- ACINN - Universität Innsbruck

Transcription

Meteorologische und
schneephysikalische Untersuchung
von Gleitrissen und
Gleitschneelawinen
DIPLOMARBEIT
zur Erlangung des akademischen Grades
Magister der Naturwissenschaften
an der
Leopold-Franzens-Universität
Innsbruck
eingereicht von
Paul Dobesberger
Innsbruck, am 25. Februar 2010
für meinen minime
Zusammenfassung
Aufbauend auf das Snowgripper-Projekt des BFW [Fromm et al., 2004;
Rainer et al., 2005] konzentriert sich diese Arbeit auf die beim Entstehen von
Gleitrissen bzw. bei einem Abgang von Gleitschneelawinen ablaufenden Prozesse im
System Schneedecke – Erdboden. Dabei wurde besonderes Augenmerk auf den
Wassergehalt und den Wassertransport innerhalb der Schneedecke und des Erdbodens
gelegt. Die Simulation des Systems Schneedecke – Erdboden und die innerhalb dieses
Systems ablaufenden Prozesse wurden mittels des SHAW-Modells durchgeführt, das
mit gemessenen Daten initialisiert und verifiziert wurde.
Anhand der Beobachtungen und der Erhebungen vor Ort konnte gezeigt werden, dass
Gleitrisse bzw. Gleitschneelawinen immer wieder an denselben Orten mit fast identen
Abmessungen auftreten. Des Weiteren konnte aufgrund der Simulationsdaten die
0°C-Isothermie und die komplette Durchfeuchtung der Schneedecke als notwendige
Voraussetzungen für den Abgang von Gleitschneelawine bzw. für die Ausbildung von
Gleitrissen aufgezeigt werden. Ein aus der durchfeuchteten Gleitschicht in den
Erdboden
stattfindender
Gleitschneeereignissen
Wassertransport
beobachtet
werden.
konnte
Eine
ebenfalls
bei
allen
Belastungszunahme
durch
Niederschlag und einen Änderung des Spannungszustandes der Schneedecke durch
Wiedergefrieren können laut den Ergebnissen dieser Arbeit zumindest ein Mitgrund für
den Abgang von Gleitschneelawinen bzw. für die Ausbildung von Gleitrissen sein.
II
III
Abstract
Based on the Snowgripper-project of the BFW [Fromm et al., 2004; Rainer et al., 2005]
this thesis focuses on the involved processes within the snowpack – soil system during
glide-crack formation or glide-avalanche release. Particular attention was paid to the
water content and the water transport within the snowpack and the soil. The simulation
of the snowpack – soil system and the involved processes within the system were
carried out using the SHAW model, which was driven and verified by locally measured
data.
Based on the observations and surveys in the field it has been shown that glide-cracks
and glide-avalanches occur repeatedly at the same places with almost identical shape
and dimensions. Furthermore, based on the simulation data, could be shown that melt
conditions throughout the snowpack and associated penetration of liquid water down to
the bottom is a necessary requirement for glide avalanche release or glide crack
formation. A water transport occurring from the wetted lowermost layer of the
snowpack into the ground has also been observed during all snow-gliding-events.
According to the results of this study a load increase due to precipitation and a change
in the state of stress by refreezing of the snowpack can at least be a contributory cause
for glide-avalanche release or glide-crack formation.
IV
V
Inhaltsverzeichnis
1 1.1 1.2 1.3 Einleitung............................................................................................................ 2 Motivation .......................................................................................................... 2 Ziel und Aufbau der Arbeit ................................................................................ 3 Anmerkungen zur Arbeit .................................................................................... 4 2 2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.2 Die Schneedecke................................................................................................. 6 Kräfte, Spannungen und Festigkeiten in der Schneedecke................................. 6 Zugkraft, Zugspannung und Zugfestigkeit ......................................................... 8 Druckkraft, Druckspannung und Druckfestigkeit............................................... 9 Scherkraft, Scherspannung und Scherfestigkeit ................................................. 9 Verformung der Schneedecke .......................................................................... 13 3 3.1 3.2 Lawinen ............................................................................................................ 16 Lawinen allgemein ........................................................................................... 16 Gleitrisse und Gleitschneelawinen ................................................................... 17 4 Das Versuchsfeld Schmittenhöhe ..................................................................... 22 5 5.1 5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 Das SHAW-Modell .......................................................................................... 26 Ein- und Ausgabedateien .................................................................................. 27 Gleichungen und Parametrisierungen ............................................................... 27 Energiebilanz .................................................................................................... 28 Energiebilanz der Schneedecke ........................................................................ 30 Massenbilanz der Schneedecke ........................................................................ 32 Niederschlag ..................................................................................................... 34 6 6.1 Daten ................................................................................................................. 36 Verfügbares Datenmaterial ............................................................................... 36 7 7.1 7.2 7.3 Verlauf der Winter 2002/03, 2003/04 und 2004/05 ......................................... 38 Winter 2002/03 ................................................................................................. 40 Winter 2003/04 ................................................................................................. 43 Winter 2004/05 ................................................................................................. 45 8 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 Gleitschneeereignisse ....................................................................................... 48 Gleitschneelawine am 10. Oktober 2003 .......................................................... 48 Gleitschneelawine am 03. November 2003 ...................................................... 51 Gleitriss am 19. März 2004 .............................................................................. 53 Gleitschneelawine am 24. November 2004 ...................................................... 56 Gleitriss am 20. März 2005 .............................................................................. 58 9 9.1 Simulation - Testläufe ...................................................................................... 62 Eingabedaten .................................................................................................... 62 VI
9.2 9.3 9.4 9.5 Testlauf 1........................................................................................................... 64 Testlauf 2........................................................................................................... 68 Testlauf 3........................................................................................................... 70 Testlauf 4........................................................................................................... 73 10 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 10.7 10.8 Simulation - Referenzlauf ................................................................................. 76 Winter 2002/03 ................................................................................................. 77 Winter 2003/04 ................................................................................................. 80 Winter 2004/05 ................................................................................................. 82 Gleitschneelawine am 10. Oktober 2003 .......................................................... 85 Gleitschneelawine am 03. November 2003 ...................................................... 87 Gleitriss am 19. März 2004 ............................................................................... 90 Gleitschneelawine am 24. November 2004 ...................................................... 93 Gleitriss am 20. März 2005 ............................................................................... 95 11 Ergebnisse ......................................................................................................... 98 12 Diskussion ....................................................................................................... 104 13 Zusammenfassung ........................................................................................... 110 Abbildungsverzeichnis .................................................................................................. 112 Literaturverzeichnis ....................................................................................................... 118 Anhang A ...................................................................................................................... 122 Danksagung ................................................................................................................... 126 VII
1
Einleitung
Unser Wissen ist ein Tropfen, was wir nicht wissen, ist ein Ozean.
Isaac Newton (1643-1727)
1.1 Motivation
Seit die Menschheit sich dazu entschlossen hat das Gebirge für sich als Lebensraum zu
nutzen, ist sie mit Naturkatastrophen in der Form von Eis- und Schneelawinen
konfrontiert worden. Früher dachte man allerdings, dass Eis- und Schneelawinen das
Werk von bösen Geistern seien oder die göttliche Strafe für eine Sünde waren. Aus
dieser Zeit stammt auch der Ausdruck „Bannwald“, da man Wälder, welche Siedlungen,
Straßen oder Pässe schützten, mit einem Bann belegte [Munter, 2003]. Seit die
Menschheit ihre ersten Erfahrungen mit Lawinen gemacht hat, sind schon einige
Jahrhunderte vergangen, aber erst seit einigen Jahrzehnten hat die Schnee- und
Lawinenforschung ihren fixen Platz in der Naturforschung und nicht mehr im Reich der
Sagen und Legenden.
Die
Bewohner
von
Bergregionen
lernten
aufgrund
von
teils
tragischen
Naturkatastrophen den Lawinen aus dem Weg zu gehen und ihre Häuser auf
lawinensicheren Plätzen zu bauen. Mit der immer stärker werdenden Besiedelung und
der touristischen Nutzung der Berge und Täler wurde auch der Ruf nach einer
fundierten Lawinenforschung immer lauter. In den beiden Wintern 1950/51 und
1953/54 gingen aufgrund der ungewöhnlich starken Schneefälle im Alpenraum etliche
Katastrophenlawinen zu Tal und forderten über 350 Lawinenopfer [Gabl, 2000;
Munter,
2003].
Nicht
zuletzt
aufgrund
dieser
beiden
Winter
wurde
die
Lawinenforschung im Alpenraum intensiviert und im Laufe der Jahre konnten viele
Erfolge bei der Vorhersage und Prävention von Lawinen erzielt werden. Vor allem in
den letzten Jahren lag der Fokus der Arbeiten allerdings meist auf Hochwinterlawinen
bzw. Schneebrettlawinen.
Der Zusammenhang zwischen Gleitschneelawinen, dem intensiven Gleiten von Schnee
und dem Vorhandensein von flüssigem Wasser im Schnee und vor allem zwischen
Schnee und Boden ist offensichtlich. Die maßgebenden Faktoren, welche zu Gleitrissen
3
Einleitung
in der Schneedecke bzw. zu dem Abgang von Gleitschneelawine führen, sind allerdings
noch nicht vollständig geklärt [Lackinger, 1990].
1.2 Ziel und Aufbau der Arbeit
Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Bedingungen, welche zum Auftreten von Gleitrissen
(Lawinenmäulern) bzw. dem Abgang von Gleitschneelawinen führen, näher zu
untersuchen. Dabei wird besonderes Augenmerk auf den Wassergehalt und den
Wassertransport im System Schneedecke - Erdboden gelegt.
Einleitend wird ein Überblick über die Schneedecke und über Lawinen mit den
Schwerpunkten Scherfestigkeit, Gleiten, Gleitrisse und Gleitschneelawinen gegeben
(Kapitel 2, Kapitel 3). Des Weiteren werden die Lage und die örtlichen Gegebenheiten
des Versuchsfeldes Schmittenhöhe, sowie die Standorte der Messstationen und das
dieser Arbeit zugrundeliegende Snowgripper-Projekt kurz erläutert (Kapitel 4). Für die
Simulationen in dieser Arbeit kommt das SHAW-Modell (Simultaneous Heat and
Water-Model) zur Anwendung, da in diesem SVAT-Modell (Soil Vegetation
Atmosphere Transport) nicht nur die Verhältnisse und Prozesse innerhalb der
Schneedecke simuliert werden, sondern auch jene im Erdboden (Kapitel 5).
Anhand der erhobenen meteorologischen und schneephysikalischen Daten (Kapitel 6)
werden die drei Winter 2002/03, 2003/04 und 2004/05 und die in diesem Zeitraum
aufgetretenen fünf Gleitrisse bzw. Gleitschneelawinen einer ersten Untersuchung
unterzogen (Kapitel 7 und 8).
Durch
Vergleichen
der
berechneten
und
gemessenen
Werte
(Schneehöhe,
Bodentemperatur und Bodenfeuchte) und einer daraus resultierenden Optimierung soll
zunächst das SHAW-Modell so nahe wie möglich an die Wirklichkeit getrimmt werden
(Kapitel 9). Die Daten einer entsprechenden Referenzsimulation dienen als Grundlage
für eine zweite, prozessorientierte Untersuchung des Systems Schneedecke - Erdboden
während der drei Untersuchungswinter und zum Zeitpunkt des Auftretens von
Gleitrissen bzw. des Abgangs von Gleitschneelawinen (Kapitel 10). Abbildung 1 soll
die einzelnen Arbeitsschritte, welche in den Kapiteln 9 und 10 ausgeführt werden,
veranschaulichen.
Einleitung
4
Daten
Parametrisierung
Verifikation/Optimierung
SHAW-Testlauf
SHAW-Referenzlauf
Situation im System Schneedecke-Erdboden
Abbildung 1: Schematische Darstellung der einzelnen Arbeitsschritte in den Kapiteln 9 und 10
Die Ergebnisse aus den beiden Untersuchungen werden zusammengefasst und die
Gemeinsamkeiten bzw. Unterschiede im System Schneedecke - Erdboden im Detail
aufgezeigt (Kapitel 11). In einem weiteren Schritt werden die Ergebnisse und
Erkenntnisse aus dieser Arbeit einer Diskussion unterzogen (Kapitel 12). Zum
Abschluss folgt eine kurze Zusammenfassung der vorliegenden Arbeit (Kapitel 13).
1.3 Anmerkungen zur Arbeit
Alle Zeiten in dieser Arbeit sind im Zeitformat MEZ (Mitteleuropäische Zeit)
angegeben. Für die Simulationen wurde das SHAW-Modell in der Version 2.3.6
verwendet, welches in der Programmiersprache Fortran 77 verfasst ist und vom
Entwickler zuletzt am 27. September 2004 geändert wurde.
Die vorgenommenen Modifikationen und Änderungen im Programmcode wurden
mittels Compaq Visual Fortran in der Version Professional Edition 6.5.0 durchgeführt.
Für die Erstellung der SHAW Eingabedateien wurden TextPad in der Version 5.0.3 und
MATLAB in der Version 7.5.0.342 (R2007b) verwendet. Die Visualisierung der
Messdaten und der Simulationsergebnisse erfolgten ebenfalls mittels MATLAB in der
oben genannten Version. Alle restlichen Abbildungen in dieser Arbeit wurden mit Hilfe
der CorelDRAW Graphics Suite in der Version X3 (2006) erstellt.
2
Die Schneedecke
Wir können die Natur nur dadurch beherrschen, dass wir uns ihren
Gesetzen unterwerfen.
Francis Bacon
Der Aufbau der Schneedecke ist das Ergebnis aus Niederschlag und Metamorphose der
abgelagerten Schneekristalle [McClung und Schaerer, 2006]. In der Atmosphäre
entstehen
aus
Wasserdampf,
unterkühltem Wasser
und
Kristallisationskernen
Schneekristalle. Es verbinden sich entweder mehrere Schneekristalle zu Schneeflocken,
oder die Schneekristalle fangen Wassertropfen ein, welche an den Schneekristallen
anfrieren (Vergraupelung) [Salm, 1982a].
Überschreitet die Gewichtskraft der Schneeflocken oder Graupeln die Auftriebskraft der
Aufwinde, fallen sie aus, lagern sich auf dem Erdboden ab und bilden so die
Schneedecke. Die Poren zwischen den einzelnen Eiskristallen werden durch Luft
und/oder flüssiges Wasser gefüllt [Colbeck et al., 1985; Mellor, 1977]. Je nach den
Temperatur-
und
Feuchteverhältnissen
wachsen
verschiedene
Arten
von
Schneekristallen in der Atmosphäre heran. Infolge mehrerer Niederschlagsperioden und
der Vielzahl unterschiedlicher Schneekristalle bildet sich eine schichtweise aufgebaute
Schneedecke aus.
Durch mechanische und äußere Einwirkungen (z.B. Wind, Sonnenstrahlung,
Bodenwärmestrom, Regen) und die Metamorphose (Umwandlung) der Schneekristalle,
unterliegt die Schneedecke einer ständigen Veränderung. Diese Veränderungen wirken
sich stark auf die beobachtbaren Eigenschaften der Schneedecke, wie z.B. Dichte,
Wassergehalt, Kornform, Korngröße und auf die Festigkeiten aus.
2.1 Kräfte, Spannungen und Festigkeiten in der Schneedecke
Schnee besitzt die Grundeigenschaften einer zähen Flüssigkeit, weist aber dennoch
grundlegende Merkmale von Festkörpern auf. In diesem Sinn ist Schnee viskos wie z.B.
Honig oder Öl, ist aber ebenfalls fähig, äußere Kräfte bzw. Spannungen durch seinen
7
Die Schneedecke
inneren Widerstand aufzunehmen, und hat demnach auch eine Festigkeit wie z.B. Stahl
[Salm, 1982a, 1982b].
Die Festigkeit entspricht der maximalen Spannung, die ein Werkstoff aushalten kann.
Sind die Spannungen größer als die Festigkeit, kommt es zum Bruch. Wenn die
Geschwindigkeit, mit welcher die Formänderung durchgeführt wird, genügend klein ist
(Deformationsgeschwindigkeiten kleiner als 10-5 ms-1, viskoser Bereich), kann man
praktisch keinen Bruch herbeiführen, da sich der Schnee viskos verformt
[Lackinger, 2000]. Bei höheren Deformationsgeschwindigkeiten (zwischen 10-5 und
10-3 ms-1, duktiler Bereich) ist der Schnee am belastbarsten [Lackinger, 2000]. In
diesem Bereich kommt es zu einem deutlichen Zusammenbruch der Struktur der
Schneekristalle, dem duktilen Bruch. Erfolgt die Belastung noch schneller
(Deformationsgeschwindigkeiten von 10-3 bis 10-2 ms-1, spröder Bereich), nimmt die
Festigkeit des Schnees rapide ab und es kommt zum sogenannten Sprödbruch
[Lackinger, 2000].
Abbildung 2 zeigt die Gewichtskraft FG [N], die aufgrund der Masse der Schneedecke
und der Erdanziehung verursacht wird und in eine hangparallele Komponente
(treibende Kraft FT [N]) und eine, auf den Hang normal stehende Komponente
(Normalkraft FN [N]) aufgespalten werden kann (Gleichung 2-1).
Bei einem Schneepaket auf einer horizontalen Fläche entspricht die Gewichtskraft der
Normalkraft FN, da die treibende Kraft FT in diesem Fall Null ist (Abbildung 2,
Gleichung 2-2). Bei einem Hang, also einer geneigten Fläche, wird das Verhältnis der
beiden Komponenten der Gewichtskraft durch die Hangneigung α bestimmt
(Abbildung 2, Gleichung 2-2). Je steiler ein Hang demnach ist, desto größer wird die
treibende Kraft FT bzw. desto kleiner wird die Normalkraft FN.
2
FG = FT + FN
FT = FG sin (α )
bzw.
2
FN = FG cos(α )
2-1
2-2
Die Schneedecke
8
Abbildung 2: Gewichtskraft, Normalkraft und treibende Kraft eines Schneepaketes
Auf geneigter Fläche verursacht die hangparallele Komponente der Gewichtskraft
(treibende Kraft FT) drei unterschiedliche Arten von Spannungen: die Zugspannung, die
Druckspannung und die Scherspannung (Abbildung 3). Die einzelnen Festigkeiten des
Werkstoffes Schnee gegenüber diesen drei Spannungen sind sehr unterschiedlich.
ng
nnu
pa
ugs
Z
ung
Sc
he
rsp
an
ann
ksp
c
Dru
nu
ng
Schneedecke
Untergrund
Abbildung 3: Beispiel für Spannungen in der Schneedecke
2.1.1 Zugkraft, Zugspannung und Zugfestigkeit
Die Zugspannung σZ [Nm-2] errechnet sich aus der Zugkraft Fz [N] dividiert durch die
Fläche A [m2] (Gleichung 2-3), siehe Abbildung 4 zur Erläuterung.
Überschreitet die Zugspannung die maximale Zugfestigkeit σZF [Nm-2] kommt es zum
Zugbruch (σZ > σZF), hierbei wird die Bindungsfestigkeit zwischen den einzelnen
Schneekristallen überschritten und die Schneedecke reißt senkrecht zur Zugrichtung
auf. Bei einem Schneepaket auf einer geneigten Fläche entspricht die Zugkraft Fz der
treibenden Kraft FT (Abbildung 2). Die Zugfestigkeit von Schnee kann zwischen 0
9
Die Schneedecke
(Schwimmschnee) und maximal 1500 kNm-2 betragen, gewöhnlich liegt sie aber nicht
über 200 kNm-2 [Lackinger, 2000].
σZ =
Fz
A
2-3
Fz
A
Abbildung 4: Zugkraft
2.1.2 Druckkraft, Druckspannung und Druckfestigkeit
Die Druckspannung σD [Nm-2] ist das Verhältnis der Druckkraft Fd [N] zur
Fläche A [m2] (Gleichung 2-4), siehe Abbildung 5 zur Erläuterung.
Überschreitet die Druckspannung die maximale Druckfestigkeit σDF [Nm-2], kommt es
zum Druckbruch (σD > σDF), das heißt, das Gefüge der Schneekristalle bricht
zusammen. Bei einem Schneepaket auf einem Hang entspricht die Druckkraft Fd der
treibenden Kraft FT (Abbildung 2). Die Größe der Druckfestigkeit von Schnee liegt
zwischen 2 und maximal 4000 kNm-2, gewöhnlich aber unter 400 kNm-2
[Lackinger, 2000].
σD =
Fd
A
A
2-4
Fd
Abbildung 5: Druckkraft
2.1.3 Scherkraft, Scherspannung und Scherfestigkeit
Die Scherspannung τS [Nm-2] errechnet sich aus der Scherkraft Fs [N] dividiert durch
die Fläche B [m2] (Gleichung 2-5), siehe Abbildung 6 zur Erläuterung.
Die Schneedecke
10
Überschreitet die Scherspannung die maximale Scherfestigkeit τSF [Nm-2], kommt es
zum Scherbruch (τS > τSF). Dabei entsteht eine hangparallele Scherfläche, worauf der
obere Teil der Schneedecke abgleitet. Die Scherkraft Fs entspricht, im Falle eines
Schneepaketes auf einem Hang, der treibenden Kraft FT (Abbildung 2). Die Festigkeit
von Schnee gegen Abscheren ist deutlich kleiner als jene gegen Druck- und
Zugbelastung.
τS =
Fs
B
2-5
Fs
B
Fs
Abbildung 6: Scherkraft
Grundsätzlich wird bei dem Werkstoff Schnee zwischen zwei Arten von
Scherfestigkeiten und damit auch zwischen zwei Arten des Scherbruches unterschieden,
wobei die Lage der Scherfläche die entscheidende Rolle spielt.
Liegt die Scherfläche zwischen zwei Schneeschichten, muss die Scherspannung
die innere Scherfestigkeit τSFi in diesem Bereich überschreiten um einen
Scherbruch (τS > τSFi) zu verursachen. Liegt die Scherfläche hingegen zwischen der
Schneedecke und dem Untergrund, muss die Scherspannung größer sein als die
äußere Scherfestigkeit τSFa um einen Scherbruch (τS > τSFa) herbeizuführen.
Gleichung 2-6 (nach Lackinger [2000]) zeigt die Formel für die innere Scherfestigkeit
τSFi [Nm-2], wobei k für die Kohäsion [Nm-2] (Bindungskräfte zwischen den
Atomen/Molekülen eines Stoffes) und FN für die Normalkraft [N] steht, μ‘ bezeichnet
den Reibungsbeiwert für die innere Reibung von Schnee [1] und B die
Berührungsfläche [m2]. Die Kohäsion übersteigt normalerweise 100 kNm-2 nicht. Ein
brauchbarer Mittelbereich für den inneren Reibungsbeiwert von Schnee μ‘ bei
langsamem Abscheren (also nicht turbulentem Lawinenschnee) beträgt 0,4 – 0,8
[Lackinger, 2000].
τ SFi = k +
FN μ '
B
2-6
11
Die Schneedecke
Die äußere Scherfestigkeit τSFa [Nm-2] ist definiert durch die Reibungskraft FR [N]
dividiert durch die Berührungsfläche B [m2] (Gleichung 2-7, nach Lackinger [2000]).
τ SFa =
Bei
der
äußeren
Reibung
wird
FR
B
2-7
zwischen
der
Trockenreibung
und
der
Flüssigkeitsreibung unterschieden (Abbildung 7) [Lackinger, 2000].
Die Reibungskraft FR [N] bei der Trockenreibung berechnet sich aus dem
Reibungsbeiwert für die äußere Reibung von Schnee µ [1] multipliziert mit der
Normalkraft FN [N] (Gleichung 2-8, nach Lackinger [2000], Abbildung 7). Daraus ist
ersichtlich, dass in diesem Fall die Größe der Berührungsfläche keinen Einfluss auf die
Reibung hat. Vielmehr ist zu erkennen, dass mit zunehmender Normalkraft die
Reibungskraft und damit auch die äußere Scherfestigkeit infolge der Trockenreibung
zunimmt.
FR = μ FN
2-8
Gleichung 2-9 (nach Lackinger [2000]) zeigt die Formel für die Reibungskraft FR [N]
im
Fall
der
Flüssigkeitsreibung,
wobei
η
für
den
Zähigkeitsbeiwert
der
Flüssigkeit [kgm-1s-1] und B für die Berührungsfläche [m2] steht, v bezeichnet die
Geschwindigkeit [ms-1] in dieser Gleichung und d die Dicke der Flüssigkeitsschicht [m]
(Abbildung 7). Im Fall der Flüssigkeitsreibung ist die Reibungskraft unabhängig von der
Normalkraft, vielmehr hängt sie von den Eigenschaften der Flüssigkeit, der
Berührungsfläche und der Geschwindigkeit ab. Mit steigender Temperatur der
Flüssigkeit sinkt deren Zähigkeit und damit ebenso die Reibung. Die Reibungskraft ist
des Weiteren umgekehrt proportional zur Dicke der Flüssigkeitsschicht, das heißt, je
höher diese Schicht ist, desto kleiner ist die Reibung. Je größer die Berührungsfläche
hingegen, oder je höher die Geschwindigkeit ist, desto größer ist die Reibungskraft und
desto größer ist auch die äußere Scherfestigkeit infolge der Flüssigkeitsreibung.
Die Schneedecke
12
FR = η B
A
v
d
2-9
B
v
v
FN
FR
FN
d
FR
Abbildung 7: Trockenreibung (A) und Flüssigkeitsreibung (B) (nach Lackinger [2000])
In der Gand und Zupaničič [1966] haben die Reibungskraft beim Gleitvorgang der
Schneedecke über dem Untergrund als eine Mischung aus Trocken- und
Flüssigkeitsreibung definiert und so der Überschneidung der beiden Prozesse Rechnung
getragen. Die Scherfestigkeit in der Grenzschicht zwischen Schneedecke und Erdboden
setzt sich demnach aus der Scherfestigkeit infolge der Trocken- τT bzw. der
Flüssigkeitsreibung τV [Nm-2] zusammen (Gleichung 2-10). Für die Erläuterung der
Variablen siehe obigen Absatz.
τ SFa =τ F + τ V = μ
FN
v
+η
B
d
2-10
Lackinger [1990, 1988] geht noch einen Schritt weiter und bindet auch die
Scherfestigkeit infolge der Adhäsion τC‘ [Nm-2] in seine Formulierung der
Scherfestigkeit innerhalb der Grenzschicht zwischen Schneedecke und Erdboden mit
ein (Gleichung 2-11). Dabei wird mit φr der Restreibungswinkel [°] bezeichnet, ηs und
ηw sind die Viskosität für Schnee bzw. Wasser [Nsm-2] mit der Stagnationstiefe d‘ [m]
(Abstand zwischen Bodenoberfläche und dem Schnittpunkt des durchschnittlichen
Geschwindigkeitsprofils mit der z-Achse [McClung, 1980, 1975], Abbildung 9). Die
Adhäsion [Nm-2] (Zusammenhalt zwischen Feststoffen und Flüssigkeiten) wird mit c‘
bezeichnet, für die Erläuterung der weiteren Variablen siehe obigen Absatz.
