Eos,Vol. 84, No. 13, 1 April 2003
VOLUME 84 NUMBER 13 1 APRIL 2003
EOS,TRANSACTIONS, AMERICAN GEOPHYSICAL UNION PAGES 117–124
Glacier Monitoring using ASTER Imagery Rapid ASTER Imaging Facilitates High-resolution satellite instruments such as Landsat ETM+ (Enhanced Thematic Mapper Plus; Timely Assessment of Glacier 15-m resolution for panchromatic band),ASTER (15-m for Visible and Near-Infrared— VNIR– bands),and others of their class help in recog- Hazards and Disasters nizing important details of natural hazards; e.g., avalanche and debris-flow traces, glacier crevasses, and lakes and their changes over PAGES 117, 121 Ice avalanches are able to trigger far-reaching time.ASTER proved to be very suitable for hazards such as enormous snow avalanches, assessing glacier hazards [Kääb, 2002; Wessels Glacier- and permafrost-related hazards lake outbursts,and mudflows.The 1970 Huascaran et al., 2002].With topography being a crucial increasingly threaten human lives,settlements, (Peru) and 2002 Kolka-Karmadon rock/ice ava- parameter for the understanding of high- and infrastructure in high-mountain regions. lanches and mudflows were among the most mountain hazards, DEMs generated from the Present atmospheric warming particularly devastating of all glacier catastrophes. Given ASTER along-track stereo band are especially affects terrestrial systems where surface and the lack of clear statistical evidence,it is difficult helpful [Kääb, 2002]. Imaging opportunities sub-surface ice are involved.Changes in glacier to know whether some of these hazards are a by ASTER are governed by TERRA’s 16-day and permafrost equilibrium are shifting beyond normal part of glacier and permafrost behavior, nadir-track repeat period, and the fact that the historical knowledge. Human settlement and or whether they signal dramatic new threats ASTER VNIR sensor can be pointed cross-track activities are extending toward danger zones from a changing cryosphere.A number of recent, by up to ± 24°,which allows for repeat imaging in the cryospheric system.A number of recent high-magnitude rock fall events from glacierized as frequently as every second day in response glacier hazards and disasters underscore these and perennially frozen rock slopes [e.g.Bottino to urgent priorities. trends. Difficult site access and the need for et al.,2002] have also directed attention toward The rapid development of the 3-million-m3 fast data acquisition make satellite remote the possible influence of atmospheric warming glacier lake on the Belvedere glacier in the sensing of crucial importance in high-mountain on high-mountain rock faces. Italian Alps during late spring 2002, and the hazard management and disaster mapping. Here,rapid imagery from the ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and reflection Radiometer) instrument aboard the NASA TERRA satellite is used to support those authorities and scientists responsible for assessing the condition of the 20 September 2002 rock/ice avalanche at Kolka-Karmadon, North Ossetian Caucasus,Russia,and the spring 2002 glacier lake on the Belvedere glacier in the Italian Alps.
Glacier-related Hazards Glacier- and permafrost-related hazards include glacier lake outbursts,ice avalanches, and destabilization of rock faces due to glacier and permafrost retreat. Glacier lake outbursts are often accompanied by heavy floods and debris flows. Recent increases in retreat rates of glaciers in virtually all mountain ranges of the world have led to the development of numerous new glacier lakes. In spring 2002, for example, the United Nations Environment Programme (UNEP) launched a high-level warning in view of the dramatic growth of gigantic glacier lakes in the Himalayas.
Fig. 1.ASTER false color image of 6 October 2002 showing the trace (yellow dotted line) and BY ANDY KÄÄB,RICK WESSELS,WILFRIED HAEBERLI, deposits from the 20 September 2002 Kolka-Karmadon rock/ice avalanche. North is on the right- CHRISTIAN HUGGEL,JEFFREY S.KARGEL,AND SIRI JODHA hand side of the image.The red area in the inset indicates the location of the satellite image. SINGH KHALSA Image details for the zones in white-outlined rectangles are shown in Figure 2. Eos,Vol. 84, No. 13, 1 April 2003 devastating rock/ice avalanche from Kolka glacier,Caucasus, were given the highest acquisition priority by the ASTER science team at the NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL) and the Japanese Earth Remote Sensing Data Analysis Center (ERSDAC). Both cases are very unusual in that they have no recorded precedent. A sound glaciological investigation of case details is,therefore,urgently required to update the knowledge base of scientists and authorities involved in glacier hazard mitigation.ASTER imagery has been rapidly available on site at the Kolka- Karmadon event, and has helped much with the disaster assessment.
The Rock/Ice Avalanche at Kolka-Karmadon During the late evening of 20 September 2002,a combined rock/ice avalanche of several million m3 started from a nearly 1.5-km-wide zone between around 3600 and 4200 m eleva- tion in the perennially frozen north face of the Dzimarai-khokh peak in the Kazbek Massif (Figure 1).The unusually large avalanche fell down onto the Kolka glacier tongue located at around 3200 m elevation.The Kolka glacier is known to have surged in the past (e.g.,1969), but no such activity was reported in 2002. Descriptions about two similar avalanche events in 1902 in the same area are available to the authors and are presently being carefully evaluated and compared to the 2002 event. The impact of the initial rock/ice avalanche sheared off a major part of the Kolka glacier tongue and started a sledge-like rock/ice ava- lanche of tens of millions m3 (Figure 2,bottom). Such a total detachment of a rather flat glacier tongue has no known precedent.The Kolka rock/ice avalanche crossed the tongue of the Maili glacier (Figure 2, bottom). It thereby removed and picked up lateral moraines from both glaciers. Even at this time, the speed of Fig. 2.ASTER false color imagery from before (left) and after (right) the 20 September 2002 Kol- the mass must have been around 100 km/h as ka-Karmadon disaster.A large rock/ice avalanche from the north face of the Kazbek massive (cf. suggested by the vertical rise of approximately Figure 1) sheared off the entire Kolka glacier tongue (bottom, yellow outline).Approximately 80 300 m as the avalanche rose up the valley million m3 of ice and debris were deposited at the village Karmadon, south of the Karmadon wall, turning from northeast to north to follow gorge (top).The rivers in the area (blue arrows) were dammed by the avalanche deposits and the main valley (Figure 2 bottom, eastward formed lakes (dark blue line: lake extent as of 27 September 2002; light blue line: lake extent as bulge in path).On its devastating journey,the of 22 October 2002). North is to the top. avalanche picked up a large amount of loose sediments in the valley bottom.An avalanche the Kolka-Karmadon avalanche was produced a certain extent, also have contributed to the track extracted in three-dimensional from the largely from ice melt due to friction heating formation of the lakes.These lakes, estimated ASTER stereo data will be used for a thorough during the avalanche event, or whether the from the 22 October 2002 ASTER image to be water was already stored in the Kolka glacier, over 400,000 m2 in area,and close to 10 million reconstruction of the avalanche dynamics. 3 A few minutes after initiation and 18 km possibly facilitating its disintegration. Most m in volume, posed a dramatic danger of downvalley from the Kolka glacier,the gigantic likely,water played an important role in sub- lake outburst and catastrophic flooding of mass overran the lower parts of the village of stantially reducing basal friction and allowed downvalley areas (Figure 2,top).The lake level Karmadon (Figure 2, top), killing dozens of the high avalanche speed and reach.Conversion started to slowly sink after the 22 October 2002, inhabitants. Shortly beyond this point, the ava- of gravitational potential energy into frictional possibly due to the development of channels lanche was abruptly stopped by the narrowing heating and enthalpy of fusion of ice may within or under the ice.A new critical stage is, valley flanks of the Karmadon gorge (Figure have changed as much as 6% of the avalanche however,expected in springtime with the onset 2, top) and roughly 80 million m3 of ice and mass to liquid water.Unusually low basal friction of snow melt. Due to their high mass and ther- debris were deposited. Large amounts of mud and small ratios between vertical drop and mal content, the ice avalanche deposits at were suddenly pressed out of the mass.The horizontal runout zone have also been reported Karmadon will persist and represent a hazard resulting mudflow,up to 300 m wide, ravaged for other rock/ice avalanches in glacial environ- over many years. Urgent mitigation work and the valley bottom below Karmadon, traveling ments [e.g.,Bottino et al., 2002]. a more thorough documentation are underway. for another 15 km down from the gorge (Figure 1). The avalanche deposits at Karmadon soon In total,the avalanche and subsequent mudflow started to block the rivers entering the gorge Rapid Development of a Glacier Lake, killed over 120 people. (Figure 2 top, blue arrows). Over a period of Italian Alps No unusually high runoffs were registered approximately one month, the dammed river at the Gisel bridge some 20 km downvalley of water progressively flooded the populated Whereas satellite imagery is often the only Karmadon, which suggests that the mudflow areas near Karmadon that had not been directly available data source for remote high mountain had a low water content.At present, evidence affected by the avalanche.Water stored in the regions, airborne and terrestrial measurements is missing on whether the water content of avalanche or produced from its melt might, to may be applied to regions with comparably easy Eos,Vol. 84, No. 13, 1 April 2003 access such as the European Alps. However, routinely taken satellite images might still be the only available data source when it comes to reconstructing past developments. In summer 2001, the Belvedere glacier (Figure 3) underwent a surge-type movement, with speeds of up to 200 m a-1 as opposed to the approximately 30 m a-1 measured for the mid-1980s and 1995–1999 [Haeberli et al., 2002]. Detailed observations of the Belvedere glacier started in the mid-1980s in connection with a catastrophic outburst and subsequent artificial drainage of the moraine lake Lago delle Locce in 1979. In autumn 2001, a small lake developed at an altitude of approximately 2150 m asl.on the flat Belvedere glacier tongue at the foot of the east face of the Monte Rosa. The lake formation was attributed to enhanced englacial water pressure and/or ice compression from the surge-type movement. Development of a large topographic depression on the gla- cier surface and the rapid evolution of a supraglacial lake are rare on temperate glaciers, and have not been previously observed in the Alps in this dimension. It was with great surprise, therefore, that the first control visit in mid-June 2002 encountered an exceptionally large lake of 150,000 m2 with a volume of 3 million m3 (the lake area at that time was comparable to that on the 19 July 2002 ASTER image; Figure 3).The lake level was rising at up to 1 m per day and had only a few meters of freeboard left.The Italian Civil Defense