AEBISCHER PHILIPPE Rue Saint Paul Fribourg Studierenden-Nummer: Eingereicht am: 28. Juli 2014
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1 EINFLUSS DER BODENFEUCHTE AUF DAS THERMISCHE REGIME IN ABHÄNGIGKEIT DER HÖHE BACHELORARBEIT AEBISCHER PHILIPPE Rue Saint Paul Fribourg Studierenden-Nummer: Eingereicht am: 28. Juli 2014 Verantwortlicher Professor: Christian Hauck Verantwortliche Assistentin: PhD. Cécile Pellet Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät Departement für Geowissenschaften Geographie
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3 1 ABSTRACT 1 Abstract In dieser Arbeit wird der Einfluss von unterschiedlichen Parametern auf die Bodenfeuchte und das Gefrierverhalten analysiert. Bei den Einflussparametern handelt es sich um die Bodentemperatur, die Lufttemperatur, die Schneedecke und den Niederschlag. Das Ziel ist es, die beteiligten Prozesse anhand der Messdaten zu beschreiben und eine Höhenabhängigkeit darzustellen. Es werden Daten von zwei Stationen in unterschiedlicher Höhenlage ausgewertet. Eine Station befindet sich in den Berner Alpen im Furggentälti/Gemmi auf 2460 m über Meer und eine zweite in La Frétaz, acht Kilometer nordwestlich von Yverdonles-Bains auf 1205 m über Meer. Die Analyse wird mit Hilfe bereits ausgewerteter Daten von anderen Stationen aus vorhergehenden Studien erweitert. Generell zeigt die Auswertung der Messdaten, dass die Bodenfeuchte bis in eine Höhe von ungefähr 2000 m ü. M. zunimmt. Über 2000 m ü. M. nimmt sie dann mit zunehmender Höhe wieder ab. Im weiteren zeigt sich, dass die Boden- und Lufttemperaturen mit zunehmender Höhe abnehmen. Dies hat eine niedrigere Kältesumme in tieferen Lagen zur Folge. Die Schneehöhe hingegen ist auf der höher gelegenen Station grösser. Zudem kann im Furggentälti der Gefrierprozess des Bodens mittels der zero-curtain Phase bis in die unterste Messtiefe nachgewiesen werden. Durch das Gefrieren des Porenwassers nimmt die Bodenfeuchte ab. Niederschlag, Infiltration und Schmelzwassereinträge sind bei der tiefer gelegen Station die hauptverantwortlichen Parameter für die hohe Bodenfeuchte. Hinzu kommen der früh einsetzende Schneefall und die damit verbundene Isolationswirkung der Schneedecke sowie die tiefe Kältesumme der Luft, welche ein Einfrieren des Bodens verhindern. Die mittlere Bodentemperatur sinkt in La Frétaz während der gemessenen Zeitspanne nie unter die Nullgrad-Grenze. 3
4 INHALTSVERZEICHNIS Inhaltsverzeichnis 1 Abstract 3 2 Einleitung und Fragestellung 7 3 Theorie zu den verschiedenen Prozessen Bodenfeuchte Luft- und Bodentemperatur Kältesumme (Freezing degree-days (FDD)) Niederschlag Schneedecke Methodik Untersuchungsgebiet Daten und Datenanalyse Vorgehen Resultate Furggentälti/Gemmi Verhalten der Bodenfeuchte und der Bodentemperatur Gefrierprozess und Eindringtiefe des Gefrierprozesses Verhalten der Bodenfeuchte in Abhängigkeit der Schneehöhe Die Bodenfeuchte und der Zusammenhang mit der Kältesumme La Frétaz Verhalten der Bodenfeuchte und der Bodentemperatur Gefrierprozess und Eindringtiefe des Gefrierprozesses Verhalten der Bodenfeuchte in Abhängigkeit des Niederschlages Die Bodenfeuchte und der Zusammenhang mit der Kältesumme 26 6 Diskussion und Zusammenfassung Luft- und Bodentemperatur, Kältesumme Niederschlag Schneehöhe Bodenfeuchte Literatur 33 A Datenblätter der Sensoren 35 4
5 ABBILDUNGSVERZEICHNIS Abbildungsverzeichnis 1 Bodenfeuchte-Messstation beim Furggentälti/Gemmi (Foto: Cécile Pellet) Bodenfeuchte-Messstation bei La Frétaz (Foto: Cécile Pellet) La Frétaz: Bodenfeuchte-Sensoren 1-4 vom Typ SMT100, 5 und 6 vom Typ PICO64. Sensor 1 in 10 cm Tiefe, 2, 3 und 5 in 30 cm Tiefe, 4 und 6 in 50 cm Tiefe. (Foto: Cécile Pellet) Furggentälti: Bodenfeuchte-Sensoren 1-4 vom Typ SMT100, 5 und 6 vom Typ PICO64. Sensor 1 in 10 cm Tiefe, 2, 3 und 5 in 30 cm Tiefe, 4 und 6 in 50 cm Tiefe. (Foto: Cécile Pellet) Bodenfeuchte (blaue Linie) und Bodentemperatur (schwarze Linie) in 10 cm Tiefe Gemessene Bodentemperatur im Furggentälti in 10 cm, 30 cm und 50 cm Tiefe, rote ovale Markierung: zero curtain effect, rote gestrichelte Linien: kurzfristiger Anstieg der Bodentemperatur