13
Die Schneedecke
τ SFa =τ F + τ V + τ C ' = tan ϕ r
FN ⎛ η s η w ⎞
+ ⎜ + ⎟ v + c'
B ⎝ d' d ⎠
2-11
2.2 Verformung der Schneedecke
Bei einer Schneedecke auf einem ebenen Untergrund wird aufgrund ihres
Eigengewichtes die Schneehöhe mit der Zeit abnehmen. Die Abnahme der Schneehöhe
erfolgt durch die Verringerung des Luftanteils zwischen den Schneekörnern, diesen
Vorgang nennt man Setzen [McClung und Schaerer, 2006]. Im Laufe der Zeit senkt sich
die gesamte Schneedecke auf einem horizontalen Untergrund von S zu S‘
(Abbildung 8).
Schneeoberfäche
S
S’
Untergrund
Abbildung 8: Setzung der Schneedecke auf horizontalem Untergrund
Bei der Verformung der Schneedecke spielt die Luft- und Schneetemperatur eine
entscheidende Rolle, denn kalter Schnee setzt sich langsamer als warmer. Die
Geschwindigkeit der Setzung liegt je nach Schneeart zwischen 1 cmd-1 und maximal
30 cmd-1 [Hopf, 2000]. Mit zunehmender Dichte des Schnees verlangsamt sich der
Vorgang der Setzung, da der Luftanteil im Schnee immer geringer wird. Gegen Ende
des Winters liegt die Setzungsrate von dichtem Schnee nur mehr bei ca. 0,01 mmd-1
[McClung und Schaerer, 2006].
Bei der Verformung der geneigten Schneedecke werden zwei Bewegungsarten
unterschieden, zum Einen das Kriechen und zum Anderen das Gleiten.
Die Schneedecke
14
Kriechen im geneigten Hang entspricht dem Setzen der Schneedecke auf ebenem
Untergrund, durch die Neigung des Untergrundes kommt es beim Kriechen nicht nur zu
einer Abnahme der Schneehöhe, sondern auch zu einer hangabwärts gerichteten
Bewegung der Schneedecke [in der Gand, 1954, 1968; McClung, 1980]. Die
Kriechbewegung setzt sich aus einer senkrechten Bewegung Ks und einer
hangparallelen Bewegung Kp zusammen (Abbildung 9). Somit wandert ein
Schneekristall infolge der Kriechbewegung im Laufe der Zeit von dem Punkt K zu dem
Punkt K‘. Der Winkel zwischen der hangparallelen Komponente der Kriechbewegung
und dem Vektor der Kriechbewegung selbst, der Kriechwinkel α, nimmt von der
Oberfläche zum Boden hin ab. Die Kriechgeschwindigkeit beträgt einige Millimeter bis
zu einigen Zentimetern pro Tag [in der Gand, 1968].
Als Gleiten hingegen wird jener Prozess bezeichnet, bei welchem sich die Schneedecke
als Gesamtes hangabwärts bewegt. Mit fortschreitender Zeit gleitet die gesamte
Schneedecke auf dem Untergrund hangparallel von Punk G zu dem Punkt G‘
(Abbildung 9). Die Geschwindigkeiten der oft lange anhaltenden Gleitbewegungen
können, je nach Hangneigung, Bodenbeschaffenheit und den Witterungsverhältnissen,
zwischen einigen Millimetern und Metern pro Tag schwanken [in der Gand, 1968].
In der Gand und Zupaničič [1966] stellten fest, dass das Vorhandensein einer dünnen
Schicht feuchten Schnees im untersten Bereich der Schneedecke, dabei reichen bereits
einige Millimeter aus, Voraussetzung für das Gleiten ist.
Im Folgenden wird diese stark durchfeuchtete Grenzschicht zwischen Schneedecke und
Erdboden als Gleitschicht bezeichnet. Mit einer trockenen Grenzschicht zwischen
Schneedecke und Untergrund (Temperatur unter 0 °C) gibt es kein Gleiten der
Schneedecke, auch nicht auf einem Grasboden. Je glatter der Untergrund ist bzw. je
besser die Gleitschicht zwischen Schneedecke und Boden ausgebildet ist, desto höher
ist die Gleitgeschwindigkeit [in der Gand, 1954, 1968; McClung, 1980]. Im Hochwinter
entsteht diese Nassschneegrenzschicht hauptsächlich durch Schmelzprozesse an der
Schneedeckenunterseite. Dieses Abschmelzen an der Basis der Schneedecke kann
während des gesamten Winters anhalten und den Abbau beachtlicher Schneemengen
bewirken [in der Gand, 1968]. Aber auch Schmelzwasser, das von der
Schneeoberfläche durchsickert oder als Regen eindringt, vor allem im Herbst und
Frühling, kann zur Ausbildung einer Gleitschicht führen. Kojima und Motoyama [1985]
fanden heraus, dass das Schmelzen der Schneedecke im Winter an ihrer Unterseite,
15
Die Schneedecke
verglichen mit dem Schmelzen im Frühling an der Oberfläche, verschwindend gering
ist. Des Weiteren beobachteten Kojima und Motoyama [1985], dass das Schmelzwasser,
welches durch Schmelzen an der Schneeoberfläche gebildet wird, in der Regel im
Hochwinter nicht bis zum Boden durchsickern kann.
e
fläch
ober
ee
Schn
Σ
D
G
Σ’
K G’
K’
d’
Kp
Ks
α
Untergrund
Abbildung 9: Kriechen, Gleiten und die Summe der beiden Bewegungen im geneigten Hang
Die Verformung der Schneedecke im geneigten Hang setzt sich meist aus dem Kriechen
und dem Gleiten zusammen, sofern die Schneedecke nicht fest mit dem Untergrund
verbunden oder verankert ist und somit das Gleiten verhindert wird. Addiert man diese
beiden Bewegungen, erhält man die Gesamtverformung der Schneedecke im geneigten
Hang. Abbildung 9 zeigt die Summe aus der Kriechbewegung und der Gleitbewegung,
das heißt ein Schneekristall im geneigten Hang bewegt sich über einen bestimmten
Zeitraum von Punkt Σ zu Punkt Σ‘. D bezeichnet in dieser Abbildung die Schneedicke
und d‘ die Stagnationstiefe.
3
Lawinen
Die Endlosigkeit des wissenschaftlichen Ringens sorgt unablässig
dafür, dass dem forschenden Menschengeist seine beiden edelsten
Antriebe erhalten bleiben und immer wieder von neuem angefacht
werden: die Begeisterung und die Ehrfurcht.
Max Planck
3.1 Lawinen allgemein
Definition nach Hanausek [2000]: Unter einer Lawine sind Schneemassen zu verstehen,
die bei raschem Absturz auf steilen Hängen, in Gräben u. ä. infolge der
Bewegungsenergie oder der von ihnen verursachten Luftdruckwelle oder durch ihre
Ablagerungen Gefahren oder Schäden verursachen können. Ein Gemisch von mehr oder
weniger Luft mit vorwiegend körnigen Schneeteilchen rutscht, fließt, kollert und stiebt
bzw. fällt frei zu Tal und erreicht durch das Zusammenspiel von Masse und
Geschwindigkeit seine Zerstörungskraft. Als Lawine bezeichnet man den gesamten
Bewegungsvorgang, beginnend mit dem Anbruch des abgelagerten Schnees im
Anbruchgebiet. Durch die vorgegebene Geländeform bestimmt, bewegt sich der Schnee
in der Sturzbahn zu Tal, in der im Allgemeinen kein Lawinenschnee liegen bleibt. Erst
wenn die Sturzbahn auf längerer Strecke ausreichend flach (20° bis 10°) wird, spricht
man von der Auslaufstrecke der Lawine. Hier verringert sich die Bewegung bis zum
Stillstand und der Lawinenschnee bleibt im Ablagerungsgebiet liegen.
Grundsätzlich wird zwischen zwei Arten von Lawinen unterschieden, den
Lockerschneelawinen und den Schneebrettlawinen [McClung und Schaerer, 2006].
Lockerschneelawinen entwickeln sich von einem Punkt an der Schneeoberfläche und
werden im Laufe der Bewegung breiter und tiefer (dreiecksförmiger Anriss,
Abbildung 10). Bei einer Schneebrettlawine hingegen gleitet eine flächige Schneetafel
ab, dabei entsteht ein zur Hangneigung rechtwinkeliger oberer Anriss (linienförmiger
Anriss, Abbildung 10). Im weiteren Verlauf dieser Arbeit werden Gleitschneeereignisse
(Gleitschneelawinen und Gleitrisse) genauer untersucht, dabei handelt es sich um eine
Sonderform der Schneebrettlawinen.
17
Lawinen
Anriss
Lockerschneelawine
Schneebrettlawine
Abbildung 10: Anrissform von Lockerschnee- und Schneebrettlawinen
3.2 Gleitrisse und Gleitschneelawinen
Gleitrisse in der Schneedecke entstehen durch hohe und vor allem unterschiedliche
Gleitgeschwindigkeiten in der Falllinie eines Hanges [Hopf, 2000]. Dadurch wird die
Schneedecke gedehnt bzw. gestaucht und sobald die Zug- oder Druckfestigkeit
überschritten wird, kommt es zum Zug- bzw. Druckbruch (Kapitel 2.1.1) und die
Schneedecke reißt bis zum Boden auf (Abbildung 11) [in der Gand, 1954]. Die Flanken
des Anrisses stehen dabei normal auf den Boden und der Verlauf der Risse folgt meist
den Höhenschichtlinien des Hanges, dieser kann aber auch sichelförmig mit hängenden
Enden sein [Lackinger, 1990, 1988]. Die Gleitgeschwindigkeit steigt mit zunehmender
Hangneigung und zunehmendem Gewicht der Schneedecke an, daher entstehen
Gleitrisse meist an konvexen Geländeübergängen, also im sogenannten Zugbereich
(Abbildung 3) [in der Gand, 1954; in der Gand und Zupaničič, 1966;
McClung und Schaerer, 2006]. Solche Zugbereiche in der Schneedecke können aber
auch in Gebieten mit unterschiedlicher Bodenreibung (z. B. am Übergang von Geröllzu Grasboden) auftreten.
Unter einer Gleitschneelawine versteht man eine Schneebrettlawine (Abbildung 10), die
aufgrund ihrer Gleitfläche (Bodenoberfläche) als Bodenlawine zu klassifizieren ist
[ICSI-UNESCO, 1981]. Das heißt, dass bei einer Gleitschneelawine die gesamte
Schneedecke auf dem Untergrund abrutscht (Abbildung 11). In fast allen Fällen sind
Gleitschneelawinen als Nassschneelawinen einzustufen, da der Lawinenschnee meist
stark durchfeuchtet ist [ICSI-UNESCO, 1981]. Diese Art von Lawine ist eine Folge des
Lawinen
18
Schneegleitens auf dem Untergrund und tritt bevorzugt auf Hängen mit glattem
Untergrund, wie z.B. langhalmigem Gras oder glatten Felsplatten auf.
Bei unterschiedlichen Gleitraten der Schneedecke in einem Hang treten zuerst Gleitrisse
auf. Gleitschneelawinen können sich entweder unmittelbar mit dem Entstehen von
Gleitrissen lösen oder Stunden bis Tage später, wenn sich die Gleitspalten verbreitert
und verlängert haben [in der Gand und Zupaničič, 1966; Lackinger, 1990, 1988].
Flüssiges Wasser in der Schneedecke und vor allem in der Gleitschicht zwischen
Schneedecke und Erdboden spielt bei der Entstehung von Gleitrissen und
Gleitschneelawinen eine entscheidende Rolle [Lackinger, 1990, 1988; McClung, 1980;
Salm, 1982a; Tremper, 2008].
s
itris
Gle
e
win
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n
h
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Gle
e
eck
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n
Sch
t
hich
itsc
Gle
Untergrund
Abbildung 11: Schematische Darstellung einer Gleitschneelawine
Abbildung 12 zeigt die schematische Darstellung des Anbruchgebietes einer
Gleitschneelawine
und
die
Bezeichnungen
ihrer
Begrenzungsflächen.
Eine
Gleitschneelawine ist im Prinzip eine Schneebrettlawine, deren Gleitfläche sich direkt
am Boden befindet (Abbildung 12). Durch den Zugbruch (Kapitel 2.1.1) entsteht die
Anrissstirn im oberen Bereich des Anbruchgebietes, welche senkrecht zur Oberfläche
verläuft (Abbildung 12). Infolge des Druckbruches (Kapitel 2.1.2) bildet sich im unteren
Bereich des Anbruchgebietes der Stauchwall aus, die seitlichen Flanken entstehen
aufgrund von Zug- bzw. Scherbruch (Kapitel 2.1.1, Kapitel 2.1.3, Abbildung 12).
19
Lawinen
ke
lan
F
he
tlic
sei
An
riss
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ll
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c
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seitlich
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nee
An
Sch
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n
stir
Sta
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eck
ed
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uch
Gle
wal
l
Sc
Untergrund
Abbildung 12: Wichtige Bezeichnungen im Anbruchgebiet einer Gleitschneelawine (Draufsicht
und Seitenansicht)
Gleitrisse und Gleitschneelawinen treten bevorzugt in den Zugbereichen von Hängen
mit Expositionen von SE bis SW und einer Hangneigung zwischen 30° und 38° auf. In
der Gand und Zupaničič [1966] geben als bevorzugte Neigung 34° an. Des Weiteren
wurde beobachtet, dass sie immer wieder an denselben Orten mit fast identischen
Begrenzungen auftreten [in der Gand und Zupaničič, 1966; Lackinger, 1990, 1988].
Nicht in allen Risszonen entstehen aber Gleitschneelawinen, da die bestimmenden
Faktoren zwar für Risse, nicht aber für Lawinen ausreichen. [Lackinger, 1990, 1988].
Außerdem beobachtete Lackinger [1990, 1988], dass beim Auftreten von Gleitrissen
und Gleitschneelawinen die gesamte Schneedecke eine Temperatur von 0 °C aufweist.
Wenn das Einschneien in einem Winter sehr spät erfolgt und/oder die Schneehöhe in
diesem Winter unterdurchschnittlich ist, können Gleitrisse und Gleitschneelawinen in
diesem Winter aufgrund der niedrigeren Bodentemperaturen und der dadurch fehlenden
Gleitschicht ausbleiben [in der Gand, 1954; Höller, 2001; Lackinger, 1990, 1988].
Grundsätzlich können Gleitrisse und Gleitschneelawinen in jedem Monat des Winters
und zu jeder Tageszeit auftreten. Es fällt aber auf, dass der Abgang oftmals abends oder
in der Nacht erfolgt. Lackinger [1990, 1988] nennt zwei verschiedene Arten von
Bruchabläufen bei Gleitschneelawinen:
Lawinen
20
a) An der späteren Anrissstirn (Abbildung 12) der Lawine entstehen zunächst
Gleitrisse und im Druckbereich kommt es zu Aufschiebungen und Falten (nicht
immer). Durch einen Scherbruch (Kapitel 2.1.3) in der Gleitfläche kommt es
schließlich zum Lawinenabbruch. In diesem Fall ist ein Stauchwall als Folge des
Druckbruches (Kapitel 2.1.2) vorhanden.
b) Gleitrisse öffnen sich an der unteren Begrenzung der späteren Lawine
(Stauchwall, Abbildung 12). An der späteren Anrissstirn der Lawine entstehen
Gleitrisse (nicht immer). Der Scherbruch (Kapitel 2.1.3) in der Gleitfläche,
welcher zum Lawinenabgang führt, tritt oberhalb der erstgenannten Risse ein.
Ein Stauchwall ist in diesem Fall nicht, oder nur schwach ausgeprägt,
vorhanden.
In beiden Szenarien fällt zumindest ein Teil der rückhaltenden Längskräfte (Zug- und
Druckkräfte)
durch
Aufreißen
der
Schneedecke
weg.
Wenn
durch
Spannungsumlagerung keine neuen Stützkräfte aktiviert werden, kommt es zum
Lawinenabgang. Als Ursache für die Bruchauslösung beim Entstehen von
Gleitrissen
bzw.
Gleitschneelawinen
kommen
zwei
Szenarien
in
Frage
[in der Gand und Zupaničič, 1966]:
Zum Einen eine Zunahme der Belastung durch Regen oder Schneefall und zum
Anderen eine Verminderung der Scherfestigkeit (Kapitel 2.1.3) in der Gleitschicht.
Lackinger [1990, 1988] lässt der Bruchauslösung durch Zunahme der Belastung im
Gegensatz zu in der Gand und Zupaničič [1966] nur eine geringe Bedeutung
zukommen. In der Bruchauslösung durch die Verminderung der Scherfestigkeit in der
Gleitschicht hingegen sieht er die Hauptursache für die Entstehung von Gleitrissen bzw.
Gleitschneelawinen.
Durch die vorherrschenden Temperaturverhältnisse werden Verformbarkeit, Festigkeit
und Wassergehalt des Schnees beinflusst. Der Wassergehalt der Schneedecke steuert die
Dicke der Gleitschicht und deren Viskosität, aber auch die Ablösung der
Schneeunterseite vom Boden und damit den Gleitmechanismus.
Nimmt die Dicke der Gleitschicht zu, so nimmt die Scherfestigkeit infolge der
Flüssigkeitsreibung ab (Kapitel 2.1.3). Durch den Gleitvorgang können sich aber auch
die Rauigkeitsverhältnisse (z.B. Glättung des Bodens durch Hobeleffekt oder Änderung
der Kontakfläche Schneedecke - Erdboden durch Bildung von Hohlräumen) und die
Verzahnungsverhältnisse (z.B. Ausreißen von Pflanzen) in der Grenzschicht zwischen
21
Lawinen
Schneedecke und Erdboden ändern [in der Gand, 1954; Höller et al., 2009]. Die
veränderten Rauigkeitsverhältnisse ändern in diesem Fall die Scherfestigkeit aufgrund
der Trockenreibung (Kapitel 2.1.3). Um das Kräftegleichgewicht bei einer Abnahme der
Scherfestigkeit infolge der Trockenreibung aufrecht zu erhalten, muss die
Scherfestigkeit infolge der Flüssigkeitsreibung zunehmen, dies geschieht durch eine
Erhöhung
der
Gleitgeschwindigkeit
[in
der
Gand
und
Zupaničič,
1966;
Lackinger, 1990, 1988]. Laut in der Gand und Zupaničič [1966] ist dies nur bis zu einer
gewissen Grenze möglich, sodass sie eine kritische Gleitgeschwindigkeit als Anzeichen
für einen bevorstehenden Lawinenabgang vermuten.
Als Ursache für Lawinenabgänge am Abend oder in der Nacht bzw. an kalten Tagen
nach vorangegangener Wärmeperiode, also nach dem Höhepunkt der Einstrahlung bzw.
der Lufttemperatur und damit dem Höhepunkt der Schmelzwasserproduktion, nennt
Lackinger [1990, 1988] drei mögliche Ursachen:
-
Zum Einen können Gefriervorgänge an der Schneeoberfläche und an den
Flanken der Gleitrisse durch thermische Längenänderung den Spannungszustand
in der Schneedecke ändern und so können die Festigkeiten überschritten werden.
McClung und Schaerer [2006] nennen diese Möglichkeit ebenfalls, halten sie
aber eher für einen Ausnahmefall der Gleitschneelawinenauslösung.
-
Des Weiteren wäre es möglich, dass sich das von oben abfließende
Schmelzwasser an den am Boden angefrorenen Rissflanken staut und so eine
dickere Gleitschicht erzeugt wird. Wenn die Dicke der Gleitschicht zunimmt,
nimmt die Reibung und damit die Scherfestigkeit ab (Kapitel 2.1.3).
McClung [1980] beschreibt ebenfalls einen Wasserstau zwischen Schnee und
Boden als möglichen Auslösemechanismus für Gleitschneelawinen.
-
Die dritte Möglichkeit besteht darin, dass der Reibungswiderstand zwischen
Schnee und Boden durch das Abkühlen des Nassschnees stark abnimmt.
Dadurch kommt es ebenfalls zur einer Verringerung der Scherfestigkeit,
allerdings im Gegensatz zur zweiten Anrissursache über die Verringerung der
Trockenreibung (Kapitel 2.1.3).
Regen hat ähnliche Auswirkungen auf das Gleitverhalten der Schneedecke wie
Wärmeperioden. Zusätzlich können sich die oben genannten Effekte überlagern, sodass
mehrere Ursachen für den Lawinenabgang verantwortlich sind.
4
Das Versuchsfeld Schmittenhöhe
Erfahrung ist der Anfang aller Kunst und jedes Wissens.
Aristoteles (384-322)
Die Schmittenhöhe liegt im Bundesland Salzburg, ca. 5 km westlich von Zell am See
(Abbildung 13). In den drei Wintern 2002/03, 2003/04 und 2004/05 wurde auf einem
Versuchsfeld auf der Schmittenhöhe im Rahmen des Snowgripper-Projektes
verschiedene meteorologische und schneephysikalische Messungen vom BFW
(Bundesforschungs- und Ausbildungszentrum für Wald, Naturgefahren und Landschaft)
durchgeführt [Fromm et al., 2004; Rainer et al., 2005]. Des Weiteren wurde das
Auftreten von Gleitrissen bzw. der Abgang von Gleitschneelawinen in diesem Gebiet
genau dokumentiert.
Ein Snowgripper ist ein Lawinenschutzsystem. Die aus Aluminium gefertigten
Dreibeine werden im Boden verankert und sollen das Gleiten der Schneedecke
verringern und im Speziellen das Entstehen von Gleitschneelawinen verhindern
[Fromm et al., 2004]. Das Snowgripper-Projekt auf der Schmittenhöhe beschäftigte sich
mit
der
Wirkungsweise
und
der
Effektivität
des
Schneegleitschutzsystems
[Rainer et al., 2005]. Darauf aufbauend konzentriert sich diese Arbeit auf die bei dem
Entstehen von Gleitrissen bzw. bei dem Abgang von Gleitschneelawinen stattfindenden
Prozesse im System Schneedecke - Erdboden.
Die ZAMG (Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik, Regionalstelle Salzburg)
und der LWD (Salzburger Lawinenwarndienst) betreiben ebenfalls zwei Messstationen
auf der Schmittenhöhe (Abbildung 14). Eine etwa 70 Höhenmeter oberhalb des
Versuchsfeldes bei der Station der Schmittenhöhenbahn (A) und eine zweite etwas
weiter südöstlich auf einem Rücken (B).
23
Abbildung 13: Lage der Schmittenhöhe [Google, 2009]
Das Versuchsfeld befand sich nördlich der Schmittenhöhenbahn, ca. 70 m unterhalb des
Gipfels auf einem nach SE exponierten Hang, auf 47° 33‘ nördlicher Breite, in einer
Höhe von 1903 m über dem Meeresspiegel (Abbildung 14 und Abbildung 15). Die
durchschnittliche Hangneigung im Versuchsfeld beträgt 32°, die steilsten Stellen haben
eine Neigung von bis zu 40°.
Die Vegetation im Versuchsfeld wird von der rostroten Alpenrose dominiert, wobei
Heidelbeeren-, Preiselbeeren- und Rauschbeerensträucher in unterschiedlichem Maße
beigemengt sind (Abbildung 16) [Fromm et al., 2004]. An wasserzügigen Streifen
gedeihen Grünerlen und an den flachgründigeren Standorten wird die Alpenrosenheide
durch Reitgrasflure ersetzt. Am südlichen Rand des Versuchsfeldes befindet sich eine
wasserführende Rinne, wodurch die Bodenfeuchte in diesem Bereich erhöht wird
(Abbildung 16) [Fromm et al., 2004].
Abbildung 14: Lage des Versuchsfeldes und der Messstationen der ZAMG bzw. des LWD (A, B)
[Google, 2009]
24
Abbildung 15: Foto des Versuchsfeldes ohne Snowgripper, April 2009 [Foto: Dobesberger]
Auf dem Versuchsfeld Schmittenhöhe wurden vor dem ersten Versuchswinter
(2002/03) auf einer Fläche von rund 2 ha ca. 800 Snowgripper durch eine am Projekt
beteiligte Firma aufgestellt (Abbildung 16) [Fromm et al., 2004]. Aufgrund der geringen
Schneemenge im Winter 2002/03 und des damit verbundenen Ausbleibens von
Gleitrissen und Gleitschneelawinen, entschied sich das Projektteam ca. 150 der 800
Snowgripper
im
südlichen,
unteren
Teil
des
Versuchsfeldes
zu
entfernen
(Abbildung 16). Dadurch wurde eine für Gleitrisse und Gleitschneelawinen
prädestinierte, unverbaute Fläche geschaffen, welche einen guten Vergleich zum
verbauten Versuchsfeld bot [Fromm et al., 2004].
Abbildung 16: Fotos des Versuchsfeldes mit Snowgrippern, Februar 2003 (links) und
September 2003 (rechts) mit demontierten Snowgrippern im südlichen, unteren Bereich
[Fotos: BFW]
5
Das SHAW-Modell
Aufgabe der Naturwissenschaft ist es nicht nur die Erfahrung zu
erweitern, sondern in diese Erfahrung eine Ordnung zu bringen.
Niels Bohr (1885-1962)
Das SHAW-Modell (Simultaneous Heat and Water-Model) wurde von Flerchinger
[2000b, 2000a] entwickelt um das Gefrieren und Tauen des Erdbodens, sowie den
Transport von Wärme, Wasser und gelösten Stoffen in einem eindimensionalen Profil
zu simulieren. Dabei werden ebenfalls die Effekte von Pflanzenüberresten, einer
Pflanzendecke und einer Schneedecke berücksichtigt.
Das SHAW-Modell ist der Gruppe der SVAT-Modelle (Soil Vegetation Atmosphere
Transport) zuzuordnen und wurde im Laufe mehrerer Versuchskampagnen ausgiebig
erprobt [Flerchinger et al., 2005; Xiao et al., 2006]. Karner [2009] testete im Rahmen
seiner Diplomarbeit das Modell ebenfalls erfolgreich in Bezug auf die Prozesse
innerhalb der Schneedecke und im winterlichen Erdboden. Da das SHAW-Modell
sowohl die Prozesse innerhalb der Schneedecke als auch jene innerhalb des Erdbodens
simuliert und dies bereits erfolgreich erprobt wurde, kam das Modell für die Simulation
in dieser Arbeit zur Anwendung.
Das SHAW-Modell simuliert die winterliche Schneedecke mit verschiedenen
Schichten, welche sich durch Temperatur, Wasserpotenzial und Dichte unterscheiden.
Ebenso werden der Wassertransport und die Gefrier- und Tauprozesse im
darunterliegenden Boden bestimmt und die jeweiligen Temperaturen und Feuchtewerte
aller Bodenschichten ausgegeben. Transporte in der Schneedecke und im Erdboden
werden gleichzeitig mit der Energie- und Massenbilanz berechnet, welche den solaren
und langwelligen Strahlungsaustausch, die Evaporation und den sensiblen und latenten
Wärmetransport beinhalten. Im Weiteren soll ein kurzer Überblick über die Ein- und
Ausgabedateien sowie über die für diese Arbeit wichtigsten Gleichungen und
Parametrisierungen im SHAW-Modell gegeben werden. Für weitere Informationen zu
dem Modell wird auf die ausführliche Dokumentation des SHAW-Modells
[Flerchinger, 2000a], das Benutzerhandbuch zum SHAW-Modell [Flerchinger, 2000b]
und die Diplomarbeit von Karner [2009] an der Universität Innsbruck verwiesen.