Department and the scientists involved initiated emergency actions.This included continuous lake level monitoring, evacuation of certain parts of the village of Macugnaga, an automatic alarm system, the installation of Fig. 3.ASTER false color imagery documenting the fast development of a 3-million-m3 glacier lake pumps, and detailed scientific investigations. on Belvedere glacier,Italian Alps. In spring 2002, the lake provoked a sudden flood risk for the vil- A cold spell in early July 2002 significantly lage of Macugnaga.The red area on the map shows the location of the image. Lake boundaries reduced melt water input, and together with are highlighted by blue lines.The yellow dotted line indicates a zone of presently increasing pumping and naturally occurring, sub-glacial rock/ice avalanche activity. drainage, helped to stabilize and then lower the lake level. By the end of October 2002, the global consortium that is working to establish References a remote sensing-derived digital baseline lake area had decreased to a size comparable Bottino,G.,M.Chiarle,A.Joly,and G.Mortara,Modelling to that seen on the 24 August 2001 ASTER inventory of global land-ice extent for climate rock avalanches and their relation to permafrost image (roughly 2000–3000 m2; Figure 3). monitoring purposes.The GLIMS data base degradation in glacial environments, Permafrost will be hosted at the National Snow and Ice ASTER imagery formed the base for a rapid, and Periglacial Proc., 13, 283–288, 2002. Data Center in Boulder,Colorado.The GLIMS Haeberli,W.,A. Kääb, F.Paul,M. Chiarle, G. Mortara, first-order assessment of the surge-type glacier coordination center at the U.S. Geological Sur- A. Mazza, P. Deline, and S. Richardson,A surge-type dynamics,in that it detected enhanced glacier vey in Flagstaff,Arizona, also provides satellite movement at Ghiacciaio del Belvedere and a speed and crevassing.The 30 May 2002 ASTER data acquisition support to help scientists developing slope instability in the east face of image,in which an open water surface of roughly Monte Rosa, Macugnaga, Italian Alps, Norwegian 2 and responsible authorities in dealing with 20,000 m2 is visible (or roughly 40,000 m if the J. of Geography,56, 104–111, 2002. glacier hazards and disasters. Kääb,A., Monitoring high-mountain terrain deforma- snow and ice-covered area in the lake center tion from repeated air- and spaceborne optical is included) represents the only data source Acknowledgments data: examples using digital aerial imagery and documenting the development of this supraglacial ASTER data, ISPRS J. Photogrammetry and Remote lake during spring 2002.These findings illus- Rapid ASTER imaging was provided by Anne Sensing, 57, 39–52, 2002. trate the need for continuous monitoring of Kahle and Leon Maldonado working with Kieffer,H. H., et al., New eyes in the sky measure the area over the winter of 2002–2003 in order NASA/GSFC/METI/ERSDAC/JAROS, the U.S./ glaciers and ice sheets, Eos Trans.,AGU,81, 265, Japan ASTER Science Team,and the ASTER 270–271, 2000. to facilitate an early warning if the lake depression Wessels,R., J. S. Kargel, and H. H. Kieffer,ASTER should start to refill.This would allow a quick expedited data processing team at the USGS measurement of supraglacial lakes in the Mount implementation of mitigation measures.Lastly, EROS Data Center.Colleagues at NSIDC and Everest region of the Himalaya, Ann. Glaciology, in view of the Kolka- Karmadon event,special INSTAAR provided initial site coordinates and 34, 399–408, 2002. attention will be given to an increasingly active useful background information.The Kolka- rock and ice fall zone in the permafrost on the Karmadon results are based on ASTER imagery Author Information Monte Rosa east face,with its steep hanging and preliminary in-situ assessments in close glaciers (Figure 3,yellow arrow). collaboration with the North Ossetian Ministry Andy Kääb,Rick Wessels,Wilfried Haeberli,Christian The applied rapid ASTER imaging has been of Environment, the Russian Academy of Sci- Huggel,Jeffrey S.Kargel,and Siri Jodha Singh Khalsa ences, and the Swiss Humanitarian Aid Unit. For additional information, contact Andy Kääb, performed within the Global Land Ice Mea- Department of Geography,University of Zurich, surements from Space (GLIMS) program,one The Belvedere glacier work was performed by Switzerland; E-mail: [email protected]; or Rick of the science projects connected to the the Italian Civil Defense Agencies, together with Wessels,U.S. Geological Survey,Flagstaff,Ariz.; ASTER sensor [Kieffer et al., 2000]. GLIMS is a local scientists and authorities. E-mail: [email protected]. Monte Rosa Ostwand – Geologie, Vergletscherung, Permafrost und Sturzereignisse in einer hochalpinen Steilwand
Luzia Fischer1
Stichworte
Hochalpine Steilwand, Gletscherrückzug, Permafrost, Klimaerwärmung, Felssturz, Eislawine, Sturzmodellierung
Zusammenfassung
Die Monte Rosa Ostwand, Italienische Alpen, ist eine der höchsten Steilwände in den Alpen (2200 – 4500 m ü.M). Sie weist eine starke Bedeckung von steilen Gletschern und grossflächige Permafrostvorkommen auf. In letzten zwei Jahrzehnten allerdings konnte ein starker Rückgang der Eisbedeckung beobachtet werden. Sehr offensichtlich ist auch die stark erhöhte Massenbewegungsaktivität. An verschiedenen Stellen in der Wand entwickelten sich Instabilitäten in Fels und Eis und es ereigneten sich vermehrt Felsstürze, Murgänge und Eislawinen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden drei verschiedene Faktoren, die Geologie, die Gletscherveränderungen und die Permafrostverteilung der Monte Rosa Ostwand Wand untersucht. Es zeigte sich, dass sich viele der neu entstandenen Anrisszonen an Stellen befinden, die vor kurzer Zeit eisfrei geworden sind. Dazu liegen die meisten Anrisszonen in der Höhenstufe des Permafrostvorkommens, viele davon nahe der modellierten und abgeschätzten untere Grenze des regionalen Permafrostvorkommens. Aufgrund der fortschreitenden Entwicklungen der Klimaerwärmung und damit zusammenhängenden Veränderungen werden Instabilitäten Monte Rosa Ostwand auch weiterhin eine kritische Gefahrenzone darstellen. Modellierungen von Felssturz-, Eislawinen- und Murgangereignissen zeigen, dass diese eine Gefährdung für besiedelte und touristisch genutzte Gebiete darstellen können.
Abstract
The Monte Rosa east face, Italian Alps, is one of the highest flanks in the Alps (2200 – 4500 m a.s.l.). Steep hanging glaciers and permafrost cover large parts of the flank. During recent decades, the ice cover of the Monte Rosa east face experienced an accelerated and drastic loss in extent. The develop- ment of new slope instabilities rock and ice and enhanced gravitational mass movements such as rock falls, debris flows and ice avalanches was observed. This study is based on multidisciplinary investiga- tions on the geology, glacial changes and permafrost distribution in the flank. It reveals that most of the new detachment zones are located in areas, where the surface ice disappeared recently. Further- more, most of the active detachment zones are located in permafrost zones, for the most part close to the modelled and estimated lower boundary of the regional permafrost distribution. In the view of ongoing or even enhanced atmospheric warming and associated changes it is therefore very likely that the slope instabilities in the Monte Rosa east face will continue to represent a critical hazard source. Modelling of mass movement events has shown that large magnitude events may endanger populated and touristic used areas.
1Glaziologie und Geomorphodynamik Gruppe, Geographisches Institut, Universität Zürich, Winterthurerstr. 190, 8057 Zürich, [email protected]
1 1. Einleitung
Gletscher- und Permafrostvorkommen in Hochgebirgsregionen reagieren sehr sensibel auf Änderungen der atmosphärischen Temperatur, da sich die Eistemperaturen oft nahe am Schmelzpunkt befinden (Haeberli & Beniston, 1998; Harris et al., 2001). Daher verursacht die klimatische Entwicklung seit dem zwanzigsten Jahrhundert starke Auswirkungen in den glazialen und periglazialen Gebieten der Alpen (IPCC, 2001; Harris et al., 2003). Die Veränderungen sind deutlich sichtbar durch den Rückzug der Gletscher und das Abschmelzen von Firnfeldern. Weniger offensichtlich, jedoch sehr signifikant sind Änderungen in Permafrosttemperaturen und -ausdehnung.
Hochalpine Steilwände, die von Hängegletscher und Firnfeldern bedeckt sind und Permafrostvorkommen aufweisen, sind stark betroffen von diesen Veränderungen im Oberflächen- und Untergrundeis. Die Stabilität solcher Steilwände hängt von vielen verschiedenen Faktoren ab. Das Temperatur- und Spannungsfeld in Fels und Eis sowie die hydrologischen Verhältnisse haben allerdings einen sehr grossen Einfluss (Davies et al. 2001). Durch starken Gletscherschwund und Permafrostdegradation im Hochgebirge infolge der Klimaerwärmung verändern sich diese Faktoren zum Teil extrem, und vor allem in Kombination mit ungünstigen geologischen Faktoren – Trennflächensystem und Lithologie – können sich Instabilitäten entwickeln und verstärkte Massenbewegungen wie Felsstürze, Murgänge oder Eislawinen zur Folge haben (Haeberli et al. 1997; Ballantyne, 2002). Die Zusammenhänge und Prozesse bei solchen Veränderungen sind jedoch sehr komplex und das Forschungsfeld zu diesem Thema ist noch jung.
Die Monte Rosa Ostwand (Fig. 1) ist ein aktuelles Beispiel für solche Veränderungen und Entwicklungen. In den letzten zwei Jahrzehnten hat sich die Wandvereisung stark verändert und die Massenbewegungsaktivität hat deutlich zugenommen. In der vorliegenden Arbeit geht es in einem ersten Schritt darum, den aktuellen geologischen und glaziologischen Zustand der Monte Rosa Ostwand aufzuzeigen und die Entwicklungen im letzten Jahrhundert zu rekonstruieren. Dafür wurden drei Faktoren - die Geologie, die Vergletscherung und die Permafrostverteilung - mit verschiedenen Methoden untersucht. Zuerst wurden die drei Faktoren einzeln analysiert. Danach wurden sie miteinander verglichen, um die Zusammenhänge zwischen Gletscheränderungen und Permafrostdegradation und der erhöhten gravitativen Massenbewegungsaktivität in der Monte Rosa Ostwand zu untersuchen.
2. Untersuchungsgebiet
2.1 Monte Rosa Ostwand
Die Monte Rosa Ostwand (Fig. 1) liegt in Norditalien, im Valle Anzasca, südwestlich von Domodossola. Ihre Gipfel - Signalkuppe, Zumsteinspitze, Dufourspitze und Nordend - sind alle über 4500 m ü.M und bilden die Grenze zwischen der Schweiz und Italien. Die Wand ist mit ihren über 2300 m Höhendifferenz eine der höchsten Steilwände Europas. Sie weist eine starke Eisbedeckung und grossflächige Permafrostvorkommen auf.
In den letzten zwei Jahrzehnten fanden in der Monte Rosa Ostwand sehr starke Veränderungen statt. Der Rückzug von Hängegletschern hat sich massiv verstärkt, Firnfelder sind teilweise vollständig abgeschmolzen. Markant ist auch die stark erhöhte Massenbewegungsaktivität. An verschiedenen Stellen in der Monte Rosa Ostwand entwickelten sich Instabilitäten in Fels und Eis und es ereigneten sich viele kleinere bis mittlere Felsstürze, Murgänge und Eislawinen. In den letzten Jahren fanden auch einzelne ausserordentlich grosse Eislawinenereignisse statt.
2
1: Ghiacciaio del Belvedere 2: Lago Effimero 3: Canalone Imseng 4: Canalone Marinelli 5: Canalone Zapparoli 6: Parete Innominata 7: Signalkuppe 8: Jägerhorn 9: Ghiacciaio del Signal 10: Rifugio Zamboni 11: Ghiacciaio del Monte Rosa
Fig. 1: Monte Rosa Ostwand vom Monte Moro Pass her gesehen (Aufnahme September 2004).
