkten Tage im März 2007. Bei klarem Himmel stimmen die berechneten Werte nach den Gleichungen (12) - entspricht der roten Linie, und (13) - zeigt die grüne Linie, gut mit der Messung (schwarze Linie) überein. Auch bei stark bedecktem Himmel zeigen beide berechneten Kurven (blau - berechnet mit Gleichung (14), und hellgrün berechnet mit Gleichung (15)), eine gute Übereinstimmung mit der tatsächlich gemessenen langwelligen Gegenstrahlung (schwarz). Zusätzlich sind in der Abbildung 6.12 b die berechneten Werte (rot, grün) für einen wolkenlosen Tag aufgetragen. Die Unterschiede in der langwelligen Gegenstrahlung zwischen einem bewölkten Tag und einem wolkenlosen Tag betragen etwa 100 W/m2.
56 a) b)
Abbildung 6.12 Gemessene atmosphärische Gegenstrahlung an der Station Fernerkundung verglichen mit den verschieden Berechnungsmethoden, für einen wolkenlosen Himmel a), und einen mit 8/8 bedecktem Himmel b).
Als Nächstes wird ein teils bewölkter Tag betrachtet (Abbildung 6.13). Die nach den obigen Gleichungen berechneten Werte sind in der Abbildung eingetragen. Generell lässt sich sagen, dass die berechneten Werte dem Lauf der Kurve folgen, jedoch eine Übereinstimmung im Detail nicht gegeben ist. In die Formel für die Berechnung der langwelligen Gegenstrahlung fließt die Bewölkung ein (Gleichung (15)). Da aber keine Bewölkungsbeobachtungen stattgefunden haben, wurde diese unter Zuhilfenahme der Luftfeuchtigkeit abgeschätzt. Dazu wurde die relative Feuchte durch Hundert geteilt und in Gleichung (15) eingesetzt. Zusätzlich ist als Vergleich in der Abbildung 6.13 die Berechnung bei wolkenlosem Himmel eingetragen (퐿푊푒𝑖푛0). Bei starker Bewölkung variieren die Werte am stärksten und bei geringer Bewölkung gleichen sich die Werte an.
Abbildung 6.13: Gemessene atmosphärische Gegenstrahlung an der Station Fernerkundung verglichen mit den verschieden Berechnungsmethoden für einen teils bedeckten Himmel.
57
Bei wolkenlosem bzw. bedecktem Himmel liefert die Gleichung (15) eine gute Annäherung für die atmosphärische Gegenstrahlung. Bei geringeren Bedeckungsgraden treten deutlich größere Unterschiede zwischen den Messungen und den Berechnungen auf. Für eine grobe Abschätzung reichen die oben angeführten Methoden aus, aber für detaillierte Analysen der Energiebilanz sind direkte Messungen unumgänglich.
In der folgenden Abbildung 6.14 ist zusätzlich als orange Kurve eine an die vorliegenden Daten parametrisierte Kurve eingezeichnet.
Um die atmosphärische Gegenstrahlung zu berechnen wurden die Lufttemperatur (푇퐿) und die relative Luftfeuchtigkeit (푟ℎ) verwendet. Die Gleichung (16) stellt den Zusammenhang der einzelnen Komponenten dar für diese Berechnung dar.
퐿푊푒𝑖푛 = 푎0 + 푎1 푇퐿 + 푎2 푟ℎ Gl. (16)
Die Koeffizienten 푎0 = 161,61, 푎1 = 4,16 und 푎2 = 1,46 ergeben sich aus der multiplen Regression.
Abbildung 6.14: Gemessene atmosphärische Gegenstrahlung an der Station Fernerkundung, verglichen mit den verschieden Berechnungsmethoden, sowie die Bestimmung mit Hilfe der multiplen Regression, für den Zeitraum vom 29. Dezember 2007 bis 31. Dezember 2007.
Die Periode beginnt mit einem wolkenlosen Tag. An diesem Tag stimmen die berechneten Werte der atmosphärischen Gegenstrahlung nach Brunt und die multiple Regression sehr gut überein. Am zweiten Tag nimmt die Bewölkung zu, und die multiple Regression erreicht die höheren Messwerte, wie auch die Formeln für einen bewölkten Himmel und für einen teils bewölkten Himmel.
58
6.4. Lufttemperatur
In diesem Kapitel werden die Winter anhand der Lufttemperatur miteinander verglichen, und einfache Statistiken erstellt. Anschließend werden Fallbeispiele zu den einzelnen Wintern diskutiert. Des Weiteren werden die Temperaturgradienten zwischen der Station Fernerkundung und der Station Grat betrachtet. Dazu wird der mittlere Tagesgang der monatlichen Temperaturgradienten zweier Winter angeführt, sowie der Tagesgang der beiden Winter selbst. Im Folgenden wird die Frage beantwortet ob sich Inversionen ausbilden. Das Kapitel schließt mit Fallbeispielen zu besonderen Situationen mit den Temperaturgradienten.
6.4.1. Mitteltemperatur/Frosttage/Eistage an der Station
Anhand der Station Fernerkundung werden die Lufttemperaturen der zur Verfügung stehenden Winter miteinander verglichen (Abbildung 6.15). Messdaten über den ganzen Zeitraum (Oktober bis Juni) stehen von drei Wintern zur Verfügung. Die Monate Oktober bis Jänner des Winters 2006/07 weisen, im Gegensatz zu den anderen Winter, deutlich höhere Temperaturen auf.
Abbildung 6.15: Monatsmitteltemperaturen an der Station Fernerkundung für die Winter 2005 bis 2009.
59
Gemittelt über den ganzen Beobachtungszeitraum ist die Lufttemperatur im Winter 2006/07 um etwa 2,5 °C wärmer als in den zwei anderen Wintern. Verglichen mit dem Patscherkofel (ZAMG, 2009), der um 200 m höher liegt als die Station Fernerkundung, ist auch dort die Mitteltemperatur in den Monaten des Winters 2006/07 um 2,5 °C höher als in den Wintern 2007/08 und 2008/09. Der Winter 2006/07 war überdurchschnittlich von sonnigem Wetter geprägt. Die Frontalzone lag weit im Norden und es traten nur selten Kaltluftvorstöße auf.
Diese Unterschiede werden bei der Betrachtung der Frosttage und Eistage verdeutlicht. Als Frosttage werden jene Tage bezeichnet, an denen das Minimum der Lufttemperatur unter 0 °C liegt (Heyer, 1993). An Eistagen liegt das Maximum der Lufttemperatur unter 0 °C. Der Winter 2006/07 weist wesentlich weniger Frosttage und Eistage auf als die Winter 2007/08 und 2008/09 (Abbildung 6.16, Tabelle 6.4). Der Winter 2005/06 wird nicht vollständig berücksichtigt, da nicht über den gesamten Zeitraum Messungen zur Verfügung stehen.
Fernerkundung 35
30 Frosttage 2005/06 25 Eistage 2005/06 Frosttage 2006/07 20 Eistage 2006/07 15
Frosttage 2007/08 Anzahl der Anzahl Tage 10 Eistage 2007/08 5 Frosttage 2008/09
0 Eistage 2008/09 Okt Nov Dez Jän Feb Mär Apr Mai Jun
Abbildung 6.16: Frosttage und Eistage an der Station Fernerkundung für die Winter 2005/06 bis 2008/09.
60
2005/06 2006/07 2007/08 2008/09 Fernerkundung F E F E F E F E
Okt 0 0 15 7 0 0 Nov 18 4 24 15 23 11 Dez 25 10 31 22 31 20 Jän 27 10 27 13 31 26 Feb 22 21 28 12 27 14 28 22 Mär 29 19 30 15 31 19 31 20
Apr 22 6 10 1 27 2 12 0 Mai 13 2 1 0 6 0 9 0 Jun 8 3 0 0 2 0 Gesamt 94 51 139 52 188 92 167 99
Tabelle 6.4: Frosttage (F) und Eistage (E) an der Station Fernerkundung für die Winter 2005/06 bis 2008/09.
Von den 31 Monaten in denen Daten verfügbar sind, weisen 7 Monate durchgehend Frosttage auf. Allerdings trat nie ein Monat auf, in dem alle Tage Eistage waren. Auch in den Monaten Oktober und Juni kamen Eistage und Frosttage vor.
6.4.2. Winter 2005/06
In diesem Abschnitt wird auf die Mittel-, Maximum- und Minimumtemperaturen im Winter 2005/06 eingegangen. Dies war der erste Winter, an dem die Messungen starteten. Daher stehen an der Station Fernerkundung erst ab Februar 2006 Messdaten zur Verfügung.
Die Abbildung 6.17 zeigt den Temperaturverlauf an der Station Fernerkundung vom 08. Februar 2006 bis 13. Juni 2006. Dargestellt sind der tägliche Mittelwert (durchgezogen fett) der Lufttemperatur, das tägliche Temperaturmaximum und Temperaturminimum (grau schattiert).
Abbildung 6.17: Zeitreihe der Lufttemperatur an der Station Fernerkundung.
61
Das absolute Minimum im Beobachtungszeitraum trat am 13. März 2006 mit -19,6 °C auf. Ein mächtiger Trog der bis zur nordafrikanischen Küste reichte (Abbildung 6.18 a), war verantwortlich für die Kaltluftadvektion die zu diesen tiefen Temperaturen führte (Abbildung 6.18 b).
a) b)
Abbildung 6.18: 500 hPa Geopotential (gpdm) und Bodendruck (hPa) a), 850 hPa Temperatur (°C) b) am 13. März 2006.
Bereits zwei Wochen später, am 27. März 2006, erreicht die Lufttemperatur an der Station Fernerkundung einen Wert von +8,6 °C. Dies bedeutet für den Monat März eine Temperaturspanne von 28,2 °C. Die Ursache für diese Erwärmung war ein Höhentief, dass sich im Nordatlantik befand und ein weiteres Höhentief über Sibirien (Abbildung 6.19 a). Dazwischen schob sich ein Keil mit Keilachse über Zentraleuropa. Dadurch wurde Warmluft aus dem Süden advehiert (Abbildung 6.19 b).
a) b)
Abbildung 6.19: 500 hPa Geopotential (gpdm) und Bodendruck (hPa) a), 850 hPa Temperatur (°C) b) am 27. März 2006.
62
6.4.3. Winter 2006/07
Im darauffolgenden Winter 2006/07 fanden Messungen der Lufttemperatur an den Stationen Fernerkundung, Plateau und Grat statt.
An allen drei Stationen fallen als erstes die vier markanten Temperaturminima auf. Gezeigt wird dies anhand der beiden Stationen Fernerkundung und Plateau (Abbildung 6.20 und 6.21).
Abbildung 6.20: Zeitreihe der Lufttemperatur an der Station Fernerkundung.
Abbildung 6.21: Zeitreihe der Lufttemperatur an der Station Plateau.
Die Temperaturminima am 02. November 2006, 25. Jänner 2007 und 22. März 2007 waren auch hier auf Kaltluftvorstöße aus dem Norden zurückzuführen.
Das Temperaturminimum vom 19. auf den 20. Dezember 2006 resultierte einerseits aus einer Trogachse die zu geringen Niederschlägen führte (Abbildung 6.22 a, b). Es klarte rasch auf, was die atmosphärische Gegenstrahlung verringerte und die Abkühlung intensivierte.
63 a)
Abbildung 6.22: 500 hPa Geopotential (gpdm) und Bodendruck (hPa) a), 850 hPa Temperatur (°C) b) am 19. Dezember 2006.
Anhand der Station Plateau ist zu sehen, dass die Tagesgänge der Temperatur im Beobachtungszeitraum teilweise sehr stark variieren (Abbildung 6.21). Eine der Ursachen besteht darin, dass die künstliche Ventilation des Temperatur- und Feuchtesensors vom 30. Jänner 2007 bis 01. April 2007 ausfiel. Als zweiter Grund kann der größer werdende Tagesgang im Frühjahr genannt werden. Verursacht wird dies durch den höheren Sonnenstand, und der damit verbundenen längeren Sonneneinstrahlung bei größerer Strahlungsintensität.
6.4.4. Winter 2007/08
Bei der Betrachtung des Temperaturverlaufs des Winters 2007/08 werden Fälle gezeigt, an denen eine starke Abkühlung/Erwärmung innerhalb weniger Tage stattgefunden hat. In der Abbildung 6.23 sind diese Tage durch rote Kreise markiert.
Abbildung 6.23: Zeitreihe der Lufttemperatur an der Station Plateau.