27
Das SHAW-Modell
5.1 Ein- und Ausgabedateien
Für die angestrebten Berechnungen benötigt das Modell die Eingabe genereller
Informationen über den Standort, die Schneedecke (falls bei Simulationsbeginn
vorhanden), den Erdboden und die Schicht aus Pflanzenüberresten, eine Liste der Einund Ausgabedateien, mindestens zwei Bodentemperatur- und Bodenfeuchteprofile
(zu Beginn und am Ende der Simulation), sowie kontinuierliche Wetterdaten über den
gesamten Berechnungszeitraum (Anhang A).
Als
meteorologische
Eingangsdaten
benötigt
das
SHAW-Modell
die
Lufttemperatur [°C], die Windgeschwindigkeit [mph], die relative Feuchte [%], die
Niederschlagsumme [in] sowie die Globalstrahlung [Wm2]. Zusätzlich kann bei den
Eingabedateien zwischen stündlichen und täglichen Wetterdaten gewählt werden.
Welche Berechnungen das Modell durchführen soll bzw. welche Daten schlussendlich
ausgegeben werden und in welcher zeitlichen Auflösung die Ausgabe erfolgen soll,
wird in den Eingabedateien festgelegt. Bei den vorgenommenen Einstellungen erstellt
das Modell eine Reihe von Ausgabedateien (out.out, energy.out, frost.out, water.out,
temp.out und moist.out) in einem vorbestimmten Format (Anhang A). Die Ausgabe
dieser Daten erfolgt, mit Ausnahme der Datei frost.out, stündlich. Um die simulierte
Schneehöhe mit der gemessenen besser vergleichen zu können, wird der Datei frost.out
und damit auch der simulierte Schneehöhe ein tägliches Ausgabeintervall zugeordnet.
Zudem wurde, um die Schneedeckendaten leichter mit MATLAB einlesen zu können,
eine zusätzliche Ausgabedatei (snow.out) erstellt (Anhang A).
5.2 Gleichungen und Parametrisierungen
Die folgenden Gleichungen und Parametrisierungen, welche im SHAW-Modell zur
Anwendung kommen, stammen alle aus der Dokumentation des SHAW-Modells nach
Flerchinger [2000a]. Als Ausgangspunkt bzw. Randbedingung für das Modell dienen
die oben genannten meteorologischen Eingangsdaten, sowie die Bodenfeuchte- und
Bodentemperaturprofile.
Das SHAW-Modell
28
5.2.1 Energiebilanz
Die dem Modell zugrundeliegende allgemeine Gleichung der Energiebilanz
(Gleichung 5-1) wird wie folgt geschrieben:
Rn + H + E + G = 0
5-1
Abbildung 17: Komponenten der allgemeinen Energiebilanz im SHAW-Modell; Flüsse in
Pfeilrichtung sind positiv
Rn steht dabei für die Netto-Strahlungsbilanz [Wm-2], H für den sensiblen
Wärmestrom [Wm-2], E für den latenten Wärmestrom [Wm-2] und G für den
Bodenwärmestrom [Wm-2]. Abbildung 17 zeigt die einzelnen Komponenten der
allgemeinen Energiebilanz im SHAW-Modell, wobei die meteorologisch übliche
Vorzeichenkonvention zur Anwendung kommt.
Die Netto-Strahlungsbilanz Rn bezeichnet die Summen aller Strahlungskomponenten,
folglich ist damit die Summe der kurzwelligen sowie der langwelligen Ein- und
Ausstrahlung gemeint. Abbildung 18 zeigt die einzelnen Strahlungskomponenten, wobei
wiederum die meteorologisch übliche Vorzeichenkonvention zur Anwendung kommt. Si
und So bezeichnen die kurzwellige Ein- bzw. Ausstrahlung, Li und Lo stehen für die
langwellige Ein- bzw. Ausstrahlung.
Abbildung 18: Komponenten der Netto-Strahlungsbilanz im SHAW-Modell; Flüsse in
Pfeilrichtung sind positiv
Die kurzwellige Einstrahlung Si [Wm-2] (Globalstrahlung) ist eine der meteorologischen
Eingangsdaten, diese wird im SHAW-Modell in eine direkte und eine diffuse
Komponente aufgeteilt. Entsprechend der Hangneigung, Exposition, Jahreszeit und
29
Das SHAW-Modell
Uhrzeit wird die direkte Komponente der Globalstrahlung für die Gegebenheiten des
Versuchsgebietes berechnet.
Um die kurzwellige Ausstrahlung So [Wm-2] (reflektierter Teil der kurzwelligen
Einstrahlung) zu ermitteln, ist es unumgänglich die Albedo der Oberfläche zu kennen.
Da diese keine Eingangsgröße ist, wird die Albedo der jeweiligen Oberflächen im
SHAW-Modell parametrisiert. Die Albedo einer Schneeoberfläche αsp [1] wird im
Modell laut Gleichung 5-2 berechnet.
α sp = 1 − 0,206 Cv d s1 2
5-2
Cv ist dabei eine Konstante mit dem Wert 1,77 und ds bezeichnet die Korngröße der
Schneekörner in der obersten Schicht [mm]. Diese Korngröße der Schneekörner in der
obersten Schicht wird im SHAW-Modell laut Gleichung 5-3 berechnet.
2
⎛ρ ⎞
⎛ρ ⎞
d s = G1 + G2 ⎜⎜ sp ⎟⎟ + G3 ⎜⎜ sp ⎟⎟
⎝ ρl ⎠
⎝ ρl ⎠
4
5-3
G1, G2 und G3 sind dabei Korngrößenkoeffizienten mit den standardmäßigen Werten
0,16, 0,0 und 110. ρsp steht für die Dichte der obersten Schneeschicht [kgm-3] und ρl für
die Dichte von Wasser [1000 kgm-3]. Aus den beiden obigen Gleichungen ist
ersichtlich, dass die Albedo der Schneeoberfläche unabhängig vom Sonnenstand ist.
Liegt die Schneehöhe unter vier Zentimetern, wird die Albedo des Bodens in die
Berechnung miteinbezogen und αsp dementsprechend angepasst. Die Albedo für den
Erdboden αs [1] wird im SHAW-Modell laut Gleichung 5-4 parametrisiert.
α s = α d exp[− aαθ l ]
5-4
αd entspricht in dieser Gleichung der Albedo des trockenen Bodens [1], aα ist der
Koeffizient zur Berechnung der Albedo des feuchten Bodens [1] und θl steht für den
volumetrischen Wassergehalt der Erdbodenoberfläche [m3m-3]. αd und aα sind fixe
Parameter, die in den Eingabedateien festgelegt werden.
Die langwellige Einstrahlung Li [Wm-2] (atmosphärischen Gegenstrahlung) und die
langwellige
Ausstrahlung
Lo
[Wm-2]
werden
im
SHAW-Modell
laut
dem
Stefan-Bolzmann Gesetz berechnet. Der sensible sowie der latente Wärmstrom H bzw.
E [Wm-2] werden mittels des sogenannten Widerstandsansatzes nach Campell
Das SHAW-Modell
30
parametrisiert. Der Bodenwärmestrom G [Wm-2] wird als Restterm der Energiebilanz
bestimmt.
5.2.2 Energiebilanz der Schneedecke
Die Energiebilanz für jede einzelne Schneeschicht (Gleichung 5-5) kann wie folgt
geschrieben werden:
∂wsp
∂ ⎛ ∂T ⎞ ∂Rn
∂T
⎛ ∂q ∂ρ ⎞
− Ls ⎜ v + v ⎟
+ ρl L f
= ⎜ k sp
⎟+
t3⎠
t 1424
t
∂z24∂4
∂z 1⎝44
∂z 42
∂z ⎠ {
∂3
∂3
⎝ 43
1
424
1
ρ sp ci
A
B
C
D
5-5
E
Die einzelnen Terme in der obigen Gleichung stehen dabei für die verschiedenen
Prozesse, welche den spezifischen Energieinhalt [Wm-3] jeder einzelnen Schneeschicht
ändern können. Der erste Term auf der linken Seite der Gleichung 5-5 steht für die
Änderung der spezifischen Energie infolge einer Temperaturänderung (A), der zweite
Term für einen Energieänderung infolge eines Phasenwechsels (Schmelzen bzw.
Gefrieren) innerhalb der Schneeschicht (B), wobei Schmelzen durch ein positives
Vorzeichen gekennzeichnet ist. Die Terme auf der rechten Seite der Gleichung 5-5
stehen für die Änderungen des spezifischen Energieinhaltes durch die Wärmeleitung
zwischen
zwei
benachbarten
Schichten
(C),
aufgrund
der
Absorption
von
Strahlungsenergie (D) und der Energieänderung zufolge von Sublimation (E).
ci steht dabei für die spezifische Wärmekapazität von Eis [Jkg-1C-1], Lf und Ls
bezeichnen die latente Wärme beim Schmelz- bzw. Sublimationsvorgang [Jkg-1]. Mit wsp
wird der volumetrische Wassergehalt der Schneeschicht [m3m-3] beziffert und ksp steht
für die Wärmeleitfähigkeit von Schnee [Wm-1C-1]. Der Wasserdampffluss [kgs-1m-2] und
die Wasserdampfdichte [kgm-3] innerhalb der Schneedecke werden mit qv bzw. ρv
bezeichnet. Für die Bezeichnungen aller anderen Variablen siehe voriges Kapitel.
Bei Schneetemperaturen unter 0 °C wirkt sich die Absorption von Energie direkt in
einer Erhöhung der Schneetemperatur aus. Bei diesem Prozess (Gleichung 5-5, A) ist
die spezifische Wärmekapazität der Schneedecke ein entscheidender Faktor. Die
spezifische Wärmekapazität von Eis [Jkg-1C-1] wird im SHAW-Modell laut
Gleichung 5-6 berechnet.
31
Das SHAW-Modell
ci = 92,96 + 7,37 TK
5-6
TK steht in der obigen Gleichung für die Schneetemperatur [K], die beiden Zahlenwerte
sind empirisch bestimmte Faktoren.
Bei einer Schneetemperatur von 0 °C wirkt sich einen Energiezufuhr unmittelbar im
Schmelzen von Eis aus (Gleichung 5-5, B).
Die Energieübertragung innerhalb der Schneedecke basiert primär auf der molekularen
Wärmeleitung zwischen den Eiskristallen (Gleichung 5-5, C). Die Wärmeleitfähigkeit
von Schnee [Wm-1C-1] wird im SHAW-Modell mittels Gleichung 5-7 parametrisiert.
⎛ρ ⎞
k sp = asp + bsp ⎜⎜ sp ⎟⎟
⎝ ρl ⎠
csp
5-7
asp, bsp und csp sind dabei empirisch bestimmte Faktoren mit den standardmäßigen
Werten 0,021 Wm-1C-1, 2,51 Wm-1C-1 und 2,0. Für die Bezeichnungen der anderen
Variablen siehe vorigen Abschnitt.
Da Schnee zu einem gewissen Teil lichtdurchlässig ist, wird auch dieser Effekt im
SHAW-Modell berücksichtigt (Gleichung 5-5, D). Der kurzwellige Strahlungsfluss in
einer gewissen Tiefe z Sz [Wm-2] berechnet sich demnach laut Gleichung 5-8.
S z = (S s + S d ) (1 − α sp )e −ν z
5-8
Ss und Sd bezeichnen in der obigen Gleichung den direkten bzw. diffusen Anteil der
kurzwelligen Strahlung [Wm-2]. Diese Aufspaltung ist notwendig, da deren
Transmissionskoeffizienten für das Medium Schnee unterschiedlich sind. ν steht für
Extinktionskoeffizienten der Schneedecke [cm-1], welcher im SHAW-Modell laut
Gleichung 5-9 berechnet wird.
⎛ ρ sp ⎞ −1 2
⎟⎟ d s
⎝ ρl ⎠
ν = 100 Cv ⎜⎜
5-9
Cv ist dabei eine Variable mit dem standardmäßigen Wert von 1,77 mm1/2cm-1, für die
Erläuterung der restlichen Variablen siehe obigen Abschnitt.
Der Transport von latenter Wärme aufgrund von Sublimation (Gleichung 5-5, E) ist
eine Folge des Wasserdampftransportes innerhalb der Schneedecke qv [kgm-2s-1],
Das SHAW-Modell
32
welcher durch Temperaturgradienten angetrieben wird. Da angenommen wird, dass
innerhalb
der
Schneedecke
gesättigte
Verhältnisse
vorherrschen,
ist
der
Wasserdampftransport nur eine Funktion der Temperatur und wird im SHAW-Modell
laut der Gleichung 5-10 beschrieben. Wärmere Schneeschichten haben eine höhere
Wasserdampfdichte, deshalb wird Wasserdampf zu den kälteren Schneeschichten
transportiert. Dort kommt es aufgrund von Übersättigung zu Resublimation, wodurch
latente Wärme freigesetzt wird.
qv = De
∂ρ v
∂z
5-10
Die vertikalen Gradienten der Wasserdampfdichte innerhalb der Schneedecke werden
durch
Diffusion
abgebaut.
De
bezeichnet
in
der
obigen
Gleichung
den
Diffusionskoeffizienten [m2s-1], für die Erläuterung der restlichen Variablen siehe obigen
Abschnitt.
5.2.3 Massenbilanz der Schneedecke
Dichte und Eisgehalt der einzelnen Schneeschichten werden während eines Zeitschrittes
als konstant angesehen, Änderungen im Flüssigwassergehalt und Wasserdampfgehalt
werden hingegen mittels der Energiebilanz neu berechnet. Am Ende jedes Zeitschrittes
werden die Schichtdicke und die Dichte infolge von Setzung, Schmelzen und
Verdichtung für jede Schicht neu berechnet. Der Flüssigwassertransport durch die
Schneedecke und auch der Abfluss aus der Schneedecke werden mit Hilfe von
Abschwächungskoeffizienten und Verzögerungskoeffizienten bestimmt.
Die Menge an flüssigem Wasser wsp,hold [m3m-3], welches durch die kapillare Wirkung
im Schnee gehalten werden kann, wird im SHAW-Modell mittels Gleichung 5-11
berechnet.
(
wsphold = wspmin + wspmax − wspmin
)ρ
e
− ρ sp
ρe
für ρ sp < ρ e
5-11
wsp,min und wsp,max bezeichnet in der obigen Gleichung den minimalen bzw. maximalen
Wert des Wassergehalt [m3m-3] in der jeweiligen Schneeschicht. ρe steht für die Dichte
des Schnees bei minimalem Wassergehalt [kgm-3]. Für die Bezeichnungen der anderen
Variablen siehe voriges Kapitel. Die Durchlässigkeit des Schnees in Bezug auf
33
Das SHAW-Modell
Flüssigwasser wird mit Hilfe der folgenden Gleichungen parametrisiert. Mittels
Gleichung 5-12 lässt sich der Maximalwert der zeitlichen Verzögerung Lw,max [h] für
eine Schneedecke mit bestimmter Dicke dsp [m] errechnen.
⎡
⎛
d ⎞⎤
Lwmax = CL1 ⎢1 − exp⎜ − 0,025 sp ⎟⎥
⎜
ρ sp ⎟⎠⎥⎦
⎢⎣
⎝
5-12
CL1 ist dabei der absolute Maximalwert und standardmäßig auf 10 h gesetzt. Laut
Gleichung 5-13 lässt sich die tatsächliche Verzögerung Lw berechnen, welche davon
abhängt, wie tief das Flüssigwasser in den Schnee eindringen kann.
Lw =
Lwmax
100 CL 2 Wx + 1
5-13
CL2 steht in der obigen Gleichung für einen empirisch ermittelten Faktor mit dem
standardmäßigen Wert 1,0 cm-1, Wx bezeichnet die Eindringtiefe des flüssigen
Wassers [m]. Nachdem die Durchlässigkeit des Schnees in Bezug auf Flüssigwasser mit
Hilfe der obigen Gleichungen zeitlich verzögert wird, kann mit Hilfe von
Gleichung 5-14 der Abfluss aus der Schneedecke Wo [m, Wasseräquivalent] ermittelt
werden.
Wo =
S sp + WL
⎡
ρ ⎤
1 + C L 3 exp ⎢CL 4 WL sp ⎥
ρ l d sp ⎦⎥
⎣⎢
5-14
Ssp bezeichnet hierbei das überschüssige Wasser in einer Schicht [m, Wasseräquivalent]
und WL das flüssige Wasser, welches zum vorigen Zeitpunkt aus der Schneedecke
ausgetreten ist [m, Wasseräquivalent]. CL3 und CL4 stehen für empirisch ermittelte
Konstanten mit den Werten 5,0 und 450. Die Einheit [m, Wasseräquivalent] steht dabei
für die Höhe einer Wassersäule in Meter über einer Fläche mit einem Quadratmeter. Für
die Bezeichnungen der restlichen Variablen siehe voriges Kapitel.
Die Setzung der einzelnen Schneeschichten bedingt durch die Last der darüber
liegenden Schichten wird im SHAW-Modell laut Gleichung 5-15 parametrisiert.
Das SHAW-Modell
34
ρ ⎞
⎛
1 ∂ρ sp
= C1 Wsp exp⎜⎜ 0,08 T − C2 sp ⎟⎟
ρ sp ∂t
ρl ⎠
⎝
5-15
Wsp steht in diesem Fall für das Gewicht der Schneeschichten, welche oberhalb der
betrachteten liegen, in der Einheit Zentimeter Wasseräquivalent. C1 und C2 stehen für
Setzungskonstanten mit den standardmäßigen Werten von 0,01 cmh-1 und 21,0.
Die Setzung infolge der Metamorphose der Schneekristalle wird im SHAW-Modell in
Abhängigkeit von der Schneedichte parametrisiert. Für den Fall, dass die Schneedichte
unter 150 kgm-3 liegt, wird die Setzung laut Gleichung 5-16 berechnet, für den Fall,
dass sie darüber liegt laut Gleichung 5-17.
1 ∂ρ sp
= C3 exp(C4 T )
ρ sp ∂t
für ρ sp < 150 kgm − 3
1 ∂ρ sp
= C3 exp(C4 T ) exp − 46 (ρ sp − 150)
ρ sp ∂t
[
]
für ρ sp > 150 kgm −3
5-16
5-17
Wobei C3 und C4 Setzungskonstanten mit den standardmäßigen Werten von 0,01 und
0,04 sind. Für die Bezeichnungen der übrigen Variablen siehe voriges Kapitel.
Das Vorhandensein von flüssigem Wasser innerhalb der Schneedecke beschleunigt den
Setzungsprozess. Im SHAW-Modell wird deshalb bei vorhandenem Flüssigwasser
innerhalb der Schneedecke die, laut den Gleichungen 5-16 bzw. 5-17, berechnete
Setzungsrate mit der Setzungskonstante C5 multipliziert. Diese Setzungskonstante hat
standardmäßig den Wert 2,0, das heißt, dass sich im Fall von flüssigem Wasser
innerhalb der Schneedecke die Setzungsrate verdoppelt.
5.2.4 Niederschlag
Die Niederschlagssumme [in] ist Teil der meteorologischen Eingangsdaten. Zur
Unterscheidung, ob der Niederschlag als Regen oder als Schnee fällt, kommen im
SHAW-Modell zwei Kriterien zur Anwendung. Trifft eines der beiden Kriterien zu,
behandelt das Modell den Niederschlag in diesem Zeitraum als Schnee. Das erste
Kriterium für Schneefall ist dann erfüllt, wenn die Feuchttemperatur Twb unter einen
vorgegebenen Wert sinkt. Das zweite Kriterium wird erfüllt, wenn in den
meteorologischen Eingangsdaten zum Zeitpunkt des Niederschlags ein Wert der
35
Das SHAW-Modell
Neuschneedichte ρsp vorhanden ist. Wird das erste Kriterium erfüllt, aber es ist kein
Wert der Neuschneedichte vorhanden, wird diese laut Gleichung 5-18 parametrisiert.
ρ sp = 50 + 1,7 (Twb + 15) 1,5
5-18
6
Daten
Wer recht erkennen will, muß zuvor in richtiger Weise gezweifelt
haben.
Aristoteles
Für die vorliegende Arbeit wurden Daten sowohl vom BFW als auch von der ZAMG
bzw. dem LWD verwendet. Da die Messstandorte nicht weit von einander entfernt
lagen, können alle Datensätze für die Untersuchung der Gleitschneelawinen bzw. der
Gleitrisse im Versuchsfeld Schmittenhöhe und für die Berechnungen mit dem
SHAW-Modell verwendet werden.
6.1 Verfügbares Datenmaterial
Das BFW hat während des dreijährigen Snowgripper-Projektes (2002 bis 2005) eine
Reihe von Daten auf dem Versuchsfeld Schmittenhöhe (Abbildung 14) erhoben. Leider
gibt es bei diesen Datensätzen aus verschiedenen Gründen mehrere größere Lücken,
bzw. beginnen die Aufzeichnung zu spät oder enden zu früh, um alle
Gleitschneeereignisse zu erfassen. Aus diesem Grund werden im Rahmen dieser Arbeit
nur die erhobenen Werte der Bodenfeuchte [%] und die ermittelten Gleitwege [cm] bzw.
die daraus berechneten Gleitgeschwindigkeiten [cmd-1] verwendet.
32 Bodenfeuchtesonden wurden im Versuchsfeld Schmittenhöhe installiert. Der von
den Bodenfeuchtesonden ermittelte Wert entspricht dem Mittelwert des Wassergehaltes
der obersten Bodenschicht (ungefähr der obersten 30 cm) [Fromm et al., 2004]. Aber
auch diese Daten sind nicht für alle Gleitschneeereignisse vorhanden, so fehlen
aufgrund
des
Ausfalls
eines
Multiplexers
die
Bodenfeuchtewerte
für
die
Gleitschneelawine vom 24. November 2004 und den Gleitriss vom 20. März 2005. Die
in den Abbildungen (Abbildung 28, Abbildung 32, Abbildung 35, Abbildung 47,
Abbildung 49, Abbildung 51, Abbildung 53) dargestellten Werte entsprechen den
arithmetischen Mitteln der von den Bodenfeuchtesonden gemessenen Werten. Dabei
wurde das arithmetische Mittel jeweils für die südlichen 16 der 32 Sonden und für die
restlichen nördlichen 16 Sonden berechnet.
37
Daten
In den Wintern 2003/04 und 2004/05 wurden jeweils 20 Gleitschuhe im Bereich des
Versuchsfeldes ausgelegt. Ein Gleitschuh besteht aus einer dünnen Metallplatte, die an
der Vorderseite aufgebogen ist. Dieser wird vor den ersten Schneefällen direkt auf den
Erdboden gelegt und ist mittels einer Schnur mit der Messstation verbunden. Bewegt
sich der Gleitschuh in Folge des Schneegleitens hangabwärts, wird diese Bewegung
über die sich abwickelnde Schnur registriert und mit Hilfe eines Potentiometers
aufgezeichnet [Fromm et al., 2004]. Vier der 20 Gleitschuhe (Nummer 16 bis 20) lagen
dabei im unverbauten Gebiet des Versuchsfeldes (Abbildung 16). Für die drei
Gleitschneelawinen (10. Oktober 2003, 03. November 2003 und 24. November 2004)
gibt es leider keine Aufzeichnungen des Schneegleitens, da die Messungen in den
beiden Wintern erst später gestartet wurden. Der Gleitriss vom 19. März 2004 wurde
durch die Gleitschuhe 18 und 19, der Gleitriss vom 20. März 2005 durch den Gleitschuh
20 registriert. Die starken Ausschläge im Verlauf der Messkurve, welche bei den
Zeitreihen des Schneegleitens tagsüber zu sehen sind, stammen von einer Störung des
Messsignals. Die langen Leitungen, welche bei der Messung des Schneegleitens nötig
waren, fungierten wie Antennen, wodurch bei Liftbetrieb eine Spannung induziert
wurde
und
es
somit
zu
einer
Störung
des
Messsignals
gekommen
ist
[Fromm et al., 2004].
Von der ZAMG und dem LWD standen meteorologische Daten einer TAWES-Station
(teilautomatisches Wettererfassungssystem) bei der Bergstation Schmittenhöhe
(Abbildung 14, Standort A) zur Verfügung. Für die nachfolgenden Untersuchungen und
die Berechnungen mit dem SHAW-Modell wurden folgende Daten der TAWES-Station
verwendet:
Lufttemperatur
Niederschlagssumme
[mm],
[°C],
Windstärke
[m/s],
Erdbodentemperatur
in
relative
20
cm
Feuchte
[%],
Tiefe
[°C],
Erdbodentemperatur in 50 cm Tiefe [°C] und die Globalstrahlung [Jcm-2]. Des
Weiteren wurde die Schneehöhe um 07 Uhr [cm] verwendet. Diese wurde mittels eines
Ultraschallpegels, welcher sich einige 100 Meter südöstlich des Versuchsfeldes auf
einem Rücken befand, ermittelt (Abbildung 14, Standort B).
7
Verlauf der Winter 2002/03, 2003/04 und 2004/05
Gegenüber jeder Aktion steht eine Reaktion.
Isaac Newton (1643-1727)
In Tabelle 1, Tabelle 2, Tabelle 3 und Tabelle 4 sind die Monatsmittelwerte der
30jährigen Datenreihe (1971-2000) [ZAMG, 2000] im Vergleich mit den jeweiligen
Monatsmittelwerten der Jahre 2002, 2003, 2004 und 2005 für die Station Schmittenhöhe
dargestellt. Tabelle 1 zeigt die Tagesmitteltemperaturen [°C], Tabelle 2 die
Monatssummen des Niederschlags [mm], Tabelle 3 die Monatssummen der
Neuschneehöhen [cm] und Tabelle 4 die maximalen Schneehöhen [cm] für die
jeweiligen Monate. Die durchschnittliche Tagesmitteltemperatur liegt im Zeitraum von
November bis April unter dem Gefrierpunkt. Im Februar werden mit -4,9 °C die tiefsten
Durchschnittstemperaturen erreicht, der August ist mit durchschnittlich 9,9 °C der
wärmste Monat auf der Schmittenhöhe (Tabelle 1). Der meiste Niederschlag fällt auf
der Schmittenhöhe in den Sommermonaten, mit 203 mm Wasseräquivalent ist der Juli
der niederschlagreichste Monat des Jahres. In den Wintermonaten liegt der
durchschnittliche Niederschlag im Größenbereich von 100 mm Wasseräquivalent
(Tabelle 2). Die mittlere Monatssumme der Neuschneehöhen in den Wintermonaten
beträgt in etwa 90 cm, mit 118,5 cm ist der März der Monat mit den ergiebigsten
Schneefällen (Tabelle 3). Mit 350 cm wurde im April der höchste Wert der Schneehöhe
auf der Schmittenhöhe gemessen (Tabelle 4).