2.2 Ghiacciaio del Belvedere
Am Fusse der Monte Rosa Ostwand liegt der Ghiacciaio del Belvedere (Fig. 1, Nr. 1). Der Gletscher hat eine zirka 3 km lange, flache und stark schuttbedeckte Gletscherzunge. Er wird von steilen Gletschern, sowie von Eis- und Schneelawinen aus der Monte Rosa Ostwand genährt. Zwischen 2000 (möglicherweise schon im Herbst 1999 beginnend) und etwa 2003 wies der Ghiacciaio del Belvedere starke Veränderungen im Fliessverhalten auf und zeigte ein surgeartiges Verhalten (d.h. stark erhöhte Fliessgeschwindigkeiten). Die Oberflächengeschwindigkeiten, berechnet aufgrund von photogrammetrischen Messungen in Luftbildern, vervierfachten sich zwischen 2000 und 2001 (Kääb et al., 2004). Infolge des veränderten Fliessverhaltens kam es auch zu starken Veränderungen der Gletscheroberfläche. Von September 1999 bis Oktober 2001 erhöhte sich die Gletscheroberfläche praktisch über die ganze Gletscherzunge zwischen 10 bis zu 25 m und wurde durch viele Gletscherspalten aufgerissen. Der Gletscher überragte die Moränen an gewissen Stellen um mehrere Meter, sodass Wanderwege wegen Stein- und Eisschlag aus Sicherheitsgründen gesperrt werden mussten. Im obersten Teil des flachen Gletschers allerdings, am Fusse der Monte Rosa Ostwand se nkte sich die Gletscheroberfläche um etwa 15 - 35 m und eine tiefe Senke entstand. Während der Schneeschmelze im Frühling 2002 entwickelte sich in dieser Senke auf dem Gletscher ein supraglazialer See, der Lago Effimero (Fig. 1, Nr. 2). Die Fläche des Sees vergrösserte sich sehr schnell und erreichte ein kritisches Volumen von rund 3 Millionen m3 (Tamburini et al., 2003). Dank künstlicher Massnahmen und dem natürlichen Abflusssystem entleerte sich der See im Verlaufe des Sommers praktisch vollständig. Seit 2002 begannen sich das Fliessverhalten und die Oberflächenhöhe des Ghiacciaio del Belvedere wieder zu normalisieren. Die Senke am Wandfuss blieb jedoch bestehen. Im Frühling 2003 füllte sich der Lago Effimero erneut und entleerte sich im Juni 2003 durch einen subglazialen Ausbruch, bei welchem talabwärts glücklicherweise keine Schäden entstanden. Seither hat sich der Lago Effimero nicht mehr in grossem Masse gebildet, nur kleine Wassertümpel sind jeweils im Sommer zu beobachten.
3 2.3 Geologie
Während der Feldarbeit im Sommer 2003 wurde Geologie und Geomorphologie des Talkessels des Ghiacciaio del Belvedere und der Monte Rosa Ostwand untersucht und kartiert (Fischer, 2004). Grundlage dazu bildeten der Geologische Atlas der Schweiz im Massstab 1:25'000 mit den Kartenblättern Zermatt und Monte Moro und die Untersuchungen von Bearth (1953).
Die Monte Rosa Ostwand wird aus Orthogneis und Paragneis aufgebaut (Fig. 2). Die zwei Lithologien entstammen dem Kristallin der penninischen Monte Rosa-Decke. Ortho- und Paragneise lassen sich im Feld sehr gut anhand des Mineralbestandes und Gefüges unterscheiden. Die Paragneise fallen allgemein durch ihre rötlich-braune Anwitterungsfarbe auf. Die mineralogische Zusammensetzung der Orthogneise ist variabel. Nebst Quarz, Kalifeldspat, Plagioklas, Muskowit und Biotit treten kleine Anteile an Apatit, Zirkon, Turmalin und sehr spärlich Erz auf (Bearth, 1953). Die Ausbildung der Orthogneise variiert zwischen Gneis und Granitgneis, das Gefüge geht von massig (Granitgneise) bis paralleltexturiert (Gneise). Der Paragneis entstammt einem vorgranitisch metamorphen Gneis- und Schieferkomplex. Die meist feinkörnigen, biotit- und granatführenden Muskowitschiefer weisen allgemein eine ausgeprägte Paralleltextur auf. Die Ausbildung variiert zwischen Schiefer und plattigem Gneis.
Die Monte Rosa Ostwand ist von verschiedenen Kluftscharen durchzogen, die zusammen ein komplexes Trennflächensystem bilden. Die Hauptklüftung im zentralen Bereich der Wand fällt mit 70 bis 85° in Richtung NE ein. Eine weitere ausgeprägte Kluftschar fällt ebenfalls sehr steil (75-85°) gegen ESE. Diese Einfallrichtung entspricht vielerorts der Orientierung der Felsflanken in der Monte Rosa Ostwand. Zwei weitere Kluftscharen fallen deutlich flacher (zwischen 20-40°), ebenfalls Richtung NE ein. Aufgrund der Orientierung dieser Kluftscharen ergibt sich bereichsweise eine starke Durchtrennung der Felsflanken. Auch die Schichtflächen, die in beiden Gesteinen vorkommen, bilden wichtige Trennflächen, ihre Orientierung variiert allerdings sehr stark und kleinräumig aufgrund der alpinen Verfaltung.
Fig. 2: Die Geologie der Monte Rosa Ostwand, zusätzlich markiert sind die Anrisszonen von beobachteten Massenbewegungsereignissen. Die Nummerierung entspricht jener in Figur 1.
4 3. Felssturz-, Murgang- und Eislawinenaktivität in der Wand
3.1 Aktuelle Massenbewegungsaktivitäten
Aufgrund der Höhe und Steilheit der Monte Rosa Ostwand finden hier seit jeher und häufig gravitative Massenbewegungen in verschiedenen Formen statt. In den letzten zwei Jahrzehnten jedoch hat sich die Massenbewegungsaktivität stark erhöht, und neue Anrisszonen haben sich gebildet. Die Untersuchungen der Massenbewegungsaktivitäten basieren auf Beobachtungen während der Feldarbeit im Sommer 2003 und 2004, Erfahrungen und Beobachtungen von Einheimischen sowie der Analyse von Fotos und Luftbildern.
Die vorherrschenden Massenbewegungsprozesse in der Monte Rosa Ostwand sind Steinschlag, kleinere Felsstürze, Murgänge und Eislawinen. Die Anrisszonen der Steinschlag- und Felssturzereignisse befinden sich in sehr steilen Wandpartien über 3500 m ü.M. Die aktiven Anrisszonen sind über die ganze Wandbreite verteilt (Abb. 2). Am häufigsten sind Sturzereignisse aus der Parete Innominata (Fig. 1, Nr. 6) und im Bereich des Canalone Imseng (Nr. 5). Auch in den Felsflanken der Signalkuppe (Nr. 7) und des Jägerhorns (Nr. 8) finden in gewissen Zonen regelmässig Steinschlag und kleinere Felsstürze statt. Das Sturzmaterial lagert sich in den Couloirs oder auf Hängegletschern in der Monte Rosa Ostwand ab, keine der beobachteten Felssturzereignisse haben den Talboden erreicht. Vor allem im Frühling, Sommer und Herbst kommt es wiederholt zu Sturzereignissen, die in ihrer Grösse und Reichweite sehr unterschiedlich sind. Während der Feldarbeit im ausserordentlich heissen Sommer 2003 konnten beinahe täglich Sturzereignisse beobachtet werden. Auch im Winter finden Sturzereignisse aus dem Fels statt, wenn auch seltener. Dies weist auf stellenweise grössere Veränderungen in der Felsstabilität hin und zeigt, dass die Aktivitäten nicht nur durch die Schmelze in den Frühlings- bis Sommermonaten, sondern vielmehr auch durch die veränderten Gletscher-, Permafrost- und Felszustände beeinflusst werden.
Die Murgänge ereignen sich im Canalone Imseng (Nr. 3) und im Canalone Marinelli (Nr. 4), teilweise auch im Canalone Zapparoli (Nr. 5). Diese Murgänge bilden sich aus Schuttmaterial, das durch die Steinschlagereignisse und durch Felsverwitterung entstanden ist und sich in den Couloirs angesammelt hat. Oftmals bestehen die Murgänge aus einem Gemisch aus Lockermaterial und Eis. Sie können auch durch Eislawinen ausgelöst werden. Die Murgänge treten vor allem in den Sommermonaten auf, wenn viel Schmelzwasser in der Monte Rosa Ostwand vorhanden ist. Während dem heissen Sommer 2003, aber auch im Sommer 2004 ereigneten sich viele Murgangereignisse – manchmal mehrere pro Tag – die in Grösse und Anzahl der Murgangpulse sehr stark variierten. Die beobachteten Murgangereignisse erreichten meistens den Ghiacciaio del Monte Rosa (Nr. 11) und bildeten dort ausgeprägte Schuttfächer.
Die Eislawinen, die im Sommer 2003 beobachtet wurden, waren relativ klein. Sie können als natürliche Ablation der Hängegletscher betrachtet werden und weisen keine sichtbar erhöhte Aktivität auf. Vor allem vom Ghiacciaio del Signal (Nr. 9) lösten sich oft Eislawinen. Die Reichweiten betrugen meistens zwischen 500 und 1000 m, jedoch nie mehr als 1500 m. Im August 2005 ereignete sich allerdings ein sehr grosses Eislawinenereignis, bei dem mit einem Volumen von 1.1 Mio. m3 (pers. Mitteilung A. Tamburini) ein grosser Teil des Hängegletschers oberhalb des Canalone Imseng (Nr. 3) abbrach. Das Sturzmaterial wurde grösstenteils in der – zum Glück kaum mit Wasser gefüllten – Senke des Lago Effimero abgelagert. Der Staubanteil der Eislawine dagegen überfuhr die Seitenmoräne des Ghiacciaio del Belvedere und bedeckte die ganze Ebene oberhalb des Rifugio Zamboni (Nr. 10) mit Eis- und Gesteinsbruchstücken und traf auch die Hütte, wo jedoch kein grosser Schaden entstand. Glücklicherweise ereignete sich diese Eislawine nachts, als sich niemand in der touristisch sehr stark genutzten Gegend rund um das Rifugio aufhielt. Bei einem solchen Ereignis tagsüber wäre es mit grosser Wahrscheinlichkeit zur Gefährdung von Menschenleben gekommen.
5 4. Entwicklung der Wandvereisung
4.1 Veränderungen der Gletscherfläche
Die Veränderung der Vergletscherung der Monte Rosa Ostwand wurde anhand von Fotos, orthorektifizierten Luftbildern, alten topographische Karten und Feldbegehungen analysiert. Verschiedene Fotografien der Wand seit 1885 wurden zusammengestellt. Italienische und schweizerische Luftbilder sind seit 1956 vorhanden, dazu kommt eine italienische topographische Karte aus dem Jahre 1924. Die Gletscherstände von 2003 wurden während der Feldarbeit kartiert.
Beim letzten Gletscherhöchststand, am Ende der kleinen Eiszeit etwa 1850, war die Wand bis auf wenige markante Felsrücken und Spitzen zu grossen Teilen eisbedeckt. Seit dieser Zeit hat die Ausdehnung der Eisbedeckung - wie in praktisch allen Gebieten der Alpen - abgenommen. Die Untersuchung der alten Fotografien zeigen, dass seit dem Gletscherhöchststand um 1850 bis etwa 1980 ein schwacher Rückgang der steilen Gletscher und Hängegletscher in der Monte Rosa Ostwand sichtbar ist. Die Ausdehnung der Hängegletscher blieb in diesem Zeitraum relativ konstant, es kann aber eine Abnahme der Eismächtigkeit beobachtet werden. Der Rückgang der Eisbedeckung äussert sich in erster Linie durch das Abschmelzen von geringmächtigen Firnfeldern. Bei den Firnfeldern kann jedoch nicht von einem kontinuierlichen Rückgang gesprochen werden. Vor allem auf den Luftbildern ist gut sichtbar, dass sie zeitweise auch an Fläche zugelegt haben. Die Firnfelder reagieren schnell auf Niederschlags- und Temperaturänderungen und haben in kälteren, niederschlagsreichen Jahren Eis akkumuliert.