In allen sechs gezeigten Fällen lässt sich eine ähnliche synoptische Situation feststellen. Ein Höhentief weit im Norden (Skandinavien, Sibirien) bildet einen Trog aus, der bis Mitteleuropa reicht, und kalte 64
Luft mit sich bringt. Dieser Trog vertieft sich und tropft ab. Der Kaltlufttropfen wandert dann allmählich ostwärts, und das Beobachtungsgebiet kommt wieder unter wärmerer Luft zu liegen (Abbildung 6.24).
a) b)
c) d)
e) f)
Abbildung 6.24: 500 hPa Geopotential (gpdm) und Bodendruck (hPa) am 21. Oktober 2007 a), am 17. November 2007 b), am 15. Dezember 2007 c), am 01. Jänner 2008 d), am 23. Jänner 2008 e) und am 06. März 2008 f). 65
6.4.5. Temperaturgradienten
Kraus (2008) definiert die Grenzschicht als den untersten Teil der Troposphäre, in der der Einfluss ihres unteren Randes, der Erdoberfläche, direkt wahrnehmbar ist. Mit einer Vielzahl von dynamischen und thermischen Erscheinungen, welche sich aus den Eigenschaften des unteren Randes und den Wechselwirkungsprozessen mit der darüber liegenden Atmosphäre ergeben, beschäftigt sich das Teilgebiet der Grenzschicht-Meteorologie. In diesem Abschnitt wird auf charakteristische Vertikalprofile der Lufttemperatur, entlang des Hanges mit den Messstationen eingegangen.
Grundsätzlich stehen Messdaten aus den Wintern 2006/07 und 2007/08 zur Verfügung. Aufgrund von Schäden die eine Lawine verursachte enden die Messungen im Winter 2007/08 an der Station Plateau Ende März. Die Station Plateau wurde durch Solarzellen mit Energie versorgt. Aufgrund technischer Probleme, kombiniert mit der kurzen Sonnenscheindauer (siehe auch Kapitel 6.2), traten kürzer- und längerfristige Unterbrechungen bei der Ventilation (Tabelle 5.1) auf. Obwohl die Station Fernerkundung permanent mit Strom versorgt war kam es auch dort, wegen eines technischen Gebrechens, zu einem Ausfall der Ventilation. Die Gratstation wurde nicht künstlich ventiliert. Es wird davon ausgegangen, dass die schattige Lage (Kapitel 6.2) und die höhere Windgeschwindigkeit im Kammniveau (Kapitel 6.5), die künstliche Ventilation kompensieren. Bei den folgenden Betrachtungen, müssen diese Einschränkungen berücksichtigt werden.
In den Abbildungen 6.25 und 6.26 werden die Temperaturgradienten, der Winter 2006/07 a) und 2007/08 b), von der Station Fernerkundung zur Station Grat dargestellt. An der Station Plateau kam es im Winter 2006/07 zu häufigen Ausfällen der Ventilation, und im Winter 2007/08 gab es Messungen an dieser Station nur bis zum März. Daher werden ausschließlich Temperaturgradienten von der Station Fernerkundung zur Station Grat betrachtet.
In der Abbildung 6.25 ist auf der Abszisse die Uhrzeit aufgetragen. Auf der Ordinate sind die Temperaturgradienten in K/100m zwischen der Station Fernerkundung und Grat dargestellt, wobei negative Werte einer Temperaturabnahme mit der Höhe entsprechen. Zu sehen ist der mittlere Tagesgang der monatlichen Temperaturgradienten der beiden Winter 2006/07 und 2007/08.
66
Abbildung 6.25: Mittlerer Tagesgang der monatlichen Temperaturgradienten zwischen der Station Fernerkundung und Grat in den Wintern 2006/07 und 2007/08.
Als erstes ist zu erkennen, dass es in keinem Monat im mittleren Tagesgang eine Inversion gibt. Werden die Monate Dezember, Jänner und Februar betrachtet zeigt sich, dass die Temperaturabnahme mit der Höhe in der Mittagszeit größer ist. Die Station Fernerkundung liegt in diesen Monaten in der Mittagszeit in der Sonne, während die Station Grat noch im Schatten liegt. Dies führt zu einer strahlungsbedingten Erwärmung an der unteren Station Fernerkundung und somit zu einer Verstärkung des Temperaturgradienten bzw. zu einer Labilisierung. In den Monaten März und Mai hat sich der Tagesgang des Gradienten verändert. Die Station Fernerkundung erhält vom Vormittag bis zum Nachmittag Sonne, und die Station Grat von den frühen Morgenstunden bis zum Abend. Dadurch wird die Temperaturabnahme mit der Höhe in den Vormittagsstunden kleiner. Der Monat April ist in Abbildung 6.25 strichliert eingezeichnet, was darauf hindeuten soll, dass im Winter 2007/08 die Ventilation an der Station Fernerkundung ausfiel. Dadurch ist es an dieser Station zu warm, was sich in der Betrachtung des Temperaturgradienten wiederspiegelt.
67
Die Abbildung 6.26 stellt eine andere Art der Darstellung der Temperaturgradienten dar. Die Abszisse zeigt die Tage des angegeben Winters, die Ordinate gibt die Uhrzeit wieder. Die Farben zeigen den Temperaturgradienten in K/100m.
Negative Werte bedeuten eine Temperaturabnahme mit der Höhe (blau), positive Werte eine Temperaturzunahme (orange, rot). Fehlende Messwerte sind als weiße Flächen dargestellt.
a)
b)
Abbildung 6.26 a, b: Temperaturgradienten zwischen der Station Fernerkundung und der Station Grat in den Wintern 2006/07 a) und 2007/08 b). 68
Im April des Winters 2007/08 ist der oben erwähnte Ausfall der Ventilation an der Station Fernerkundung sofort ersichtlich (dunkelblaue Werte). Die Lufttemperatur an der Fernerkundung wurde in diesem Monat höher gemessen, als es bei vorhandener Ventilation der Fall gewesen wäre. Es wird daher eine zu starke Temperaturabnahme mit der Höhe erreicht (Abbildung 6.26 b).
Insbesondere während windschwacher Perioden lassen sich in Becken und Tälern in den Wintermonaten vermehrt Inversionen beobachten. Die Frage stellt sich nun, ob sich Inversionen in diesem hochgelegenen Talbecken ausbilden, oder die dort vorherrschenden Winde Inversionen verhindern. Dazu werden die Abbildungen 6.26 a und 6.26 b betrachtet.
Beide Winter weisen selten Temperaturgradienten auf, die auf eine Inversion (rote Bereiche) schließen lassen. Werden alle stündlichen Temperaturgradienten betrachtet, so sind im Winter 2006/07 weniger als 1% Inversionen, und im Winter 2007/08 um die 4 %. Als ein Grund für die wenigen Inversionen wird die Lage der Stationen angesehen (Abbildung 6.27 a, b).
Die Abbildung 6.27 a zeigt die Lage der Stationen im Gelände. Schnitte vom Taleingang zur Station Fernerkundung (blau) über die Station Plateau (rot) bis zur Station Grat (grün) sind in der topographischen Karte zu sehen.
In Abbildung 6.27 b wird das dazugehörige Höhenprofil betrachtet. Daraus ist zu erkennen, dass die Station Fernerkundung nicht direkt im Talboden, sondern am Fuß des gegenüberliegenden Westhanges steht. Der Talschluss des Wattentales weist keine Beckenlage auf, was die Bildung eines Kaltluftsees verhindert und das Ausfließen der Kaltluft begünstigt.
69
a)
b)
Abbildung 6.27 a, b: Lageskizze der Messstationen in der Wattener Lizum mit eingezeichneten Schnitten a), und Höhenprofilen entlang der Schnitte b).
Eine weitere Ursache ist bei der Windgeschwindigkeit zu finden (Abbildung 6.28 a, b). Höhere Windgeschwindigkeiten verursachen eine stärkere Durchmischung der Schicht, was eine Inversion verhindert.
70
a)
b)
Abbildung 6.28 a, b: Windgeschwindigkeiten an der Station Grat als Funktion des Tages und der Uhrzeit im Winter 2006/07 a) und 2007/08 b).
Bei der Betrachtung der wenigen Inversionslagen kann folgendes festgestellt werden. Treten die Inversionen während der Mittagszeit auf, kann der Strahlungsfehler an der Gratstation dafür verantwortlich gemacht werden. Geringe Windgeschwindigkeiten verstärken diesen Effekt.
71
Das bedeutet, dass in der Höhe zu hohe Temperaturen registriert werden, und somit ein zu großer Temperaturgradient berechnet wird. Auffällig wird dies vor allem in den Frühjahrsmonaten. Durch die höher stehende Sonne steigen die Intensität der Strahlung und die Dauer der Einstrahlung. In diesen Monaten liegt die Station Grat tagsüber immer in der Sonne (Abbildung 6.5 c). Der Strahlungsfehler der Gratstation reicht offensichtlich nicht aus um die fehlende Ventilation im April 2008 an der Station Fernerkundung zu kompensieren.
Eine besondere Situation stellt der 3. Jänner 2008 dar. Die Abbildung 6.26. b zeigt, dass an diesem Tag die Temperatur besonders stark mit der Höhe (mehr als 1,5 °C) abgenommen hat. Im Laufe des Tages hat an der Station Fernerkundung die Temperatur von -10,7 °C auf -2,7°C zugenommen. Währenddessen hat sich die Temperatur an der Station Grat kaum verändert. Dies führte zu diesem starken Gradienten. Es deutet nichts darauf hin, dass für diesen Gradienten ein Ventilationsausfall verantwortlich ist. Vielmehr ist der Grund für diese Erwärmung im Tal ein Föhnereignis. Der Föhn hat dazu geführt, dass sich an der Station Fernerkundung die Temperatur massiv erwärmt hat, im Gegensatz zur Station Grat, welche in Kammniveau liegt. Im Kapitel 6.5 wird darauf näher eingegangen. Der 6. März 2008 zeigt einen Fall, wo sich eine Inversion tagsüber bildete. Bis 07:00 Uhr war es an der unteren Station Fernerkundung wärmer als am Grat. Danach setzte Warmluftadvektion in der Höhe ein. Verantwortlich dafür war der Abtropfvorgang eines Höhentiefs (Abbildung 6.29) welches uns bis dahin die Kaltluft bescherte. Somit stiegen die Temperaturen an der Gratstation, und eine Inversion bildete sich aus. Aufgrund der mäßigen Windgeschwindigkeiten konnte sich der Gradient erst in den Abendstunden wieder abbauen.
Abbildung 6.29: 500 hPa Geopotential (gpdm) und Bodendruck (hPa) am 07. März 2008. 72
6.5. Wind
In der Atmosphäre gibt es Luftbewegungen in horizontaler und vertikaler Richtung. Unter Wind werden in dieser Arbeit Strömungen in horizontaler Richtung verstanden. Um den Wind vollständig zu bestimmen, muss sowohl die Richtung als auch der Betrag der Geschwindigkeit (m/s) angeben werden (Liljequist, Cehak, 1984). Da, vor allem in der planetarischen Grenzschicht, sowohl Windrichtung als auch Windgeschwindigkeit starken Schwankungen unterworfen sind, wird im Allgemeinen das Mittel über 10 Minuten als Windwert angegeben (Warnecke, 1991).
Die Windmessungen fanden im Beobachtungsgebiet an allen 4 Stationen (Fernerkundung, Plateau, Hang, Grat) statt. Gemessen wurde der Wind in ca. 7 m Höhe an der Station Fernerkundung und Plateau, sowie in 3 m Höhe an den Stationen Grat und Hang, was aber aufgrund der Schneebedeckung variierte. Durchgehende Windmessungen aller 4 Stationen gibt es nur im Winter 2006/07. Im Winter 2007/08 können zumindest an 3 der 4 Stationen Windmessungen verzeichnet werden. Aus diesem Grund wird vermehrt auf diese beiden Winter eingegangen.
6.5.1. Häufigkeitsverteilung der Windgeschwindigkeit
Die folgenden Abbildungen 6.30 a – g stellen die Häufigkeitsverteilung der Windgeschwindigkeit an den jeweiligen Stationen dar. Auf der Abszisse ist die Windgeschwindigkeit in m/s aufgetragen, auf der Ordinate kann die Anzahl der Fälle, an denen diese jeweilige Geschwindigkeit aufgetreten ist, abgelesen werden. Es wurden jeweils 10 Minuten Mittelwerte verwendet, sodass an einem Tag 144 Werte zur Verfügung stehen, und in einem Monat etwa 4320 Werte. Um die Messwerte miteinander vergleichen zu können wurden zwei Perioden untersucht.
Die erste gemeinsame Periode findet sich im Winter 2006/07. In diesem Winter wurden an allen vier Stationen Windmessungen durchgeführt. Die Periode dauert vom 13. Oktober 2006 bis 25. März 2007.