39
Jan
Feb
Mär
Apr
Mai
Jun
Jul
Aug
Sep
Okt
Nov
Dez
1971-2000
-4,5
-4,9
-3,4
-1,0
4,4
7,1
9,5
9,9
6,9
3,7
-1,6
-3,4
2002
-2,9
-1,8
-0,6
-0,3
6,2
10,1
10,3
9,9
4,5
3,2
0,8
-2,2
2003
-6,3
-6,5
-1,5
-0,6
7,3
12,2
10,8
14,2
7,1
0,3
2,2
-2,0
2004
-7,3
-5,5
-3,8
0,4
2,4
6,7
9,3
11,0
6,8
6,1
-1,4
-1,5
2005
-6,2
-9,9
-3,1
0,8
5,3
8,2
9,6
7,7
7,2
6,5
-2,0
-7,3
Tabelle 1: durchschnittliche Tagesmitteltemperaturen [°C] für den Zeitraum 1971-2000 und
Tagesmitteltemperaturen [°C] für die Jahre 2002 bis 2005; Werte laut den Messungen der
TAWES-Station Schmittenhöhe [Daten: ZAMG]
Jan
Feb
Mär
Apr
Mai
Jun
Jul
Aug
Sep
Okt
Nov
Dez
1971-2000
99
92
109
105
116
180
203
172
118
86
103
112
2002
30
96
202
109
79
153
240
327
148
132
121
81
2003
82
30
50
148
217
104
208
161
137
260
59
96
2004
120
52
94
75
169
234
190
208
175
84
96
22
2005
150
97
76
129
158
122
311
195
201
42
70
141
Tabelle 2: durchschnittliche Monatssummen des Niederschlags [mm] für den Zeitraum 1971-2000
und Monatssummen des Niederschlags [mm] für die Jahre 2002 bis 2005; Werte laut den
Messungen der TAWES-Station Schmittenhöhe [Daten: ZAMG]
Jan
Feb
Mär
Apr
Mai
Jun
Jul
Aug
Sep
Okt
Nov
Dez
1971-2000
91
90
118
63
19
6
2
60
14
37
76
90
2002
7
87
162
77
3
0
0
0
k.A.
55
53
50
40
2003
91
65
30
83
47
0
0
0
8
90
38
105
2004
167
79
92
45
45
0
2
0
12
k.A.
89
47
2005
133
154
86
61
k.A.
9
5
0
22
k.A.
k.A.
144
Tabelle 3: durchschnittliche Monatssummen der Neuschneehöhen [cm] für den Zeitraum
1971-2000 und Monatssummen der Neuschneehöhen [cm] für die Jahre 2002 bis 2005; Werte laut
den Messungen der TAWES-Station Schmittenhöhe [Daten: ZAMG]
Jan
Feb
Mär
Apr
Mai
Jun
Jul
Aug
Sep
Okt
Nov
Dez
1971-2000
285
295
320
350
240
90
65
15
40
95
150
255
2002
110
140
175
120
90
0
0
0
40
25
25
35
2003
90
130
90
130
20
0
0
0
8
46
22
75
2004
147
160
167
131
90
0
2
0
10
k.A.
52
55
2005
130
212
207
112
85
6
5
0
15
k.A.
126
134
Tabelle 4: maximale Schneehöhen [cm] für den Zeitraum 1971-2000 und maximale
Schneehöhen [cm] für die Jahre 2002 bis 2005; Werte laut den Messungen der TAWES-Station
Schmittenhöhe [Daten: ZAMG]
7.1 Winter 2002/03
Ein Kaltlufteinbruch Ende September sorgte für die ersten Schneefälle auf der
Schmittenhöhe in diesem Winter (Abbildung 19, Abbildung 20). Im Oktober gab es
noch mehrere kleinere Schneefälle, aber aufgrund der starken Erwärmungen im
Anschluss schmolz der im September und Oktober gefallene Schnee immer wieder zur
Gänze (Abbildung 19, Abbildung 20). Eine geschlossene Winterschneedecke bildete
sich erst durch eine längere Kälteperiode und die Niederschläge Anfang November aus.
41
Die Schneehöhe im November und Dezember blieb aber mit maximal 30 cm sehr gering
(Abbildung 20, Tabelle 3, Tabelle 4).
Die Bodentemperaturen nahmen infolge der geringen Schneehöhe und der nicht
geschlossenen Schneedecke bis Mitte Dezember stark ab (Abbildung 19). Mit der
Zunahme
der
Schneehöhe
Mitte
Dezember
glättete
sich
der
Verlauf
der
Bodentemperaturen.
Erst Ende Januar bzw. Anfang Februar stieg die Schneehöhe aufgrund mehrerer
Niederschlagsereignisse auf ihren Winterhöchstwert von 1,30 m an (Abbildung 20). Der
Februar und März brachten nur sehr wenig Niederschlag und so setzte sich die
Schneedecke bis Ende März stetig (Abbildung 20, Tabelle 2). Anfang April gab es noch
einmal zwei kräftige Schneefälle, welche die Schneehöhe noch einmal auf fast 1,30 m
ansteigen ließen.
Durch das späte Einschneien und die geringe Mächtigkeit der Schneedecke waren die
Bodentemperaturen im Hochwinter 2002/03, mit Werten zwischen 0 und 1 °C, eher
gering (Abbildung 19). Nach den Schneefällen Anfang April begann die Schneedecke
aufgrund der immer intensiver werdenden Solarstrahlung zu schmelzen (Abbildung 19,
Abbildung 20).
Bereits gegen Ende April begannen die Bodentemperaturen rapide zu steigen, die
Schneehöhe betrug zu diesem Zeitpunkt allerdings immer noch 50 cm (Abbildung 19,
Abbildung 20). Grund dafür sind die unterschiedlichen Messstandorte des
Ultraschallpegels und der Bodenthermometer (Kapitel 6.1). Aus dem Verlauf der
Bodentemperatur lässt sich schlussfolgern, dass die Schneedecke am Standort der
Bodenthermometer früher geschmolzen war als jene beim Ultraschallpegel, da ohne
direkte Sonneneinstrahlung auf den Boden solch ein Anstieg in der Bodentemperatur
nicht erklärbar wäre (Abbildung 19, Abbildung 20). Mit Anfang Mai war auch die
Schneedecke am Standort des Ultraschallpegels geschmolzen (Abbildung 20).
In
den
Monaten
November,
Dezember,
März
und
April
lagen
die
Tagesmitteltemperaturen über dem langjährigen Mittel, in den Monaten September,
Oktober,
Januar
und
Februar
darunter
(Tabelle
1).
Der
Winter
2002/03
(Vergleichszeitraum September bis April) auf der Schmittenhöhe war vom Niederschlag
und auch von den Neuschneehöhen unterdurchschnittlich (Tabelle 2, Tabelle 3). Im
September wurde zwar der langjährige Maximalwert der Schneehöhe erreicht, in den
anderen Monaten blieb die Schneehöhe allerdings deutlich unter den langjährigen
Maximalwerten (Tabelle 4).
42
Abbildung 19: Zeitreihe der Lufttemperatur, der Bodentemperatur und der Globalstrahlung für
den Winter 2002/03; alle Daten am Messstandort A (Abbildung 14) erhoben [Daten: ZAMG]
Abbildung 20: Zeitreihe der Windgeschwindigkeit, der relativen Feuchte, des Niederschlags und
der Schneehöhe für den Winter 2002/03; Schneehöhe am Messstandort B, alle übrigen Daten am
Messstandort A (Abbildung 14) erhoben [Daten: ZAMG]
43
7.2 Winter 2003/04
Der Verlauf der Lufttemperatur für den Herbst 2003 zeigt, ebenso wie der Verlauf der
Bodentemperatur, einen Kaltlufteinbruch Mitte September mit einer starken Erwärmung
im Anschluss (Abbildung 21). In dieser Zeit fiel auch der erste Schnee in diesem Winter
auf der Schmittenhöhe, welcher jedoch gleich wieder schmolz (Abbildung 22). Anfang
Oktober sank die Lufttemperatur sowie die Bodentemperatur aufgrund eines weiteren
Kaltlufteinbruches erneut stark ab, die darauffolgende Erwärmung fällt, auch durch die
Ausbildung einer geschlossenen Schneedecke, geringer aus als im September
(Abbildung 21, Abbildung 22). Bis Mitte Dezember blieb die Schneehöhe gering, die
Schneedecke jedoch geschlossen (Abbildung 22, Tabelle 3, Tabelle 4).
Bis die Mächtigkeit der Schneedecke zunahm, kühlte der Boden unter der Schneedecke
langsam, jedoch stetig ab (Abbildung 21, Abbildung 22). Die Bodentemperaturen im
Herbst 2003 waren durch das frühe Einschneien generell höher als im Herbst 2002. Ab
der zweiten Dezemberhälfte nahm die Mächtigkeit der Schneedecke infolge mehrerer
kleiner Niederschlagsereignisse zu (Abbildung 22). Die Bodentemperaturen lagen im
Hochwinter zwischen 0 und 2 °C und damit um bis zu 1 °C höher als im
Winter 2002/03 (Abbildung 21).
Anfang Februar schmolz und setzte sich die Schneedecke aufgrund der langanhaltenden
Temperaturen über dem Gefrierpunkt stark (Abbildung 21, Abbildung 22). In der ersten
Märzhälfte erreichte die Schneehöhe mit 1,7 m ihren maximalen Wert in diesem Winter
(Abbildung 22). Mehrere Schneefälle im März und April ließen die Schneehöhe trotz
der schon intensiven Solarstrahlung nicht unter 1 m sinken (Abbildung 21,
Abbildung 22). Erst mit Anfang Mai begann die Schneedecke aufgrund der intensiven
Globalstrahlung verstärkt zu schmelzen und war mit Ende Mai gänzlich geschmolzen.
Die Bodentemperaturen stiegen auch in diesem Winter wieder stark an, bevor die
Schneedecke, laut Ultraschallpegel, geschmolzen war (Abbildung 21, Abbildung 22,
siehe auch Kapitel 7.1).
Die Tagesmitteltemperaturen in diesem Winter lagen in den Monaten Oktober, Januar,
Februar und März unter dem langjährigen Mittel, in den Monaten September,
November, Dezember und April darüber (Tabelle 1). Im Vergleich mit dem
langjährigen Mittel ist der Winter 2003/04 (Vergleichszeitraum September bis April), in
Bezug auf den Niederschlag und auch auf die Neuschneehöhen, als leicht
44
überdurchschnittlich einzustufen (Tabelle 2, Tabelle 3), dennoch bleiben die maximalen
Schneehöhen deutlich unter den langjährigen Maximalwerten (Tabelle 4).
45
7.3 Winter 2004/05
Gegen Ende September gab es auf der Schmittenhöhe einen Kaltlufteinbruch, welcher
den ersten Schnee dieser Saison brachte (Abbildung 23, Abbildung 24). Der Verlauf der
Luft- und Bodentemperatur zeigt die starke Abkühlung mit anschließender Erwärmung
deutlich (Abbildung 23). Im Oktober wiederholte sich das Muster durch einen weiteren
Kaltlufteinbruch in abgeschwächter Form.
Mit den ersten größeren Schneefällen im November, begann die Bildung der
Winterschneedecke im Winter 2004/05 relativ spät (Abbildung 24, Tabelle 3,
Tabelle 4). Aufgrund der niedrigen Lufttemperatur und der geringen Schneehöhe kühlte
der Boden in der ersten Novemberhälfte stark ab (Abbildung 23, Abbildung 24).
Mehrere Schneefälle im November ließen die Schneehöhe auf 0,5 m anwachsen
(Abbildung 24). Mit der Zunahme der Schneehöhe glättete sich auch der Verlauf der
Bodentemperaturen (Abbildung 23, Abbildung 24).
Im Dezember blieben größere Niederschläge aus, erst im Januar nahm die Schneehöhe
aufgrund von zwei starken Schneefällen erheblich zu (Abbildung 24). Nach einem
starken Niederschlagsereignis Anfang Februar wurde der Maximalwert von 2,1 m für
diesen Winter erreicht. Im restlichen Februar blieben größere Schneefälle aus. In der
ersten Märzhälfte ließen starke Schneefälle die Schneehöhe noch einmal auf beinahe
2,1 m anwachsen.
Die Bodentemperaturen im Herbst dieses Jahres sind die höchsten der drei untersuchten
Perioden (Abbildung 23). Die Werte der Bodentemperatur im Hochwinter sind mit
jenen des Vorjahres vergleichbar, sie liegen ebenfalls zwischen 0 und 2 °C. Ab Mitte
März begann die Schneedecke aufgrund der intensiven Solarstrahlung langsam zu
schmelzen und war mit Anfang Juni gänzlich geschmolzen (Abbildung 23,
Abbildung 24). Bereits Anfang Mai stiegen die Bodentemperaturen stark an, abermals
war die Schneedecke laut Ultraschallpegel noch nicht geschmolzen (Abbildung 23,
Abbildung 24, siehe auch Kapitel 7.1).
In diesem Winter lagen die Tagesmitteltemperaturen in den Monaten September, Januar
und Februar unter dem langjährigen Mittel, in den Monaten Oktober, November,
Dezember, März und April darüber (Tabelle 1). Obwohl in diesem Winter die größten
Schneehöhen der beobachteten Zeiträume auftraten, ist der Winter 2004/05
(Vergleichszeitraum September bis April) in Bezug auf den Niederschlag und auch auf
die Neuschneehöhen als leicht unterdurchschnittlich einzustufen (Tabelle 2, Tabelle 3).
46
Die maximalen Schneehöhen der einzelnen Monate blieben auch in diesem Winter unter
den langjährigen Maximalwerten (Tabelle 4).
8
Gleitschneeereignisse
Wenn die Menschen nur über das sprächen, was sie begreifen, dann
würde es sehr still auf der Welt sein.
Albert Einstein (1879-1955)
Im Winter 2002/03 kam es im Bereich des Versuchsfeldes zu keinen Gleitrissen oder
Gleitschneelawinen. In den Wintern 2003/04 und 2004/05 hingegen wurden drei
Gleitschneelawinen (10. Oktober 2003, 03. November 2003 und 24. November 2004)
und zwei Gleitrisse (19. März 2004 und 20. März 2005), sowie eine Schneebrettlawine
(23. Januar 2005) im Bereich des Versuchsfeldes beobachtet. Da in dieser Arbeit der
Fokus auf den Gleitschneelawinen bzw. den Gleitrissen liegt, werden nur diese fünf
Gleitschneeereignisse betrachtet und im Weiteren genauer untersucht.
8.1 Gleitschneelawine am 10. Oktober 2003
Abbildung 25: Fotos der Gleitschneelawine vom 10. Oktober 2003 [Fotos: Haslinger, Firma
Oberhofer, Aufnahmedatum: 10. Oktober 2003]
Am 10. Oktober kam zum Abgang einer Gleitschneelawine im unverbauten Bereich des
Versuchsfeldes (Abbildung 25). Die Wasserrillen an der Schneedeckenoberseite zeigen
deutlich den intensiven Abfluss von Regen- und/oder Schmelzwasser (Abbildung 25).
Anfang Oktober sorgten zwei Niederschlagsereignisse und Temperaturen unter dem
Gefrierpunkt für die erste geschlossene Schneedecke in diesem Winter (Abbildung 26,
49
Abbildung 27). Da der Boden nicht gefroren war und die kurzwellige Strahlung und die
Lufttemperatur wieder zunahmen, bildete sich aufgrund des Schmelzwasser eine
durchfeuchtete Grenzschicht zwischen Schnee und Erdboden (Abbildung 26,
Abbildung 27). Der Anstieg in der Bodenfeuchte zeigt deutlich, dass Schmelzwasser in
diesem Zeitraum von der Schneedecke in den Erdboden gesickert ist (Abbildung 28).
Aufgrund der Temperaturen um den Gefrierpunkt und des Niederschlags- und
Schneehöhenverlaufes wird davon ausgegangen, dass der Niederschlag am 09. Oktober
zum Teil als Regen bzw. Schneeregen gefallen ist (Abbildung 26, Abbildung 27).
Dadurch
und
infolge
der
Erwärmung
und
der
zunehmenden
Einstrahlung
(Abbildung 26), vergrößerte sich der Anteil des flüssigen Wassers innerhalb der
Schneedecke und innerhalb der Gleitschicht. Der Anstieg in der Bodenfeuchte zeigt
wiederum deutlich den Übergang von Schmelzwasser aus der Schneedecke in den
Erdboden (Abbildung 28). In weiterer Folge kam es, wie einleitend bereits erwähnt, zum
Abgang einer Gleitschneelawine.
den Zeitraum vom 30. September bis zum 20. Oktober 2003; alle Daten am Messstandort A
(Abbildung 14) erhoben; senkrechter Strich markiert das Gleitschneeereignis [Daten: ZAMG]
50
der Schneehöhe für den Zeitraum vom 30. September bis zum 20. Oktober 2003; Schneehöhe am
Messstandort B, alle übrigen Daten am Messstandort A (Abbildung 14) erhoben; senkrechter Strich
markiert das Gleitschneeereignis [Daten: ZAMG]
Bodenfeuchte
[%]
50
40
30
Mittel der südlichen 16 Sonden
Mittel der nördlichen 16 Sonden
20
30/09 01/10 02/10 03/10 04/10 05/10 06/10 07/10 08/10 09/10 10/10 11/10 12/10 13/10 14/10 15/10 16/10 17/10 18/10 19/10 20/10
Abbildung 28: Zeitreihe der Bodenfeuchte (Mittelwert der obersten 30 cm) für den Zeitraum vom
30. September bis zum 20. Oktober 2003; alle Daten im Versuchsfeld Schmittenhöhe (Abbildung 14)
erhoben; senkrechter Strich markiert das Gleitschneeereignis [Daten: BFW]
51
8.2 Gleitschneelawine am 03. November 2003
Abbildung 29: Fotos der Gleitschneelawine
Aufnahmedatum: 03. November 2003]
vom
03. November
2003
[Fotos:
BFW,
Am 03. November kam es zum Abgang einer zweiten Gleitschneelawine im
unverbauten Bereich des Versuchsfeldes (Abbildung 29). Die Lage des Anrissgebietes
ist nahezu ident mit jenem des Lawinenabganges vom 10. Oktober 2003, die Ausmaße
dieser Gleitschneelawine sind aber deutlich geringer (Abbildung 25, Abbildung 29).
Nach Schneefällen Ende Oktober sorgte die intensive Solarstrahlung, die anschließende
Erwärmung und Bodentemperaturen deutlich über dem Gefrierpunkt für ein Schmelzen
der Schneedecke (Abbildung 30, Abbildung 31). Dadurch kam es zur Ausbildung einer
Gleitschicht zwischen der Schneedecke und dem Erdboden. Dies ist deutlich ersichtlich
im Rückgang der Schneehöhe und dem Anstieg der Bodenfeuchte infolge des
durchgesickerten Schmelzwassers (Abbildung 31, Abbildung 32).
Nach erneuten Schneefällen am 02. November, der Erwärmung im Anschluss und der
intensiven kurzwelligen Strahlung wurde die bereits vorhandene Gleitschicht weiter
verstärkt und der Anteil des flüssigen Wassers innerhalb der Schneedecke nahm zu
(Abbildung 30, Abbildung 31). In Abbildung 32 ist der Schmelzwassertransport von der
Schneedecke in den Erdboden wiederum im Anstieg der Bodenfeuchte zu erkennen. In
der weiteren Folge kam es, wie oben bereits angesprochen, zum zweiten Abgang einer
Gleitschneelawine in diesem Winter.
52
den Zeitraum vom 24. Oktober bis zum 13. November 2003; alle Daten am Messstandort A
der Schneehöhe für den Zeitraum vom 24. Oktober bis zum 13. November 2003; Schneehöhe am
53
Bodenfeuchte
[%]
50
45
40
35
30
24/10 25/10 26/10 27/10 28/10 29/10 30/10 31/10 01/11 02/11 03/11 04/11 05/11 06/11 07/11 08/11 09/11 10/11 11/11 12/11 13/11
24. Oktober bis zum 13. November 2003; alle Daten im Versuchsfeld Schmittenhöhe (Abbildung 14)
8.3 Gleitriss am 19. März 2004
Abbildung
33:
Fotos
des
Aufnahmedatum: 20. März 2004]
Gleitrisses
vom
19.
März
2004
[Fotos:
BFW,
Am 19. März 2004 kam es im Bereich des Versuchsfeldes zur Ausbildung eines
Gleitrisses (Abbildung 33). Die Lage des Anrisses war nahezu identisch mit den bisher
beobachteten Lawinenereignissen (Abbildung 25, Abbildung 29, Abbildung 33).
Unterhalb des Anrisses sind Aufschiebungen und Falten in der Schneedecke zu
erkennen, welche auf das Stauchen der Schneedecke in diesem Bereich hinweisen
(Abbildung 33).
Aufgrund der intensive Solarstrahlung und der zunehmenden Lufttemperatur Mitte
März schmolz die Schneedecke stetig (Abbildung 34, Abbildung 36). Die Bodenfeuchte
stieg in diesem Zeitraum ebenfalls, dies weist auf die Verstärkung der Gleitschicht
zwischen Schneedecke und Erdboden und vor allem auf den Transport von
Schmelzwasser aus dieser Schicht in den Erdboden hin (Abbildung 35).
Das vermehrte Schmelzwasser führte zu einem Anstieg der Gleitgeschwindigkeit
(Abbildung 37). Die starken Ausschläge im Verlauf der Messkurve, welche bei der
54
Zeitreihe des Schneegleitens tagsüber zu sehen sind (Abbildung 37), stammen von einer
Störung des Messsignals (Kapitel 6.1). Am 19. März stieg die Gleitgeschwindigkeit
rapide an (Abbildung 37) und in weiterer Folge kam es zur Ausbildung eines Gleitrisses,
jedoch nicht zum Abgang einer Gleitschneelawine. Auffallend ist, dass der Gleitriss im
Zuge einer Abkühlung entstand (Abbildung 34).
den Zeitraum vom 09. März bis zum 29. März 2004; alle Daten am Messstandort A (Abbildung 14)
erhoben; senkrechter Strich markiert das Gleitschneeereignis [Daten: ZAMG]
Bodenfeuchte
[%]
60
50
40
30
20
09/03 10/03 11/03 12/03 13/03 14/03 15/03 16/03 17/03 18/03 19/03 20/03 21/03 22/03 23/03 24/03 25/03 26/03 27/03 28/03 29/03
09. März bis zum 29. März 2004; alle Daten im Versuchsfeld Schmittenhöhe (Abbildung 14)
55
der Schneehöhe für den Zeitraum vom 09. März bis zum 29. März 2004; Schneehöhe am
Schneegleiten
[cm]
400
350
Gleitschuh 18
Gleitschuh 19
300
250
200
150
09/03 10/03 11/03 12/03 13/03 14/03 15/03 16/03 17/03 18/03 19/03 20/03 21/03 22/03 23/03 24/03 25/03 26/03 27/03 28/03 29/03
[cmd−1]
30
25
Gleitschuh 18
Gleitschuh 19
20
15
10
5
0
09/03 10/03 11/03 12/03 13/03 14/03 15/03 16/03 17/03 18/03 19/03 20/03 21/03 22/03 23/03 24/03 25/03 26/03 27/03 28/03 29/03
Abbildung 37: Zeitreihe des Schneegleitens und der Gleitgeschwindigkeit für den Zeitraum vom
56
Abbildung 38: Fotos der Gleitschneelawine
Aufnahmedatum: 25. November 2004]
vom
24. November
2004
[Fotos:
BFW,
Am 24. November 2004 kam es zum Abgang einer Gleitschneelawine im Bereich des
Versuchsfeldes (Abbildung 38). Das Anrissgebiet lag nahezu auf derselben Stelle wie
jenes der Gleitschneelawinen bzw. des Gleitrisses im Vorjahres und die Ausmaße sind
mit jenen der Gleitschneelawine vom 10. Oktober 2003 vergleichbar (Abbildung 25,
Abbildung 29, Abbildung 33, Abbildung 38).
Ende November lagen im Bereich des Versuchsfeldes bereits über 50 cm Schnee, die
Bodentemperaturen lagen aber noch deutlich über dem Gefrierpunkt (Abbildung 39,
Abbildung
40).
Aufgrund
der
kurzwelligen
Strahlung
und
der
positiven
Bodentemperaturen nahm der Wassergehalt innerhalb der Schneedecke infolge des
Schmelzens zu (Abbildung 39, Abbildung 40).
Am 22. und 23. November gab es vereinzelte Niederschläge. Anhand des
Niederschlags-, Schneehöhen- und Temperaturverlaufes wird davon ausgegangen, dass
diese Niederschläge als Regen bzw. Schneeregen gefallen sind (Abbildung 39,
Abbildung 40).
In weiterer Folge kam es, wie einleitend bereits erwähnt, im Bereich des Versuchsfeldes
zum Abgang einer Gleitschneelawine. Bei diesem Gleitschneelawinenabgang fällt auf,
dass er ebenfalls im Zuge einer Abkühlung stattfand (Abbildung 39).
57
den Zeitraum vom 14. November bis zum 04. Dezember 2004; alle Daten am Messstandort A
der Schneehöhe für den Zeitraum vom 14. November bis zum 04. Dezember 2004; Schneehöhe am
58
Abbildung
41:
Fotos
des
Aufnahmedatum: 22. März 2005]
Gleitrisses
vom
20.
März
2005
[Fotos:
BFW,
Am 20. März 2005 kam es im unverbauten Bereich des Versuchsfeldes zur Ausbildung
eines zweiten Gleitrisses innerhalb des Beobachtungszeitraumes (Abbildung 41). Die
Lage des Gleitrisses ist wieder nahezu ident mit jenen der Gleitschneelawinen und
Gleitrisse, welche zuvor aufgetreten sind (Abbildung 25, Abbildung 29, Abbildung 33,
Abbildung 38, Abbildung 41).
Mitte März ließen Temperaturen über 0 °C und intensive kurzwellige Strahlung die
Schneedecke langsam schmelzen, dies führte zu einer Verstärkung der Gleitschicht
(Abbildung 42, Abbildung 43).
Die Gleitgeschwindigkeit stieg in diesem Zeitraum stetig an (Abbildung 44). Die
starken Ausschläge im Verlauf der Messkurve, welche bei der Zeitreihe des
Schneegleitens tagsüber zu sehen sind (Abbildung 44), stammen wiederum von einer
Störung des Messsignals (Kapitel 6.1). Aufgrund der Temperaturen um den
Gefrierpunkt und des Niederschlags- und Schneehöhenverlaufes wird davon
ausgegangen, dass die Niederschläge vom 19. und 20. März als Regen bzw.
Schneeregen fielen (Abbildung 42, Abbildung 43).
Am 20. März kam es zu einem sprunghaften Anstieg in der Gleitgeschwindigkeit
(Abbildung 44). In der weiteren Folge kam es zur Ausbildung eines Gleitrisses, jedoch
nicht zum Abgang einer Gleitschneelawine. Dieser Gleitriss ereignete sich abermals im
Zuge einer Abkühlung (Abbildung 42).