Seit etwa zwei Jahrzehnten kann allerdings ein deutlich beschleunigter Gletscherrückzug, zum Teil sogar ein regelrechter Gletscherzerfall, beobachtet werden (Fig. 3 und 4). Die Gletscher beginnen sich oft auch von oben und von dünnen Stellen innerhalb des Gletschers her zurückzubilden oder verkleinern sich durch den Abbruch von grossen Eislawinen. Auch die Murgang- und Steinschlagaktivität im Bereich der Hängegletscher und Firnfelder kann den Eisrückgang zusätzlich verstärken, indem Eis mitgerissen wird.
In Figur 3 sieht man im unteren Teil der Markierung 1 den Canalone Imseng. Zwischen Herbst 1999 und Sommer 2001 kam es hier zu einer Verkürzung des Hängegletschers um rund 350 m. Es ist jedoch nicht bekannt, ob sich dieser Abbruch in einem einmaligen Ereignis oder in mehreren kleineren Eislawinen ereignete, wahrscheinlicher sind allerdings mehrere kleine Ereignisse. Der Canalone Marinelli ist in der Markierung 2 zu sehen. Da die Eisbedeckung in diesem Couloir nie sehr mächtig war, bildete sie sich durch die verstärkte Schmelze innerhalb von kurzer Zeit sehr stark zurück. Im ausserordentlich heissen Sommer 2003 existierten hier perennierende Eisflächen nur oberhalb von 3800 m ü.M. In den letzten zwei Jahren haben sich wieder einige Firnfelder gebildet. In Figur 4 ist die Zone mit den stärksten Veränderungen der Wandvereisung sichtbar, wo durch das Verschwinden eines ganzen Hängegletschers die Steilwand Parete Innominata freigelegt worden ist.
Fig. 3: Entwicklung der Wandvereisung zwischen 1983 (links, W. Haeberli) und 2003 (rechts, L. Fischer). 1: Parete Innominata und Canalone Imseng, 2: Canalone Marinelli. 6
Fig. 4: Vergleich der Vergletscherung im obersten Teil der Monte Rosa Ostwand zwischen 1986 (links, H. Röthlisberger) und 2002 (rechts, W. Haeberli). Die Markierung zeigt die Parete Innominata, wo ein ganzer Hängegletscher und die darunter liegenden Felsplatten verschwunden sind.
Aufgrund der Analyse des Bildmateriales wurden die Gletscherstände für verschiedene Jahre rekonstruiert und im GIS (Geographisches Informationssystem) digitalisiert. Die Analyse der Orthofotos und der georeferenzierten Karte konnte direkt im GIS vorgenommen werden und die Gletscherumrisse digital gezeichnet werden. Die Abschätzungen anhand von Fotos wurden auf der Basis der topographischen Karte von Hand digitalisiert. Die Überlagerung dieser Gletscherstände bringt die Veränderungen deutlich zum Vorschein (Fig. 5).
Fig. 5: Rekonstruktion der Gletscherstände verschiedener Jahre. Rot markiert sind Bereiche mit starken Veränderungen in der Vergletscherung, in denen sich zugleich auch neue Anrisszonen von Felssturz- und Murgangereignissen gebildet haben. Die Veränderungen der Gletscherzunge des Ghiacciaio del Belvedere wurden in dieser Arbeit nicht rekonstruiert.
7 4.2 Permafrostverbreitung
Die Permafrostverbreitung in der Monte Rosa Ostwand wurde mittels zwei verschiedenen Permafrostmodellen abgeschätzt. Die Modellierungen wurden im Rahmen eines Auftrages der Regione Piemont und des Italienischen Zivilschutzes von der Gruppe für Glaziologie und Geomorphodynamik der Universität Zürichs gemacht (Huggel et al., 2004b). Sie wurden für diese Arbeit übernommen.
Das Programm PERMAKART (entwickelt durch Keller, 1992) basiert auf Faustregeln, die von Haeberli (1975) zur Abschätzung der Permafrostverbreitung in den Schweizer Ostalpen aufgestellt wurden. Basierend auf einem DHM (Digitales Höhenmodell) bestimmt PERMAKART die topographischen Parameter Höhenlage, Exposition, Neigung und die Schneeakkumulation am Hangfuss (länger liegenbleibender Schnee von Lawinenablagerungen) und berechnet aufgrund der Faustregeln die Höhe der Permafrostgrenze. Für die Berechnungen wurde das DHM25 der Swisstopo verwendet.
Das Modell ROCKFROST basiert auf Felstemperatur-Berechnungen. Gruber et al. (2004) berechneten Oberflächentemperaturen von Felswänden in allen Expositionen auf der Basis von Meteodaten für die Regionen Corvatsch (Engadin) und Jungfraujoch (Berner Alpen) für die Zeitperiode von 1982 – 2002. Die über diese Zeitperiode gemittelte Höhe der 0°C-Isotherme der Oberflächentemperatur entspricht etwa der Untergrenze des Permafrostvorkommens. Basierend auf dieser 0°C-Isotherme wird in ROCKFROST die Höhe der Permafrostgrenze in Betrachtung der Hangneigung, Exposition und Höhenlage berechnet. Auch diese Modellierung wurde mit dem DHM25 der Swisstopo durchgeführt.
Die beiden Modellierungen ergeben eine Übersicht über die Permafrostverbreitung im Fels der Monte Rosa Ostwand, in Figur 6 stellvertretend gezeigt an der Modellierung mit ROCKFROST. Die oberen zwei Drittel der Monte Rosa Ostwand weisen gemäss den Modellierungen Permafrostvorkommen auf, was aufgrund von direkten Felstemperaturmessungen in der Wand auch bestätigt werden konnte. Bei beiden Modellen liegt die Permafrostuntergrenze je nach Exposition und Neigung der Wand zwischen 3100 und 3600 m ü.M. Diese grosse Variation der Untergrenze ist vor allem aufgrund der stark variierenden Expositionen in der Monte Rosa Ostwand, die praktisch von SSE bis NNE reichen, zu erklären.
Fig. 6: Modellierung der Permafrostverbreitung mit ROCKFROST. In hellblau die Resultate der Berechnungen basierend auf Klimadaten von der Region Jungfrau, in dunkelblau basierend auf jenen von Corvatsch. Im hellblauen Gebiet liegt der Schwankungsbereich des Permafrostvorkommens, im dunkelblauen Bereich ist kontinuierlicher Permafrost vorhanden.
8 5. Felssturz-, Murgang- und Eislawinenmodellierung
5.1 Datengrundlagen
Für die Beurteilung der Sturzbahnen und Reichweiten von Sturzereignissen wurden für verschiedene Anrisszonen Sturzmodellierungen mit dem Modified Single Flow Direction-Modell (MSFD-Modell) gemacht. Das MSFD-Modell ist ein einfaches, GIS-basiertes Modell (Huggel et al., 2003). Es beruht auf dem Prinzip des Pauschalgefälles, und die Berechnungen werden basierend auf einem DHM gemacht. Das Resultat der Modellierung zeigt für jede Zelle des DHM eine qualitative Wahrscheinlichkeit, bei einem gravitativen Massenbewegungsereignis durchflossen zu werden. Die Berechnungen werden beim Erreichen des zu Beginn definierten Pauschalgefälles, das für Extremereignisse gilt, gestoppt. Daher sind die Reichweiten eher qualitative Abschätzungen für grosse Ereignisse. Für Murgänge wurde ein minimales Pauschalgefälle von 11° (19%) angenommen, für Eislawinen 17° (31%) und für Felsstürze 20° (36%). Das Modell wurde bereits erfolgreich angewendet für Gletscherseeausbrüche (Huggel et al., 2003), Murgänge (Huggel et al., 2004a) und grosse Fels-/Eissturzereignisse (Noetzli et al., 2006).
Als Eingabedaten für die Sturzbahn-Modellierungen werden ein DHM des Gebietes und die genaue Lage der Anrisszonen benötigt. Für die Modellierungen wurden zwei verschiedene DHM verwendet. Das erste DHM ist das DHM25 der Swisstopo und zeigt im Bereich des Ghiacciaio del Belvedere die Topographie vor dem surgeartigen Verhalten (vor 2000). Das zweite DHM, hergestellt aus Luftbildern von 2001, zeigt für den Ghiacciaio del Belvedere die Topographie mit erhöhter Oberfläche der Gletscherzunge und tiefer Senke am Wandfuss. Die Startzonen wurden aufgrund von Beobachtungen der Anrisszonen im Sommer 2003 und 2004 definiert. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Sturzmodellierungen für vier verschiedene Startzonen gemacht: Zwei Modellierungen für Felsstürze (Canalone Imseng, Fig. 1, Nr. 3 und Signalkuppe, Nr. 7) und je eine für Murgänge (Canalone Marinelli, Nr. 4) und Eislawinen (Ghiacciaio del Signal, Nr. 9) gemacht. Für jede Startzone wurden die zwei oben beschriebenen DHM angewendet, um die Sturzbahnen für die Topographie vor und während dem surgeartigen Verhalten des Ghiacciaio del Belvedere zu modellieren.
5.2 Resultate und Gefahrenpotential
Die beobachteten Steinschlag-, Murgang- und Eislawinenereignisse der Ostwand bewegten sich– mit Ausnahme der Eislawine 2005 – in Grössenordnungen, die aufgrund ihrer Volumina und Reichweiten für Siedlungsgebiete und touristische Infrastrukturen ungefährlich sind. Die alten Felssturzablagerungen im Bereich des Rifugio Zamboni zeigen jedoch, dass es in diesem Gebiet im Spät- und Postglazial schon zu Felsstürzen mit grösseren Volumina und Reichweiten gekommen ist, und auch die Eislawine im August 2005 zeigt das Gefahrenpotential auf. Solche grosse Ereignisse können auch für die Zukunft weder für Eis noch für Fels ausgeschlossen werden.
Alle Modellierungen zeigen, dass grosse Sturzereignisse Reichweiten aufweisen, eine Gefährdung für besiedelte und touristisch genutzte Gebiete im unteren Bereich des Ghiacciaio del Belvedere darstellen (Fig. 7, 1). Die Resultate werden anhand der Sturzmodellierungen von einer Startzone, der heute sehr aktiven Zone im Bereich des Canalone Imseng, vorgestellt (Fig. 7).
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Fig. 7: Sturzmodellierung von der Anrisszone im Canalone Imseng, links mit der Topographie vor 2000, rechts mit der Topographie in 2001 mit Senke am Wandfuss. Hinterlegt ist ein Luftbild aus dem Jahr 1999. Diese Sturzmodellierung wurde für ein Felssturz gemacht, die Modellierung wiedergibt jedoch auch sehr gut die Sturzbahn der beobachteten Eislawine im August 2005 (blaue Markierung) und jene von regelmässigen mittleren Felssturz-, Murgang- und Eislawinenereignissen (grüne Markierung).