In der zweiten gemeinsamen Periode wurden an drei der vier Stationen Windgeschwindigkeiten gemessen, und zwar vom 13. Oktober 2007 bis zum 25. März 2008. Die Station Hang war in diesem Winter nicht mehr in Betrieb.
Die Abbildungen 6.30 a - g zeigen die Häufigkeitsverteilung der Windgeschwindigkeit dieser beiden Perioden. 73
a) b)
c) d)
e)
f) g) Abbildung 6.30: Häufigkeitsverteilung der Windgeschwindigkeit für die Periode vom 13. Oktober 2006 bis 25. März 2007 und für die Periode vom 13. Oktober 2007 bis 25. März 2008. Die Station Fernerkundung in der ersten Periode a) und zweiten Periode b), Plateau c) und d), Hang in der ersten Periode e) und Grat f) und g). 74
Werden die einzelnen Stationen miteinander verglichen so ist zu erkennen, dass die höchsten Windgeschwindigkeiten an der Station Grat auftreten. Die Verteilung der Windgeschwindigkeiten ist breiter, höhere Windgeschwindigkeiten sind häufiger. Der Grund hierfür liegt in der Lage der Station Grat. Sie befindet sich am Kamm und ist daher wesentlich ausgesetzter, gegenüber den drei anderen Stationen, die am Berghang liegen.
An der Station Fernerkundung sind geringe Windgeschwindigkeiten (0-2 m/s) am häufigsten. Dies sind etwa 65 % - 70 % der Fälle. Die Häufigkeit nimmt kontinuierlich mit der Windgeschwindigkeit ab.
An der Station Plateau und Hang verhält sich dies ähnlich. Die häufigsten Windgeschwindigkeiten sind kleiner als 3 m/s (zwischen 65 % und 85 %).
6.5.2. Windrichtungen an den einzelnen Stationen
Die Abbildung 6.31 zeigt die Häufigkeitsverteilungen der Windrichtungen der vier Stationen. Die Pfeile in den einzelnen Grafiken weisen in Richtung der Falllinie. Die Darstellung basiert auf 10- Minuten Mittelwerten. In Abbildung 31 a) ist die Station Fernerkundung in der Periode vom 13. Oktober 2006 bis 25. März 2007 dargestellt. In b) ist die Station Fernerkundung in der zweiten Periode vom 13. Oktober 2007 bis 25. März 2008 zu sehen. In c) und d) wird die Station Plateau in den beiden Perioden betrachtet, in e) die Station Hang in der ersten Periode und in f) und g) die Station Grat der beiden Perioden.
75
a) b)
c) d)
e)
f) g)
Abbildung 6.31: 10-Minuten Mittelwerte der Windrichtung an den Stationen Fernerkundung a) vom 13. Oktober 2006 bis 25. März 2007, b) vom 13. Oktober 2007 bis 25. März 2008, Plateau c) vom 13. Oktober 2006 bis 25. März 2007, d) vom 13. Oktober 2007 bis 25. März 2008, Hang e) vom 13. Oktober 2006 bis 25. März 2007 und Grat f) vom 13. Oktober 2006 bis 25. März 2007, g) vom 13. Oktober 2007 bis 25. März 2008.
76
Es ist zu sehen, dass die Windrichtungen an den verschiedenen Stationen sehr unterschiedlich sind.
An der Station Fernerkundung (Abbildung 6.31 a, b) sind drei Windrichtungen relativ häufig. Zwei Windrichtungen (ca. 140° und 340°) verlaufen entlang der Talachse, und sind somit Windrichtungen die durch die Topographie beeinflusst sind. Die dritte Windrichtung aus etwa 105° lässt sicher schwerer erklären. Da der Wind etwa in Richtung der Falllinie weht, könnte es sich um einen Hangabwind handeln. Die Station Fernerkundung liegt am Fuße des Osthanges (Abbildung 6.27 b). Am Osthang sind aber keine weiteren Stationen vorhanden, um diese Hypothese zu belegen.
An der Station Plateau (Abbildung 6.31 c, d) sind die Windrichtungen breiter gestreut. Die Station Plateau wurde auf einer Ebene errichtet. Dadurch ist die Anströmung aus verschiedenen Richtungen möglich. Bei der Betrachtung von Südströmungen (Kapitel 6.5.4) wird darauf näher eingegangen.
Die Station Hang (Abbildung 6.31 e) weist eine bevorzugte Windrichtung auf. Dies ist eine südwestliche Komponente. Der Wind weht etwa in Richtung der Falllinie, was auf einen Hangabwind schließen lässt. Dieser Hangabwind über den schneebedeckten Hang ist vergleichbar, mit einem katabatischen Gletscherwind.
Die häufigste Windrichtung der Station Grat (Abbildung 6.31 f, g) hat eine westliche Komponente. Des Weiteren kommen öfters Windrichtungen aus Osten vor. Die Station Grat ist nach Westen offen, und wird von Westen her direkt angeströmt. Südlich der Station befinden sich die Tarntalerköpfe. Diese werden insbesondere bei Südströmungen umströmt, sodass sich West- und Ostkomponenten ergeben.
Die nächsten Abbildungen 6.32 vergleichen die Windrichtungen an den verschiedenen Stationen. Dazu werden alle vorhanden Messdaten verwendet um die Zusammenhänge der Windrichtungen besser zu verstehen. Auf der x-Achse ist jeweils die Station Grat mit ihren Windrichtungen in Grad angegeben. Auf der y-Achse ist die Windrichtung der Station Fernerkundung a) und der Station Plateau b) aufgezeichnet. Die diagonale Linie gibt den Verlauf an, an denen an beiden Station zur selben Zeit die gleiche Windrichtung vorherrschen würde. Nur wenn zu einem Zeitpunkt (Stundenwert) an beiden Stationen Winddaten registriert wurden, kann ein Punkt in Abbildung 6.32 eingetragen werden.
77
a)
b)
Abbildung 6.32: Verhältnis der Windrichtung der Station Fernerkundung zur Station Grat a) und der Station Plateau zur Station Grat b) für alle stündlich gemessenen Werte.
Für die Abbildung 6.30 a bedeutet dies, dass die vorherrschenden Winde an der Station Grat Westwinde, bzw. geringe Abweichungen davon, sind. Nordwinde kommen seltener vor. Südwinde sind an der Station Grat kaum zu finden. Der Grund hierfür ist die Lage der Station. Bei einer südlichen Höhenströmung liegt die Station im Lee der Tarntalerköpfe. Es kommt nicht zu einer Überströmung dieser Gipfel sondern zu einer Umströmung, sodass sich ein West-Nordwestwind einstellt.
78
An der Station Fernerkundung ist dies etwas anders. Südostwinde treten am häufigsten auf, gefolgt von Nordwestwinden. Die Station Fernerkundung liegt im Talboden. Das Wattental ist ein nord-südgerichtetes Tal. Daher führt die Topographie des Tales zu diesen Windrichtungen. Dies verdeutlicht auch noch einmal die Abbildung 6.31 a, b.
Ebenso kann aus der Grafik herausgelesen werden, dass bei Westwind an der Station Grat meist Südostwind an der Station Fernerkundung zu beobachten ist.
Bei der Betrachtung der Abbildung 6.32 b, welche die Windrichtungen an der Station Plateau und Grat wiedergibt, verhält es sich ähnlich. Westwinde an der Station Grat stimmen nur zu einem geringen Teil mit Westwinden an der Station Plateau überein, jedoch häufiger als mit der Station Fernerkundung. Es lässt sich aus der Grafik schließen, dass die Windrichtungen dieser beiden Stationen häufiger übereinstimmen gegenüber der im Tal befindlichen Station Fernerkundung. Vermutlich liegt es daran, dass die Station Fernerkundung im Talboden mehr vom Einfluss der Topographie geprägt wird. In manchen Fällen kann sich bei Westwind ein Rotor bilden, der an der Station Fernerkundung zu einem gegenläufigen Ostwind führt. Ebenso ist zu untersuchen inwieweit sich ein Bergtalwindsystem ausbildet.
Im nächsten Kapitel 6.5.3 wird auf die Hangwindproblematik näher eingegangen.
79
6.5.3. Hangwindsystem
Gebirge entwickeln im Lauf eines Tages ihre typischen Winde (Häckel, 1999). Wenn am Morgen die Sonne aufgeht, fällt ihre Strahlung zunächst auf die nach Osten abfallenden Hänge der Gebirgstäler, während die nach Westen abfallenden noch im Schatten liegen. Dadurch erwärmt sich die besonnte Talseite schneller als die beschattete. Allmählich beginnen dort Luftpakete den Hang hinaufzugleiten. Es entsteht ein Hangaufwind. Als Ausgleich für die aufgleitende Luft kommt es über der Talmitte und am unbesonnten Hang zu Abgleitvorgängen, die ein geschlossenes System entstehen lassen, die Hangwindzirkulation. Bei nord-südgerichteten Tälern verlagert sich der aufwärtsgerichtete Ast am Nachmittag nach dem Westhang hin. In der Nacht drehen sich die Verhältnisse um. Durch Abstrahlung kühlen sich die Hänge ab und damit auch die darauf liegende Luft. Diese wird dadurch schwerer und gleitet den Hang hinunter.
Das Wattental ist ein solches nord-südgerichtetes Tal. Der nächste Abschnitt soll nun zeigen, ob und unter welchen Bedingungen sich ein Hangwindsystem auch bei Schneelage ausbildet.
Wenn die Windrichtung etwa in Richtung der Falllinie weist, so wird dies als Hangabwind bezeichnet. Hangaufwind bedeutet dann eine Windrichtung der Falllinie entgegen.
Die Abbildungen 6.31 zeigen die Windrichtungen an der Station Fernerkundung a) und Hang b) im Winter 2006/07. Aus folgenden Gründen wurden diese beiden Stationen gewählt. Die Station Grat befindet sich am Kamm des Gebirges und eignet sich somit nicht für Hangwinduntersuchungen. Die Station Plateau wurde auf einer Ebene errichtet. Aus der Windrose (Abbildung 6.31 c, d) lässt sich erkennen, dass an dieser Station die Windrichtungen stark variieren. Die Station Hang eignet sich besonders gut für Hangwinduntersuchungen, da sie direkt am Hang errichtet wurde. Der Nachtteil besteht darin, dass diese Station nur für einen kurzen Messzeitraum zur Verfügung stand. Obwohl die Station Fernerkundung am Fuße des gegenüberliegenden Osthanges liegt wurde sie für diese Untersuchungen ebenso herangezogen.
In Abbildung 6.33 ist auf der Abszisse der Tag aufgetragen und auf der Ordinate die Uhrzeit. Die Farben für die Windrichtungen wurden auf die Windrosen (Abbildung 6.31) abgestimmt. Windrichtungen, die häufig vorkommen, sind einer Farbe zugeordnet worden. Seltener vorkommende Richtungen wurden grau markiert.
80
Weiße Flächen bedeuten Windgeschwindigkeiten die kleiner als 1 m/s sind, oder deuten auf keine Messwerte hin.
a)
b)
Abbildung 6.33: Hangwinde an der Station Fernerkundung a) und Hang b) im Winter 2006/07.
81
Bei einem Hangabwind weht der Wind Richtung Falllinie, bei einem Hangaufwind entgegen dieser.
Für die Station Hang bedeutet ein Wind aus etwa 30 ° bis 60 ° Hangaufwind, und Hangabwind wäre ein Wind aus etwa 210 ° bis 240 °. An der Station Fernerkundung liegt die Falllinie in 290 ° (Hangabwind).
Weder in der Abbildung 6.33 a, noch in der Abbildung 6.33 b lässt sich auf den ersten Blick ein Hangaufwind feststellen. An beiden Stationen neigt die Tendenz zu Winden Richtung Falllinie. Als erstes wird vermutet, dass die Schneebedeckung dafür verantwortlich ist. Das ganze Gebiet weist eine nahezu geschlossene Schneedecke auf (nur wenige Felsinseln). Die hohe Albedo der Schneeoberfläche ist dafür verantwortlich, dass ein großer Anteil der einfallenden kurzwelligen Strahlung wieder reflektiert wird. Der absorbierte Anteil der kurzwelligen Strahlung ist nur ein kleiner Beitrag in der Energiebilanz. Dies führt nur zu einer geringen Erwärmung der Schneeoberfläche. Die bodennahe Lufttemperatur wird kaum erwärmt, und es kann sich kein Hangaufwind ausbilden.
Inwiefern die Schneedecke einen Einfluss auf die Ausbildung eines Hangwindsystems hat, zeigen folgende Beispiele. Zu diesem Zweck werden zwei unterschiedliche Zeiträume betrachtet. Einmal sonnige Tage ohne Schneebedeckung, und einmal sonnige Tage mit Schneebedeckung.