59
den Zeitraum vom 10. März bis zum 30. März 2005; alle Daten am Messstandort A (Abbildung 14)
erhoben; senkrechter Strich markiert das Gleitschneeereignis [Daten: ZAMG]
der Schneehöhe für den Zeitraum vom 10. März bis zum 30. März 2005; Schneehöhe am
60
100
Schneegleiten
[cm]
Gleitschuh 20
80
60
40
[cmd−1]
10/03 11/03 12/03 13/03 14/03 15/03 16/03 17/03 18/03 19/03 20/03 21/03 22/03 23/03 24/03 25/03 26/03 27/03 28/03 29/03 30/03
30
Gleitschuh 20
20
10
0
10/03 11/03 12/03 13/03 14/03 15/03 16/03 17/03 18/03 19/03 20/03 21/03 22/03 23/03 24/03 25/03 26/03 27/03 28/03 29/03 30/03
Abbildung 44: Zeitreihe des Schneegleitens, der Gleitgeschwindigkeit für den Zeitraum vom
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass bei allen fünf Gleitschneeereignissen
die positiven Bodentemperaturen auf die Ausbildung einer Gleitschicht zwischen
Schneedecke und Erdboden hindeuten (Abbildung 26, Abbildung 30, Abbildung 34,
Bis auf die Gleitschneelawine vom 03. November 2003 ereigneten sich alle übrigen
Gleitschneeereignisse innerhalb oder unmittelbar im Anschluss an eine Schmelzphase
(Abbildung 27, Abbildung 31, Abbildung 36, Abbildung 40, Abbildung 43).
Niederschlag am Tag oder am Tag vor dem Gleitschneeereignisses gab es bis auf den
Gleitriss vom 19. März 2004 bei allen restlichen vier Fälle (Abbildung 27,
Abbildung 31, Abbildung 36, Abbildung 40, Abbildung 43).
Die Gleitschneelawinen vom 10. Oktober 2003 und 03. November 2003 ereigneten sich
im Zuge eines Anstiegs der Lufttemperatur, die anderen drei Gleitschneeereignisses im
Zuge einer Abkühlung (Abbildung 26, Abbildung 30, Abbildung 34, Abbildung 39,
Abbildung 42).
Die Lage und die Abmessungen der Anrisse der drei Gleitschneelawinen und der beiden
Gleitrisse waren in allen fünf Fällen nahezu ident (Abbildung 25, Abbildung 29,
Abbildung 33, Abbildung 38, Abbildung 41). In Abbildung 45 sind die Lage und
Abmessungen der fünf Gleitschneeereignisse laut den Erhebungen des BFW dargestellt.
Diese Abbildung veranschaulicht ebenfalls, dass sowohl die Lage als auch die
Abmessungen der drei Gleitschneelawinen und der zwei Gleitrisse nahezu ident waren.
61
Abbildung 45: Lage und Abmessungen der Anrisse der fünf Gleitschneeereignisse im Versuchsfeld
Schmittenhöhe; durchgezogenen Linien stehen für den Anriss der Gleitschneelawine bzw. des
Gleitrisses (Lawinenmaul); strichlierte Linien zeigen die Unterkante der Gleitrisse
(Quelle: [Rainer et al., 2005])
Die in diesem Kapitel dargestellten Daten dienen im weiteren Verlauf der Arbeit zum
Einen als Input für das SHAW-Modell (Lufttemperatur, Windgeschwindigkeit, relative
Feuchte, Niederschlag und Globalstrahlung) und zum Anderen für die Verifikation der
Simulation (Bodentemperatur, Bodenfeuchte und Schneehöhe). Des Weiteren werden
die Ergebnisse aus diesem Kapitel in den Kapiteln 11 und 12, zusammen mit den
Ergebnissen aus der Simulation des SHAW-Modells, nochmals genauer behandelt.
9
Simulation - Testläufe
Zwei Dinge sind zu unserer Arbeit nötig: Unermüdliche Ausdauer
und die Bereitschaft, etwas, in das man viel Zeit und Arbeit gesteckt
hat, wieder wegzuwerfen.
Albert Einstein
Die ersten Simulationen mit dem SHAW-Modell dienen in dieser Arbeit als Testläufe,
um die Genauigkeit des Modells zu bestimmen und das Modell zu optimieren. Die
berechneten Daten werden mit den gemessenen Daten verglichen und das Modell durch
Angleichung der meteorologischen Eingangsdaten (Niederschlag) und Anpassung der
Parametrisierung so nahe wie möglich an die Wirklichkeit getrimmt. Die optimierte
Simulation gilt dann als Referenzlauf und die dabei erhaltenen Daten dienen als
Grundlage für die Untersuchungen und Schlussfolgerungen in den folgenden Kapiteln.
9.1 Eingabedaten
Die Eingabe der Daten erfolgte mittels mehrerer Eingabedateien mit vorbestimmtem
Format (Kapitel 5.1, Anhang A). Die folgenden Parameter sind nötige Eingabewerte für
das SHAW-Modell und wurden entsprechend dem Format der einzelnen Eingabedateien
eingegeben (Anhang A). In der Eingabedatei generelle Informationen wurden
grundlegende Parameter des Versuchsfeldes und der Simulation festgelegt (Anhang A).
Die Simulation beginnt am 01. September 2002 und endet am 31. August 2005, das
heißt, dass das Modell die gesamten drei Jahre und nicht nur die drei Winter simuliert.
Das Versuchsfeld liegt auf 47° 33‘ nördlicher Breite, in einer Höhe von 1903 m über
dem Meeresspiegel. Es ist nach Südosten exponiert (135°) und hat eine
durchschnittliche Neigung von 32° bzw. 62,5 %. Da die ZAMG bzw. der LWD die
Messungen auf einer ebenen Fläche durchführten, wurde die Exposition und
Hangneigung in dieser Simulation (Testlauf) vorerst auf Null gesetzt um die Daten des
Modells mit jenen der ZAMG bzw. des LWD vergleichen zu können.
63
Die Rauigkeitslänge wurde aufgrund von Erfahrungswerten [Flerchinger, 2000b] mit
5 cm für die Erdbodenoberfläche und 0,01 cm für die Schneeoberfläche festgelegt.
Die Höhe der meteorologischen Messungen wurde auf 2 m gesetzt. Durch das Setzen
der maximalen Pfützentiefe auf 0,0 cm werden die Effekte von Pfützenbildung bei
Regen oder Schneeschmelze in dieser Simulation nicht beachtet, dies ist für eine
Hanglage durchaus üblich. Die maximale Feuchttemperatur, bei der Niederschlag als
Schnee ausfällt, wurde mit 1 °C angegeben.
Es wurden keine Pflanzendecke und keine gelösten Stoffe in die Simulation
implementiert, da ausreichende Daten hierfür nicht vorhanden waren. Eine
Überresteschicht aus totem Pflanzenmaterial wurde hingegen in das Modell eingebaut
(Anhang A). Da zu Beginn bzw. am Ende der Simulation keine Schneedecke vorhanden
war, gibt es auch keine Eingabe von Schneedeckendaten. Im Verlauf der Simulation
wird allerdings bei entsprechenden Niederschlags- und Temperaturwerten eine
Schneedecke simuliert.
Der Boden in dieser Simulation besteht aus neun unterschiedlichen Schichten, welche in
0, 0,2, 0,5, 1, 2, 4, 6, 8 und 10 m Tiefe liegen (Anhang A). Die Albedo des trockenen
Bodens wurde aufgrund von Erfahrungswerten [Flerchinger, 2000b] mit 0,2, der
Exponent zur Berechnung der Albedo des feuchten Bodens ebenfalls mit 0,2
angenommen (Kapitel 5.2.1, Gleichung 5-4).
Ein Bodenfeuchte- und Bodentemperaturprofil wurde jeweils zum Zeitpunkt des
Simulationsbeginns bzw. des Simulationsendes eingegeben (Anhang A). Die Profile
zum Zeitpunkt des Simulationsbeginns dienen als Ausgangspunkt der Simulation, jene
Profile zum Zeitpunkt des Simulationsendes werden zum Abgleichen der simulierten
mit den tatsächlichen Verhältnissen in den unteren Randbereichen verwendet. Die
Werte für die Bodenfeuchte- bzw. Bodentemperaturprofile stammen vom BFW und der
ZAMG, die fehlenden Werte wurden interpoliert. Um den Fehler durch die
interpolierten Profile möglichst gering zu halten, läuft die Simulation über die gesamten
drei Jahre, das heißt, dass nur zwei Profile an Stelle von sechs benötigt werden. Des
Weiteren startet die Simulation mehr als ein Jahr vor dem ersten Gleitschneeereignis
und endet ein halbes Jahr nach dem letzten Gleitschneeereignis, sodass sich mögliche
Fehler kompensieren können. Die Ergebnisse dieser ersten Testläufe werden hier nicht
weiter behandelt, wohl aber deren schrittweise der Realität angepassten Varianten.
Für die benötigten meteorologischen Eingangsdaten (Anhang A) werden die Daten der
TAWES-Station (ZAMG, LWD) verwendet. Der Datensatz dieser Station weist
64
allerdings einige Datenlücken bei der Lufttemperatur, Windgeschwindigkeit, relativen
Feuchte und dem Niederschlag auf. Für die erste Simulation (Testlauf 1) wurden die
fehlenden Werte auf Null gesetzt, wohlwissend, dass es dadurch zu einem
beträchtlichen Fehler in der Simulation kommt. Bei der zweiten Simulation (Testlauf 2)
werden die simulierten Neuschneehöhen an die gemessenen angepasst und fehlende
bzw. zusätzliche Niederschlagsereignisse in der Simulation ergänzt oder entfernt.
Die auftretenden Unterschiede in den Setzungs- und Schmelzphasen entstehen aufgrund
einer Parametrisierung der Setzung und der Schneealbedo bzw. der Korngröße im
SHAW-Modell, welche nicht auf den Alpenraum ausgelegt worden ist. Das Modell
stammt ursprünglich aus dem Bereich der Agrarmeteorologie und wurde für deren
Anwendung entwickelt und optimiert. Deshalb wurde in einem weiteren Schritt
(Testlauf 3) die Parametrisierung an die Verhältnisse auf der Schmittenhöhe angepasst.
Für die vierte Simulation in dieser Arbeit (Testlauf 4) wurden die Exposition und die
Hangneigung auf die dem Versuchsfeld Schmittenhöhe entsprechenden Werte gesetzt
und die Auswirkungen dieser Änderungen auf die Ergebnisse untersucht.
9.2 Testlauf 1
Bei den vorgenommenen Einstellungen generiert das Modell mehrere Ausgabedateien
in einem vorbestimmten Format (Anhang A). Die Ausgabe der berechneten Daten
erfolgt stündlich, mit Ausnahme der Schneehöhe, welche zum besseren Vergleich mit
der gemessenen Schneehöhe täglich ausgegeben wird. Da der Testlauf zur Optimierung
der Simulation dient, werden nicht alle Ausgabedateien an dieser Stelle genauer
betrachtet sondern nur jene, die zum Vergleich mit den gemessenen Werten
herangezogen werden können.
Die Unterschiede im Verlauf der Schneehöhen bieten wohl den anschaulichsten und
deutlichsten Vergleich der simulierten mit der tatsächlichen Schneedecke, welcher im
Rahmen dieser Untersuchung zur Verfügung steht (Abbildung 46). SHAW gibt die
Schneehöhe [cm] für jeden Tag mit einer Schneehöhe größer als 0 cm, in der
Ausgabedatei frost.out (Anhang A), aus. Zum Vergleich werden die Daten des
Ultraschallpegels der ZAMG bzw. des LWD herangezogen (Kapitel 6.1).
Des Weiteren werden die berechneten Bodentemperaturen in 20 und 50 cm Tiefe und
die Bodenfeuchte der obersten Schichten mit den gemessenen Werten verglichen
(Abbildung 47). SHAW gibt die Bodentemperaturen und Bodenfeuchte für jede einzelne
65
Schicht und für jeden Zeitschritt in den Dateien temp.out und moist.out aus (Anhang A).
Die zum Vergleich herangezogenen Werte der Bodentemperaturen sind jene der
TAWES-Station der ZAMG bzw. des LWD (Kapitel 6.1). Die Werte der Bodenfeuchte
stammen von den Messungen des BFW im Versuchsfeld Schmittenhöhe (Kapitel 6.1).
Bei den Messungen der Bodenfeuchte handelt es sich um Mittelwerte der obersten
Bodenschichten (ca. 30 cm), deshalb werden die gemessenen Werte mit den simulierten
Bodenfeuchtewerten in 0 und 20 cm verglichen. Da die Werte im Versuchsfeld, also im
geneigten Hang, gemessen wurden, sind sie nur bedingt für den Vergleich mit den im
Testlauf 1, 2 und 3 berechneten Werten verwendbar.
Beim Vergleich der Schneehöhen (SHAW und ZAMG) für die drei beobachteten
Winter (2002/03, 2003/04 und 2004/05) ist ersichtlich, dass die beiden Zeitreihen der
Schneehöhe aufgrund unterschiedlicher Niederschlagsereignisse und unterschiedlicher
Setzungs- und Schmelzphasen teilweise stark voneinander abweichen (Abbildung 46).
Manche Niederschlagsereignisse fallen in der Simulation stärker aus als die vom
Ultraschallpegel gemessen Werte, manche schwächer. Einige Niederschlagsereignisse
fehlen in der Simulation, andere findet man wiederum nur im Schneehöhenverlauf der
Simulation (Abbildung 46).
Ein Grund für die Abweichung der beiden Zeitreihen sind die Datenlücken bei den
meteorologischen Eingangsdaten für das SHAW-Modell, welche für diesen Testlauf
Null gesetzt wurden (Kapitel 9.1). Ein weiterer Grund ist, dass beide Messverfahren
(Niederschlagsmesser und Ultraschallpegel) mit einem teilweise recht beachtlichen
Windfehler während des Niederschlags behaftet sind, welcher aber sehr unterschiedlich
ausfallen kann [Foken, 2006; Goodison et al., 1981]. Bei der Messung der Schneehöhe
mittels Ultraschallpegel kommen noch mögliche Fehler durch Schneeverfrachtung in
der niederschlagfreien Zeit dazu. Die Schneeverfrachtung kann im Gebirge sehr stark
sein [Kind, 1981] und wird im SHAW-Modell nicht berücksichtigt. Des Weiteren ist zu
beachten, dass die beiden Messungen an unterschiedlichen Standorten durchgeführt
wurden (Kapitel 6.1).
Bei dem Vergleich der Bodentemperaturen zeigt sich, dass das SHAW-Modell die
gemessenen Werte zum Großteil zufriedenstellend wiedergibt (Abbildung 47). Bei den
simulierten Bodentemperaturen in 20 und 50 cm Tiefe ist der Verlauf im Oktober,
November und Dezember 2002 und 2003 stark geglättet (Abbildung 47). Die
Bodentemperaturen in 20 und 50 cm Tiefe in den Sommern 2003 und 2004 werden zu
66
hoch simuliert, ebenso die Bodentemperatur in 50 cm Tiefe in den Wintern 2002/03 und
2004/05 (Abbildung 47).
Bei der Bodenfeuchte liegen die simulierten Werte im Herbst 2003 sowie im Frühling
und Sommer 2004 deutlich über den gemessenen (Abbildung 47). Im Winter 2003/04
weicht der Verlauf der simulierten Bodenfeuchte ebenfalls von den gemessenen Werten
ab (Abbildung 47). Ein möglicher Grund für die zu hohen Bodenfeuchtewerte in der
Simulation ist, dass die gemessenen Werte in einem nach Südosten exponierten und
geneigten Hang bestimmt wurden, wohingegen der Testlauf auf der Annahme einer
ebenen Versuchsfläche basiert (Kapitel 9.1). Ein nach Südosten exponierter Hang
erfährt mehr Einstrahlung und trocknet deshalb stärker aus als eine ebene Fläche, dies
könnte die zu hohen Bodenfeuchtewerte der Simulation im Sommer erklären
(Abbildung 47).
Im Winter könnte der Grund für die zu hoch simulierten Bodenfeuchtewerte in der zu
geringen Schneehöhe liegen, denn dadurch kann das Schmelzwasser aus den
oberflächennahen Schichten leichter bis zum Boden gelangen (Abbildung 46). In der
Simulation werden auch die Effekte einer Pflanzendecke nicht berücksichtigt
(Kapitel 9.1), welche dem Boden Wasser und somit Feuchte entzieht. Dies könnte
ebenfalls ein Grund für die zu hohen Bodenfeuchtewerte in der Simulation sein.
67
Abbildung 46: Vergleich der Schneehöhen für den Zeitraum September 2002 bis Juli 2005
(Testlauf 1) [Daten: SHAW und ZAMG]
Abbildung 47: Vergleich der Bodentemperaturen und der Bodenfeuchte für den Zeitraum
September 2002 bis Juli 2005 (Testlauf 1) [Daten: SHAW, ZAMG und BFW]
68
9.3 Testlauf 2
Bei dieser Simulation wurden als Erstes die Datenlücken in der meteorologischen
Eingabedatei
(Lufttemperatur,
Windgeschwindigkeit,
relative
Feuchte
und
Niederschlag) durch Interpolation geschlossen. Da es nur einzelne Datenlücken gab und
die Datenausfälle jeweils nur wenige Stunden betrugen, kann diese Methode angewandt
werden ohne das Ergebnis zu sehr zu verfälschen. Im nächsten Schritt wurden die
simulierten Niederschlagsereignisse empirisch an die gemessenen Neuschneehöhen des
Ultraschallpegels angepasst. Dafür wurden die beiden Zeitreihen der Schneehöhen
verglichen, Differenzen in den Neuschneehöhen bestimmt und laut Gleichung 9-1 in das
entsprechende Schneewasseräquivalent SWE [in] umgerechnet.
SWE =
δS
Δh 0,3937
δW
9-1
Die Variable δS steht dabei für die Dichte des Neuschnees [kgm-3], δW für die Dichte von
Wasser [1000 kgm-3] und Δh für die Neuschneehöhendifferenz [cm]. Der Faktor 0,3937
rührt daher, dass die Neuschneehöhendifferenz in Zentimeter in die Formel eingeht, das
Schneewasseräquivalent aber in Inches ausgegeben wird. Die so errechnete Differenz
im Niederschlag wurde in der meteorologischen Eingabedatei (Anhang A) zum
Niederschlag
des
jeweiligen
Tages
addiert
bzw.
subtrahiert.
Fehlende
Niederschlagsereignisse wurden auf die gleiche Weise ergänzt und überflüssige
Niederschlagsereignisse aus der meteorologischen Eingabedatei entfernt.
Nach erfolgter Korrektur der meteorologischen Eingangsdaten stimmen der Verlauf der
simulierten und der gemessenen Schneehöhe im Testlauf 2 wesentlich besser überein als
im Testlauf 1 (Abbildung 46, Abbildung 48). Die teilweise recht unterschiedlichen
Setzungs- und Schmelzphasen im Winter und vor allem im Frühling bleiben erhalten
(Abbildung 46, Abbildung 48). Dies ist auch der Grund für die immer noch zu niedrige
Schneehöhe in der Simulation, verglichen mit den Messungen.
Die simulierten Bodentemperaturen in 20 und 50 cm Tiefe sind im Testlauf 2 in den
drei beobachteten Wintern aufgrund der mächtigeren Schneedecke minimal höher als
jene im Testlauf 1 (Abbildung 47, Abbildung 49). Der Verlauf der Bodentemperatur im
Sommer und Herbst ist nahezu unverändert (Abbildung 47, Abbildung 49). Die Werte
der Bodentemperaturen im Frühling sind im Testlauf 2 aufgrund der höheren
69
Bodentemperaturen während des Winters ebenfalls minimal höher als jene im
Testlauf 1 (Abbildung 47, Abbildung 49).
Die Bodenfeuchte liegt in der ersten Hälfte des Winter 2003/04 im Testlauf 2 noch
deutlich über den gemessenen Werten und auch über jenen aus dem Testlauf 1
(Abbildung 47, Abbildung 49). Der Grund dafür liegt wahrscheinlich in dem zu starken
Schmelzen im Vergleich mit dem gemessenen Schneehöhenverlauf im November und
Dezember 2003 und in der zum Testlauf 1 geringeren Schneehöhe in diesem Zeitraum
(Abbildung 46, Abbildung 48). Durch die geringere Schneehöhe kann das
Schmelzwasser von den oberflächennahen Schichten leichter bis zum Boden gelangen.
In der zweiten Hälfte des Winters 2003/04 nähern sich die Verläufe der simulierten und
der gemessenen Bodenfeuchte einander an und weisen im Frühling 2004 einen
ähnlichen Verlauf auf (Abbildung 49). Im Herbst 2003 und Sommer 2004 liegen die
simulierten
Bodenfeuchtewerte
immer
noch
deutlich
über
den
gemessenen
(Abbildung 49). Mögliche Gründe für die generell zu hohen Bodenfeuchtewerte wurden
bereits im Kapitel 9.2 behandelt.
70
9.4 Testlauf 3
Ziel dieser Simulation war es, die simulierten Setzungs- und Schmelzphasen der
Schneedecke an jene des gemessenen Schneehöhenverlaufes anzupassen. Die
Änderungen in den meteorologischen Eingabedaten aus Testlauf 2 wurden für diese
Simulation übernommen.
Grund für das zu starke Schmelzen, vor allem im Herbst und Frühling in den
Testläufen 1 und 2, waren zu hohe Werte der berechneten Schneealbedo. Die
Schneealbedo αsp wird im SHAW-Modell anhand von Gleichung 5-2 berechnet
(Kapitel 5.2.1). Aus Gleichung 5-2 und Gleichung 5-3 ist ersichtlich, dass die
Schneealbedo im SHAW-Modell nur von der Korngröße und somit von der Dichte der
obersten Schneeschicht und den drei Korngrößenkoeffizienten abhängt (Kapitel 5.2.1).
Da die Dichtewerte der obersten Schneeschicht über den ganzen Winter recht plausibel
erschienen, wurde versucht, die Schneealbedo empirisch über die Änderung der
Korngrößenkoeffizienten an die Verhältnisse auf der Schmittenhöhe anzupassen.
71
Um den simulierten Schneehöhenverlauf noch mehr an den gemessenen anzunähern,
wurden,
ebenfalls
empirisch,
die
geeignetsten
Setzungskonstanten
für
die
Schmittenhöhe ermittelt. Die Setzung im SHAW-Modell wird laut Gleichung 5-16 bzw.
Gleichung 5-17 parametrisiert (Kapitel 5.2.3).
Der Testlauf 3 wurde mit den folgenden Einstellungen, welche sich bei den Versuchen
als am geeignetsten erwiesen, durchgeführt: Der Korngrößenkoeffizient G2 wurde von
0,0 auf 1,0 gesetzt, G3 von 110 auf 25 reduziert und die Setzungskonstante C4 von 0,04
auf 4 erhöht. Alle anderen Parameter blieben unverändert.
Durch die vorgenommenen Änderungen im Testlauf 3 nähert sich der Verlauf der
simulierten Schneehöhe an den gemessenen an (Abbildung 50). Vor allem die zu stark
simulierten Setzungs- und Schmelzphasen im Herbst und Frühling konnten durch die
Änderung der Korngrößenkoeffizienten und der Setzungskonstante im Testlauf 3 an die
tatsächlichen Verhältnisse angepasst werden (Abbildung 50). Einzelne Setzungs- bzw.
Schmelzphasen (z. B. in der erste Winterhälfte 2003/04) werden in dieser Simulation
aufgrund der vorgenommenen Änderungen nun unterschätzt (Abbildung 50). Andere
Setzungs- bzw. Schmelzphasen (z. B. im Februar 2005) aber immer noch überschätzt
(Abbildung 50).
Die vorgenommenen Änderungen stellen den besten Kompromiss zwischen zu viel und
zu wenig Schmelzen bzw. Setzen dar und geben den Verlauf der gemessenen
Schneehöhen zufriedenstellend wieder. Deshalb wurden die Einstellungen und
Modifikationen aus den Testläufen 2 und 3 für die nachfolgenden Simulationen der
Schneedecke auf der Schmittenhöhe herangezogen.
Beim Vergleich der Bodentemperaturen zeigt sich, dass die simulierten Temperaturen
sowohl in 20 als auch in 50 cm Tiefe in den drei Wintern über den gemessenen und
auch über jenen aus den Testläufen 1 und 2 liegen (Abbildung 47, Abbildung 49,
Abbildung 51). Grund dafür sind wahrscheinlich die größeren Schneehöhen im
Testlauf 3 im Vergleich zu den vorigen Testläufen, die das Auskühlen des Bodens
verringern (Abbildung 46, Abbildung 48, Abbildung 50). Des Weiteren ist der verspätete
Anstieg in den Bodentemperaturen im Frühling, verglichen mit den gemessenen, aber
auch mit jenen der vorigen Testläufe, auffallend (Abbildung 47, Abbildung 49,
Abbildung 51). Der Grund für den späteren Anstieg der Bodentemperaturen im
Vergleich mit den vorigen Testläufen liegt darin, dass es im Testlauf 3 zu einem
späteren Ausapern kam (Abbildung 46, Abbildung 48, Abbildung 50). Beim Vergleich
72
des gemessenen Schneehöhenverlaufes und den gemessenen Bodentemperaturen zeigt
sich, dass die Bodentemperaturen schon bei einer Schneehöhe von etwa 1 m sprunghaft
ansteigen (Abbildung 50, Abbildung 51). Wie schon in Kapitel 7.1 erläutert liegt der
Grund dafür in den unterschiedlichen Messstandorten des Ultraschallpegels und der
Bodenthermometer (Kapitel 6.1). Aus dem Verlauf der Bodentemperatur lässt sich
schlussfolgern, dass die Schneedecke am Standort der Bodenthermometer früher
geschmolzen war als jene beim Ultraschallpegel (Abbildung 51).
Die Bodenfeuchte beginnt im Winter 2003/04 im Testlauf 3 früher zu sinken als jene im
Testlauf 2 (Abbildung 49, Abbildung 51). Dies ist auf das geringere Schmelzen und die
mächtigere Schneedecke im Testlauf 3 zurückzuführen (Abbildung 48, Abbildung 50).
Durch die mächtigere Schneedecke kann das Schmelzwasser aus den oberflächennahen
Schichten schwerer bis zum Boden gelangen. Auffällig sind auch die niedrigeren
Bodenfeuchtewerte im Winter 2002/03 im Testlauf 3 verglichen mit Testlauf 1 und 2,
dies ist ebenfalls auf das verringerte Schmelzen und die mächtigere Schneedecke im
Testlauf 3 zurückzuführen (Abbildung 47, Abbildung 49, Abbildung 51). Mögliche
Gründe für die generell zu hohen Bodenfeuchtewerte wurden bereits im Kapitel 9.2
behandelt.