Ein Vergleich der Modellierungen mit den zwei verschiedenen DHM zeigt, dass unterschiedliche Topographien im Bereich des Wandfusses und des Ghiacciaio del Belvedere einen grossen Einfluss auf den Verlauf der Sturzbahn haben (3). Die rechte Seitenmoräne des Ghiacciaio del Belvedere hat ihre kanalisierende und schützende Ablenkwirkung verloren, da die Gletscheroberfläche seit 2001 infolge des surgeartigen Vorstosses des Gletschers höher liegt als die Moränen (im zweiten DHM). Die Sturzbahnen überqueren die Moräne und verlaufen in Richtung des Rifugio Zamboni und nicht mehr über den Gletscher (2). Daher entsteht eine erhöhte Gefahr für das Rifugio Zamboni und das touristisch stark genutzte Gebiet rund um die Hütte. Andererseits kann die gebildete Senke im Bereich des Lago Effimero (3)- solange der See nicht gefüllt ist - für kleine bis mittlere Ereignisse als Auffangbecken dienen, was teilweise auch beim Eislawinenereignis im Sommer 2005 geschehen ist. Bei einem gefüllten supraglazialen See kann ein grosses Sturzereignis aus der Monte Rosa Ostwand jedoch verheerende Kettenreaktionen auslösen. Praktisch alle Sturzbahnen der modellierten Ereignisse verlaufen durch den Bereich des Lago Effimero. Bereits mittelgrosse Sturzereignisse können den See erreichen. Grössere Sturzereignisse (100‘000 m3 und mehr, Abschätzungen von Huggel et al., 2004c) könnten den gefüllten See zum Ausbrechen bringen. Durch die freigesetzten Wassermassen kann in dem reichlich vorhandenen Schuttmaterial (Moränenbastion, Seitenmoränen) ein Murgang ausgelöst werden, der besiedelte Gebiete talwärts stark gefährden kann. Murgänge direkt aus der Monte Rosa Ostwand hingegen werden nicht als gefährlich eingestuft, da das Wasser und Lockermaterialangebot in der Wand nicht ausreicht, um ein grosses Ereignis auslösen zu können.
Die markierten Sturzbahnen und Ablagerungsgebiete von regelmässigen mittelgrossen Murgang- und Eislawinenereignissen (Fig. 7, grüne Markierung) und dem ausserordentlich grossen Eislawinenereignis im August 2005 (blaue Markierung) zeigen, dass die Sturzmodellierungen sehr gut mit den beobachteten Sturzbahnen übereinstimmen. Der Vergleich der Modellierungen mit den zwei verschiedenen DHM zeigt sehr deutlich, dass man für die Modellierung von Sturzbahn und Ablagerungsgebiet immer die aktuelle Topographie berücksichtigen muss, um eine präzise Aussage machen zu können.
10 6. Diskussion
Um die Zusammenhänge zwischen Gletscheränderungen, Permafrostdegradation, Geologie und der erhöhten gravitativen Massenbewegungsaktivität in der Monte Rosa Ostwand zu untersuchen, wurden die drei untersuchten Faktoren und die beobachteten Anrisszonen miteinander verglichen.
In der geologischen Karte (Fig. 2) sind mit grünen Punkten die während der Feldarbeit beobachteten Anrisszonen von Felsstürzen markiert, in braun jene von Murgängen und in blau jene von Eislawinen. Auffallend ist, dass viele Anrisszonen von Felsstürzen und eventuell auch von Murgängen im Übergangsbereich zwischen Paragneis und Orthogneis liegen. Dies deutet darauf hin, dass diese Lithologieübergänge Instabilitäten begünstigen können.
Der Vergleich der Gletscheränderungen in der Wand mit den beobachteten Anrisszonen (Fig. 5, rote Markierungen) zeigt, dass viele der aktiven Zonen in Gebieten liegen, die erst vor kurzer Zeit eisfrei geworden sind. Die Zonen mit dem stärksten Rückgang der Eisflächen befinden sich im Canalone Imseng, Canalone Marinelli und der Parete Innominata. Genau in diesen Zonen kann auch die höchste Massenbewegungsaktivität beobachtet werden. Durch den Rückzug von Gletschern kommt es zu veränderten Temperatur- und Spannungsverhältnis- sen in den Felsflanken. Des Weiteren können sich auch die hydrologischen Bedingungen stark verändern. Der Fels ist nun vermehrt Niederschlag und Schmelzwasser ausgesetzt, was verstärkte Verwitterung und auch veränderte Poren- und Kluftwasserdrucke zur Folge haben kann. All diese Veränderungen können dazu führen, dass es zu Instabilitäten im Fels kommt. Bei den Anrisszonen von Eislawinen kann kein direkter Zusammenhang mit der Geologie beobachtet werden. An einigen Stellen jedoch kann die Felssturz- und Murgangaktivität eine erhöhte Eislawinenaktivität auslösen. Zum Beispiel indem instabiles Felsmaterial unterhalb eines Hängegletschers auch den darüber liegenden Gletscher destabilisiert (Canalone Zapparoli).
In Figur 6 sind die aktiven Anrisszonen von Felssturz-, Murgang- und Eislawinenaktivitäten mit roten Kreisen in der modellierten Permafrostverbreitung markiert. Es ist erkennbar, dass praktisch alle Anrisszonen in der Höhenlage des Permafrostvorkommens liegen und dass sich viele dieser Anrisszonen im unteren Bereich der Permafrostverbreitung befinden, im sensitiven Bereich des warmen Permafrostes. Dies bestärkt die Annahme, dass sich die Instabilitäten unter anderem im Zusammenhang mit dem Aufwärmen des Permafrostes und dem Ansteigen der unteren Permafrostgrenze bilden. Vor allem Steinschlag- und kleinere Felssturzereignisse, wie sie in der Monte Rosa Ostwand stattfinden, können durch das Auftauen der obersten Permafrostschichten entstehen. Tiefgründige Veränderungen im Permafrost durch langfristige Temperaturänderungen können auch zu grossen Sturzereignissen führen. Temperaturveränderungen im Untergrund können auch auf Hängegletscher einen grossen Einfluss haben. Diese kalten Hängegletscher sind meistens – zumindest stellenweise – am Untergrund angefroren und durch eine Erwärmung kann sich die Stabilität vermindern.
Zusammenfassend können folgende Schlüsse gezogen werden:
• Viele der aktuellen Anrisszonen von Steinschlag, Felsstürzen und Murgängen liegen in Gebieten, die erst vor kurzer Zeit eisfrei geworden sind.
• Praktisch alle aktiven Anrisszonen befinden sich in der Höhenstufe des Permafrostes. Viele liegen in der Nähe der Untergrenze des Permafrostvorkommens.
• Viele der aktiven Anrisszonen befinden sich im Bereich von lithologischen Übergängen.
In dieser Arbeit wurden die Veränderungen und Zusammenhänge der verschiedenen Faktoren vor allem aufgrund von Bildvergleichen beurteilt. Es wird deutlich, dass alle drei der untersuchten Faktoren einen grossen Einfluss auf die Wandstabilität haben, vor allem auch das Zusammenspiel der verschiedenen Faktoren.
11 7. Ausblick
Aufgrund der Entwicklungen der globalen Klimaerwärmung ist auch in Zukunft mit weitergehender Permafrostdegradation und Gletscherschwund zu rechnen. Die Entwicklung von Instabilitäten in Fels und Eis, neuer Anrisszonen und erhöhter gravitativer Massenbewegungsaktivität wird in der Monte Rosa Ostwand voraussichtlich weitergehen und kann auch in anderen periglazialen Steilwänden der Alpen stattfinden.
Daher ist es notwendig, die zum Teil noch wenig bekannten Faktoren und Prozesse im Zusammenhang mit der Stabilität von periglazialen Steilwänden eingehender zu untersuchen. Damit könnten sowohl weitere wissenschaftliche Erkenntnisse gewonnen als auch bessere Abschätzungen der hochalpinen Naturgefahren gemacht werden.
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Projections of future water resources and their uncertainty in a glacierized catchment in the Swiss Alps and the subsequent effects on hydropower production during the 21st century David Finger,1,2 Georg Heinrich,3 Andreas Gobiet,3 and Andreas Bauder4 Received 31 March 2011; revised 29 December 2011; accepted 5 January 2012; published 18 February 2012.
[1] Hydropower accounts for about 20% of the worldwide electrical power production. In mountainous regions this ratio is significantly higher. In this study we present how future projected climatic forcing, as described in regional climate models (RCMs), will affect water resources and subsequently hydropower production in downstream hydropower plants in a glacierized alpine valley (Vispa valley, Switzerland, 778 km2). In order to estimate future runoff generation and hydropower production, we used error-corrected and downscaled climate scenarios from regional climate models (RCMs) as well as glacier retreat projections from a dynamic glacier model and coupled them to a physically based hydrological model. Furthermore, we implemented all relevant hydropower operational rules in the hydrological model to estimate future hydropower production based on the runoff projections. The uncertainty of each modeling component (climate projections, glacier retreat, and hydrological projection) and the resulting propagation of uncertainty to the projected future water availability for energy production were assessed using an analysis of variance. While the uncertainty of the projections is considerable, the consistent trends observed in all projections indicate significant changes to the current situation. The model results indicate that future melt- and rainfall-runoff will increase during spring but decline during summer. The study concludes by outlining the most relevant expected changes for hydropower operations. Citation: Finger, D., G. Heinrich, A. Gobiet, and A. Bauder (2012), Projections of future water resources and their uncertainty in a glacierized catchment in the Swiss Alps and the subsequent effects on hydropower production during the 21st century, Water Resour. Res., 48, W02521, doi:10.1029/2011WR010733.
1. Introduction production, as they can react to the electricity consumption variations within seconds and thus ensure sufficient energy [2] Although about 20% of the gross electricity produc- tion worldwide comes from hydropower plants, the eco- supply for adequate network stability. Nevertheless, hydro- nomic potential of hydropower has not been exploited power production depends on local precipitation, snow completely [Sternberg, 2010]. In mountainous regions, the coverage, and glacier ice melting, and is therefore subject ratio of hydropower production is significantly higher, e.g., to important interannual fluctuations [Bartolini et al., in Austria and Switzerland hydropower accounts for more 2009; Lambrecht and Mayer, 2009]. than 50% of the national electrical power production [Zim- [3] Throughout the last century hydropower plants have mermann, 2001]. In these countries, the hydropower poten- been adapted and improved to optimize power production and tial is nearly exploited completely or will not be further other services [Alfieri et al., 2006; Egre and Milewski, 2002]. developed for various environmental reasons [Finger et al., Nevertheless, climate change remains one of the biggest chal- 2006; 2007; Jager and Smith, 2008; Miranda, 2001]. In lenges for the hydropower sector [Lehner et al., 2005], in par- particular, reservoirs are important constituents of power ticular in Switzerland, where reservoirs are frequently glacier fed [Hauenstein, 2005]. Water resources in mountain regions are particularly sensitive to climatic forcing as glacier retreat 1Institute of Environmental Engineering, ETH Zurich, Switzerland. is already affecting hydropower production across the Alps 2Now at Institute of Geography and Oeschger Centre for Climate Change [Hock, 2005]. Although increasing water runoff has been Research, University of Bern, Bern, Switzerland. observed in many mountain streams below glaciers in recent 3 Wegener Center for Climate and Global Change (WEGC) and Institute years, discharge is expected to decrease in the future, when for Geophysics, Astrophysics, and Meteorology/Inst. of Physics (IGAM/ IP), University of Graz, Graz, Austria. glaciers will have shrunk below a threshold extent [Huss, 4Laboratory of Hydraulics, Hydrology and Glaciology (VAW), ETH 2011; Huss et al., 2008; Stahl and Moore, 2006]. According Zurich, Switzerland. to the IPCC report [IPCC, 2008], the hydropower potential is expected to decline by 6%, with strong regional variations Copyright 2012 by the American Geophysical Union from a 20%–50% decrease in the Mediterranean region to a 0043-1397/12/2011WR010733 15%–30% increase in Northern and Eastern Europe. These Errors to the author affiliations were introduced during the production predictions will doubtlessly affect energy production and of this article. The PDF version is correct here. The article as originally flood control, so that water management measures will have published appears in the HTML. to be adapted accordingly [Xu and Singh, 2004].