Die Abbildungen 6.34 a und b zeigen Windgeschwindigkeiten und –richtungen an Strahlungstagen an der Station Fernerkundung. Diese beiden Zeiträume weisen keine Schneebedeckung auf.
Es wurden zwei Beispiele aus dem Winter 2006/07 und 2007/08 der Station Fernerkundung verwendet, da an der Station Hang zu keinem Zeitpunkt Messungen stattfanden, an denen die Erdoberfläche schneefrei war.
a) b)
Abbildung 6.34 a, b: Windgeschwindigkeit, Windrichtung und Schneehöhe an der Station Fernerkundung vom 15. Oktober 2006 bis zum 18. Oktober 2006 a) und vom 04. Juni 2008 bis zum 07. Juni 2008 b).
82
Für die Station Fernerkundung entspricht ein Wind aus etwa 270 ° bis 360 ° Hangaufwind, und 90 ° bis 180 ° bedeutet Hangabwind. Im Oktober sind in der Nacht Winde in Richtung der Falllinie zu verzeichnen, und zur Mittagszeit, während der stärksten Einstrahlung Hangaufwinde. Im Juni sind die Hangaufwinde stärker ausgeprägt, was auf die intensivere und längere Einstrahlung zurückzuführen ist. Ein Hangwindsystem ist in beiden Perioden deutlich zu verzeichnen.
Als Nächstes werden zwei sonnige Zeiträume mit Schneebedeckung betrachtet (Abbildung 6.35 a, b). Die linke Abbildung 6.35 a stellt die Parameter für die Station Fernerkundung dar, die rechte Abbildung 6.35 b die der Station Hang.
a) a)
Abbildung 6.35: Windgeschwindigkeit, Windrichtung und Schneehöhe an der Station Fernerkundung vom 15. Oktober 2006 bis zum 18. Oktober 2006 a) und an der Station Hang vom 04. Juni 2008 bis zum 07. Juni 2008 b).
Trotz intensiver Sonneneinstrahlung an diesen Tagen lässt sich hier keine tageszeitliche Änderung der Windrichtung feststellen.
Die Abbildungen 6.36 a und b sollen den Einfluss der Schneedecke auf die thermische Entwicklung eines Hangwindsystems nochmals verdeutlichen. Die Abbildungen zeigen bodennahe Temperaturgradienten zwischen der Lufttemperatur am Mast und der Schneeoberfläche. An der Station Hang fanden keine Oberflächentemperaturmessungen statt. Daher sind die beiden Winter 2006/07 und 2007/08 an der Station Fernerkundung dargestellt.
Positive Werte (gelb-orange-rot) bedeuten, dass die Lufttemperatur höher ist als die Temperatur an der Oberfläche. Negative Werte zeigen eine höhere Temperatur der Oberfläche, also eine Temperaturabnahme von der Oberfläche zum Lufttemperatursensor. 83 a)
b)
Abbildung 6.36: Temperaturgradienten von der Oberfläche zum Lufttemperatursensor an der Station Fernerkundung für die Winter 2006/07 a) und 2007/08 b).
84
In beiden Wintern fallen die höheren Temperaturen (blau) an der Oberfläche im Herbst und Frühjahr, vor allem untertags, auf. Die bodennahe Schicht ist labil. Dies sind die Zeiträume an denen keine durchgehende Schneedecke war, und die Einstrahlungsintensität und die Sonnenscheindauer höher sind, als in den Wintermonaten. Dadurch kann sich dort eine Thermik ausbilden, was einen Hangaufwind begünstigt. In den Monaten November bis Februar/März ist die Lufttemperatur stets höher als die Oberflächentemperatur. Die stabile Schicht unterbindet die Ausbildung eines Hangaufwindes. Daraus ist zu schließen, dass die Schneebedeckung einen Hangaufwind unterbindet.
Da die Station Plateau für andere Forderungen errichtet wurde, war die Wahl des Standortes für Zwecke der Hangwinduntersuchungen ungünstig. Die Station Plateau wurde auf einer Ebene aufgestellt.
Um die thermische Zirkulation eines Hanges besser zu analysieren wären ganzjährige Messungen vorteilhaft. Zusätzlich hätte eine weitere Hangstation die Untersuchungen erleichtert.
85
6.5.4. Föhn
Der Föhn ist ein Wind, der auf der Leeseite von Gebirgen auftritt, und durch Absinken dabei wärmer und relativ trockener wird. Diese Föhndefinition wurde 1992 von der World Meteorological Organisation (WMO, 1992) verfasst. Der Antrieb für Föhn ist ein Druckgradient quer zum Gebirge (Armi und Mayr, 2007). Der Druckgradient kann, hydrostatisch bedingt, durch zwei potentiell verschieden temperierte Luftmassen auf beiden Seiten des Gebirges aufgebaut werden. Ein Druckgradient kann auch dynamisch entstehen, durch eine senkrechte Strömungskomponente quer zum Gebirge. Oft ist der Druckgradient eine Kombination aus beiden, Hydrostatik und Dynamik. Typisch für Föhn im Raum Innsbruck ist eine Südströmung und als Folge Südföhn.
Daher werden im folgenden Südanströmungen auf die Alpen betrachtet, und ob sich diese auch im Wattental als Föhn auswirken.
Innsbruck war Anfang Jänner 2008 von starkem Südföhn geprägt (ZAMG, 2009). Die starke meridionale Höhenströmung sorgte für den Föhn (Abbildung 6.37).
Abbildung 6.37: 500 hPa Geopotential (gpdm) und Bodendruck (hPa) am 03. Jänner 2008.
86
Die nächste Abbildung 6.38 zeigt eine Abfolge des Föhnereignisses an den Stationen Fernerkundung, Plateau und Grat. Zu sehen sind die Windvektoren an den jeweiligen Stationen. Am 03. Jänner 2008 um 8:00 Uhr herrschte noch schwacher Wind an allen Stationen (Abbildung 6.38 a).
Bereits eine Stunde später zeigten sich an den Stationen Grat und Plateau höhere Windgeschwindigkeiten aus südwestlicher Richtung (Abbildung 6.38 b). Die Station Fernerkundung hatte nachwievor schwachen Wind. Das bedeutet, dass sich der Föhn in der Höhe bereits bemerkbar machte, aber dieser noch nicht bis in den Talboden des hinteren Wattentales durchgebrochen war. Im Laufe des Vormittags nahm die Windgeschwindigkeit zu. Bis gegen Mittag erreichte der Föhn den Talboden (Abbildung 6.38 c). Die Windrichtung an der Station Grat war zwar Nordwest, dies liegt aber an der Lage der Station. Bei einer südlichen Höhenströmung liegt die Station im Lee der Tarntalerköpfe. Es kommt nicht zu einer Überströmung dieser Gipfel sondern zu einer Umströmung, sodass sich ein West-Nordwestwind einstellt. Ähnlich verhält es sich auch an der Station Plateau. Im Talboden stellt sich eine südöstliche Strömung ein, entlang der Talachse. Der Föhn weht ab diesem Zeitpunkt durchgehend bis zum 6. Jänner. 2008. Gegen Mittag bricht er zusammen.
a) b) c)
d) e) f)
Abbildung 6.38 a, b, c, d, e, f: Windvektoren der Stationen Fernerkundung, Plateau und Grat während der Föhnperiode vom 03. Jänner 2007 bis 06. Jänner 2008.
87
Deutlich lässt sich das Föhnereignis an der Station Fernerkundung verfolgen (Abbildung 6.39). Der Wind nimmt bei Föhndurchbruch an Stärke zu und dreht auf Ost-Südost. Die Temperatur steigt dabei gleichzeitig an, und die relative Feuchte nimmt ab. Aufgrund der hohen Windgeschwindigkeiten wurde Schnee an der Station Fernerkundung erodiert (Abbildung 6.39).
Abbildung 6.39: Zeitreihe der meteorologischen Parameter an der Station Fernerkundung vom 03. Jänner 2008 bis 07. Jänner 2008 (Quelle: GALAHAD Projekt).
Bei weiteren Föhnereignissen wurden ähnliche Beobachtungen gemacht. Das heißt, dass sich der Verlauf der Windrichtungen an den drei Station bei anderen Föhnereignissen nahezu gleich verhalten hat.
88
6.5.5. Nordwestlagen
Es stellt sich nun die Frage, inwiefern sich nördliche bis westliche Strömungslagen auf das beobachtete Gebiet auswirken. Dazu werden drei Beispiele einer westlichen bis nordwestlichen Höhenströmung betrachtet (Abbildung 6.40).
a)
b)
c)
Abbildung 6.40: Windvektoren der Stationen Fernerkundung, Plateau, Hang und Grat und 500 hPa Geopotential (gpdm) vom 12. Jänner 2007 a), 19. Jänner 2007 b) und 11. November 2007 c). 89
Eine Höhenströmung aus westlicher Richtung zeigt sich in den Windvektoren der Stationen ebenso durch westliche Komponenten des Windes. Die Windgeschwindigkeiten sind an der Gratstation am stärksten, im Tal wiederum am schwächsten, da in der Grenzschicht die Windstärken mit der Höhe zunehmen. Die Geländeform spielt bei diesen Wetterlagen keine so große Rolle. Der westliche Wind kann ungehindert über den Sattel oberhalb der Sonntagsrinne (und dem Klammjoch, nördlicher) strömen (Abbildung 6.40).
Beobachtete östliche Höhenströmungen waren so gradientschwach, dass sich im Wattental kein erkennbares Windmuster ausbilden konnte.
90
6.6. Schneehöhe
Die Wattener Lizum befindet sich in den Tuxer Alpen zwischen den nördlichen Kalkalpen und dem Alpenhauptkamm (Schaffhauser und Fromm, 2005). Die jährliche Niederschlagssumme im Hochlager des Tüpl Lizum/Walchen schwankt zwischen 1200 und 1700 mm (Periode von 1983 bis 2003), mit dem Maximum im Sommer (Wallensteiner, 2007). Starke Niederschläge in der kalten Jahreszeit sind meistens auf Warmfronten aus nord-westlicher Richtung, Okklusionen aus nord-östlicher Richtung und Genua-Tiefs zurückzuführen. Nordstaulagen führen oftmals nur zu geringem Niederschlag.
Schneefall in dieser Höhe ist das ganze Jahr über möglich, also auch in den Sommermonaten. Die Schneehöhen von Jänner bis April liegen im Mittel zwischen 1 bis 2 m (Abbildung 6.41). Eine durchgehende Schneedecke ist etwa von November bis Mai zu erwarten.
Abbildung 6.41: Monatliche mittlere/maximale/minimale Schneehöhen im Hochlager des Tüpl Lizum/Walchen für die Winter 1984/85 bis 1999/2000 (Quelle: Schaffhauser und Fromm, 2005; Datenquelle: Hydrographischer Dienst Tirol).
In der Periode vom Winter 1984/85 bis 1999/2000 waren der Februar, März und April, die Monate mit den höchsten Schneehöhen, bis zu 260 cm. Im Mittel sind dies auch die schneereichsten Monate. Über das ganze Jahr können Schneefälle in dieser Höhenlage (ca. 2000 m) auftreten.
91
Die ersten Schneefälle setzen meistens im Oktober oder November ein, und dauern bis etwa Mai an (Tabelle 6.5).
Winter Periode Winter Periode
1984/85 10. Dez, - 18. Mai 1992/93 11. Nov. – 11. Mai 1985/86 13. Nov. – 11. Mai 1993/94 02. Nov. – 09. Mai 1986/87 23. Okt. – 03. Jun. 1994/95 11. Nov. – 08. Mai 1987/88 11. Nov. – 09. Mai 1995/96 02. Nov. – 28. Apr. 1988/89 14. Nov. – 19. Mai 1996/97 14. Nov. – 18. Mai 1989/90 20. Dez. – 14. Mai 1997/98 09. Nov. – 11. Mai 1990/91 27. Okt. – 01. Jun. 1998/99 11. Nov. – 30. Mai 1991/92 05. Nov. – 15. Mai 1999/00 07. Nov. – 11. Mai
Tabelle 6.5: Dauer der permanenten Schneedecke im Hochlager des Tüpl Lizum/Walchen für die Winter 1984/85 bis 1999/2000 (Quelle: Schaffhauser und Fromm, 2005; Datenquelle: Hydrographischer Dienst Tirol).
Im Folgenden werden nun Schneehöhen in den vier gemessenen Wintern betrachtet. Im Februar des Winters 2005/06 begannen die Schneehöhenmessungen mittels eines Ultraschallsensors. Gemessen wurde jeweils an der Station Fernerkundung und Plateau. An der Station Fernerkundung stehen Messungen bis zum Winter 2008/09 zur Verfügung. An der Station Plateau gibt es nur bis zum März 2008 Daten.