73
9.5 Testlauf 4
Die Modifikationen und Änderungen aus den Testläufen 2 und 3 sind die Grundlagen
für den Testlauf 4. Um die Verhältnisse im Boden und vor allem in der Schneedecke am
Versuchsfeld Schmittenhöhe simulieren zu können, mussten aber noch die Exposition
und Hangneigung auf die dem Versuchsfeld entsprechenden Werte gesetzt werden. Das
heißt, dass die Exposition auf 135° und die Hangneigung auf 62,5 % in der
entsprechenden Eingabedatei (Anhang A) gesetzt wurde. Der folgende Vergleich der
Schneehöhen
und
Bodentemperaturen
ist
aufgrund
der
unterschiedlichen
Ausgangssituationen (ZAMG: ebene Fläche, SHAW: geneigter Hang) nur von
zweitrangiger Bedeutung. Bei der Bodenfeuchte beziehen sich in diesem Testlauf
jedoch sowohl die simulierten als auch die gemessenen Werte auf das Versuchsfeld
Schmittenhöhe.
Der Vergleich der Schneehöhen zeigt das erwartete Bild, der Schnee in einem nach
Südosten exponierten Hang schmilzt durch die stärkere Einstrahlung schneller als jener
auf einer ebenen Fläche (Abbildung 52). Ähnlich verhält es sich auch bei den
Bodentemperaturen, welche durch die stärkere Einstrahlung, die ein Südosthang erfährt,
74
sowohl im Sommer als auch im Winter über jenen der Testläufe 1, 2 und 3 und auch
deutlich über den gemessenen Werten liegen (Abbildung 47, Abbildung 49,
Durch das vorzeitige Ausapern im Testlauf 4 steigt auch die Bodentemperatur wieder
früher an als im Testlauf 3 (Abbildung 51, Abbildung 52, Abbildung 53).
Die Bodenfeuchtewerte liegen entgegen den Annahmen aus Kapitel 9.2 auch bei der
Simulation eines Südosthanges im Sommer deutlich über den gemessenen Werten
(Abbildung 53). Als Grund für die vor allem im Sommer zu hohen Bodenfeuchtewerte
kommt nun noch das bereits in Kapitel 9.2 angesprochene Fehlen einer Pflanzendecke
in Betracht. In den Wintern zeigt sich das verstärkte Schmelzen auch im Verlauf der
Bodenfeuchte wieder (Abbildung 52, Abbildung 53).
75
Abbildung 53: : Vergleich der Bodentemperaturen und der Bodenfeuchte für den Zeitraum
In den Testläufen 1 bis 4 wurde das SHAW-Modell verifiziert und optimiert, sodass die
gemessenen Werte zufriedenstellend wiedergegeben wurden und das Modell somit für
die weiteren Untersuchungen in dieser Arbeit angewendet werden kann. Die
Modifikationen und Änderungen aus den Testläufen 2, 3 und 4 sind die Grundlagen für
den Referenzlauf.
10 Simulation - Referenzlauf
So einfach wie möglich. Aber nicht einfacher!
Die Eingabedaten und Einstellungen für den Referenzlauf sind jene aus dem Testlauf 1,
welche bereits im Kapitel 9.1 erläutert wurden. Allerdings wurden die meteorologischen
Eingabedaten geändert (Testlauf 2, Kapitel 9.3), die Parametrisierung der Schneealbedo
und der Setzung an die Verhältnisse auf der Schmittenhöhe angepasst (Testlauf 3,
Kapitel 9.4) und die Exposition und Hangneigung auf die dem Versuchsfeld
entsprechenden Werte gesetzt (Testlauf 4, Kapitel 9.5).
Bei den vorgenommenen Einstellungen generiert das Modell mehrere Ausgabedateien
in einem vorbestimmten Format (Anhang A). Die für die weitere Diskussion wichtigen
Daten wurden visualisiert und werden im Folgenden für die drei beobachteten Winter
und die fünf Gleitschneeereignisse dargestellt. Es wurden jeweils drei Abbildung für
jeden der acht Zeiträume angefertigt.
In den ersten Abbildungen sind der Verlauf der Schneehöhen (0 Uhr-Werte) und der
modifizierte Niederschlagsverlauf zusammen mit der Wasserbilanz für die Schneedecke
und den Erdboden dargestellt. Die Wasserbilanz der Schneedecke zeigt die Entwicklung
des Flüssigwassergehalts innerhalb der Schneedecke durch Regen, Schneefall und
Schmelzwasser. Niederschlag wird in der Wasserbilanz der Schneedecke, bzw. wenn
keine Schneedecke vorhanden ist, in der Wasserbilanz des Erdbodens positiv angezeigt.
Negative Werte in der Wasserbilanz der Schneedecke bedeuten, dass es einen
Wassertransport von der Schneedecke zum Boden gibt. Es ist deutlich zu erkennen, dass
in diesem Fall die Wasserbilanz des Bodens gleichermaßen positiv ausschlägt. Wenn
das Wasser bis zur letzten Bodenschicht durchgedrungen ist, wird dieser Abfluss durch
negative Werte in der Wasserbilanz des Bodens dargestellt.
Die zweiten Abbildungen zeigen, wiederum für alle acht Zeiträume, den Verlauf der
simulierten Bodentemperatur und Bodenfeuchte für die neun Bodenschichten. Die
Bodenfeuchte wird in Form des Verhältnisses von Kubikmeter Wasser zu Kubikmeter
Boden dargestellt.
77
Simulation - Referenzlauf
Bei den dritten Abbildungen wurden die Temperatur, der Wassergehalt und die Dichte
der
einzelnen
Schneeschichten
dargestellt.
Der
Wassergehalt
wird
vom
SHAW-Modell standardmäßig in der Einheit Meter Wasserpotential ausgegeben und
steht für die Höhe einer Wassersäule über einer Fläche mit einem Quadratmeter. Dieser
Wert wurde nachträglich in den gravimetrischen Wassergehalt mit der Einheit Prozent
umgerechnet, welcher für das Verhältnis zwischen der Masse des Schnees und der
Masse des flüssigen Wassers in jeder Schicht steht.
10.1 Winter 2002/03
Da die Bodentemperaturen zum Zeitpunkt der ersten Schneefälle noch deutlich
über 0 °C lagen und der Niederschlag zu Beginn zum Teil als Regen bzw. Schneeregen
fiel, waren die untersten Schichten der Schneedecke in den Monaten September,
Oktober und November stets stark durchfeuchtet (Abbildung 54, Abbildung 55,
Abbildung 56).
Es ist ebenfalls klar zu erkennen, dass das Wasser, welches durch das Schmelzen in den
oberen Schneeschichten produziert wurde, bei Schneetemperaturen um 0 °C langsam
durch die Schneedecke sickerte (Abbildung 56). Erreichte das Schmelzwasser die
untersten Schneeschichten, erhöhte sich der Wassergehalt in dieser Schicht oder es kam,
wie in den meisten Fällen, zu einem Wassertransport von der Schneedecke in den
Erdboden (Abbildung 54, Abbildung 55, Abbildung 56).
Die Bodentemperatur nahm im Herbst langsam ab (Abbildung 55). Wenn der Boden mit
Schnee bedeckt war, ist der Verlauf der Bodentemperatur geglättet, ansonsten zeigt vor
allem die Zeitreihe der obersten Schicht einen starken, strahlungsbedingten Tagesgang
(Abbildung 54, Abbildung 55). Im Hochwinter lag die Temperatur der obersten
Bodenschicht zwischen 0 und 0,5 °C (Abbildung 55).
Aufgrund der positiven Bodentemperaturen im Hochwinter bildete sich, sofern die
Schneedecke nicht gefroren war, durch Schmelzen an der Schneedeckenunterseite eine
stark durchnässte Gleitschicht aus (Abbildung 55, Abbildung 56). Diese feuchte
Grenzschicht bestand, mit einzelnen Ausnahmen bei denen die Schneedecke aufgrund
tiefer Lufttemperaturen auf ihrer ganzen Dicke Temperaturen unterhalb des
Gefrierpunktes erreichte, über den ganzen Winter (Abbildung 56).
Die Bodenfeuchte sank über den gesamten Winter, mit Ausnahme einzelner kurzer
Anstiege aufgrund durchgesickerten Schmelzwassers von der Schneedeckenoberseite,
78
kontinuierlich (Abbildung 54, Abbildung 55, Abbildung 56). Mit Ende März stieg die
Bodenfeuchte aufgrund des vermehrten Schmelzwassers, welches durch die zu diesem
Zeitpunkt schon sehr dünne Schneedecke durchsickerte, wieder stark an (Abbildung 54,
Mit dem Ausapern Ende Mai stiegen auch die Bodentemperaturen wieder rapide an
(Abbildung 54, Abbildung 55). In diesem Winter wurden im Versuchfeld Schmittenhöhe
keine Gleitschneeereignisse beobachtet.
Abbildung 54: Zeitreihe der Schneehöhe, des Niederschlags und der Wasserbilanz der Schneedecke
bzw. des Bodens für den Winter 2002/03 [Daten: SHAW]
79
Abbildung 55: Zeitreihe der Bodentemperatur und der Bodenfeuchte für den Winter 2002/03
[Daten: SHAW]
Abbildung 56: Temperatur-, Wassergehalt- und Dichteprofil der Schneedecke für den
Winter 2002/03 [Daten: SHAW]
80
10.2 Winter 2003/04
Im Winter 2003/04 kam es zu drei Gleitschneeereignissen im Bereich des
Versuchsfeldes Schmittenhöhe (Kapitel 8), diese sind in den folgenden Abbildungen
jeweils durch einen vertikalen, schwarzen Strich gekennzeichnet.
Da die ersten Schneefälle des Winters 2003/04 wiederum auf einen nicht gefrorenen
Boden fielen und die Niederschläge erst später von Regen in Schnee übergingen, bildete
sich auch in diesem Herbst eine stark durchfeuchtete Gleitschicht aus (Abbildung 57,
Mit dem Erreichen des Schmelzwassers von der Schneedeckenoberseite in der feuchten
Grenzschicht kam es zu einem Wassertransport zwischen Schneedecke und Erdboden
und damit zu einem Anstieg der Bodenfeuchte (Abbildung 57, Abbildung 58,
Abbildung 59).
Beim Vergleich der beiden Wintern 2002/03 und 2003/04 fällt die unterschiedliche
zeitliche Eindringstruktur des Schmelzwassers auf (Abbildung 56, Abbildung 59).
Aufgrund des dichteren Schnees in den unteren Schichten des Winters 2003/04 gelangte
das Schmelzwasser langsamer bis zur Gleitschicht bzw. bis zum Boden. Dies ist in der
Abbildung 59 durch das Ausfächern des durchsickernden Schmelzwassers deutlich zu
erkennen.
Die Bodentemperaturen lagen im Herbst dieses Jahres über jenen des Vorjahres
Aufgrund der Verhältnisse im Versuchsfeld Schmittenhöhe kam es im Herbst 2003/04
zum Abgang von zwei Gleitschneelawinen (Kapitel 8.1 und 8.2).
Die Bodentemperatur der obersten Bodenschicht lag im Hochwinter dieses Jahres
zwischen 0,3 und 0,6 °C (Abbildung 58). Aufgrund der positiven Bodentemperaturen
bildete sich auch in diesem Winter durch Schmelzen an der Schneedeckenunterseite und
aufgrund von durchgesickertem Schmelzwasser eine stark durchnässte Gleitschicht aus
Mitte März stieg die Bodenfeuchte aufgrund von durchgesickertem Schmelzwasser
rapide an und es kam zur Ausbildung eines Gleitrisses (Abbildung 57, Abbildung 58,
Abbildung 59, Kapitel 8.3).
Mitte April begann die Schneedecke zu schmelzen und damit stieg auch die
Bodenfeuchte stark an (Abbildung 57, Abbildung 58). Mit dem Ausapern Mitte Mai
stiegen auch die Bodentemperaturen rapide an (Abbildung 57, Abbildung 58).
81
[Daten: SHAW]
82
10.3 Winter 2004/05
Im Winter 2004/05 kam es zu zwei Gleitschneeereignissen im Bereich des
Versuchsfeldes Schmittenhöhe (Kapitel 8), in den folgenden Abbildungen wiederum
durch eine vertikale, schwarze Linie gekennzeichnet.
Die Bodentemperaturen im Herbst bzw. Frühwinter dieses Jahres sind die höchsten der
drei beobachteten Winter (Abbildung 55, Abbildung 58, Abbildung 61). Aufgrund der
hohen Bodentemperaturen und der Tatsache, dass auch in diesem Winter den ersten
Schneefällen Regen und Schneeregen voraus gegangen waren, bildete sich eine stark
durchfeuchtete Gleitschicht aus (Abbildung 60, Abbildung 61, Abbildung 62).
Ende November stieg die Bodenfeuchte aufgrund mehrerer Schmelzphasen und dem
Übergang des Schmelzwassers in den Boden an (Abbildung 60, Abbildung 61,
Abbildung 62). In weiterer Folge kam es zum Abgang einer Gleitschneelawine
(Kapitel 8.4).
Wie in den beiden Wintern zuvor, bildete sich auch in diesem Winter eine stark
durchnässte Grenzschicht aus. Aufgrund der Schneetemperaturen unterhalb des
83
Gefrierpunktes blieb aber von Mitte Januar bis Mitte März der Zufluss von
Schmelzwasser von der Schneedeckenoberseite aus (Abbildung 62).
Die Bodentemperatur der obersten Schicht lag im Hochwinter zwischen 0,3 und 0,8 °C,
damit waren auch die Temperaturen im Hochwinter die höchsten der drei beobachteten
Perioden (Abbildung 61). Ende Februar nahm der Wassergehalt in der Grenzschicht
aufgrund der tiefen Schneetemperaturen ab (Abbildung 62).
Mitte März kam es durch das Schmelzen an der Schneedeckenunterseite und des von
der Schneedeckenoberseite durchgesickerten Schmelzwassers erneut zur Ausbildung
einer stark durchfeuchteten Gleitschicht (Abbildung 60, Abbildung 62) und in weiterer
Folge zur Bildung eines Gleitrisses im Versuchsfeld Schmittenhöhe (Kapitel 8.5).
Mit dem Ausapern Anfang Mai stiegen auch die Bodentemperaturen sprunghaft an
84
[Daten: SHAW]
85
10.4 Gleitschneelawine am 10. Oktober 2003
Am 10. Oktober kam es zum Abgang einer Gleitschneelawine im Beobachtungsgebiet
(Kapitel 8.1), die vertikale, schwarze Linie in den folgenden Abbildungen markiert den
10. Oktober, Null Uhr.
Vor der Ausbildung einer Schneedecke in dem beobachteten Zeitraum fielen die ersten
Niederschläge als Regen, dies führte zum Anstieg der Bodenfeuchte in der obersten
Schicht von 0,37 auf 0,49 m3m-3 (Abbildung 63, Abbildung 64).
Zu Beginn der Schneefälle am 04. und 05. Oktober war der Erdboden noch relativ
warm, die Temperatur der obersten Schicht lag zwischen 6 und 7 °C (Abbildung 63,
Abbildung 64). Aufgrund der Bodentemperaturen oberhalb des Gefrierpunktes
schmolzen die untersten Schneeschichten, dies und der durch den vorrangegangenen
Regen bereits feuchte Boden, sorgten schon zu Beginn der Schneefälle für die
Ausbildung einer durchnässten Grenzschicht zwischen Schneedecke und Erdboden
In den Tagen vor dem Lawinenabgang gefror der obere Teil der Schneedecke aufgrund
der tiefen Temperaturen immer wieder (Abbildung 65).
Am 07. Oktober schmolz ein Teil der Schneedecke und das durchsickernde
Schmelzwasser von der Schneedeckenoberseite führte beim Erreichen der Gleitschicht
jedoch nicht zu einem Abfluss des Schmelzwassers aus der Schneedecke in den
Erdboden (Abbildung 63, Abbildung 65). Die Dichte der Schneedecke und vor allem der
untersten Schneeschichten nahm in diesem Zeitraum zu (Abbildung 65).
Am 09. Oktober begann die Schneedecke erneut zu schmelzen, dies führte wiederum
zum Anstieg des Wassergehaltes und der Dichte in der gesamten Schneedecke
(Abbildung 65).
In der Nacht des 10. Oktober fiel ca. 1 mm Regen auf die Schneedecke und am späten
Nachmittag zeigte die Wasserbilanz, ebenso wie die Bodenfeuchte, den Übergang von
Wasser aus der Schneedecke in den Erdboden (Abbildung 63, Abbildung 64).
Der obere Teil der Schneedecke gefror in der Nacht des 10. Oktober nicht wie in den
Tagen zuvor und somit hatte die Schneedecke in dieser Nacht und am folgenden Tag
eine Temperatur von 0 °C auf ihrer gesamten Dicke. Die Bodentemperatur lag bei ca.
3,8 °C und die Bodenfeuchte der obersten Schicht stieg von 0,42 auf 0,43 m3m-3 an
(Abbildung 64, Abbildung 65). Am 10. Oktober war die Schneedecke ab 12 Uhr auf
ihrer gesamten Dicke durchfeuchtet, der maximale Wassergehalt der Gleitschicht lag
86
bei 6,0 % (Abbildung 65). Die Dichte der untersten Schneeschichten lag an diesem Tag
zwischen 180 und 220 kgm-3 (Abbildung 65).
bzw. des Bodens für den Zeitraum vom 30. September bis zum 20. Oktober 2003 [Daten: SHAW]
Abbildung 64: Zeitreihe der Bodentemperatur und der Bodenfeuchte für den Zeitraum vom
30. September bis zum 20. Oktober 2003 [Daten: SHAW]
87
Abbildung 65: Temperatur-, Wassergehalt- und Dichteprofil der Schneedecke für den Zeitraum
vom 30. September bis zum 20. Oktober 2003 [Daten: SHAW]
Wie im Kapitel 8.2 behandelt, ereignete sich am 03. November 2003 eine zweite
Gleitschneelawine im Beobachtungsgebiet. Die vertikale, schwarze Linie in den
folgenden Abbildungen markiert wiederum den Tag des Lawinenereignisses, Null Uhr.
Es ist deutlich zu erkennen, dass die Schneedecke ab dem 25. Oktober tagsüber auf
ihrer gesamten Dicke durchfeuchtet war und das flüssige Wasser innerhalb der
Schneedecke in den Nächten durch die tiefen Schneetemperaturen zwischen -15 und
-5 °C wiedergefror (Abbildung 68).
Das Schmelzwasser, welches in der Schmelzphase vor dem 30. Oktober tagsüber an der
Oberseite der Schneedecke entstand, sickerte zum Teil bis in den Boden durch, sodass
der Wassertransport von der Schneedecke in den Erdboden täglich zunahm
(Abbildung 66, Abbildung 67, Abbildung 68).
Die Bodentemperatur der obersten Schicht schwankte in den Tagen vor dem
Lawinenereignis zwischen 0,1 und 3 °C (Abbildung 67). Die Bodenfeuchte in 0 cm
88
Tiefe stieg bis zum 31. Oktober von 0,39 auf 0,45 m3m-3 an und sank bis zum
03. November wieder auf knapp 0,4 m3m-3 ab (Abbildung 67).
Am 01. November war laut den Daten der Simulation die gesamte Schneedecke
geschmolzen und mit den einsetzenden Niederschlägen bildete sich eine neue
Schneedecke aus (Abbildung 66, Abbildung 68). Nach den Schneefällen der Nacht des
02. November begann die Schneedecke bereits am selben Tag erneut zu schmelzen, das
Schmelzwasser gelangte abermals durch die tagsüber 0 °C warme Schneedecke bis in
den Boden und es bildete sich eine stark durchnässte Grenzschicht zwischen
Schneedecke und Erdboden aus (Abbildung 66, Abbildung 67, Abbildung 68). Die
Dichte der untersten Schneeschichten nahm an diesem Tag leicht zu (Abbildung 68).
Die Bodentemperatur der obersten Schicht am 03. November lag bei etwa 1,4 °C, die
Bodenfeucht dieser Schicht stieg mit dem Übergang des Schmelzwassers von der
Schneedecke in den Boden von 0,38 auf 0,43 m3m-3 an (Abbildung 66, Abbildung 67).
Die Schneedecke war in der Nacht des 03. Novembers auf ihrer gesamten Dicke
gefroren und erreichte erst im Laufe des Tages den Zustand der 0°C-Isothermie. Zu
diesem Zeitpunkt war die Schneedecke auf ihrer gesamten Dicke durchfeuchtet und eine
ausgeprägte Gleitschicht war vorhanden (Abbildung 68). Der maximale Wassergehalt in
der Gleitschicht lag bei 7,5 % (Abbildung 68). Die Dichte der untersten
Schneeschichten lag an diesem Tag zwischen 140 und 170 kgm-3 (Abbildung 68).
89
bzw. des Bodens für den Zeitraum vom 24. Oktober bis zum 13. November 2003 [Daten: SHAW]
24. Oktober bis zum 13. November 2003 [Daten: SHAW]
90
vom 24. Oktober bis zum 13. November 2003 [Daten: SHAW]
Im Frühjahr 2004 kam es zur Ausbildung eines weiteren Gleitrisses im Versuchsfeld
Schmittenhöhe (Kapitel 8.3). Die vertikale, schwarze Linie in den folgenden
Abbildungen markiert den 19. März, Null Uhr.
In den Tagen vor dem Gleitschneeereignis schmolz die Schneedecke im
Beobachtungsgebiet stetig und das Schmelzwasser aus den oberen Schneeschichten
sickerte langsam durch die 0 °C warme Schneedecke (Abbildung 69, Abbildung 71).
Am 15. März erreichte das Schmelzwasser von der Schneedeckenoberseite schließlich
die bereits stark durchfeuchtete Grenzschicht zwischen Schneedecke und Boden
(Abbildung 71).
In den Abendstunden dieses Tages kam es zu einem Wassertransport zwischen der
Schneedecke und dem Erdboden, welcher sich in den folgenden Tagen in gesteigertem
Ausmaß
wiederholte,
sodass
der
Wassergehalt
in
der
Gleitschicht
Schmelzwasserzufuhr nahezu konstant blieb (Abbildung 69, Abbildung 71).
trotz
91
In den Tagen vor dem Gleitschneeereignis stieg die Bodenfeuchte von 0,35 auf
0,42 m3m-3 an, die Bodentemperatur lag im gesamten Beobachtungszeitraum bei 0,4 °C
(Abbildung 70).
Die
Dichte
der
unteren
Schneeschichten
blieb
in
den
Tagen
vor
dem
Gleitschneeereignis nahezu konstant, lediglich die Dichte der obersten Schneeschicht
nahm leicht zu (Abbildung 71).
Am 19. März gab es abermals einen Wassertransport von der Schneedecke in den
Erdboden und die Bodenfeuchte stieg auf 0,43 m3m-3 an (Abbildung 69, Abbildung 70).
Die Schneedecke hatte an diesem Tag eine Temperatur von 0 °C auf ihrer gesamten
Dicke und die Dichte der untersten Schichten lag zwischen 340 und 390 kgm-3
(Abbildung 71). Die Schneedecke war auf ihrer gesamten Dicke durchfeuchtet und der
maximale Wassergehalt in der Gleitschicht lag bei 6,2 % (Abbildung 71).
bzw. des Bodens für den Zeitraum vom 09. März bis zum 29. März 2004 [Daten: SHAW]
92
09. März bis zum 29. März 2004 [Daten: SHAW]
vom 09. März bis zum 29. März 2004 [Daten: SHAW]
93
Wie in Kapitel 8.4 behandelt, kam es am 24. November 2004 zu einem weiteren
Gleitschneelawinenabgang.
Die
vertikale,
schwarze
Linie
in
den
folgenden
Abbildungen markiert den Tag des Gleitschneeereignisses, Null Uhr.
Bis zum 19. November ist zu erkennen, dass das flüssige Wasser in der Schneedecke
jede Nacht aufgrund der negativen Schneetemperaturen bis zum Boden gefror und es
tagsüber einen geringen Wassertransport von der Schneedecke in den Erdboden gab
Die Bodentemperatur in 0 cm Tiefe lag in diesem Zeitraum zwischen 1,6 und 2,2 °C,
die Bodenfeuchte bei 0,35 m3m-3 (Abbildung 73). Die Niederschläge am 18. November
und in der Nacht zum 19. November fielen zum Teil als Regen bzw. Schneeregen auf
die Schneedecke, dadurch stieg der Wassergehalt innerhalb der Schneedecke an und es
kam zu einem Wassertransport von der Schneedecke in den Erdboden (Abbildung 72,
Abbildung 74). Die Bodenfeuchte der obersten Schicht stieg in diesem Zeitraum auf bis
zu 0,40 m3m-3 an (Abbildung 73).
Durch die Schneefälle vom 19. November nahm die Schneehöhe auf über 40 cm zu, ab
dem 21. November begann die Schneedecke wieder zu schmelzen (Abbildung 72). Die
Gleitschicht blieb in den Tagen bis zum Lawinenereignis bestehen, sie wurde allerdings
nicht verstärkt, da das Schmelzwasser von der Schneedeckenoberseite nachts aufgrund
der negativen Temperaturen der obersten Schneeschichten wieder gefror und so nicht
bis zum Boden durchdrang (Abbildung 74).
In der Nacht des 24. November war die Schneedecke bis auf das untere Drittel gefroren,
tagsüber erreicht sie fast auf ihrer gesamten Dicke den Zustand der 0°C-Isothermie
(Abbildung 74). Die obere Hälfte der Schneedecke war gegen Mittag des 24. November
durchfeuchtet, die untere Hälfte, mit Ausnahme der durchfeuchteten Gleitschicht, blieb
hingegen trocken (Abbildung 74). Der maximale Wassergehalt innerhalb der
Gleitschicht lag an diesem Tag bei 6,1 %, die Dichte der untersten Schneeschichten
zwischen 190 und 235 kgm-3 (Abbildung 74). Die Temperatur der obersten
Bodenschicht betrug am 24. November 1,6 °C, die Bodenfeuchte in 0 cm Tiefe
0,38 m3m-3 (Abbildung 73).
94
bzw. des Bodens für den Zeitraum vom 14. November bis zum 04. Dezember 2004 [Daten: SHAW]
14. November bis zum 04. Dezember 2004 [Daten: SHAW]
95
vom 14. November bis zum 04. Dezember 2004 [Daten: SHAW]
Im Frühling des Jahres 2005 kam es zur Ausbildung eines zweiten Gleitrisses im
Versuchsfeld Schmittenhöhe (Kapitel 8.5). Die vertikale, schwarze Linie in den
folgenden Abbildungen markiert den 20. März, Null Uhr.
Die Schneedecke schmolz im Beobachtungszeitraum kontinuierlich, am 10. und
12. März fielen kleine Mengen an Schnee, welche den Schmelzprozess aber nur
kurzzeitig stoppen konnten (Abbildung 75, Abbildung 77).
Die Temperatur der obersten Bodenschicht lag zwischen 0,3 und 0,4 °C, die
Bodenfeuchte bei 0,32 m3m-3 (Abbildung 76). Zwischen dem 13. und 15. März begann
die Ausbildung einer Gleitschicht durch das Schmelzen an der Unterseite der
Schneedecke (Abbildung 77).
Am 15. März erreicht die Schneedecke den Zustand der 0°C-Isothermie und ab dem
16. März war sie auf ihrer gesamten Dicke durchfeuchtet (Abbildung 77). Die Dichte
der einzelnen Schneeschichten nahm in den Tagen vor dem Gleitschneeereignis
langsam zu (Abbildung 77).