W02521 1of20 W02521 FINGER ET AL.: PROJECTIONS OF FUTURE WATER RESOURCES W02521
[4] In Switzerland the Federal Office of Energy (SFOE) runoff and hydropower production was assessed using an estimates that in the long term 2000 hydro GWh a 1 will analysis of variance (ANOVA analysis). This approach be lost due to climate change and 1900 GWh a 1 due to allows us not only to quantify the uncertainty of our projec- legal residual water flows [OFEN, 2004]. Such estimations tions, but also to determine which modeling component is rely, however, on empirical linear projections and provide responsible for the uncertainty. Finally, we compare the only limited information for future water management projected changes in water availability with the expected strategies. Projections performed with hydrological models, natural variability of the annual cycle. This allows us to using state of the art climate projections, can help in devel- identify which projected changes are statistically stronger oping adequate water management strategies to anticipate than the natural variability of future climate patterns. This expected changes. Efforts to assess such changes have been identification is a prerequisite for establishing adequate made by Mimikou and Baltas [1997] using three global cir- water management policies for future periods. culation model (GCM) outputs to evaluate the reliability of [7] We chose the Vispa valley, a mountain valley in the a hydropower scheme, by Bergström et al. [2001] to assess Swiss Alps, for this study as its setting with two hydro- the potential of future power plants in Sweden, and several power companies exploiting the natural runoff using com- authors in the western United States have used different plex operational rules is representative for typical modern GCM and downscaling techniques to assess future water hydropower storage plants. The study concludes by assess- resources [Christensen et al., 2004; Payne et al., 2004], to ing the projected impact and its uncertainty of climatic name just a few. While the use of different climate scenar- change on future water resources and energy production in ios reveals the uncertainty of climate projections, it is also the valley. Our approach opens new possibilities to water essential to quantify and discuss the uncertainty propagated resources managers to develop specific strategies to antici- to the future hydrological projections. For example, Min- pate climate change impacts on hydropower production. ville et al. [2008] and Kay et al. [2009] investigated differ- ent sources of uncertainty and demonstrated that the 2. Study Site and Data uncertainty of future hydrological projections is primarily [8] The Vispa River is situated about 200 km east of due to uncertainties within the choice of a global climate 0 0 model (GCM). Schäfli et al. [2007] were the first to present Geneva (7 50 E, 46 08 N) in the southern part of a thorough approach to compare modeling uncertainties with projected changes due to climate change for a small case study in Switzerland. Stahl et al. [2008] incorporated periodic changes in glacier cover in a conceptual model to project future runoff generation. However, all these previ- ous studies do not account for dynamic glacier retreat and hydropower operational rules simultaneously, nor do they employ the newest state of the art error-corrected and downscaled climate scenarios. This makes their result less reliable and their modeling approaches can only be applied to study sites without river diversion. Furthermore, the propagation of the specific uncertainty from climate models and dynamic glacier models to final projections of future water resources has never been quantified. [5] Motivated by the ongoing discussion about the impacts of climate change and its uncertainty on hydro- power production [SGHL, 2011], our study presents an inte- grative modeling chain in which we couple error-corrected and downscaled scenarios from regional climate models (RCMs), glacier retreat from a dynamic glacier model, and a hydrological model which accounts for hydropower opera- tional rules. For this purpose we integrated all relevant hydropower operational rules (diversion of mountain stream, storage in reservoirs, and routing of pressurized water to the turbines) in a physically based, fully distributed hydrological model and coupled the model to a dynamic glacier model and seven error-corrected and downscaled A1B forced RCM climate scenarios. This modeling chain allows us to investi- Figure 1. Vispa valley including the watershed of Matt- gate the impacts of climate change on complex hydropower marksee. Dots in circles illustrate location of important installations which collect and divert water from several landmarks, double circles are indicating hydropower facili- subcatchments with different degrees of glaciation. ties, and white circles locate water intakes. The color bar [6] Furthermore, we quantify the uncertainties of climate on the left side indicates the retreat of glacier extent in 10 change projections by assessing the variability in an ensem- year intervals. Arrows on the map illustrate water flow in ble of realistic projections of each modeling component. pipelines of the hydropower companies. Values in paren- Subsequently, the propagation of the variability of each theses indicate altitude in m asl. Details about each labeled modeling component to the global uncertainty of projected symbol are listed in Table 4.
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Switzerland. The gauging station near the village of Visp of the annual discharge in the entire Vispa valley is used (location V in Figure 1) drains a total area of 778 km2,which for hydropower production by KWM, altering the runoff includes the Matter valley on the western part and the Saas regime at the gauging station in Visp significantly. Before valley on the eastern part. The average annual runoff volume hydropower operations started in 1964, natural runoff in of 0.53 km 3 a 1 (equivalent to 689 mm a 1) measured in Visp reached average monthly discharge of 75 m3 s 1 in Visp represents about 9.3% of the total runoff from the summer and about 5 m3 s 1 in winter, while in recent years Rhone valley as measured at the outlet into Lake Geneva. runoff during summer reaches about 35 m3 s 1 compared The catchment elevation ranges from 659 m asl in Visp to to 10 m3 s 1 in winter (Figure 2). This is a direct effect of 4634 m asl at the Dufourspitze. About 29% of the area is the hydropower operations, revealing the practice of KWM covered by glaciers, containing seven larger (>5km2)val- to store water during summer and release it during winter ley glaciers. The seven major glaciers are all located at alti- when energy prices are highest. tudes between 2287 and 4408 m asl, varying in size from [11] An overview of all available observational data in 4.6 km2 (glacier in the Schalibach watershed) to 51 km2 the catchment is given in Table 2. The Federal Office of (Gornergletscher, the second largest glacier system in Swit- Meteorology and Climatology (MeteoSwiss) operates two zerland). Icefields, firns, and snow fields smaller than 4.6 automatic weather stations, one close to the village of Visp km2 were modeled as permanent snow fields (see section 3). and one close to Zermatt (location V and Ze in Figure 1, Based on the simulations of Farinotti et al. [2011] we esti- respectively), where mean daily air temperature (T), precip- mate the mean annual glacier retreat to vary between 0.05 itation (P), and global radiation (I) recordings are available (glacier in the Schalibach watershed) and 0.48 km2 a 1 since 1980. KWM provided 9 years of daily lake level (Gornergletscher). Further topographic information on the recordings (L), natural runoff in m3 d 1collected in Matt- major glaciers is summarized in Table 1 and provided in marksee (QM) and in Zermeiggern (QZ at location Z in Farinotti et al. [2011]. Figure 1), as well as water release rates in the generating [9] The natural runoff in Vispa valley is exploited by two plant in Stalden (QS at location S in Figure 1). Snow cover hydropower companies, which divert parts of the runoff extent (SC) was derived from daily satellite images into two hydropower reservoirs, Mattmarksee (storage vol- recorded by the moderate resolution imaging spectroradi- ume of 101 Mio m3; surface: 1.76 km2; depth: 96 m), oper- ometer (MODIS) continuously operational since 2001 ated by the Kraftwerke Mattmark (KWM), and Lac de Dix [Hall et al., 2002]. In this study we used the MODIS prod- (storage volume of 400 Mio m3; surface: 3.65 km2; depth: uct MOD10A1.5 (see http://nsidc.org/). Daily discharge 227 m) operated by Grande Dixence (GD). While GD has data from the gauging station at Visp (QV) were provided diverted water to the Lac de Dix reservoir outside the study by the Swiss Federal Office of Environment (FOEN) start- site since 1964, Mattmarksee has been operational since ing from 1903. 1965 and is located in the eastern valley of the catchment [12] A digital elevation model (DEM) with a 250 m spa- (location M in Figure 1). KWM operates nine water intakes, tial resolution from the Swiss Federal Office of Topography draining a total area of 162 km2, diverting the water into (Swisstopo) was used as catchment topography. The 250 m Mattmarksee or down to the power plant at Stalden (loca- resolution appears to be a good compromise between the tion S in Figure 1). GD disposes of 19 water intakes, divert- sparse spatial resolution of observational data and the high ing over 400 M m3 a 1 of natural runoff from a total area of resolution of local topographic settings. Soil and geology 241 km2 to Lac de Dix. Two further hydropower compa- properties, as well as land cover information, were obtained nies, Energy Zermatt and EnAlpine operate river power from digital thematic maps available from the Swiss Fed- plants, which do not enact storage capacities and therefore eral Statistical Office (FSO). do not affect the temporal runoff of the Vispa. [10] While GD diverts all water collected to the Lac de Dix situated outside the Vispa valley, water storage in 3. Methods Mattmarksee leads to a seasonal shift of the discharge dy- [13] In order to assess the impact of climate change on namics downstream of the hydropower plant. About 41% hydropower production, we present an integrative modeling
Table 1. Characteristics of the Individual Glacierized Subcatchments in the Vispa Valley
2010 2050 2090 Retreat Rate
Aa LEb Aa LEb Aa LEb Rc Catchment (km2) (m asl) (km2) (m asl) (km2) (m asl) (km2 a 1) HPCd Methode
Mattmark 18.9 2733 6.6 3202 0.6 3343 0.23 KWM M Feevispa 13.9 2880 7.6 3298 2.1 3762 0.15 KWM E Riedbach 7.5 2399 4.1 3356 1.1 3558 0.08 KWM E Findelbach 18.3 2627 12.3 3115 3.1 3520 0.19 GD M Gornera 51.0 2287 31.6 2941 12.8 3407 0.48 GD M Schalibach 4.6 2382 2.5 2835 0.7 3406 0.05 GD E Zmuttbach 12.8 2402 6.9 2908 1.9 3444 0.14 GD E aApproximate glacierized area (A) based on 250 m grid resolution, given by the model resolution. bAltitude of the lowest glacierized cell (LE) based on 250 m grid resolution, given by the model resolution. cMean annual glacier retreat (R) based on 250 m grid resolution, given by the model resolution. dHydropower company (HPC) which captures glacier runoff for hydropower production. eMethod used to make glacier extend projections: M: modeled by Farinotti et al. [2011]; E: extrapolated as described in the text.