Die Abbildung 6.42 zeigt, für alle Winter des Beobachtungszeitraumes, stündliche Werte der Schneehöhe an der Station Fernerkundung a) und Plateau b).
a)
92
b)
Abbildung 6.42: Stündliche Werte der Schneehöhe an der Station Fernerkundung a) und Plateau b) für die Winter 2005/06 bis 2008/09.
An der Station Fernerkundung weist der Winter 2007/08 die zeitlich längste Schneedecke auf. Eine durchgehende Schneedecke ist hier von Oktober bis Ende Mai zu finden. Die kürzeste permanente Schneedecke verzeichnet der Winter 2006/07 von Dezember bis Ende April. Es gab zwar vorher und nachher auch Schneefälle, aber der Schnee ist nicht liegengeblieben. Die frühesten Schneefälle traten im September des Winters 2007/08 ein. Die größten Schneehöhen mit Werten bis etwa 160 cm fanden im Winter 2008/09 statt.
An der höher gelegenen Station Plateau verhält es sich ähnlich. Im Winter 2006/07 erreicht die Schneehöhe an dieser Station 200 cm. Messungen des letzten Winters 2008/09 fehlen dort allerdings. Aufgrund der Höhenlage und des Schatten, den die Lizumer Sonnenspitze wirft, ist an der Station Plateau eine zeitlich längere permanente Schneedecke, und die Schneehöhen erreichen höhere Werte.
93
6.6.1. Schneehöhenänderungen
Die Häufigkeitsverteilung der Schneehöhenänderungen von einem Tag zum anderen an der Station Fernerkundung zeigt die Abbildung 6.43. Positive Werte entsprechen einer Zunahme der Schneehöhe, negative einer Abnahme.
Abbildung 6.43: Stündlich Werte der Häufigkeitsverteilung der Schneehöhenänderungen an der Station Fernerkundung mit Daten aller Winter.
Am häufigsten gab es eine Verringerung der Schneehöhe um 0,0 bis 2,5 cm, vor allem aufgrund der Setzung des Schnees bzw. abbauender Metamorphose oder Schmelzmetamorphose (Gray und Male, 1981). Dies geschieht vor allem bei höheren Temperaturen. Die Setzung erfolgt bei lockeren Schneeschichten schneller als bei Altschneeschichten. Im Mittel wird pro Tag eine Setzung des Schnees von wenigen Zentimetern erreicht (im Extremfall bis 30 cm). Das Abschmelzen der Schneedecke sowie Erosion durch Wind tragen zusätzlich zur Schneeabnahme bei.
Geringe Schneezuwächse, bis 2,5 cm, waren häufiger als größere Schneezuwächse. Im Gegensatz zu Schneeabnahmen in Klassen über 17,5 cm, waren Schneezuwächse in diesen Klassen sehr wohl zu finden. Dies bedeutet, dass an einem Tag nie ein Fall mit einer Schneehöhenabnahme von mehr als 17,5 cm aufgetreten ist. Schneehöhenzunahmen sind auch in größerem Ausmaß beobachtet worden. Die wesentlichen Beiträge zur Akkumulation sind Schneefall und Schneedrift.
94
6.6.2. Wetterlagen mit ergiebigen Schneefällen
In diesem Abschnitt werden die Tage mit den höchsten Neuschneezuwächsen betrachtet, und die dazugehörigen Wetterlagen werden untersucht. Dies sind Zeiträume an denen es mehr als 10 cm Neuschnee an der Station Fernerkundung gab. Es wird festgestellt welche Wetterlagen zu intensiven Schneefällen in der Wattener Lizum führen können. Die Messwerte der Winter 2006/07 bis 2008/09 werden für die Neuschneehöhe herangezogen.
Die Tabelle 6.6 zeigt eine Auflistung der Zeiträume an denen es ergiebige Schneefälle gab.
Winter 2006/07 Winter 2007/08 Winter 2007/08 Zeitraum Wetterlage Zeitraum Wetterlage Zeitraum Wetterlage
04. Okt. 2006 Tk 28. Sep. 2007 Tk 13. Nov. 2008 TS 03. Nov. 2006 N 19. Okt. 2007 NW 21. Nov. 2008 NW 12. Nov. 2006 NW 10. Nov. 2007 NW 01. Dez. 2008 SW 22. Nov. 2006 TS 26. Nov. 2007 NW 07. Dez. 2008 NW 09. Dez. 2006 TR 04. Dez. 2007 NW 11. Dez. 2008 TS 18. Dez. 2006 TS 12. Dez. 2007 Tk 18. Dez. 2008 TS 03. Jän 2007 W 01. Jän. 2008 NW 20. Jän. 2009 SW 12. Jän. 2007 W 17. Jän. 2008 TR 28. Jän. 2009 TS 24. Jän. 2007 Tk 22. Jän. 2008 W 08. Feb. 2009 Tk 27 Jän. 2007 NW 27. Jän. 2008 NW, W 17. Feb. 2009 Tk 13. Feb. 2007 Tk 02. Feb. 2008 SW 27. Feb. 2009 NW 26. Feb. 2007 TR 04. Mär. 2008 TS 13. Mär. 2009 NW 19. Mär. 2007 Tk 16. Mär. 2008 W 30. Mär. 2009 TR 24. Mär. 2008 TS 23. Apr. 2009 Tk 03. Apr. 2008 NW 29. Apr. 2009 Tk 07. Apr. 2008 W 12. Apr. 2008 W 16. Apr. 2008 N 22. Apr. 2008 TS, Tk 25. Apr. 2008 W
Tabelle 6.6: Wetterlagen mit ergiebigen Schneefällen (Quelle: ZAMG, 2009).
Für die Tabelle 6.6 gilt, dass die angeführten Zeiträume Schneefall bedeuten, die durchaus länger als diesen einen aufgelisteten Tag angedauert haben.
95
N … Nordlage NW … Nordwestlage SW … Südwestlage Tk … kontinentales Tief TR … meridionale Tiefdruckrinne TS … Tief südlich der Alpen W … Westlage
Etwa 50 Schneefälle wurden für diese drei Winter untersucht. Zur Einteilung der Wetterlagen wurden die 500 hPa Geopotentialkarte und der Bodendruck verwendet. Es hat sich herauskristallisiert, dass in knapp der Hälfte der Fälle eine nördliche, nordwestliche bzw. westliche Höhenströmungsrichtung war (Abbildung 6.44). Ein Trog ist über Mitteleuropa gezogen, der für die Entwicklung eines Tiefdruckgebietes verantwortlich war. Daraus folgten die ausgiebigen Schneefälle. Die restliche Hälfte der Fälle machen etwa zu einem gleichen Anteil kontinentale Tiefs, ein Tief südlich der Alpen und etwas geringer Südwestlagen und meridionale Tiefdruckrinnen, aus.
Wetterlagen
N, NW, W Tk TS SW, TR
Abbildung 6.44 Häufigkeit (%) der Wetterlagen mit ergiebigen Schneefällen
Im Vergleich der Wetterlagen mit den Neuschneezuwächsen, hat sich gezeigt, dass im Gebiet der Wattener Lizum keine spezielle Wetterlage zu den extremsten Neuschneefällen (> 30 cm) führte. Von
96 den angeführten Fällen waren 8 Ereignisse mit Schneefällen größer als 30 cm, und 5 Fälle mit Schneefällen größer als 50 cm. Die Wetterlagen der drei schneereichsten Ereignisse der Winter 2006/07 bis 2008/09 sind in den Abbildungen 6.45 a, b und c dargestellt.
a) b)
c)
Abbildung 45 a, b, c: Die schneereichsten Wetterlagen der Winter 2006/07 bis 2008/09. Beispiel für ein kontinentales Tief am 19. März 2007 a), einer nord-westlichen Lage am 10. November 2007 b) und einem Tief südlich der Alpen am 18. Dezember 2008 c).
Die Abbildung 6.45 a zeigt ein kontinentales Tief, welches bis etwa 80 cm Neuschnee in der Wattener Lizum brachte. In Abbildung 6.45 b wurden um die 50 cm Neuschnee durch eine nord-westliche Anströmungsrichtung erreicht. In Abbildung 6.45 c führte ein Tief südlich der Alpen zu Schneefällen um die 50 cm.
97
7. Schlussfolgerungen
Dieses Kapitel fasst die Erkenntnisse, die bei der Aufarbeitung der Daten gewonnen wurden, zusammen.
Die vorliegende Arbeit baut auf Messdaten von vier automatischen Wetterstationen auf, die im hinteren Wattental (Tirol, Austria) gewonnen wurden. Die Messdaten entstanden im Zuge des Europäischen Forschungsprojektes GALAHAD, und standen für diese Arbeit zur Verfügung. Gemessen wurde in vier aufeinanderfolgenden Wintern, von Februar 2006 bis Juni 2009. Die automatischen Stationen befanden sich in der Wattener Lizum in unterschiedlichen Seehöhen. Die am tiefsten liegende Station Fernerkundung befand sich am Fuße des Westhanges, die Station Hang und Plateau am Osthang der Tarntalerköfe und die Station Grat zwischen den Tarntalerköpfen und den Klammspitzen. Die Station Fernerkundung war, aufgrund der leichten Zugänglichkeit, die Station mit den meisten Sensoren und der besten Ausstattung. Daher wurde sie in dieser Arbeit bevorzugt verwendet. Die Station Plateau, Hang und Grat weisen keine durchgehenden Datensätze auf; technische Probleme, sowie Umwelteinflüsse, wie Vereisung und Schäden durch Lawinen verursachten Datenlücken. Ebenso waren die drei Stationen nicht so gut bestückt, was die Qualität der Daten teilweise verminderte. Dennoch konnten Daten an diesen Stationen für Vergleiche und verschiedene Berechnungen herangezogen werden.
Ein wichtiger Faktor für die Anwendung der Daten auf verschiedene Fragestellungen war die Qualitätskontrolle der Daten. Es wurde versucht fehlerbehaftete Werte zu eliminieren und auftretende Probleme bei den Messungen zu lösen. Es entstanden trotzdem Messungenauigkeiten und Datenlücken.
Aus den geprüften Daten wurde eine meteorologische Betrachtung des hinteren Wattentales durchgeführt. Die Statistik der Stationen Fernerkundung, Plateau und Grat in zwei betrachteten gemeinsamen Perioden mit homogenen Daten zeigt, dass die erste Periode (Winter 2006/07) im Mittel um mehr als 2 °C wärmer war als die zweite Periode (Winter 2007/08). Die zweite Periode war die schneereichere. Die Windgeschwindigkeit nimmt mit der Höhe im Allgemeinen zu. Der mittlere Tagesgang der Lufttemperatur verläuft an den drei Stationen ähnlich und weist ein Maximum zur Mittagszeit auf, wobei das Maximum an der Station Fernerkundung etwas später ist. Der mittlere Tagesgang der Oberflächentemperatur ist sinusförmig mit dem Maximum zur Mittagszeit.
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Der mittlere Tagesgang der einzelnen Strahlungskomponenten führt während des Tages zu einer mittleren positiven kurzwelligen Bilanz, die mittlere langwellige Bilanz ist negativ. Dies ergibt in der Nacht eine mittlere negative Gesamtstrahlungsbilanz, die während des Tages positiv wird. Mittlere Tagesgänge der Windgeschwindigkeiten geben keine Periodizität wieder.
In Abhängigkeit von der Tageszeit und der Jahreszeit, wurden die verschiedenen Stationen auf die Lage in Bezug auf die Sonnenscheindauer und den Sonnenstand überprüft. Die Geländeform der Umgebung spielt eine große Rolle für die Betrachtung weiterer meteorologischer Elemente wie Strahlung, Lufttemperatur, Wind und Schneelage. Speziell in den Wintermonaten, in denen die Sonne flacher steht, werden die Stationen durch die umliegenden Berge beeinflusst.