96
Mit dem Erreichen der durchfeuchteten Grenzschicht am 17. März gelangte das
Schmelzwasser von der Schneedeckenoberseite nun weiter in den Erdboden
Der Wassertransport von der Schneedecke in den Erdboden steigerte sich täglich bis
zum 20. März, wodurch die Bodenfeuchte in 0 cm Tiefe von 0,32 auf 0,44 m3m-3
anstieg und am 20. März wieder langsam zu sinken begann (Abbildung 75,
Abbildung 76). Die Bodentemperatur der obersten Schicht lag am 20. März zwischen
0,3 und 0,4 °C (Abbildung 76). Die Schneedecke hatte an diesem Tag den Zustand der
0°C-Isothermie und war auf ihrer gesamten Dicke durchfeuchtet (Abbildung 77). Der
maximale Wassergehalt der Grenzschicht betrug 6,0 % und die Dichte der untersten
Schneeschichten lag zwischen 300 und 380 kgm-3 (Abbildung 77).
bzw. des Bodens für den Zeitraum vom 10. März bis zum 30. März 2005 [Daten: SHAW]
97
10. März bis zum 30. März 2005 [Daten: SHAW]
vom 10. März bis zum 02. April 2005 [Daten: SHAW]
11 Ergebnisse
Der unermesslich reichen, stets sich erneuernden Natur gegenüber
wird der Mensch, soweit er auch in der wissenschaftlichen Erkenntnis
fortgeschritten sein mag, immer das sich wundernde Kind bleiben und
muss sich stets auf neue Überraschungen gefasst machen.
Max Planck (1858-1947)
Dieses Kapitel dient dazu, um aus den aufbereiteten meteorologischen und
schneephysikalischen Daten (Kapitel 7 und 8), sowie aus den durch das SHAW-Modell
berechneten Daten (Kapitel 10) Gemeinsamkeiten bzw. Unterschiede in den drei
beobachteten Wintern und bei den Abgängen der Gleitschneelawinen bzw. dem
Auftreten der Gleitrisse aufzuzeigen.
Bei den Bodentemperaturen der drei untersuchten Wintern fällt auf, dass es laut ZAMG
und SHAW keine negative Temperaturen gab, das heißt, dass der Boden zu keiner Zeit
gefroren war (Abbildung 19, Abbildung 21, Abbildung 23, Abbildung 55, Abbildung 58,
Abbildung 61). Es ist ebenfalls zu erkennen, dass die Bodentemperaturen im Herbst und
Winter 2002/03 niedriger waren als in den beiden anderen Wintern (Abbildung 19,
Abbildung 21, Abbildung 23, Abbildung 55, Abbildung 58, Abbildung 61).
Da die Bodentemperaturen während der drei untersuchten Winter über dem
Gefrierpunkt lagen, kam es, sofern die Schneedecke nicht gefroren war, zur Bildung
einer Gleitschicht (Abbildung 19, Abbildung 21, Abbildung 23, Abbildung 55,
Abbildung 56, Abbildung 58, Abbildung 59, Abbildung 61, Abbildung 62).
Auch beim Vergleich des Wassertransportes zwischen Schneedecke und Erdboden bzw.
dem Verlauf der Bodenfeuchte für den Winter 2002/03, fallen keine grundlegenden
Unterschiede im Vergleich zu den anderen beiden untersuchten Wintern auf, die das
Ausbleiben von Gleitschneelawinen oder Gleitrissen in diesem Winter erklären können
(Abbildung 54, Abbildung 55, Abbildung 57, Abbildung 58, Abbildung 60,
Abbildung 61).
Speziell die Situation in der Schneedecke und dem Erdboden im Herbst und Frühling
war denen der Winter 2003/04 und 2004/05 sehr ähnlich (Abbildung 55, Abbildung 56,
99
Ergebnisse
Abbildung 58, Abbildung 59, Abbildung 61, Abbildung 62). Dennoch kam es im
Herbst 2003 und 2004 zum Abgang von drei Gleitschneelawinen, nicht jedoch im
Herbst 2002.
Die Bodenfeuchte sank in allen drei Wintern stetig und aufgrund des durchgesickerten
Schmelzwassers im März kam es zu einem rapiden Anstieg der Feuchte in den oberen
Bodenschichten. Dies führte in den Jahren 2004 und 2005 zur Ausbildung eines
Gleitrisses, nicht jedoch im März 2003 (Abbildung 55, Abbildung 58, Abbildung 61).
Im Folgenden werden nun die fünf Gleitschneeereignisse im Bereich des
Versuchsfeldes Schmittenhöhe konkret miteinander verglichen. Anhand von Tabelle 5
soll ein Überblick über die aus den meteorologischen Messungen (Kapitel 8) und den
aus dem SHAW-Referenzlauf (Kapitel 10) gewonnenen Erkenntnisse und die daraus
entnommenen Werte gegeben werden.
Erkenntnis bzw. Wert aus
den Messungen und der Simulation
(1) 0°C-Isothermie der Schneedecke
(2) gesamte Schneedecke durchfeuchtet
(3) Wiedergefrieren der Schneedecke
(4) Gewichtszunahme der Schneedecke (Schneefall/Regen)
(5) Wassertransport von der Schneedecke in den Erdboden
(6) Zunahme des Wassertransportes
(7) Bodentemperatur der obersten Schicht [°C]
3 -3
(8) Bodenfeuchte der obersten Schicht [m m ]
(9) max. gravimetrischer Wassergehalt der Gleitschicht [%]
-3
(10) Dichte der Gleitschicht [kgm ]
-1
(11) Schmelzrate (SR1) [cmd ]
-1
(12) Schmelzrate (SR3) [cm(3d) ]
-1
(13) Schmelzrate (SR5) [cm(5d) ]
(14) mittlere Schneehöhe am Tag des Ereignisses [cm]
GSL1
GSL2
GSL3
GR1
GR2
10.10.03 03.11.03 24.11.04 19.03.04 20.03.05
JA
JA
(JA)
JA
JA
NEIN
3,8
0,43
6,0
220
14,5
29,0
29,0
40
JA
JA
JA
JA
JA
NEIN
1,4
0,43
7,5
170
4,1
5,0
5,0
12
(JA)
(NEIN)
JA
JA
(JA)
NEIN
1,6
0,38
6,1
235
3,7
13,4
23,5
28
JA
JA
(JA)
NEIN
JA
JA
0,4
0,43
6,2
390
2,3
7,9
19,6
80
Tabelle 5: Erkenntnisse und Werte aus den meteorologischen Messungen und dem
SHAW-Referenzlauf für die einzelnen Gleitschneeereignisse (Kapitel 8 und 10)
[Daten: ZAMG, SHAW]
Die Abkürzungen GSL und GR stehen für Gleitschneelawine bzw. Gleitriss, die
nachfolgende Zahl für die chronologische Reihenfolge des Auftretens der
Gleitschneeereignisse. In Klammer stehende Erkenntnisse treffen nur bedingt auf das
Gleitschneeereignis zu (Tabelle 5).
JA
JA
NEIN
JA
JA
JA
0,4
0,44
6,0
380
2,1
12,5
25,6
95
Ergebnisse
100
Aus dem Schneehöhenverlauf des SHAW-Referenzlaufes sind die Schmelzraten für die
einzelnen Gleitschneeereignisse mit einem Berechnungszeitraum von einem (SR1), drei
(SR3) und fünf Tagen (SR5) laut den folgenden Formeln berechnet worden.
SR1 = SH −1 − SH 0
11-1
SR3 = (SH −2 − SH −1 ) + (SH −1 − SH 0 ) + (SH 0 − SH +1 )
11-2
SR5 = (SH − 4 − SH − 3 ) + (SH − 3 − SH − 2 ) + (SH − 2 − SH −1 ) + (SH −1 − SH 0 )
+ (SH 0 − SH +1 )
11-3
Die Abkürzung SR in den Gleichungen 11-1, 11-2 und 11-3 steht für die Schmelzraten,
SH für die jeweiligen Schneehöhen. Der Index 0 bezeichnet den Tag des
Gleitschneeereignisses, Null Uhr. Die Indizes -1, -2, -3, und -4 stehen für einen, zwei,
drei bzw. vier Tage vor dem Gleitschneeereignis, wiederum Null Uhr. Der Index +1
steht für den Tag nach dem Gleitschneeereignis, abermals Null Uhr. Wenn es an einem
Tag Neuschnee gab und somit die Schneehöhendifferenz für den Zeitraum negativ ist,
wurde dieser Zeitraum bei der Berechnung der Schmelzrate nicht berücksichtigt.
Es ist zu erkennen, dass die Schneedecke bei vier der fünf Gleitschneeereignisse eine
Temperatur von 0 °C auf ihrer gesamten Dicke erreicht hatte (Tabelle 5, Kriterium 1).
Bei der Gleitschneelawine vom 24. November 2004 (GSL3) wiesen lediglich die
obersten 5 cm eine Temperatur unter 0 °C auf, man kann also auch in diesem Fall von
einer 0°C-Isothermen Schneedecke sprechen (Abbildung 74).
Des Weiteren ist zu erkennen, dass die Schneedecke wiederum in vier von fünf Fällen
auf ihrer gesamten Dicke durchfeuchtet war, das heißt, dass der gravimetrische
Wassergehalt in allen Schichten der Schneedecke größer als 2 % war (Tabelle 5,
Kriterium 2). Bei der GSL3 war die untere Hälfte der Schneedecke, mit Ausnahme der
Gleitschicht, trocken, das heißt, dass in einem Drittel der Schneedecke der
gravimetrische Wassergehalt der einzelnen Schichten kleiner gleich 2 % war
(Abbildung 74).
Das dritte Kriterium, nämlich das Wiedergefrieren der Schneedecke, das heißt, dass
mindestens die obersten Schichten der Schneedecke Temperaturen unterhalb von 0 °C
aufweisen, wurde von vier der fünf Gleitschneeereignisse zumindest bedingt erfüllt
(Tabelle 5, Kriterium 3). Bei der GSL1 und dem GR1 wies nur die oberste Schicht
kurzzeitig Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes auf, bei dem GR2 behielt die
Schneedecke auch in der Nacht den Zustand der 0°C-Isothermie bei (Abbildung 65,
101
Ergebnisse
Abbildung 71, Abbildung 77). Die Schneedecke am 03. November 2003 (GSL2) war in
der Nacht auf ihrer gesamten Dicke erneut gefroren, im Gegensatz dazu wies bei der
GSL3 zwar der obere Teil der Schneedecke Minustemperaturen auf, das flüssige
Wasser in der Gleitschicht hingegen war nicht gefroren (Abbildung 68, Abbildung 74).
Als Grund für die Lawinenauslösung bzw. Ausbildung eines Gleitrisses kam die
Zunahme der Belastung durch Niederschlag (Schneefall oder Regen) bei den
Gleitschneelawinen
vom
10.
Oktober
2003,
03.
November
2003
und
24. November 2004 (GSL1, GSL2 und GSL3), sowie beim Gleitriss vom 20. März 2005
(GR2) in Frage (Tabelle 5, Kriterium 4). Bei diesen vier Gleitschneeereignissen gab es
am Tag des Ereignisses bzw. am Tag zuvor Niederschlag (Abbildung 63,
Bei allen fünf Gleitschneeereignissen kam es am Tag des Lawinenabgangs bzw. der
Gleitrissbildung zu einem Wassertransport zwischen der Schneedecke und dem
Erdboden (Tabelle 5, Kriterium 5). Bei der GSL3 fiel dieser allerdings sehr gering aus,
weshalb der Wert in Klammern gesetzt wurde (Abbildung 72).
Das sechste Kriterium wurde nur von den beiden Gleitrissen vom 19. März 2004 (GR1)
und vom 20. März 2005 (GR2) erfüllt (Tabelle 5, Kriterium 6). In den beiden
Zeiträumen steigerte sich der Wassertransport von der Schneedecke in den Erdboden in
den Tagen vor dem Gleitschneeereignis täglich (Abbildung 69, Abbildung 75).
Die
Bodentemperatur
der
obersten
Schicht
lag
bei
den
drei
Gleitschneelawinenabgängen deutlich über dem Gefrierpunkt und auch bei den beiden
Gleitrissen war die Temperatur mit 0,4 °C im positiven Bereich (Tabelle 5, Wert 7).
Bei dem Feuchtegehalt der obersten Bodenschicht fällt auf, dass, bis auf den
Gleitschneelawinenabgang vom 24. November 2004 (GSL3), der Wert bei 0,43 m3m-3
oder darüber lag (Tabelle 5, Wert 8). Bei der GSL3 war der Bodenfeuchtewert der
obersten Schicht mit 0,38 m3m-3 deutlich niedriger als bei den anderen vier
Gleitschneeereignissen (Tabelle 5, Wert 8).
Der maximale gravimetrische Wassergehalt der Gleitschicht lag bei den fünf
Gleitschneeereignissen zwischen 6,0 und 7,5 % (Tabelle 5, Wert 9).
Die Dichte der Gleitschicht lag bei den Gleitschneelawinenabgängen zwischen 170 und
235 kgm-3, zu den Zeitpunkten der Ausbildung der Gleitrisse zwischen 380 und
390 kgm-3 (Tabelle 5, Wert 10).
Ergebnisse
102
Bei den Werten der Schmelzraten ist keine Signifikanz zu erkennen, außer, dass mit
Ausnahme
von
GSL2
bei
allen
die
Schmelzrate
-1
SR5 ≥ 20 cm5d war (Tabelle 5, Werte 11, 12 und 13).
Messungen der Gleitwege und die daraus berechneten Gleitgeschwindigkeiten standen
leider nur für zwei der fünf Gleitschneeereignisse zur Verfügung (GR1 und GR2). In
beiden Fällen ist ein sprunghafter Anstieg der Gleitgeschwindigkeiten am Tag des
Gleitschneeereignisses bzw. am Tag vor dem Gleitschneeereignis zu erkennen
Des Weiteren fällt auf, dass es nur im Herbst zu Gleitschneelawinenabgängen
gekommen ist, im Frühling kam es zwar zur Ausbildung von Gleitrissen, jedoch nie
zum Abgang einer Gleitschneelawine. Die markantesten Unterschiede in der
Schneedecke beim Auftreten von Gleitschneelawinen und Gleitrissen finden sich zum
Einen in der Schneehöhe, welche bei den Gleitrissen mindestens doppelt so hoch war
wie bei den Gleitschneelawinen (Tabelle 5, Werte 14), zum Anderen war die Dichte der
Schneedecke beim Entstehen von Gleitrissen deutlich höher als jene bei den Abgängen
der Gleitschneelawinen (Abbildung 65, Abbildung 68, Abbildung 71, Abbildung 74,
Abbildung 77). Auch die Bodentemperaturen lagen bei der Ausbildung der Gleitrisse
deutlich unter jenen der Gleitschneelawinenabgänge (Tabelle 5, Werte 7).
12 Diskussion
Keine noch so große Zahl von Experimenten kann beweisen, dass ich
Recht habe; ein einziges Experiment kann beweisen, dass ich Unrecht
habe.
Wie aus den vorigen Kapiteln (10 und 11) hervorgeht, trafen die Kriterien für
Gleitschneeereignisse bedingt auf alle drei untersuchten Winter zu, insbesonders auch
die Tatsache, dass die Bodentemperaturen über dem Gefrierpunkt lagen. Dies führte
zum Schmelzen der Schneedeckenunterseite und somit zur Ausbildung einer
Gleitschicht (Abbildung 55, Abbildung 56, Abbildung 58, Abbildung 59, Abbildung 61,
Abbildung 62).
Es gab aber in jedem der drei beobachteten Winter Phasen, in welchen die Schneedecke
aufgrund der tiefen Lufttemperatur bis zum Boden gefroren war und damit keine
Gleitschicht im eigentlichen Sinn mehr vorhanden war (Abbildung 19, Abbildung 21,
Abbildung 23, Abbildung 56, Abbildung 59, Abbildung 62).
Im Gegensatz zu den Untersuchungen von Kojima und Motoyama [1985] (Kapitel 2.2)
sickerte im Hochwinter aller drei untersuchten Perioden Schmelzwasser von der
Schneedeckenoberseite bis zum Boden (Abbildung 56, Abbildung 59, Abbildung 62).
Die abweichenden Ergebnisse der beiden Untersuchungen lassen sich auf die
unterschiedlichen klimatischen Bedingungen der beiden Beobachtungsgebiete und den
damit verbundenen Unterschieden im Aufbau und in der Mächtigkeit der Schneedecken
zurückführen. Das heißt, dass im Fall des Versuchsfeldes Schmittenhöhe zum Teil auch
Schmelzwasser von den oberen Schneeschichten zur Ausbildung und Verstärkung der
Gleitschicht beitrug (Abbildung 56, Abbildung 59, Abbildung 62).
Aufgrund der Tatsache, dass die Situation in der Schneedecke und im darunterliegenden
Erdboden im Herbst und Frühling des Winters 2002/03 jenen der Winter 2003/04 und
2004/05 sehr ähnlich war (Kapitel 11), kann nicht davon ausgegangen werden, dass die
Verhältnisse im Winter 2002/03 für intensives Gleiten der Schneedecke bzw. für das
Entstehen von Gleitschneelawinen oder Gleitrissen ungünstig waren (Kapitel 2.2 und
3.2). Vielmehr lag der Grund für das Ausbleiben von Gleitschneelawinen und
105
Diskussion
Gleitrissen in diesem Winter an den Snowgrippern. Diese waren im Winter 2002/03
noch an jenem Ort aufgestellt, an dem alle fünf späteren Gleitschneeereignisse
stattfanden und verhinderten so das Gleiten der Schneedecke (Kapitel 4, Abbildung 16).
Die Verhältnisse innerhalb der Schneedecke und im Erdboden waren in den
Schmelzphasen der drei beobachteten Frühwinterperioden so ähnlich (Kapitel 11), dass
davon ausgegangen wird, dass es bei nicht vorhandenen Snowgrippern im Herbst 2002
ebenfalls zum Abgang einer Gleitschneelawine oder zu einem Gleitriss gekommen
wäre.
Auch
die
Verhältnisse
im
Frühling,
zu
den
Zeitpunkten
der
rapiden
Bodenfeuchteanstiege, waren in allen drei untersuchten Perioden mit Ausnahme der
Schneehöhe, welche im Winter 2002/03 mit 40 cm nur halb so hoch war wie in den
beiden anderen, sehr ähnlich (Kapitel 11). In diesem Fall wird ebenfalls davon
ausgegangen, dass es ohne Snowgripper und trotz der geringen Schneehöhe zur Bildung
eines Gleitrisses bzw. zum Abgang einer Gleitschneelawine im Beobachtungsgebiet
gekommen wäre.
Das von in der Gand und Zupaničič [1966] und auch von Lackinger [1990, 1988]
beschriebene Phänomen, dass Gleitschneelawinen und Gleitrisse immer wieder an den
selben Orten mit fast identen Abmessungen auftreten (Kapitel 3.2), konnte anhand der
Erhebungen des BFW zu den einzelnen Gleitschneeereignissen bestätigt werden
(Abbildung 45).
Aufgrund der Ergebnisse aus Kapitel 11 scheint es, dass die 0°C-Isothermie der
Schneedecke eine notwendige Voraussetzung für den Abgang einer Gleitschneelawine
bzw. für die Ausbildung eines Gleitrisses ist. Die Ergebnisse der Untersuchungen auf
der Schmittenhöhe stimmen in diesem Punkt mit jenen von Lackinger [1990, 1988] auf
der Seegrube bei Innsbruck überein.
Eine durch Schmelzwasser und/oder Regen durchfeuchtete Schneedecke scheint ein
weiteres Kriterium für den Abgang von Gleitschneelawinen bzw. die Ausbildung von
Gleitrissen zu sein (Kapitel 11). Durch den steigenden Wassergehalt innerhalb der
Schneedecke
nehmen
die
Zugfestigkeit,
die
Druckfestigkeit
und
auch
die
Scherfestigkeit ab (Kapitel 2.1). Überschreitet die jeweilige Spannung die
entsprechende Festigkeit bzw. können durch Spannungsumlagerung keine weiteren
Stützkräfte aktiviert werden, kommt es zur Ausbildung eines Gleitrisses bzw. zum
Abgang einer Gleitschneelawine (Kapitel 3.2).
Diskussion
106
Der Wassertransport aus der durchfeuchteten Gleitschicht in den Erdboden und der
daraus resultierende Anstieg der Bodenfeuchte, wurde ebenfalls bei vier der fünf
nachgewiesen
Snowgripper-Projektes
wird
(Kapitel
als
eine
11).
Im
mögliche
Abschlussbericht
des
Ursache
den
für
Gleitschneelawinenabgang vom 24. November 2004 Grundwasser, das an die
Oberfläche trat, genannt [Rainer et al., 2005]. Diese Art von Wassertransport wird in
der Simulation des SHAW-Modells nicht berücksichtigt, kann aber die Unterschiede im
Wassergehalt des Bodens im Vergleich mit den anderen vier Gleitschneeereignissen
erklären (Kapitel 11).
Somit kann auch beim Wassertransport von der Schneedecke in den Erdboden von
einer, für die Entstehung von Gleitrissen und den Abgang von Gleitschneelawinen
verantwortlichen, wichtigen Voraussetzung gesprochen werden. Der Wassertransport
von der Schneedecke in den Erdboden hat einen doppelten Effekt auf die
Scherfestigkeit.
Erstens
verringert
sich
die
Scherfestigkeit
infolge
der
Flüssigkeitsreibung, wenn die Dicke der Wasserschicht zwischen der Schneedecke und
dem Erdboden zunimmt (Kapitel 2.1.3). Zweitens nimmt die Gewichtskraft und damit
verbunden die auf den Hang normalstehende Komponente (Normalkraft, Abbildung 2)
mit dem Ausfluss des Schmelzwassers aus der Schneedecke ab. Durch die
Verminderung der Normalkraft reduziert sich die Scherfestigkeit infolge der
Trockenreibung (Kapitel 2.1.3).
Bei vier der fünf Gleitschneeereignissen besteht die Möglichkeit, dass es durch die
Zunahme der Belastung zum Lawinenabgang bzw. zu Ausbildung eines Gleitrisses
gekommen ist (Kapitel 11). Diese Art der Lawinenauslösung bzw. der Gleitrissbildung
nennen sowohl in der Gand und Zupaničič [1966] als auch Lackinger [1990, 1988]
(Kapitel 3.2). Dabei vergrößert sich die treibende Kraft (Abbildung 2) durch die
Gewichtszunahme (Niederschlag) und die jeweiligen Festigkeiten der Schneedecke
können überschritten werden (Kapitel 2.1).
Das Wiedergefrieren der Schneedecke kann in vier der fünf Fälle zumindest eine der
Ursachen für den Lawinenabgang bzw. die Gleitrissbildung gewesen sein (Kapitel 11).
Lackinger [1990, 1988], McClung und Schaerer [2006] ziehen diese Möglichkeit der
Lawinenauslösung bzw. der Gleitrissbildung in Betracht (Kapitel 3.2). Durch das
neuerliche
Gefrieren
der
Schneedecke
kann
es
aufgrund
der
thermischen
Volumenausdehnung zu einer Änderung des Spannungszustands der Schneedecke
kommen und damit zu einer Überschreitung der jeweiligen Festigkeiten (Kapitel 2.1).
107
Diskussion
Die Abnahme der Scherfestigkeit infolge einer Abkühlung der Nassschneegrenzschicht
und
einer
damit
einhergehenden
Verringerung
des
Reibungswiderstandes
(Kapitel 2.1.3) [Lackinger, 1990, 1988] könnte nur bei dem Gleitschneelawinenabgang
vom 03. November 2003 der auslösende Faktor gewesen sein, denn nur bei diesem
Ereignis nahm die Temperatur in der Gleitschicht am Tag des Lawinenabgangs ab
(Kapitel 11).
Um die aufgezeigten Kriterien für das Auftreten von Gleitrissen bzw. den Abgang von
Gleitschneelawinen zu verifizieren, stehen in dieser Arbeit nur die letzten beiden
beobachteten Winter zur Verfügung. Da es im Versuchsfeld Schmittenhöhe im
Winter 2002/03 aufgrund der Snowgripper zu keiner Gleitschneelawine bzw. zu keinem
Gleitriss gekommen ist, kann dieser nicht zur Verifikation herangezogen werden. Damit
es zu einem neuerlichen Gleitriss bzw. Lawinenabgang kommen kann, muss sich im
Anschluss an das jeweilige Ereignis erst eine neue geschlossene Schneedecke bilden.
Daher muss berücksichtigt werden, dass die Zeiträume zwischen den Ereignissen und
der Neubildung einer Schneedecke ebenfalls nicht zur Verifizierung der Daten geeignet
sind.
Die Schmelzperiode im Februar 2004 erfüllt die oben genannten Kriterien, die für die
Ausbildung von Gleitrissen bzw. den Abgang von Gleitschneelawinen wichtig sind. In
diesem Zeitraum hatte die Schneedecke ebenfalls den Zustand der 0°C-Isothermie
erreicht und war auf ihrer gesamten Dicke durchfeuchtet (Abbildung 59). Die
Bodenfeuchte stieg aufgrund des durchgesickerten Schmelzwasser aus den oberen
Schneeschichten an, zur Ausbildung eines Gleitrisse oder dem Abgang einer
Gleitschneelawine kam es in diesem Zeitraum allerdings nicht (Abbildung 57,
Abbildung 58).
Als Grund für das Ausbleiben von Gleitschneelawinen nach den Gleitrissen von
März 2004 und 2005 kommt zum Einen die höhere Schneedichte und zum Anderen die
größere Schneehöhe in Frage (Kapitel 11). In einer dichteren Schneedecke ist auch die
Druckfestigkeit
deutlich
höher,
dies
kann
den
Druckbruch
am Stauchwall
(Abbildung 12) und damit den Gleitschneelawinenabgang verhindert haben. Im
Vergleich zu den Lawinenabgängen im Herbst ist die Masse der Schneedecke im März
und somit die Normalkraft aufgrund der größeren Schneehöhe und der höheren
Schneedichte
größer.
Durch
die
Ausbildung
eines
Gleitrisses
fällt
die
Schneedeckenaufhängung an der Anrissstirn (Abbildung 12) weg und somit liegt die
Schneedecke mit ihrem gesamten Gewicht am Boden auf. Dadurch steigt die
Diskussion
108
Scherfestigkeit in der Gleitschicht infolge der erhöhten Trockenreibung durch die
Zunahme der Normalkraft (Kapitel 2.1.3). Dies kann wiederum den Abgang einer
Gleitschneelawine verhindert haben.
Mit dieser Arbeit wurden bestehende Thesen über die Bildung von Gleitrissen und
Gleitschneelawinen bestätigt. Kriterien, die für deren Entstehung verantwortlich sind,
konnten aufgestellt werden. Eine verlässliche Vorhersage solcher Ereignisse wird aber
zufolge des komplexen Zusammenspiels der vielen Einflussgrößen (u.a. des
Untergrundes) nicht möglich sein.