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scenarios used in the IPCC AR4 report [Solomon et al., 2007] (B1 at the lower bound and A2 at the upper bound). [15] De´que´ et al. [2011, 2007] showed that the choices of the GCM as well as the RCM are major sources of uncertainty. To account for this uncertainty, we selected seven RCMs from a set of 15 available simulations that are forced by four distinct GCMs (Table 3), adequately accounting for uncertainty in boundary conditions and RCM model formulation as suggested by van der Linden and Mitchell [2009]. We excluded all simulations driven by the GCMs HadCM3Q3 and HadCM3Q16 because they are regarded as not realistic [van der Linden and Mitchell, 2009]. From the remaining RCM simulations, five simula- tions were forced by the global climate model ECHAM5-r3. In order to avoid an artificial bias toward the climate response of ECHAM5-r3, we limited our selection to two ECHAM5-r3 simulations. Therefore our final selection of Figure 2. Monthly average discharge patterns in the all climate scenarios (Table 3) represents an ensemble of Vispa River at Visp before 1964 without hydropower oper- state of the art climate projections. ations, in 1965 when water diversion to Lac de Dix started, [16] In order to correct RCM errors in representative and after 1965 when Mattmarksee was fully operational. present day climate and for further downscaling [Frei et al., 2003; Hagemann et al., 2004; Suklitsch et al., 2008; approach, by coupling a hydrological model with down- Suklitsch et al., 2010], we used an innovative approach in scaled and error-corrected RCM projections, glacier retreat this study, combining dynamical and statistical downscal- projections, and hydropower operational rules. In section 3 ing with observations, as proposed by Themeßl et al. we describe the individual components of this model chain, [2011a]. This quantile based error correction approach the uncertainty they introduce into hydrological projec- (quantile mapping; QM) is based on the observations of tions, and how uncertainty is analyzed in this study. the two meteorological ground stations, Visp and Zermatt, in order to produce error-corrected and downscaled RCM 3.1. Climate Model Projections projections for daily mean air temperature, daily precipita- [14] In order to drive our hydrological model we use the tion sum, and daily mean global radiation. most comprehensive RCM ensemble available from the EU [17] In a first evaluation step we checked the perform- FP6 Integrated Project ENSEMBLES. ENSEMBLES is re- ance of QM using the 28 years (1980–2008) of observatio- stricted to the A1B emission scenario, which is character- nal data from Visp and Zermatt. Mean differences (MD) ized by global economic growth and a balanced emphasis and the ratio of the standard deviation (SD) between simu- on all energy sources [Nakicenovic et al., 2000]. However, lated and observed daily values (R ¼ (sim)/ (obs)) for all since the emission scenarios have only a small impact on three meteorological variables are summarized in Table 3. climate change until the middle of the 21st century [Prein As can be seen from Table 3, the error-corrected RCM sim- et al., 2011] this is only a minor restriction to the results of ulations adequately reconstruct mean and variability of the this study until 2050. For the projections until the end of the local weather patterns. This is particularly true in moun- 21st century, the global mean temperature increase due to tainous regions, where QM proved to improve the skill of the A1B emission scenario is between the other two major RCM simulations significantly, as discussed in detail by
Table 2. Overview of Available Data Sets
Parameter Unit Period Locationa Resolution
Used to Drive the Model T Mean air temperature C 1980–2009 V, Ze daily P Precipitation mm d 1 1980–2009 V, Ze daily I Global radiation W m 2 1980–2009 V, Ze daily L Lake level of Mattmarksee m asl 2000–2009 M daily
Used to Calibrate the Modelb c 3 1 QM Total input to Mattmarksee (Q1 þ Q2 þ Q3 þ Q5 þ Q6 þ QZ)md 2000–2009 4 daily d 3 1 QZ Total discharge collected at Zermeigern (QZer þ Q7 þ Q8 þ Q9)md 2000–2009 Z daily SC Snow cover extent derived from satellite images binary 2001–2009 entire catchment daily
Only Used to Evaluate the Model 3 1 QV Discharge in Visp m d 1903–2009 V daily 3 1 QS Hydropower discharge release at Stalden m d 2000–2009 S daily aLocations are marked in Figure 1. bThese data have been used for calibration (2004) and evaluation (2001–2008) cSum of natural discharge collected at locations 1, 2, 3, 5, 6, and total runoff collected at Z. dSum of natural discharge collected at locations Z, 7, 8, and 9.
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Table 3. Performance of the Seven Selected Climate Scenarios in Representing Present-Day Climate Mean and Variability
a 1 2 Nr GCM Institute RCM MDP (mm d )RP (–) MDT ( C) RT (–) MDI (W m )RI (–) At Zermattb 1 ARPEGE CNRM-ALADIN5.1 0.003 1.006 0.006 0.997 0.21 1.001 2 ARPEGE DMI-HIRHAM5 0.02 1.004 0.003 0.997 0.131 0.999 3 HadCM3Q0 ETHZ-CLM 0.02 0.984 0.017 0.996 0.232 0.998 4 HadCM3Q0 HC-HadRM3 0.009 1.009 0.011 0.996 0.003 1 5 ECHAM5-r3 KNMI-RACMO2 0.024 0.995 0.005 1 0.048 1 6 ECHAM5-r3 MPI-REMO 0.017 0.999 0.007 1 0.032 1 7 BCM SMHI-RCA 0.036 0.973 0.003 0.998 0.221 0.998
At Vispb 1 ARPEGE CNRM-ALADIN5.1 0.01 1 0.009 0.999 0.049 1.001 2 ARPEGE DMI-HIRHAM5 0.019 1.016 0.019 0.998 0.283 0.998 3 HadCM3Q0 ETHZ-CLM 0.025 0.992 0.03 0.998 0.013 0.998 4 HadCM3Q0 HC-HadRM3 0.016 1.004 0.027 0.999 0.128 1 5 ECHAM5-r3 KNMI-RACMO2 0.01 0.993 0.009 1.001 0.077 1 6 ECHAM5-r3 MPI-REMO 0.011 1.001 0.014 1.001 0.087 1 7 BCM SMHI-RCA 0.01 1.005 0.008 0.998 0.203 0.998 aRCM scenarios for Europe are available from the ENSEMBLES project (http://ensembles-eu.org/). bValues in the table indicate mean difference (MD) and the ratio of SD of simulated and observed climate variables (R) during the reference period 1980 to 2008. Index P stands for precipitation, T for air temperature, and I for global radiation.
Themeßl et al. [2011a, 2011b]. Furthermore, these tests Nevertheless, some scenarios also predict an increase of confirm that the QM method can also be applied to global mean radiation of up to þ9.3 W m 2 (Figure 3). radiation, a finding that was not described by Themeßl et al. [2011a]. Nevertheless, these results do not represent 3.2. Glacier Model Projections the quality of QM applied to future climate simulations, [19] The hydrological model used in this study can only since evaluation and calibrations periods are identical. A account for glacier ice melt and snow accumulation, disre- more stringent evaluation of the methods is given in garding glacial dynamics and retreat. We therefore rely on Themeßl et al. [2011b]. externally determined evolution of glacier masks for model [18] The variability of the projected climate change sig- projections up to the year 2100. The ice volume changes of nals within the seven error-corrected RCM scenarios reveals the biggest glaciers in the Vispa catchment have been the uncertainty of present state RCM projections for the monitored throughout the last century [Bauder et al., Vispa valley. Climate change signals between the long-term 2007]. Farinotti et al. [2011] used a glacier evolution period (2069 to 2098) and the representative reference pe- model [Huss et al., 2008] that includes all important proc- riod of the current climate (1992 to 2019; see section 3.3.4) esses of accumulation and melt of snow and ice as well as vary between þ3.2 and þ4.7 C warming during the melt the dynamic response of the ice masses to evaluate the tran- season (May to September) and þ1.6 and þ3.0 C during sient evolution of the ice volume, glacier covered area, and the low flow season (January to April; see Figure 3). Since the distributed mass balance until 2100 of the three highly the RCMs have a grid spacing of about 25 km and an effec- glacierized subcatchments, Gornera, Findelbach, and Matt- tive resolution of at least four times this value, spatial differ- mark (Table 1). The future projections are based on ten re- ences in the projections for the two weather stations, which gional climate change scenarios derived from the are only about 35 km apart, can only be achieved by apply- ENSEMBLES project [van der Linden and Mitchell, 2009] ing empirical-statistical methods like QM, which introduce as described by Bosshard et al. [2011]. Although the cli- local climate information from the stations. For example, mate scenarios used to drive the glacier model in the study the weather station at Visp records typical weather patterns of Farinotti et al. [2011] slightly differ from those used to for the lower valley (e.g., stratus formations), and at Zermatt drive the hydrological model in this study, they can be con- typical weather patterns for the upper valley are recorded sidered as largely consistent since mostly the same climate (e.g., adiabatic winds) [Rüedlinger, 2010]. On average, the simulations are used, all driven by the A1B emission seven scenarios project slightly higher temperature increase scenario. during the melt season in Zermatt (mean increase: þ4.3 C) [20] Projections of the remaining smaller glaciers in the than in Visp (mean increase: þ3.7 C). During the low flow catchment, for which detailed simulations were not avail- season, the multimodel average warming is quite similar able due to lack of observational data, we used an elevation with þ2.2 C in Zermatt and þ2.3 C in Visp. Fairly similar dependent linear retreat as projected for the three simulated signals can be observed for precipitation. In Zermatt, pre- glaciers. We justify this simplification for the smaller gla- cipitation is projected to increase by an average of þ11.5% ciers by the fact that the three biggest glaciers, for which during low flow season but decrease during the melting sea- explicit modeling is available, account for over 69% of the son by 13.4%. In Visp, an increase of precipitation during glacierized area (Table 1). The results of Farinotti et al. low flow of þ14.8% and a decrease during melt season of [2011] demonstrate that the glacier retreat is a continuous 3.5% is projected. On average, the selected scenarios pro- gradual process, rendering our approach to use externally ject a decrease in mean global radiation of up to 4.2 W m 2. determined glacier extents with a 250 m spatial resolution,
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Figure 3. Climate change signals in mean air temperature, precipitation, and global radiation between the reference period (1992–2019) and the end of the century (2071–2098) during low flow (January to April) and melt season (May to September). Labels indicate specific climate scenarios as listed in Table 3.