Bei der Betrachtung der Tagesmittel der Strahlungsbilanz zeigte sich, dass die Wintermonate eine negative Gesamtstrahlungsbilanz aufweisen. Ab Mitte März wird die Gesamtstrahlungsbilanz positiv. Die Werte der Bilanz werden zunehmend positiver mit den fortschreitenden Monaten im Frühjahr. Der Grund für die positiven Gesamtstrahlungsbilanzen ist die höhere Strahlungsintensität und die längere Sonnenscheindauer, sowie die abnehmende Albedo. Der jahreszeitliche Gang der Albedo sinkt mit der Schneealterung, Schneeverschmutzung, dem Wassergehalt des Schnees und der Ausaperung. Zusätzlich zu den Strahlungsmessungen fanden, an einer Station, Oberflächentemperaturmessungen mittels eines Infrarot-Thermometers statt. Aus der langwelligen Ausstrahlung wurde die Oberflächentemperatur berechnet und mit den Messungen des IR-Thermometers verglichen. Abweichungen wurden festgestellt, welche vor allem auf die nicht exakte Temperatureichung auf die Umgebung der Strahlungsgeräte zurückgeführt werden. Verschiedene Methoden zur Bestimmung der langwelligen Gegenstrahlung kamen zur Anwendung. Die berechneten Werte sind mit den Messwerten verglichen worden. Dabei stellte sich heraus, dass bei wolkenlosem Himmel und stark bedecktem Himmel gute Übereinstimmungen mit den Messwerten erzielt werden konnten. Bei teils bewölktem Himmel erwies sich die Parametrisierung der Bewölkung mit Hilfe der relativen Luftfeuchtigkeit als nur bedingt anwendbar.
Die Lufttemperaturen der einzelnen Winter wurden miteinander verglichen. Es zeigte sich, dass die Winter sehr unterschiedlich im Temperaturverlauf waren. Es bedarf aber mehrerer Messwinter um eine Tendenz der Lufttemperatur festzustellen. Die tiefsten Temperaturen konnten jeweils durch Kaltluftadvektionen aus dem Norden belegt werden. Aus der Lufttemperatur an den Stationen in verschiedenen Seehöhen wurden mittlere vertikale Temperaturgradienten berechnet. Dabei kann die Bedeutung der künstlichen Ventilation der Temperatursensoren zum Tragen. Werte an denen keine Ventilation stattfand konnten lokalisiert werden, und bei den Betrachtungen berücksichtigt werden Es zeigte sich, dass sich im hinteren Wattental im Bereich der Stationen keine lokalen Kälteseen ausbildeten. Die im Tal gelegene Station
99
Fernerkundung liegt in keinem Becken, sondern am Fuße des Westhanges, und somit kann die Kaltluft abfließen.
Windmessungen fanden an allen vier Stationen statt. Häufigkeitsverteilungen der Windrichtung und Windgeschwindigkeit sind analysiert worden. Am häufigsten traten an der Station Grat höhere Windgeschwindigkeiten auf. Der Grund hierfür sind die höhere Lage und die Geländeform; nur in eine Richtung ist eine Erhebung (Tarntaler Köpfe). Die Windrichtungen unterscheiden sich an den einzelnen Stationen, zufolge des Einflusses der Topographie, stark. Es konnte gezeigt werden, dass sich ein Hangwindsystem nur bedingt ausbildet. Sobald die Oberfläche mit Schnee bedeckt ist, fehlt die Thermik für einen Hangaufwind, Hangabwinde treten stets auf. Die Untersuchung der Auswirkungen verschiedener Strömungslagen ergab, dass bei Südföhn im Talboden eine südliche Windrichtung herrscht, die höher gelegenen Stationen aber eine westliche Komponente aufweisen. Die Ursache sind die nahe gelegenen Erhebungen, die stromaufwärts liegen. Nordwestliche Höhenströmungen verursachen an allen Stationen Nordwestwinde, aufgrund der ungehinderten Strömung über den oberhalb liegenden Sattel.
Zeitreihen der Schneehöhen aller Winter zeigen starke Variationen. Es konnte festgestellt werden, dass die ergiebigsten Schneefälle bei Nordwestlagen, Tiefdruckgebieten südlich der Alpen und kontinentalen Tiefs auftraten. Die mittleren Schneehöhen im hinteren Wattental betragen ein bis zwei Meter und sind geringer an der tiefer gelegenen Station Fernerkundung.
100
8. Zusatzinformationen
Anhang A
Technische Details des Pyrgeometer CG4, laut Bedienungsanleitung des Herstellers (Kipp & Zonen, 2003):
Physikalische Funktionsweise:
Das Pyrgeometer CG4 ist mit einem Thermosensor ausgestattet. Dieser Sensor ist eine Thermosäule mit 64 Thermoelementen. Der Gerätetemperatursensor ist am Rand des Thermosensors an den Kaltstellen eingebaut. Die Strahlungsenergie wird durch eine schwarzgefärbte Scheibe absorbiert. Die Wärme wird durch einen Thermowiderstand an den Pyrgeometerkörper abgeleitet. Die Temperaturdifferenz auf dem Thermowiderstand des Sensors wird in eine Spannung gewandelt. Der Ausgang der Thermosäule kann durch Wind und Regen beeinflusst werden, deshalb wird der Sensor durch das Siliziumfenster geschützt. Die Fensteraußenseite ist durch eine diamantähnliche Beschichtung gegen widrige Umwelteinflüsse, wie z. B. Wind und Regen, geschützt. Innen befindet sich ein Interferenzfilter der nur die langwellige Strahlung durchlässt. Das Siliziumfenster erlaubt die gleichmäßige Übertragung atmosphärischer Langwellen-Strahlung in einem Bereich von 4,5 bis ca. 42 μm. Die Abbildung 8.1 zeigt die Konstruktionszeichnung des Pyrgeometers CG4.
Abbildung 8.1: Schematische Konstruktion des Pyrgeometers CG4.
101
Eigenschaften des Siliziumfensters:
Obwohl das Siliziumfenster nicht halbkugelförmig ist, hat es eine periphere Sicht von 180 ° mit guter Kosinusaufnahme. Der Blindfilter ist undurchlässig für Strahlungen unter 4,5 μm. Nach unten gerichtete atmosphärische Langwellenstrahlung:
Bei einem Pyrgeometer wird Wärmeenergie vom Thermosensor als Infrarotstrahlung abgegeben. Das Pyrgeometersignal ergibt sich demnach aus der Differenz der nach unten gerichteten Langwellenstrahlung und der nach oben gerichteten vom Pyrgeometer abgegebenen Strahlung. Die nach unten gerichtete Langwellenstrahlung kann somit mit der Gleichung (17) durch Messung des
Spannungsausganges der Thermosäule 푈푒푚푓(μV), der Gerätekörpertemperatur 푇푏 (K), und unter Berücksichtigung des Kalibrierfaktors 푆 (μV/W/m²) ermittelt werden.
푈푒푚푓 퐿 = + 5,67 10−8 푇4 Gl. (17) 푑 푆 푏
퐿푑 = die nach unten gerichtete Langwellenstrahlung (W/m²)
푈푒푚푓 = die Nettostrahlung (Differenz zwischen nach unten gerichteter 푆 Langwellenstrahlung von der Atmosphäre und nach oben gerichteter Strahlung des CG4 Sensors) (W/m²)
−8 4 5,67 10 푇푏 = die nach oben gerichtete Strahlung des Cg4 Sensors (W/m²)
푈푒푚푓 Es ist zu beachten, dass der Quotient für die Nettostrahlung ( ) meist negativ ist, was besagt, dass 푆 die nach unten gerichtete atmosphärische Langwellenstrahlung geringer ist als die nach oben −8 4 gerichtete ausgehende Strahlung des Sensors (5,67 10 푇푏 ).
Technische Daten:
Spektralbereich: 4,5 bis 42 μm Sensitivität: 10 μV/(W/m²) (nominal) Impedanz: 40 bis 200 Ω (nominal) Nichtlinearität (Empfindlichkeitsabweichungen in Relation zur Solarstrahlung): < ± 1% (bei – 250 bis + 250 W/m² Netto- Strahlungsleistung) Abweichung durch Fenstererwärmung: max. 4 W/m² bei 1000 W/m² Solarstrahlung 102
Ansprechzeit: 25 s (95 %) und < 8 s (63 %) Thermosäulenausgangsbereich (Strahlungsaufnahme): - 250 bis + 250 W/m² Temperaturabhängigkeit der Sensitivität: max. ± 1 % (- 20 °C bis + 50 °C) Neigungsfehler: max. 1 % Abweichung, nach unten zeigend Nullpunktabweichung durch Temperaturschwankungen: < 2 W/m² bei 5 K/h Temperaturschwankung Betriebstemperaturbereich: - 40 °C bis + 80 °C Sichtfeld: 180 ° (2 π sr) Sensitivitätsabweichung: < ± 1% pro Jahr Spektrale Trennschärfe im Bereich 8 bis 14 μm: max. ca. ± 5% Geschätzte Messungenauigkeit: < 7,5 W/m²
103
Anhang B
Technische Details des Pyrradiometer Typ 8111 der Firma Ph. Schenk laut Bedienungsanleitung des Herstellers (Schenk, 1991 b):
Die Strahlungsströme (kurz- und langwellig) aus dem oberen und unteren Halbraum werden getrennt gegen einen thermischen Bezugspunkt gemessen. Die Bezugstemperatur wird mit einem Messwiderstand (Pt 100) ermittelt.
Das Gerät besteht aus einem massiven Messkörper aus Leichtmetall mit 2 Trockenbehältern, sowie aus einem 250 mm langen Haltegriff. An der Ober- und Unterseite des Messkörpers befinden sich die beiden geschwärzten Empfängerflächen. Zwei Dosenlibellen dienen zur horizontalen Ausrichtung. Jede der beiden Empfängerflächen ist durch eine Lupolenkuppel abgeschirmt und wasserdicht verschlossen. Die schwere Ausführung der Armatur verleiht dem Pyrradiometer große thermische Trägheit, sodass die Temperatur des großen Geräteblocks auch bei starken Schwankungen der Außentemperatur weitgehend konstant bleibt. Jedes Pyrradiometer ist mit einem elektrischen Widerstandsthermometer, 0° C = 100 Ohm, zur Messung der Blocktemperatur versehen. Diese Temperatur ist die Bezugstemperatur für die Messung der Strahlungsströme vom oberen oder unteren Halbraum. Da die Strahlungsströme thermoelektrisch gemessen werden, also auf der Messung einer Temperaturdifferenz beruhen, muss die Bezugstemperatur für die inaktiven Lötstellen bekannt sein und das ist die Blocktemperatur. Sie kann fallweise bis einige Grade von der Umgebungstemperatur abweichen. Um die langwelligen Strahlungswerte zu erhalten, müssen die gemessenen kurzwelligen Werte abgezogen werden. Im Vergleich zum Pyrgeometer CG4 werden somit geringere Genauigkeiten erzielt.
Technische Daten:
Messprinzip: Messungen der Temperaturdifferenz mittels Thermoelementen Abdeckung: 2 Lupolenkuppeln Messbereich: 0,3 bis 100 μm Output: ca. 15 μV/W/m² Innenwiderstand: ca. 190 Ohm pro Empfängerfläche 104
Empfindlichkeit: ca. 5 mV/(J/cm² min) Langzeitstabilität: 3 % pro Jahr Umgebungstemperatur: - 40 °C bis + 60 °C Ansprechzeit: 4 s Einstelldauer: 30 s auf 95 % des Endwertes Spektraler Messbereich: 0,3 bis 60 μm Auflösung: < 1 W/m² Erfüllung des Kosinusgesetzes: 0 bis 60° … ± 1% und 60 bis 85° … ± 3,5% Linearität: 2% zwischen 0,5 und 1330 W/m²
105
Anhang C
Sensor
Schneeoberfläche
Ultraschallkeule
�
r Oberfläche
M Abbildung 8.2: Blickfeldr der Ultraschallkeule des Schneehöhensensors.
푀 ist die Montagehöhe (Höhe von der Oberfläche bis zum Messinstrument).
퐻 ist die Höhe von der Schneeoberfläche bis zum Messinstrument.
ist der halbe Öffnungswinkel des Messinstrumentes (hier 11°).
푟 ist der Radius des Kreises der durch die Ultraschallkeule abgedeckt wird (Gleichung (18)).
퐴 ist die Kreisfläche, wobei 퐴푂 für die Kreisfläche an der Oberfläche gilt und 퐴푆 für die Kreisfläche an der Schneeoberfläche.
106
푠푑 ist die Schneehöhe (Distanz von der Oberfläche bis zur Schneeoberfläche).
Berechnung der Kreisfläche an der Oberfläche (Gleichung (19)) und an der Schneeoberfläche (Gleichung (20)):
푟 = 푀 푡푎푛 Gl. (18)
2 2 퐴푂 = 푟 = (푀 푡푎푛) Gl. (19)
2 2 퐴푆 = 퐻 푡푎푛 = 푀 − 푠푑 푡푎푛 Gl. (20)
Gleichung (19) stellt die Kreisfläche an der Oberfläche dar, die durch die Ultraschallkeule des Sensors gebildet wird. Gleichung (18) ist die Berechnung des Radius dieser Kreisfläche und Gleichung (20) ist die Kreisfläche an der Schneeoberfläche.
