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Welche Prozesse steuern die Ablagerung von Schnee im alpinen Gelände im Winter? Wie verändert sich die Energiebilanz einer ausapernden Schneedecke im Frühjahr, und warum überdauern einzelne Schneeflecken länger als andere?
Die Schneeverteilung im Gebirge ist nicht nur ein wesentlicher Faktor für die Lawinenbildung. Sie bestimmt auch, wie viele Wasserressourcen verfügbar sind. Nach wie vor ist es jedoch schwierig, die im Schnee gespeicherte Wassermenge genau abzuschätzen, da die Mechanismen, welche die Verteilung und Schmelze von Schnee bestimmen, noch wenig bekannt sind. Im Messfeld Dischma untersuchen wir deshalb folgende Fragen:
- Welche atmosphärischen Prozesse steuern die Ablagerung von Schnee im alpinen Gelände im Winter?
- Wie verändert sich die Energiebilanz einer ausapernden Schneedecke im Frühjahr, und warum überdauern einzelne Schneeflecken länger als andere?
Um diese Fragen zu beantworten, analysieren wir Niederschlagsfelder, Schneeverteilung und Schmelzdynamik der alpinen Schneedecke mit Hilfe von Feldexperimenten und numerischen Modellen. Insbesondere interessiert uns die Wechselwirkung zwischen der bodennahen Atmosphäre und der Schneedecke.
Das Dischmatal, ein hochgelegenes alpines Einzugsgebiet, ist ein ideales Untersuchungsgebiet für schneehydrologische und meteorologische Untersuchungen. Durch seine U-Form treten hier häufig thermische Winde auf, die für unsere Forschung eine wichtige Rolle spielen. Gleichzeitig ist es gut zu erreichen, aber trotzdem nicht zu stark frequentiert.
Ziel dieses Forschungsprojektes ist es, grundlegende Prozesse soweit zu verstehen, dass wir daraus Parametrisierungen erstellen und in hydrologische und meteorologische Modelle integrieren können. Dadurch können unter anderem das Management der alpinen Wasserressourcen, z. B. im Bereich Wasserkraft, und die Vorhersage von Hochwassern verbessert werden. Ausserdem geben die Modelle Aufschluss darüber, wie sich die Wasserressourcen unter dem Klimawandel verändern werden.
In Zusammenarbeit mit der Gruppe „Environmental Remote Sensing Laboratory“ der EPF Lausanne messen wir das Niederschlagsfeld über dem Dischmatal mit einem hochauflösenden Wetterradar. Um herauszufinden, wie sich der Niederschlag tatsächlich auf dem Boden verteilt, ermitteln wir die Schneeverteilung vor und nach grossen Niederschlagsereignissen zusätzlich mit terrestrischem und luftgestütztem Laserscanning. Zudem wird das bodennahe Windfeld mit einem Doppler Wind LIDAR (optische Lasermessung) vermessen. Mit diesem Aufbau soll die komplexe Interaktion zwischen Wolkendynamik, Niederschlagsfeld, bodennahem Windfeld und Schneeakkumulation untersucht und besser verstanden werden.
Um die Grenzschichtströmung und den Wärmeaustausch über der ausapernden Schneedecke zu erfassen, messen wir Wind und Temperatur auf unterschiedlichen Höhen. Durch die hohe zeitliche Auflösung dieser Messungen (20 Herz) können wir auch hoch-frequente Schwankungen erfassen. Diese Schwankungen geben Einblick in turbulente Strukturen innerhalb der Grenzschicht und in den turbulenten Wärmeaustausch über einzelnen Schneeflecken. Eine grosse Zahl von mobilen und stationären Wetterstationen misst das grossräumige Wind- und Temperaturfeld.
Zusätzlich erfassen wir die Temperatur der Landoberfläche mit einer Infrarotkamera. Hochaufgelöste Temperaturfelder sollen einen Einblick in die Dynamik der Erwärmung/Abkühlung der teils schneefreien und schneebedeckten Flächen geben. Ausserdem identifizieren wir damit Kälteseen, welche das Überleben von Schneeflecken begünstigen.
Wie verwenden das atmosphärische Modell WRF, um den Effekt der atmosphärischen Strömung und der Wolkenmikrophysik auf das Niederschlagsfeld zu analysieren. Die Partikeldynamik untersuchen wir mit Hilfe der Large-Eddy-Simulation (LES). Hierbei wird die Wechselwirkung von kleinräumiger atmosphärischer Turbulenz und der Partikelbewegung in der Luft simuliert. Zur numerischen Analyse der Wechselwirkung zwischen der heterogenen Landoberfläche einer fleckenhaften Schneedecke und der bodennahen Atmosphäre benutzen wir das Atmosphärenmodell ARPS (Advanced Regional Prediction System). Hochaufgelöste atmosphärische Felder (3-D Felder Temperatur, Feuchte, Wind) benutzen wir ferner um die Schmelzdynamik mit dem Oberflächenprozessmodel ALPINE3D zu berechnen.