13 Zusammenfassung
Die größte Tragödie der Wissenschaft - das Erschlagen einer schönen
Hypothese durch eine hässliche Tatsache.
Thomas Henry Huxley (1825-1895)
Ziel
der
vorliegenden
schneephysikalischen
Arbeit
Daten
war
die
es,
anhand
Bedingungen,
von
welche
meteorologischen
zum
Abgang
und
von
Gleitschneelawinen bzw. zur Ausbildung von Gleitrissen führen, zu bestimmen.
Im ersten Teil der Arbeit sind die auf die Schneedecke wirkenden Kräfte und die daraus
resultierenden Spannungen, sowie die Verformungen, welcher die Schneedecke
unterliegt, kurz behandelt worden.
Eine Übersicht über das Themengebiet der Gleitschneelawinen und den Stand des
diesbezüglichen Wissens der Fachwelt zu diesem Thema wurde gegeben und des
Weiteren ist das Versuchsfeld Schmittenhöhe und das Snowgripper-Projekt kurz
beschrieben worden.
Die Art und die Quellen der vorhandenen Daten wurden erläutert und anhand der
ZAMG- und BFW-Daten wurde ein erster Überblick über die drei Winter im
Beobachtungszeitraum gegeben. Die drei Gleitschneelawinen und zwei Gleitrisse,
welche in dieser Periode im Versuchsfeld Schmittenhöhe aufgetreten sind, wurden auf
Grundlage der Datensätze der ZAMG und des BFW einer ersten Analyse unterzogen.
Die Ergebnisse der Simulationen des SHAW-Modells sind in weiterer Folge mit den
gemessenen Werten verglichen worden und das Modell wurde in mehreren Schritten an
die Verhältnisse auf der Schmittenhöhe angepasst.
Anhand der Daten des SHAW-Referenzlaufes wurden die drei beobachteten Winter und
die fünf in diesem Zeitraum aufgetretenen Gleitschneeereignisse einer weiteren
Untersuchung mit den Schwerpunkten auf die Schneephysik und den Wassertransport
im
System
Schneedecke
–
Erdboden
unterzogen.
Die
Ergebnisse
und
Schlussfolgerungen wurden zusammengefasst und diskutiert.
Dabei wurde gezeigt, dass Gleitrisse bzw. Gleitschneelawinen immer wieder an den
selben Orten mit fast identen Abmessungen auftreten.
111
Zusammenfassung
Des Weiteren konnte die These bestätigt werden, dass die 0°C-Isothermie der
Schneedecke eine notwendige Voraussetzung für den Abgang einer Gleitschneelawine
bzw. für die Ausbildung eines Gleitrisses ist.
Eine durch Schmelzwasser und/oder Regen durchfeuchtete Schneedecke scheint laut
den Ergebnissen dieser Arbeit ein weiteres Kriterium für den Abgang von
Gleitschneelawinen bzw. die Ausbildung von Gleitrissen zu sein.
Auch beim Wassertransport aus der durchfeuchteten Gleitschicht in den Erdboden kann
von einer für die Entstehung von Gleitrissen und den Abgang von Gleitschneelawinen
wichtigen Voraussetzung gesprochen werden.
Eine
Belastungszunahme
durch
Niederschlag
und
einen
Änderung
des
Spannungszustandes der Schneedecke durch Wiedergefrieren kommen laut den
Ergebnissen in dieser Arbeit ebenfalls, zumindest als Mitgrund, für den Abgang einer
Gleitschneelawine bzw. für die Ausbildung eines Gleitrisses in Frage.
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Schematische Darstellung der einzelnen Arbeitsschritte in den Kapiteln 9
und 10 ............................................................................................................................... 4 Abbildung 2: Gewichtskraft, Normalkraft und treibende Kraft eines Schneepaketes ...... 8 Abbildung 3: Beispiel für Spannungen in der Schneedecke............................................. 8 Abbildung 4: Zugkraft ...................................................................................................... 9 Abbildung 5: Druckkraft ................................................................................................... 9 Abbildung 6: Scherkraft.................................................................................................. 10 Abbildung 7: Trockenreibung (A) und Flüssigkeitsreibung (B) (nach Lackinger [2000])
........................................................................................................................................ 12 Abbildung 8: Setzung der Schneedecke auf horizontalem Untergrund .......................... 13 Abbildung 9: Kriechen, Gleiten und die Summe der beiden Bewegungen im geneigten
Hang ................................................................................................................................ 15 Abbildung 10: Anrissform von Lockerschnee- und Schneebrettlawinen ....................... 17 Abbildung 11: Schematische Darstellung einer Gleitschneelawine ............................... 18 Abbildung 12: Wichtige Bezeichnungen im Anbruchgebiet einer Gleitschneelawine
(Draufsicht und Seitenansicht)....................................................................................... 19 Abbildung 13: Lage der Schmittenhöhe [Google, 2009] ................................................ 23 Abbildung 14: Lage des Versuchsfeldes und der Messstationen der ZAMG bzw. des
LWD (A, B) [Google, 2009] ........................................................................................... 23 Abbildung 15: Foto des Versuchsfeldes ohne Snowgripper, April 2009 [Foto:
Dobesberger] ................................................................................................................... 24 Abbildung 16: Fotos des Versuchsfeldes mit Snowgrippern, Februar 2003 (links) und
September 2003 (rechts) mit demontierten Snowgrippern im südlichen, unteren Bereich
[Foto: BFW] .................................................................................................................... 24 Abbildung 17: Komponenten der allgemeinen Energiebilanz im SHAW-Modell; Flüsse
in Pfeilrichtung sind positiv ............................................................................................ 28 Abbildung 18: Komponenten der Netto-Strahlungsbilanz im SHAW-Modell; Flüsse in
Pfeilrichtung sind positiv ................................................................................................ 28 113
Abbildung 19: Zeitreihe der Lufttemperatur, der Bodentemperatur und der
Globalstrahlung für den Winter 2002/03; alle Daten am Messstandort A (Abbildung 14)
erhoben [Daten: ZAMG] ................................................................................................. 42 Abbildung 20: Zeitreihe der Windgeschwindigkeit, der relativen Feuchte, des
Niederschlags und der Schneehöhe für den Winter 2002/03; Schneehöhe am
Messstandort B, alle übrigen Daten am Messstandort A (Abbildung 14) erhoben [Daten:
ZAMG] ............................................................................................................................ 42 Abbildung 21: Zeitreihe der Lufttemperatur, der Bodentemperatur und der
ZAMG] ............................................................................................................................ 44 Abbildung 23: Zeitreihe der Lufttemperatur, der Bodentemperatur und der
ZAMG] ............................................................................................................................ 46 Abbildung 25: Fotos der Gleitschneelawine vom 10. Oktober 2003 [Fotos: Haslinger,
Firma Oberhofer, Aufnahmedatum: 10. Oktober 2003] ................................................. 48 Abbildung 26: Zeitreihe der Lufttemperatur, der Bodentemperatur und der
Globalstrahlung für den Zeitraum vom 30. September bis zum 20. Oktober 2003; alle
Daten am Messstandort A (Abbildung 14) erhoben; senkrechter Strich markiert das
Gleitschneeereignis [Daten: ZAMG] .............................................................................. 49 Abbildung 27: Zeitreihe der Windgeschwindigkeit, der relativen Feuchte, des
Niederschlags und der Schneehöhe für den Zeitraum vom 30. September bis zum 20.
Oktober 2003; Schneehöhe am Messstandort B, alle übrigen Daten am Messstandort A
(Abbildung 14) erhoben; senkrechter Strich markiert das Gleitschneeereignis [Daten:
ZAMG] ............................................................................................................................ 50 Abbildung 28: Zeitreihe der Bodenfeuchte (Mittelwert der obersten 30 cm) für den
Zeitraum vom 30. September bis zum 20. Oktober 2003; alle Daten im Versuchsfeld
Schmittenhöhe (Abbildung 14) erhoben; senkrechter Strich markiert das
Gleitschneeereignis [Daten: BFW] ................................................................................. 50 Abbildung 29: Fotos der Gleitschneelawine vom 03. November 2003 [Fotos: BFW,
Aufnahmedatum: 03. November 2003] ........................................................................... 51 Abbildungsverzeichnis
114
Abbildung 30: Zeitreihe der Lufttemperatur, der Bodentemperatur und der
Globalstrahlung für den Zeitraum vom 24. Oktober bis zum 13. November 2003; alle
Niederschlags und der Schneehöhe für den Zeitraum vom 24. Oktober bis zum 13.
November 2003; Schneehöhe am Messstandort B, alle übrigen Daten am Messstandort
A (Abbildung 14) erhoben; senkrechter Strich markiert das Gleitschneeereignis [Daten:
ZAMG] ........................................................................................................................... 52 Abbildung 32: Zeitreihe der Bodenfeuchte (Mittelwert der obersten 30 cm) für den
Zeitraum vom 24. Oktober bis zum 13. November 2003; alle Daten im Versuchsfeld
Gleitschneeereignis [Daten: BFW] ................................................................................. 53 Abbildung 33: Fotos des Gleitrisses vom 19. März 2004 [Fotos: BFW,
Aufnahmedatum: 20. März 2004] ................................................................................... 53 Abbildung 34: Zeitreihe der Lufttemperatur, der Bodentemperatur und der
Globalstrahlung für den Zeitraum vom 09. März bis zum 29. März 2004; alle Daten am
Messstandort A (Abbildung 14) erhoben; senkrechter Strich markiert das
Gleitschneeereignis [Daten: ZAMG] .............................................................................. 54 Abbildung 35: Zeitreihe der Bodenfeuchte (Mittelwert der obersten 30 cm) für den
Zeitraum vom 09. März bis zum 29. März 2004; alle Daten im Versuchsfeld
Gleitschneeereignis [Daten: BFW] ................................................................................. 54 Abbildung 36: Zeitreihe der Windgeschwindigkeit, der relativen Feuchte, des
Niederschlags und der Schneehöhe für den Zeitraum vom 09. März bis zum 29. März
2004; Schneehöhe am Messstandort B, alle übrigen Daten am Messstandort A
ZAMG] ........................................................................................................................... 55 Abbildung 37: Zeitreihe des Schneegleitens und der Gleitgeschwindigkeit für den
Zeitraum vom 09. März bis zum 29. März 2004; alle Daten im Versuchsfeld
Gleitschneeereignis [Daten: BFW] ................................................................................. 55 Abbildung 38: Fotos der Gleitschneelawine vom 24. November 2004 [Fotos: BFW,
Aufnahmedatum: 25. November 2004] .......................................................................... 56 Abbildung 39: Zeitreihe der Lufttemperatur, der Bodentemperatur und der
Globalstrahlung für den Zeitraum vom 14. November bis zum 04. Dezember 2004; alle
Gleitschneeereignis [Daten: ZAMG] .............................................................................. 57 115
Abbildung 40: Zeitreihe der Windgeschwindigkeit, der relativen Feuchte, des
Niederschlags und der Schneehöhe für den Zeitraum vom 14. November bis zum 04.
Dezember 2004; Schneehöhe am Messstandort B, alle übrigen Daten am Messstandort
A (Abbildung 14) erhoben; senkrechter Strich markiert das Gleitschneeereignis [Daten:
ZAMG] ............................................................................................................................ 57 Abbildung 41: Fotos des Gleitrisses vom 20. März 2005 [Fotos: BFW,
Aufnahmedatum: 22. März 2005] ................................................................................... 58 Abbildung 42: Zeitreihe der Lufttemperatur, der Bodentemperatur und der
Globalstrahlung für den Zeitraum vom 10. März bis zum 30. März 2005; alle Daten am
Messstandort A (Abbildung 14) erhoben; senkrechter Strich markiert das
Niederschlags und der Schneehöhe für den Zeitraum vom 10. März bis zum 30. März
2005; Schneehöhe am Messstandort B, alle übrigen Daten am Messstandort A
ZAMG] ............................................................................................................................ 59 Abbildung 44: Zeitreihe des Schneegleitens, der Gleitgeschwindigkeit für den Zeitraum
vom 10. März bis zum 30. März 2005; alle Daten im Versuchsfeld Schmittenhöhe
BFW] ............................................................................................................................... 60 Abbildung 45: Lage und Abmessungen der Anrisse der fünf Gleitschneeereignisse im
Versuchsfeld Schmittenhöhe; durchgezogenen Linien stehen für den Anriss der
Gleitschneelawine bzw. des Gleitrisses (Lawinenmaul); strichlierte Linien zeigen die
Unterkante der Gleitrisse (Quelle: [Rainer et al., 2005]) ............................................... 61 Abbildung 46: Vergleich der Schneehöhen für den Zeitraum September 2002 bis Juli
2005 (Testlauf 1) [Daten: SHAW und ZAMG] .............................................................. 67 Abbildung 47: Vergleich der Bodentemperaturen und der Bodenfeuchte für den
Zeitraum September 2002 bis Juli 2005 (Testlauf 1) [Daten: SHAW, ZAMG und BFW]
......................................................................................................................................... 67 Abbildung 48: Vergleich der Schneehöhen für den Zeitraum September 2002 bis Juli
2005 (Testlauf 2) [Daten: SHAW und ZAMG] .............................................................. 69 Abbildung 49: Vergleich der Bodentemperaturen und der Bodenfeuchte für den
......................................................................................................................................... 70 Abbildung 50: Vergleich der Schneehöhen für den Zeitraum September 2002 bis Juli
2005 (Testlauf 3) [Daten: SHAW und ZAMG] .............................................................. 72 Abbildungsverzeichnis
116
Abbildung 51: Vergleich der Bodentemperaturen und der Bodenfeuchte für den
........................................................................................................................................ 73 Abbildung 52: Vergleich der Schneehöhen für den Zeitraum September 2002 bis Juli
2005 (Testlauf 3) [Daten: SHAW und ZAMG] .............................................................. 74 Abbildung 53: : Vergleich der Bodentemperaturen und der Bodenfeuchte für den
........................................................................................................................................ 75 Abbildung 54: Zeitreihe der Schneehöhe, des Niederschlags und der Wasserbilanz der
Schneedecke bzw. des Bodens für den Winter 2002/03 [Daten: SHAW] ...................... 78 Abbildung 55: Zeitreihe der Bodentemperatur und der Bodenfeuchte für den Winter
2002/03 [Daten: SHAW] ................................................................................................ 79 Abbildung 56: Temperatur-, Wassergehalt- und Dichteprofil der Schneedecke für den
Winter 2002/03 [Daten: SHAW] .................................................................................... 79 Abbildung 57: Zeitreihe der Schneehöhe, des Niederschlags und der Wasserbilanz der
Schneedecke bzw. des Bodens für den Zeitraum vom 30. September bis zum 20.
Oktober 2003 [Daten: SHAW] ....................................................................................... 86 Abbildung 64: Zeitreihe der Bodentemperatur und der Bodenfeuchte für den Zeitraum
vom 30. September bis zum 20. Oktober 2003 [Daten: SHAW] .................................. 86 Abbildung 65: Temperatur-, Wassergehalt- und Dichteprofil der Schneedecke für den
Zeitraum vom 30. September bis zum 20. Oktober 2003 [Daten: SHAW] .................... 87 Abbildung 66: Zeitreihe der Schneehöhe, des Niederschlags und der Wasserbilanz der
Schneedecke bzw. des Bodens für den Zeitraum vom 24. Oktober bis zum 13.
November 2003 [Daten: SHAW] ................................................................................... 89 117
Abbildung 67: Zeitreihe der Bodentemperatur und der Bodenfeuchte für den Zeitraum
vom 24. Oktober bis zum 13. November 2003 [Daten: SHAW] ................................... 89 Abbildung 68: Temperatur-, Wassergehalt- und Dichteprofil der Schneedecke für den
Zeitraum vom 24. Oktober bis zum 13. November 2003 [Daten: SHAW] .................... 90 Abbildung 69: Zeitreihe der Schneehöhe, des Niederschlags und der Wasserbilanz der
Schneedecke bzw. des Bodens für den Zeitraum vom 09. März bis zum 29. März 2004
[Daten: SHAW] ............................................................................................................... 91 Abbildung 70: Zeitreihe der Bodentemperatur und der Bodenfeuchte für den Zeitraum
vom 09. März bis zum 29. März 2004 [Daten: SHAW] ................................................ 92 Abbildung 71: Temperatur-, Wassergehalt- und Dichteprofil der Schneedecke für den
Zeitraum vom 09. März bis zum 29. März 2004 [Daten: SHAW].................................. 92 Abbildung 72: Zeitreihe der Schneehöhe, des Niederschlags und der Wasserbilanz der
Schneedecke bzw. des Bodens für den Zeitraum vom 14. November bis zum 04.
Dezember 2004 [Daten: SHAW] .................................................................................... 94 Abbildung 73: Zeitreihe der Bodentemperatur und der Bodenfeuchte für den Zeitraum
vom 14. November bis zum 04. Dezember 2004 [Daten: SHAW] ................................ 94 Abbildung 74: Temperatur-, Wassergehalt- und Dichteprofil der Schneedecke für den
Zeitraum vom 14. November bis zum 04. Dezember 2004 [Daten: SHAW] ................. 95 Abbildung 75: Zeitreihe der Schneehöhe, des Niederschlags und der Wasserbilanz der
Schneedecke bzw. des Bodens für den Zeitraum vom 10. März bis zum 30. März 2005
[Daten: SHAW] ............................................................................................................... 96 Abbildung 76: Zeitreihe der Bodentemperatur und der Bodenfeuchte für den Zeitraum
vom 10. März bis zum 30. März 2005 [Daten: SHAW] ................................................ 97 Abbildung 77: Temperatur-, Wassergehalt- und Dichteprofil der Schneedecke für den
Zeitraum vom 10. März bis zum 02. April 2005 [Daten: SHAW].................................. 97 Literaturverzeichnis
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Meteorologie und Geodynamik, Wien.
Anhang A
• SHAW-Eingabedateien
generelle Informationen
▪ Titel der Simulation
▪ Simulationsbeginn : Tag des Jahres, Stunde und Jahr
▪ Simulationsende: Tag des Jahres und Jahr
▪ geographische Breite (Grad und Minuten)
▪ Hangneigung [%] und Exposition [°]
▪ Zeitpunkt des Sonnenhöchststandes und Höhe über dem Meeresspiegel [m]
▪ Anzahl der verschiedenen Schneeschichten (zu Beginn der Simulation)
▪ Anzahl der verschiedenen Schichten an Pflanzenrückständen
▪ Anzahl der verschiedenen Bodenschichten
▪ Rauigkeitslänge (Boden) [cm]
▪ Rauigkeitslänge (Schneedecke) [cm]
▪ Höhe der meteorologischen Messungen [m]
▪ maximale Tiefe der Pfütze bei Regen oder Schneeschmelze [cm]
▪ maximale Temperatur bei der Niederschlag als Schnee ausfällt [°C]
▪ Angaben zu den Pflanzenrückständen
▪ Angaben zu dem Boden
▪ Angaben zu der Schneedecke
Liste der Ein- und Ausgabedateien
▪ Indikator für den Zeitschritt der Wetterdaten (stündlich/täglich)
▪ Name der einzelnen Eingabedateien
▪ Ausgabefrequenzen der einzelnen Profile in Stunden (0 bis 24)
▪ Name der einzelnen Ausgabedateien
Bodenfeuchteprofil
▪ Tag des Jahres, Stunde und Jahr
3
-3
▪ Bodenfeuchtewert für jede einzelne Schicht [m m ]
Bodentemperaturprofil
▪ Bodentemperaturwert für jede einzelne Schicht [°C]
123
Anhang A
stündliche Wetterdaten
▪ Lufttemperatur [°C]
▪ Windgeschwindigkeit [mph]
▪ relative Feuchte [%]
▪ Niederschlag [in]
-3
▪ Neuschneedichte (optional, sonst wird sie berechnet) [gcm ]
-2
▪ Globalstrahlung [Wm ]
• SHAW-Ausgabedateien
out.out
▪ generelle Informationen laut Eingabe
▪ Tiefe der Schicht [m]
▪ Temperatur [°C]
-3
▪ Schnee: Wasserpotenzial [m] und Dichte [kgm ]
-3
-1
▪ Pflanzenrückstände: Wasserdampfgehalt [kgm ] und Feuchtegehalt [kgkg ]
3
-3
3
-3
▪ Boden: Wassergehalt [m m ], Eisgehalt [m m ], Matrixpotential [m]
energy.out
-2
▪ kurzwellige Strahlungsbilanz (Schnee, Pflanzenrückstände, Boden) [kJm ]
-2
▪ totale kurzwellige Strahlungsbilanz [kJm ]
-2
▪ langwellige Strahlungsbilanz (Schnee, Pflanzenrückstände, Boden) [kJm ]
-2
▪ totale langwellige Strahlungsbilanz [kJm ]
-2
▪ fühlbarer Wärmestrom [kJm ]
-2
▪ latenter Wärmestrom [kJm ]
frost.out
▪ Tautiefe, Tiefe der tiefsten Bodenschicht ohne Eis, darunter Eis vorhanden [cm]
▪ Frosttiefe, Tiefe der tiefsten Bodenschicht mit Eis [cm]
▪ Schneehöhe [cm]
3 -3
▪ Eisgehalt jeder einzelnen Bodenschicht [m m ]
Anhang A
124
water.out
▪ Niederschlag [mm]
▪ Evapotranspiration [mm]
▪ Änderung in der Wasserbilanz der Schneedecke [mm]
▪ Änderung in der Wasserbilanz der Pflanzenrückstände [mm]
▪ Änderung in der Wasserbilanz des Bodens [mm]
▪ Tiefenperkolation: Wassertransport zwischen den untersten 2 Schichten [mm]
▪ Abfluss [mm]
▪ Pfütze [mm]
▪ kumulative Evapotranspiration seit Beginn der Simulation [mm]
▪ Fehler [mm]
temp.out
▪ Temperatur jeder einzelnen Bodenschicht [°C]
moist.out
3
-3
▪ Feuchte in jeder einzelnen Bodenschicht [m m ]
snow.out
▪ Höhe jeder einzelnen Schneeschicht über dem Boden [m]
▪ Dicke jeder einzelnen Schneeschicht [m]
▪ gravimetrischer Wassergehalt jeder einzelnen Schneeschicht [%]
-3
▪ Dichte jeder einzelnen Schneeschicht über dem Boden [kgm ]
• SHAW-Eingabedaten: Überresteschicht
COVER
ALBRES
RLOAD
ZRTHIK
GMCDT
RESCOF
0,05
0,25
6000
5,0
0,0
20000
COVER … Bedeckungsgrad der Oberfläche [%]
ALBRES … Albedo der Überresteschicht [1]
RLOAD … Trockengewicht der Überresteschicht [kgha-1]
ZRTHIK … Dicke der Überresteschicht [cm]
GMCDT … gravimetrischer Anfangs-Wassergehalt [kgkg-1]
RESCOF … Widerstand gegen Dampftransport [sm-1]
125
Anhang A
• SHAW-Eingabedaten: Bodenschichten
ZS
B
ENTRY
SATCON
RHOB
SAT
SAND
SILT
CLAY
OM
0
4,5
-0,32
17
700
0,66
35
50
15
20
0,2
4,4
-0,34
17
1000
0,60
50
40
10
15
0,5
4,3
-0,36
0,2
1200
0,55
65
30
5
10
1
4,2
-0,38
17
1700
0,30
90
10
0
0
2
4,0
-0,40
17
1900
0,10
100
0
0
0
4
3,8
-0,45
17
2100
0,10
100
0
0
0
6
3,6
-0,50
17
2300
0,10
100
0
0
0
8
3,4
-0,55
17
2500
0,10
100
0
0
0
10
3,2
-0,60
17
2600
0,10
100
0
0
0
ZS … Tiefe der Bodenschicht [m]
B … Cambell's Porengrößenverteilungsindex [1]
ENTRY … Lufteintrittspotential [m]
SATCON … Sättigungs-Leitfähigkeit [cmhr-1]
RHOB … Lagerungsdichte [kgm-3]
SAT … volumetrischer Sättigungs-Feuchtegehalt [%]
SAND … Sandanteil [%]
SILT … Schluffanteil [%]
CLAY … Tonanteil [%]
OM … Anteil organischer Stoffe [%]
• SHAW-Eingabedaten: Bodenfeuchte- und Bodentemperaturprofile
ZS
0
0,2
0,5
1
2
4
6
8
10
VLCDT-B
0,55
0,50
0,45
0,20
0,08
0,08
0,08
0,08
0,08
TSDT-B
15,0
13,4
11,8
10,2
9,0
8,0
7,0
6,0
5,0
VLCDT-E
0,55
0,50
0,45
0,20
0,08
0,08
0,08
0,08
0,08
ZS … Tiefe der Bodenschicht [m]
VLCDT-B … Bodenfeuchte zu Beginn der Simulation [m3m-3]
TSDT-B … Bodentemperatur zu Beginn der Simulation [°C]
VLCDT-E … Bodenfeuchte am Ende der Simulation [m3m-3]
TSDT-E … Bodentemperatur am Ende der Simulation [°C]
TSDT-E
15,5
13,4
11,3
9,2
9,0
8,0
7,0
6,0
5,0
Danksagung
Mein Dank gebührt in erster Linie meinen Eltern, die mich Zeit meines Lebens auf jede
nur erdenkliche Art und Weise unterstützt haben und mir in jeder bisherigen Lebenslage
stets mit Rat und Tat zur Seite gestanden sind. Ihnen habe ich es zu verdanken, dass ich
meine Schulausbildung abgeschlossen habe und sie es mir ermöglicht haben, mein
Studium auf die von mir gewählte Weise zu vollenden. Danke Mama und Papa!
Des Weiteren bin ich meiner Freundin zu großem Dank verpflichtet, die es stets
geschafft hat, mich bei etwaigen Stimmungstiefs zu motivieren und die mir zu jeder
Zeit den Rücken freigehalten hat. Außerdem möchte ich mich für die zahlreichen
Korrekturen bedanken, die sie im Laufe dieser Arbeit angebracht hat, ohne die manch
eigenwillige Satzkonstruktion und Rechtschreibfehler erhalten geblieben wären.
Danke Dani!
An dieser Stelle möchte ich auch noch meinem minime danken, deine Geburt und du
selbst waren die schönsten Ablenkungen von der Diplomarbeit, die man sich nur
wünschen kann. Danke kleiner Pauli!
Großer Dank gebührt natürlich auch meinen beiden Betreuern, welche mich von Seiten
der Uni und des BFW auf vorbildliche Art und Weise betreut haben und mir mit
zahlreichen Anregungen und Hilfestellungen stets zur Seite standen. Danke Friedl und
Reini!
Für die bereitgestellten Daten und den mir zur Verfügung gestellten Arbeitsplatz
möchte ich mich ganz herzlich beim BFW bedanken. Danke!
Ebenfalls gebührt mein Dank der ZAMG und dem LWD Salzburg für die
bereitgestellten Daten. Danke!
And last but not least möchte ich mich bei allen Studienkollegen, Freunden und der
Frau Holle bedanken, die mein Studium zu einem unvergesslichen Abschnitt in meinem
Leben gemacht haben. Thanks!!!

- ACINN - Universität Innsbruck

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