Beispiel:
Bei einer Montagehöhe von 4 m und einem Winkel = 11° , ergibt sich eine Kreisfläche von
퐴푂 = 1,9 푚².
Bei einer Schneehöhe von 1,5 m reduziert sich die Kreisfläche auf 퐴푆 = 0,7 푚².
107
Anhang D
Beispiele zur Bestimmung des Koeffizienten 풌:
Während Niederschlags- und Schneedriftperioden bewegen sich Schneepartikel zwischen Sensor und Oberfläche. Diese Partikel streuen die Ultraschallsignale. Einerseits kann es dadurch zu einer Mehrfachreflexion kommen, was die Laufzeit vergrößert; andererseits wird durch Reflexion des Signals am Schneepartikel die Laufzeit verringert. Daraus folgt ein stark streuender Schneehöhenverlauf. Um solche Datenausreisser zu eliminieren, wurde eine erste Korrektur vorgenommen. Dabei wird gefordert, dass der Messwert innerhalb zweier Grenzwerte liegen muss. Liegt der gemessene Schneehöhenwert innerhalb der beiden Grenzwerte so erfüllt er Gleichung (21), und wird als korrekter Messwert akzeptiert. Die Grenzwerte wurden empirisch ermittelt. Der Einfluss des Koeffizienten 푘 wird im Folgenden diskutiert.
푠푑 (푐푚) Oberer Grenzwert
푠푑푡0
Unterer Grenzwert 푡 (푠)
푡0 푡1
Abbildung 8.3: Qualitätskontrolle für Schneehöhensignale.
푡 (푠) ist die Zeit.
푠푑 (푐푚) ist die Schneehöhe.
∆푡 ist die Zeit die vergangen ist zwischen dem Zeitpunkt 푡0 und dem Zeitpunkt 푡1. 108
푠푑푡0 − 푘 ∆푡 < 푠푑푡1 < 푠푑푡0 + 푘 ∆푡 Gl. (21)
푠푑푡0 entspricht dem Schneehöhenwert (cm) zum Zeitpunkt 푡0, was dem letzten akzeptierten Wert entspricht.
푠푑푡1 ist die Schneehöhe (cm) des nächsten Zeitschritts.
∆푡 (s) ist jene Zeit, die vom letzten akzeptierten Messwert bis 푡1 verstrichen ist.
Liegt der Messwert außerhalb der Grenzwerte, so wird 푠푑푡0 beibehalten und ∆푡 um den nächsten Zeitschritt erhöht.
푘 entspricht 0,49.
Ermittlung des Koeffizienten 푘 :
Annahme: 푘 = 0,99
푠푑 = 푘 ∆푡 Gl. (22)
sd (cm) ∆t (s)
7,7 60 (1 min)
59,4 3600 (1 h)
291 86400 (1 d)
Tabelle 8.1: Ergebnisse für 푠푑 (푐푚) bei einem 푘 = 0,99.
Dies bedeutet, dass bei einem Wert von 푘 = 0,99 in einer Minute mehr als 7,7 cm Neuschnee hinzukommen müssen, um außerhalb des vorgegebenen Grenzwertes zu liegen. Auch bei einem Schneezuwachs von mehr als 59,4 cm in einer Stunde, und 291 cm an einem Tag liegt der Wert außerhalb des Grenzwertes und wird nicht akzeptiert. Dies sind für die in der Natur vorkommenden Neuschneezuwächse unrealistische Werte.
109
Annahme: 푘 = 0,1
sd (cm) ∆t (s)
0,7 60 (1 min)
6 3600 (1 h)
29,4 86400 (1 d)
Tabelle 8.2: Ergebnisse für 푠푑 (푐푚) bei einem 푘 = 0,1.
Die Neuschneezuwächse bei einem Koeffizienten 푘 = 0,1 sind zu niedrig gewählt, für die in der Natur möglichen Neuschneezuwächse.
Annahme: 푘 = 0,49
sd (cm) ∆t (s)
3,8 60 (1 min)
29,4 3600 (1 h)
144 86400 (1 d)
Tabelle 8.3: Ergebnisse für 푠푑 (푐푚) bei einem 푘 = 0,49.
Für den Koeffizienten 푘 = 0,49 sind die Werte für den Neuschneezuwachs, im vorgegeben Zeitraum ∆t, realistisch.
110
Literaturverzeichnis
Adams M. S., 2008: Critical Evaluation of Terrestrial Laser Scanning in a Snow-Covered Alpine Environment. Diplomarbeit an der Universität Innsbruck; 145 Seiten.
Armi, L., and G.J. Mayr, 2007: Continuously startified flows across an Alpinecrest with a pass: Shallow and deep föhn. Quart. J. Roy. Meteor. Soc., 133, 459–477.
Barry G. R. und Chorley J. R., 2010: Atmosphere, Wheather and Climate. 9. Auflage, Routledge Verlag; ISBN: 978-0-203-87102-7; 516 Seiten.
Campbell Scientific, 2005: Instruction Manual. R. M. Young Wind Monitors 05103; 49 Seiten.
Campbell Scientific, 2006 a: 43408 Aspirated Radiation Shield. www.campbellsci.com
Campbell Scientific, 2006 b: RM Young radiation shield, Typ 41003-X. www.campbellsci.com
Campbell Scientific, 2006 c: Instruction Manual. IRTS-P Precision Infrared Temperature Sensor, Revision: 9/06; 18 Seiten. www.campbellsci.co.uk
Campbell Scientific, 2008: Instruction Manual. CS 100 Barometric Pressure Sensor, Revision: 6/08; 16 Seiten. www.campbellsci.co.uk
Campbell Scientific, 2009: HMP45C Temperature and relative Humidity Probe. www.campbellsci.co.uk
ChemgaPedia, 2009: Kapazitive Drucksensoren. www.ChemgaPedia.mht
Fromm R., 2008: Extrapolation meteorologischer Parameter in das alpine Gelände und die Stabilität der Schneedecke. Interner Bericht am Bundesamt und Forschungszentrum für Wald, Naturgefahren und Waldgrenzregionen, Abteilung Schnee und Lawinen; 52 Seiten.
Gabl K., 1996: Meteorologie und Lawinen im Lawinenhandbuch. Seite 15-42. Herausgeber Land Tirol; Tyrolia Verlag, ISBN: 3-7022-1577-8.
Gray D. M. und Male D. M., 1981: Handbook of snow. The blackburn press; ISBN: 1-932846-06-9; 776 Seiten.
Guneriussen T., Høgda K. A., Johnson H. und Lauknes I., 2001: „InSar for estimation of changes in snow water equivalent of dry snow. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing , Vol. 39, No. 10; Seite 2101-2108.
111
Häckel H., 1999: Meteorologie. 4. Auflage; Verlag Eugen Ulmer Stuttgart, ISBN: 3-8001-2728-8; 448 Seiten.
Heyer E., 1993: Witterung und Klima. 9. Auflage; B. G. Teubner Verlagsgesellschaft, ISBN: 3-8154- 3016-X; 344 Seiten.
Hupfer P. und Kuttler W., 2006: Witterung und Klima: Eine Einführung in die Meteorologie und Klimatologie. 12. Auflage, Teubner Verlag, ISBN 3-8351-0096-3; 554 Seiten.
Jörg P., Fromm R., Sailer R. und Schaffhauser A., 2006: Measuring Snow Depth with a Terrestrial Laser Ranging System Proceedings ISSW (International Snow Science Workshop) 2006; Seite 452 – 460.
Judd Communications LLC, 2009: Ultrasonic Depth Sensor. www.juddcom.com
Kipp & Zonen, 2003: Bedienungsanleitung Pyrgeometer Modell CG4.
Kipp & Zonen, 2004 a: Bedienungsanleitung CM21 Pyranometer. www.kippzonen.com
Kipp & Zonen, 2004 b: Bedienungsanleitung Pyranometer CM21/31 Teilnummer 0305214 (9910).
Kraus H, 2001: Die Atmosphäre der Erde: Eine Einführung in die Meteorologie. Springer Verlag, ISBN 3-540-41844-X; 470 Seiten.
Kraus H., 2008: Grundlagen der Grenzschichtmeteorologie. Springer-Verlag; ISBN: 978-3-540- 75980-5; 203 Seiten.
Kuhn M., 1984: Physikalische Grundlagen des Energie und Massenhaushaltes der Schneedecke, aus Schneehydrologische Forschung in Mitteleuropa; Deutscher Verband für Wasserwirtschaft und Kulturbau; Mitteilungen 7; Seite 5-56;
Liljequist G. H. und Cehak K., 1984: Allgemeine Meteorologie. 3. Auflage, Vieweg Verlag; ISBN: 3- 528-23555-1; 396 Seiten.
Luzi G., Noferini L., Mecatti D., Macaluso G., Pieraccini M., Atzeni C., Schaffhauser A., Fromm R. und Nagler T., 2009: Using a Ground-Based SAR Interferometer and a Terrestrial Laser Scanner to Monitor a Snow-Covered Slope: Results from an Experimental Data Collection in Tyrol. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing , Vol. 47, No. 2; Seite 382-393.
Rocznik K., 1984: Kleines Wetter-Lexikon. Hirzel Verlag, ISBN: 3-7776-0401-1; 251 Seiten.
Prokop A., 2008: Assessing Applicability of Terrestrial Laser Scanning for Spatial Snow Depth Measurements. Cold Regions Science and Technology, 54; Seite 155 – 163.
112
Rotronic, 2009: Temperatur- und Feuchtesensor, Typ: MP 408A. www.rotronic-humidity.ch
Sailer R., Fellin W., Fromm R., Jörg P., Rammer L., Sampl P. und Schaffhauser A., 2008: Snow Avalanche Mass-Balance Calculation and Simulation-Model Verification. Annals of Glaciology, 48; Seite 183-192.
Sampl P. und Zwinger T., 2004: Avalanche Simulation with Samos. Annals of Glaciology, 38; Seite 393-399.
Schaffhauser A. und Fromm R., 2005: General statements on the temporal and spatial development of snow cover during snowfall periods particularly with consideration of snow drift. Deliverable D 7.5 of the European Research Project Galahad; 51 Seiten.
Schaffhauser A., Adams M., Fromm R., Jörg P., Luzi G., Noferini L. und Sailer R., 2008: Remote Sensing based retrieval of Snow cover Properties. Cold Regions Science and Technology, 54; Seite 164-175.
Schenk Ph., 1991 a: Bedienungsanleitung. Albedometer Modell Nr. 8104.
Schenk Ph., 1991 b: Bedienungsanleitung. Pyrradiometer Modell 8111. www.schenk.co.at
Stull B. R., 1988: An Introduction to Boundary Layer Meteorology. Kluwer Academie Publishers; ISBN: 90-277-2768-6; 666 Seiten.
Stull B. R., 2000: Meteorology for Scientists and Engineers. 2. Auflage, Brooks/cole Verlag; ISBN: 0- 534-37214-7; 502 Seiten.
Suter S., 2001: Cold Firn and Ice in the Monte Rosa and Mont Blanc Areas: Spatial Occurrence, Surface Energy Balance and Climate Evidence. Dissertation, Nr. 14424, ETH-Zürich; 189 Seiten.
Wallensteiner J., 2007: Verfeinerung von digitalen Höhenmodellen zur Simulation von Lawinen. Diplomarbeit an der Fachhochschule Technikum Kärnten; 83 Seiten.
Warnecke G., 1991: Meteorologie und Umwelt. Springer Verlag, ISBN: 3-540-54481-X; 342 Seiten.
Wattenberg, 2009: Gemeindechronik. www.wattenberg.tirol.gv.at
WMO, 1992: World Meteorological Organization. International Meteorological Vocabulary.
Wopfner H. und Hopf J., 1963: Versuche mit Kolktafeln an der Schneeforschungsstelle Wattener Lizum in den Jahren 1950-1955. Mitteilungen der Forstlichen Bundes-Versuchsanstalt Mariabrunn, 60; Seiten 633-665.
113
ZAMG, 2009: Monats-/Jahresübersicht, Klimawerte. http://www.zamg.ac.at, Stand Dezember 2009.