valid. The evolution of the projected glacier extents are [22] For the model setup of the Vispa valley study site, illustrated in Figure 1 and summarized in Table 1. the DEM with 250 m grid resolution provided by Swisstopo was used. According to the digital soil and land use maps from the FSO, 97% of the watershed can be characterized 3.3. Hydrological Modeling and Projections as glaciers, ridges, steep slopes, or high alpine, with the 3.3.1. Model Setup according soil characteristics (Table 5). Similarly, four [21] The modified topographic kinematic approximation land use types were defined, assigning each one according and integration model (TOPKAPI) is a physically based Manning’s coefficients and crop factors (Table 5). The rainfall-runoff model [Todini and Ciarapica, 2001], devel- channel geometry in the entire catchment is assumed to be oped from the conceptual ARNO model [Todini, 1996]. In rectangular with decreasing width according to the distance this study we used a modified version of TOPKAPI almost from the outlet of the catchment. For calibration purposes identical to the version used by Finger et al. [2011]. The the glacier extent of 2010 was used, which seems appropri- modified version contains the enhanced temperature index ate as glacier retreat within one decade is below the spatial (ETI) model, which computes ice and snow melt rates grid resolution of our model (Figure 1). based on ambient temperature and solar radiation using a [23] The model is driven with daily meteorological data constant temperature factor (TF) and short wave radiation (P and T) recorded at the MeteoSwiss station at Visp, factor (SRF) [Pellicciotti et al., 2005]. The water routing in located at 640 m asl, and at Zermatt at 1626 m asl (Figure 1). TOPKAPI is based on the kinematic wave concept, which Data from the meteorological station of Zermatt was used to can lead to numeric problems when fluctuation is very extrapolate P and T above 1600 m asl and data from Visp large. While in this study this was never the case for simu- was used to extrapolate P and T below 1600 m asl. Radia- lation of the present climate, about 1.6% of simulated tion is computed by the hydrological model, accounting for future time periods revealed numeric problems and were daily cloud cover according to the parameterization pro- hence not considered in the results. posed by Pellicciotti [2004], which relies on daily
6of20 W02521 FINGER ET AL.: PROJECTIONS OF FUTURE WATER RESOURCES W02521 maximum and minimum air temperatures available at stopped by setting Qres to 0. This constraint prevents Qres Zermatt and Visp. from becoming negative and allows the model to compen- 3.3.2. Modeling Hydropower Operations With sate short-term underestimations of simulated inflow to the TOPKAPI reservoir as discharge from the reservoir is stopped until the simulated lake level reaches the observed lake level [24] The main modification to the TOPKAPI version used by Finger et al. [2011] is the implementation of a res- again. ervoir module [Todini and Mazzetti, 2008], to account for [25] Water extraction, diversion of mountain streams, storage in reservoirs, water abstraction, diversion of natural and routing of pressurized water to the turbines were imple- mountain streams and routing of pressurized water to tur- mented by subtracting the amount of water diverted from bines. The discharge released from the reservoir is deter- the river cell flowing through a water frame and adding it mined by the means of user provided lake level time series, to the target river cell. The hydropower operational rules in as originally described by Todini and Mazzetti [2008]: the Vispa valley can be limited within our study to the activities of GD and KWM, as other hydropower activities 3 1 QresðtÞ¼QMðtÞþPresðtÞ Ares ÁVresðhÞðm d Þ ; (1) (e.g., Energy Zermatt and EnAlpin) are irrelevant for our study since they do not affect natural runoff beyond a daily where Qres denotes the discharge from the reservoir, QM time scale. All the operational rules for the specific case of stands for total natural runoff and diverted water input to GD and the KWM are summarized in Table 4 and visual- the reservoirs, Pres stands for the precipitation above the ized in Figure 1. KWM collects water at five intakes (loca- reservoir area Ares, and ÁVresðhÞ represents the observed tions 1, 2, 3, 5, and 6) and diverts it to the Mattmarksee volume change depending on the lake level observations (M). Water collected at locations 7, 8, 9, and in Zermeig- and the bathymetric map, between the present and the pre- gern (Z) is stored in our model in one single reservoir, the vious time step. If ÁVresðhÞ becomes greater than the input Mattmarksee. This is a simplification, as in reality water into the reservoir the discharge from the reservoir is can be released directly to Stalden (S), or be pumped up
Table 4. Overview of Water Intakes of KWM and GD
a b b 3 1 Loc. Name X (m) Y (m) H (m asl) Qmax (m s ) Diversion Saas Valley 1 Trift 640,467 109,477 2291 5.5 diverted to 4 2 Almageller/Rottal 642,911 105,545 2280 4.6 diverted to 4 3 Furg 643,225 101,306 2282 3.8 diverted to 4 4 Inflow Mattmarksee – – 2197 – inflow to lake 5 Hohlaub 639,624 100,796 2219 3.5 diverted to 4 6 Allalin 639,729 100,292 2255 3.5 diverted to 4 7c Saas-Fee 637,747 106,569 1770 14.0 diverted to 4 8c Schweiben 635,482 113,739 1772 1.5 diverted to 4 9 Riedbach 630,376 113,087 1823 3.0 diverted to 4 Zc Zermeiggern 640,055 102,997 1770 3.0 diverted to 4 S Stalden – – 715 – outlet to river Md Mattmarksee – – 2197 – released to S V Visp 634,150 124,850 658 – gauging station
Matter Valley 10 Hohberg 629,295 106,863 2534 2.4 diverted to LdD 11 Festi 628,833 105,351 2548 2.3 diverted to LdD 12 Kin 629,393 103,730 2764 1.9 diverted to LdD 13 Rotbach 629,866 101,453 2548 1.5 diverted to LdD 14 Alphubel 630,535 99,525 2571 1.3 diverted to LdD 15 Mellichen 631,150 98,372 2637 6.0 diverted to LdD 16 Längflue 630,822 97,817 2598 1.3 diverted to LdD 17 Findelbach 629,087 94,919 2508 17.7 diverted to LdD 18 Obertheodul 621,631 92,814 2486 4.5 diverted to LdD 19 Furgg 620,781 92,823 2487 6.6 diverted to LdD 20 Bis 624,851 106,159 2168 3.4 diverted to Zm 21 Schalibach 624,004 102,869 2128 10.0 diverted to Zm 22 Edelweiss – – 2078 5.0 diverted to Zm 23 Trift 621,469 98,095 2442 7.0 diverted to LdD 24 Arben 617,554 96,190 2554 2.3 diverted to LdD 25 Hohwäng 616,065 95,388 2612 2.0 diverted to LdD Ge Gornera 622,600 93,211 2007 12.0 diverted to LdD St Stafel 618,125 94,900 2212 10.0 diverted to LdD Zme Z’mutt 620,990 95,179 1970 7.0 diverted to LdD residual to G aLocations are illustrated in Figure 1. bSwiss coordinate system using the geodetic datum CH1903. cMathematical simplification 1: water collected at these locations is diverted to 4, as M in the model acts as reservoir including all water stored in the entire system. dMathematical simplification 2: water from M is directly released to S, as M accounts for all water stored in the system. eMathematical simplification 3: at Z’mutt 7 m3 s 1 are directly pumped to Lac de Dix (LdD) the rest is diverted to G. At G 12 m3 s 1 is diverted to GD the rest is released as residual flow.
7of20 W02521 FINGER ET AL.: PROJECTIONS OF FUTURE WATER RESOURCES W02521 from Z to M. As storage volume in the pipes and at Zer- only outline the specific adaptations and extensions neces- meiggern is negligible, mathematically it does not matter if sary for the present study. water is stored in the pipes, at Z or in M. Therefore we sim- [28] We first generated 10,000 random parameter sets plify the hydropower installations with one single reservoir, from a uniform and physically plausible constrained range the Mattmarksee. The water released from this reservoir is indicated in Tables 5 and 6. Although 10,000 parameter defined by lake level observations (equation (1)). KWM sets cannot sample the entire parameter space, many also operates historic turbines in Saas Fee, but these are authors have demonstrated that this number is sufficient to being neglected in our modeling approach, as they are obtain adequate model efficiency [Beven and Binley, 1992; rarely used and do not affect runoff beyond a daily basis. Finger et al., 2011; Seibert and Beven, 2009; Uhlenbrook [26] GD collects water at 13 water intakes (at location and Sieber, 2005]. Furthermore, as only the headwaters are 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 23, 24, and 25) and diverted into Mattmarksee, the relevant areas of the Vispa diverts it directly to the Lac de Dix outside the catchment. valley are comparable to the Rhonegletscher study site At Stafel, water is collected and diverted (through pumps) investigated by Finger et al. [2011], making their approach to GD. The pumps can only reach a capacity of 10 m3 s 1. also suitable for the Vispa valley. In accordance with Fin- The rest is released downstream, but collected at Z’mutt ger et al. [2011], the saturated hydraulic conductivity pa- (location Zm). Water collected at 20, 21, and 22 is diverted rameter Ksh was generated from a log-uniform distribution. to the cell upstream of Z’mutt. At Z’mutt water coming The initial range of Ksh was defined to vary over several from 20, 21, 22, and from the upstream basin is pumped to magnitudes to allow the model to mimic runoff through 3 1 GD with a Qmax of 7 m s . The remaining water is coarse gravel as well as through glacier pulp (Table 5). diverted to Gornera (G). This is again a simplification, as in Although TOPKAPI disposes of the option for a second reality no water is diverted from Zm to G. At Gornera (G) soil layer, we refrained from using this option to avoid 3 1 water is being diverted to GD with a Qmax of 12 m s . overparameterization of the model. All initial parameter This is also a simplification, as in reality water is being ranges were defined based on experience and experimental diverted to Zm. However, at Zm there are two pumps which data as described by Finger et al. [2011]. 3 1 have a Qmax of 12 m s . Consequently, first water from [29] Efficiency criteria were used to quantify the model the upstream basin is pumped to GD, before water from G performance regarding total natural and diverted runoff is pumped. Accordingly, we simplify this by first diverting into Mattmarksee (QM), total discharge from the lower 3 1 all surplus water (>7m s ) from 20, 21, and 22 to G and intakes collected at Zermeiggern (QZ), and correctly pre- limiting the diversion of water at G to GD to 12 m3 s 1. dicted snow cover area (SC). Performances of all simulated discharges were surveyed using the Nash-Sutcliffe coeffi- 3.3.3. Stochastic Model Calibration cient (EQ)[Nash and Sutcliffe, 1970]: [27] We use a stochastic model calibration technique proposed by Finger et al. [2011] which identifies physi- Xn cally plausible parameter sets, resulting in good model per- 2 ðQ ; ; Q ; ; Þ formance regarding all available observational datasets. i j obs i j sim E 1 i¼1 ; (2) Using this technique, Finger et al. [2011] demonstrated Q;j ¼ Xn 2 that the combination of satellite snow cover images and ðQi;j;obs Qi;j;obs Þ discharge data leads to a high internal consistency, making i¼1 it suitable for climate change predictions. In the present study we extended the technique to also assess the uncer- where index i represents the time steps, index j stands for tainty of model projections. The technique has been pre- the respective location, Qobs stands for observed discharge, sented in detail by Finger at al. [2011], therefore here we and Qsim depicts simulated discharge. Furthermore, the
Table 5. Summary of the Soil Parameters
Soil Parameters Unit Glacier Ridges Steep Slopes High Alpine
a Soil depth, d1 ir m 0.25–1.5 0.74; 0.31 1–6 2.9; 1.25 0.75–4.5 2.22; 0.93 1.5–9 4.4; 1.87 m; a Horizontal saturated hydraulic ir m h 1 1e 12–1 e 8 5e 9;3e 9 1e 5–1 e 1 5e 2;4e 2 1e 5–1 e 1 5e 1;4e 1 1e 5–1 e 1 5e 2;4e 2 b conductivity, Ksh m; 1 Vertical saturated hydraulic mh 0.2 Ksh1 0.2 Ksh1 0.2 Ksh1 0.2 Ksh1 c conductivity, Ksv Saturated soil moisture content, s ir – 0.2–0.6 0.35; 0.13 0.1–0.3 0.18; 0.07 0.15–0.45 0.27; 0.1 0.1–0.3 0.18; 0.07 m; d Residual soil moisture content, r const. – 0.2 0.2 0.2 0.2
Surface and Vegetation Parameters Unit Alp. Pastures Unprod. Veg. Surf. Without Veg. Slightly Dev. Lands Manning’s coeff. – 0.35 0.03 0.025 0.03 Crop factor – 0.4–1 0.4–1 0.4–1 0.4–1 air stands for initial range; m stands for mean of 10 best parameter sets, and stands for SD of the respective mean. b Ksh values were generated from a log-uniform distribution for Monte Carlo runs. c In order to minimize the number of parameters to be varied r1 was kept constant and Ksv was made dependent on Ksh. d r was kept constant to minimize varying model parameters.
8of20 W02521 FINGER ET AL.: PROJECTIONS OF FUTURE WATER RESOURCES W02521
Table 6. Summary of the Melt Parameters Required By the Melt Model Component of TOPKAPI
Parameter Unit Value Range ma b