114
Abbildungsverzeichnis
3.1 Ostalpen und Tuxer Alpen. Einteilung basierend auf einer Übereinkunft der …4 Alpenvereine von 1984. Aufgebaut auf der "Moriggl-Einteilung" aus dem Jahr 1924. 3.2 Lage des Untersuchungsgebietes. …4 3.3 Untersuchungsgebiet mit Lizumer Hütte. …5
4.1 Lageskizze der Messstationen in der Wattener Lizum. …6 4.2 Hütte mit Fundament schützt die Fernerkundungsgeräte des Projektes GALAHAD …7 (TLS, GB-SAR, Webkamera) vor Witterungseinflüssen. Im Hintergrund der Gittermast der Messstation Fernerkundung. 4.3 Gittermast mit Ausleger der Messstation Fernerkundung. …7 4.4 Gittermast mit Sensoren und Solarzellen der Messstation Plateau. …9 4.5 Station Grat mit Windgeber, Temperatur- und Feuchtesensor, Solarzellen, Kasten mit …10 Datenlogger und –übertragung, sowie Antenne. 4.6 Station Hang mit Schneehöhensensor, Windgeber, Solarzelle und Antenne. …11 4.7 Zeiträume der Messungen der Stationen Fernerkundung (grün), Hang (rot), Plateau …12 (blau), Grat (orange). 4.8 HMP 45C Sensor. …13 4.9 43408 Gill Strahlungsschutz. …14 4.10 Strahlungsschutz von Young. …15 4.11 Funktionsprinzip eines kapazitiven Drucksensor. …16 4.12 CS 100 barometrischer Drucksensor. …17 4.13 Pyranometer CM 21. …18 4.14 Albedometer Model 8104. …19 4.15 Pyrgeometer CG4. …20 4.16 Pyrradiometer 8111. …21 4.17 Zwei Pyrgeometer (links) und zwei Pyranometer (rechts) an der Station …21 Fernerkundung. 4.18 Windgeber 05103. …22 4.19 IRTS-P Sensor. …23 4.20 Judd Ultraschallsensor, und Judd Ultraschallsensor am Montagearm. …24 4.21 Station Plateau mit Windgeber, Solarzellen für Datenlogger und Ventilation, …25 Ultraschallsensor, Temperatur- und Feuchtesensor mit Strahlungsschutz und Ventilation, Strahlungsgeber.
5.1 Schneeablagerung auf den Strahlungsgebern der Station Fernerkundung am 11. …28 Dezember 2006.
115
5.2 Strahlungsverlauf der einfallenden (schwarz) und reflektierten (rot) kurzwelligen …29 Strahlung, der atmosphärischen Gegenstrahlung (grün) und der langwelligen Ausstrahlung (dunkelblau), der kurzwelligen Strahlungsbilanz (orange), der langwelligen Bilanz (hellblau) und der Gesamtstrahlungsbilanz (punktiert), am 19. Dezember 2006, und am 20. Dezember 2006. 5.3 Gemessene kurzwellige Strahlung an der Station Fernerkundung. Ein Abspannseil des …31 Mastens wirft einen Schatten auf die Sensoren (Pfeil). 5.4 Vertikaler Temperaturverlauf an den Stationen Fernerkundung, Plateau und Grat vom …33 04. März 2007 bis zum 06. März 2007. 5.5 Zeitreihe der Windgeschwindigkeit, Windrichtung und Globalstrahlung an der Station …33 Plateau, sowie Temperaturgradienten der Stationen Fernerkundung/Grat, Fernerkundung/Plateau und Plateau/Grat. 5.6 Künstlich ausgelöste Lawine die die Messstation Hang am 25. April 2007 zerstörte. …36
6.1 Mittlerer Tagesgang der Lufttemperatur und der relativen Luftfeuchtigkeit, für die …41 Perioden vom 13. Oktober 2006 – 26. März 2007 und 13. Oktober 2007 – 26. März 2008, für die Station Fernerkundung, Plateau und Grat. 6.2 Mittlerer Tagesgang der einzelnen Strahlungskomponenten an der Station …42 Fernerkundung, für die Perioden vom 13. Oktober 2006 – 26. März 2007 und 13. Oktober 2007 – 26. März 2008 6.3 Mittlerer Tagesgang der Windgeschwindigkeit für die Perioden vom 13. Oktober 2006 …43 – 26. März 2007 und 13. Oktober 2007 – 26. März 2008, an der Station Fernerkundung (schwarz), Hang (blau), Plateau (rot) und Grat (grün). 6.4 Sonnenhöhe über einer ebenen Fläche, als Funktion des Tages im Jahr und der …45 Uhrzeit, für 47° 15´ N, 11° 38´ E. 6.5 Sonnenhöhe als Funktion des Tages im Jahr und der Uhrzeit, unter Berücksichtigung …46 des Geländes, für die Stationen Fernerkundung, Plateau und Grat. 6.6 Tagesgang der Sonne an den Stationen Fernerkundung, Plateau und Grat. …48 6.7 Gesamtstrahlungsbilanz der Station Fernerkundung in den Wintern 2005 bis 2009. …50 6.8 Zeitreihe der Gesamtstrahlungsbilanz in W/m² an der Station Fernerkundung in den …51 Wintern 2005/06, 2006/07, 2007/08 und 2008/09. 6.9 Tagesmittel der Albedo an der Station Fernerkundung im Winter 2006/07, mit …53 Schneefall am 6. Mai 2007.. 6.10 Tagesgang der Albedo am 13. März 2007 an der Station Fernerkundung. …53 6.11 Vergleich der Oberflächentemperatur des IR-Thermometers und der berechneten …54 Oberflächentemperatur aus der langwelligen Ausstrahlung an der Station Fernerkundung im Winter 2008/09. 6.12 Gemessene atmosphärische Gegenstrahlung an der Station Fernerkundung verglichen …57 mit den verschieden Berechnungsmethoden, für einen wolkenlosen Himmel, und einen mit 8/8 bedecktem Himmel. 6.13 Gemessene atmosphärische Gegenstrahlung an der Station Fernerkundung verglichen …57 mit den verschieden Berechnungsmethoden für einen teils bedeckten Himmel. 6.14 Gemessene atmosphärische Gegenstrahlung an der Station Fernerkundung, verglichen …58 mit den verschieden Berechnungsmethoden, sowie die Bestimmung mit Hilfe der multiplen Regression, für den Zeitraum vom 29. Dezember 2007 bis 31. Dezember 2007.
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6.15 Monatsmitteltemperaturen an der Station Fernerkundung für die Winter 2005 bis …59 2009. 6.16 Frosttage und Eistage an der Station Fernerkundung für die Winter 2005/06 bis …60 2008/09. 6.17 Zeitreihe der Lufttemperatur an der Station Fernerkundung. …61 6.18 500 hPa Geopotential (gpdm) und Bodendruck (hPa), 850 hPa Temperatur (°C) am 13. …62 März 2006. 6.19 500 hPa Geopotential (gpdm) und Bodendruck (hPa), 850 hPa Temperatur (°C) am 27. …62 März 2006. 6.20 Zeitreihe der Lufttemperatur an der Station Fernerkundung. …63 6.21 Zeitreihe der Lufttemperatur an der Station Plateau. …63 6.22 500 hPa Geopotential (gpdm) und Bodendruck (hPa), 850 hPa Temperatur (°C) am 19. …64 Dezember 2006. 6.23 Zeitreihe der Lufttemperatur an der Station Plateau. …64 6.24 500 hPa Geopotential (gpdm) und Bodendruck (hPa) am 21. Oktober 2007, am 17. …65 November 2007, am 15. Dezember 2007, am 01. Jänner 2008, am 23. Jänner 2008 und am 06. März 2008. 6.25 Mittlerer Tagesgang der monatlichen Temperaturgradienten zwischen der Station …67 Fernerkundung und Grat in den Wintern 2006/07 und 2007/08. 6.26 Temperaturgradienten zwischen der Station Fernerkundung und der Station Grat in …68 den Wintern 2006/07 und 2007/08. 6.27 Lageskizze der Messstationen in der Wattener Lizum mit eingezeichneten Schnitten, …70 und Höhenprofilen entlang der Schnitte. 6.28 Windgeschwindigkeiten an der Station Grat als Funktion des Tages und der Uhrzeit im …71 Winter 2006/07 und 2007/08. 6.29 500 hPa Geopotential (gpdm) und Bodendruck (hPa) am 07. März 2008. …72 6.30 Häufigkeitsverteilungen der Windgeschwindigkeit an den Stationen Fernerkundung, …74 Plateau, Hang und Grat. 6.31 10-Minuten Mittelwerte der Windrichtung über den gesamten Beobachtungszeitraum …76 an der Station Fernerkundung, Plateau, Hang und Grat. 6.32 Verhältnis der Windrichtung der Station Fernerkundung zur Station Grat und der …78 Station Plateau zur Station Grat. 6.33 Hangwinde an der Station Plateau im Winter 2006/07. …81 6.34 Windgeschwindigkeit, Windrichtung und Schneehöhe an der Station Fernerkundung …82 vom 15. Oktober 2006 bis zum 18. Oktober 2006 und vom 04. Juni 2008 bis zum 07. Juni 2008. 6.35 Windgeschwindigkeit, Windrichtung und Schneehöhe an der Station Fernerkundung …83 vom 15. Oktober 2006 bis zum 18. Oktober 2006 und an der Station Hang vom 04. Juni 2008 bis zum 07. Juni 2008. 6.36 Temperaturgradienten von der Oberfläche zum Lufttemperatursensor an der Station …84 Fernerkundung für die Winter 2006/07 und 2007/08. 6.37 500 hPa Geopotential (gpdm) und Bodendruck (hPa) am 03. Jänner 2008. …86
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6.38 Windvektoren der Stationen Fernerkundung, Plateau und Grat während der …87 Föhnperiode vom 03. Jänner 2007 bis 06. Jänner 2008. 6.39 Zeitreihe der meteorologischen Parameter an der Station Fernerkundung vom 03. …88 Jänner 2008 bis 07. Jänner 2008. 6.40 Windvektoren der Stationen Fernerkundung, Plateau, Hang und Grat und 500 hPa …89 Geopotential (gpdm) vom 12. Jänner 2007, 19. Jänner 2007 und 11. November 2007. 6.41 Monatliche mittlere/maximale/minimale Schneehöhen im Hochlager des Tüpl …91 Lizum/Walchen für die Winter 1984/85 bis 1999/2000. 6.42 Stündliche Werte der Schneehöhe an der Station Fernerkundung und Plateau für die …92, 93 Winter 2005/06 bis 2008/09. 6.43 Häufigkeitsverteilung der Schneehöhenänderungen an der Station Fernerkundung mit …94 Daten aller Winter. 6.44 Häufigkeit der Wetterlagen mit ergiebigen Schneefällen …96 6.45 Die schneereichsten Wetterlagen der Winter 2006/07 bis 2008/09. Beispiel für ein …97 kontinentales Tief, nord-westliche Lage und Tief südlich der Alpen.
8.1 Schematische Konstruktion des Pyrgeometers CG4. …101 8.2 Blickfeld der Ultraschallkeule des Schneehöhensensors. …106 8.3 Qualitätskontrolle für Schneehöhensignale. …108
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Tabellenverzeichnis
4.1 Sensoren der Messstation Fernerkundung. …8 4.2 Sensoren der Messstation Plateau. …9 4.3 Sensoren der Station Grat. …10 4.4 Sensoren der Station Hang. …11
5.1 Zeiträume ohne künstliche Ventilation an der Station Plateau. …32 5.2 Tage an denen die Propelleranemometer vereisten. …35
6.1 Mittelwert, Standardabweichung, Minimum und Maximum der Lufttemperatur (t), …38 relativen Luftfeuchte (rf), Schneehöhe (sd) und Windgeschwindigkeit (ff), sowie Vektormittel der Windrichtung (dd), in den Zeiträumen vom 13. Oktober 2006 – 26. März 2007 und 13. Oktober 2007 – 26. März 2008 für die Stationen Fernerkundung (F), Plateau (P) und Grat (G). 6.2 Mittelwert, Standardabweichung, Minimum und Maximum der kurzwelligen …40 Einstrahlung, kurzwelligen Reflexion, atmosphärischen Gegenstrahlung und langwelligen Ausstrahlung an der Station Fernerkundung, für die Perioden vom 13. Oktober 2006 – 26. März 2007 und 13. Oktober 2007 – 26. März 2008. Mittlere Sonnenscheindauer in Stunden/Tag für die Station Fernerkundung.
6.3 Typische Werte der Albedo für Schnee. …52 6.4 Frosttage (F) und Eistage (E) an der Station Fernerkundung für die Winter 2005/06 bis …61 2008/09. 6.5 Dauer der permanenten Schneedecke im Hochlager des Tüpl Lizum/Walchen für die …92 Winter 1984/85 bis 1999/2000. 6.6 Wetterlagen mit ergiebigen Schneefällen. …95
8.1 Ergebnisse für 푠푑 (푐푚) bei einem 푘 = 0,99. …109
8.2 Ergebnisse für 푠푑 (푐푚) bei einem 푘 = 0,1. …110
8.3 Ergebnisse für 푠푑 (푐푚) bei einem 푘 = 0,49. …110
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