Gemessene Bodenfeuchtewerte im Furggentälti in 10 cm, 30 cm und 50 cm Tiefe, Bereich der roten gestrichelten Linien: sägezahnförmige Bodenfeuchteschwankungen Bodenfeuchte in 10 cm Tiefe und tägliche Niederschlagssumme in Leukerbad (1286 m ü. M.) Bodenfeuchte in 10 cm Tiefe und die Schneehöhe auf dem Männlichen (2230 m ü. M.) die täglich am Abend um 17:30 Uhr gemessen wurde Die Tagesmittel der Luft- (schwarze Linie) und Bodentemperatur (blaue Linie), roter Pfeil links: erster Schneefall, rote gestrichelte Linie: Ab diesem Zeitpunkt ist der Boden schneebedeckt Bodenfeuchte und Bodentemperatur in 10 cm Tiefe bei der Messstation in La Frétaz Gemessene Bodenfeuchtewerte auf in La Frétaz in 10 cm, 30 cm und 50 cm Tiefe. Gestrichelte Linien: Tagesmaxima der Bodenfeuchte Gemessene Bodentemperatur in La Frétaz in 10 cm, 30 cm und 50 cm Tiefe
6 ABBILDUNGSVERZEICHNIS 14 Feuchtegehalt des Untergrunds in 10 cm Tiefe und die Schneehöhe die täglich am Abend um 17:40 Uhr gemessen wurde. Gestrichelte Linien: Tagesmaxima der Bodenfeuchte Feuchtegehalt des Untergrunds in 10 cm Tiefe und tägliche Niederschlagssumme. Rote Pfeile: Sägezahnmuster, Tagesmaxima der Bodenfeuchte Gemessene Lufttemperatur und Bodenfeuchte (10 cm Tiefe) in La Frétaz. Gestrichelte Linien: Tagesmaxima der Bodenfeuchte Die Tagesmittelwerte der Lufttemperatur im Furggentälti (schwarze Linie und bei der Station La Frétaz (blaue Linie) Mittlere maximale Schneehöhe der Jahre 2001 bis 2012 an Messstationen der MeteoSchweiz (grün), des SLF (rot) und des kantonalen IMIS-Netzes (blau). Die schwarze Kurve ist ein Polynom 4. Grades, das durch die untersten Punkte gezwungen wurde Die schwarzen Punkte sind die in Tabelle 2 berechneten Mittelwerte. Die rote gestrichelte Linie illustriert ein mögliches Bodenfeuchteverhalten in Abhängigkeit der Höhe
7 2 EINLEITUNG UND FRAGESTELLUNG 2 Einleitung und Fragestellung Die Bodenfeuchte spielt in vielen geowissenschaftlichen Fragestellungen eine wichtige Rolle. Die temporäre und die räumliche Variabilität des Wassergehalts im Untergrund ist ein wichtiger Parameter unseres Klimasystems. Vor kurzer Zeit, wurde die Bodenfeuchte zu den essentiellen Klimavariablen hinzugefügt (GOSIC, 2014). Sie beeinflusst beispielsweise den Feuchtegehalt in der Atmosphäre, die Hydrologie im kleinen und im mittleren Massstab oder das Vorhandensein von Wasser für Pflanzen. Die Bodenfeuchte beeinflusst im weiteren die Permafrostböden der Gebirgsregionen. Das Auftauen des Untergrunds durch ansteigende Bodentemperaturen kann zu einer Zunahme der Hanginstabilität führen und so steigende Schäden durch Erdrutsche, Steinschläge und Felsstürze zur Folge haben. Vor allem die Kryosphäre ist im Hinblick auf die Klimaveränderungen besonders anfällig. Sie beinhaltet nicht nur Gletscher und Permafrost sondern auch Schnee und saisonal gefrorene Böden (Hauck, 2012). Diese Arbeit unterstreicht somit die Notwendigkeit, von einem Bodenfeuchtenetzwerk in mittleren Höhenlagen und im Hochgebirge. Bis heute wurden vor allem in vergleichsweise niedrigen Höhenlagen Bodenfeuchtemessungen gemacht. So wurde seit 2008 im Rahmen des SwissSMEX- Projektes (Swiss Soil Moisture Experiment) bei 19 Stationen die Bodenfeuchte gemessen. Die meisten dieser Stationen befinden sich jedoch im Mittelland bei niedrigen Höhenlagen (Mittelbach et al., 2011). Es existieren einige wenige Stationen, welche die Bodenfeuchte und Bodentemperatur in den Schweizer Alpen messen. Es handelt sich dabei um die Stationen Schilthorn, Stockhorn und Murtèl-Chastellets (PERMOS, 2013). Im Rahmen des SOMOMOUNT-Projektes (Soil moisture in mountainous terrain and its influence on the thermal regime in seasonal and permanently frozen terrain) welches vom SNF (Schweizer Nationalfonds) unterstützt und von der Universität Fribourg geleitet wird, soll nun ein Netzwerk von Bodenfeuchte- und Bodentemperaturmessstationen bei mittleren und hohen Gebirgslagen aufgebaut werden. In dieser Arbeit werden im Rahmen des SOMOMOUNT-Projektes die Messdaten von zwei Stationen analysiert um die beteiligten Prozesse zu beschreiben. Eine Station befindet sich im Furggentälti/Gemmi in grosser Höhenlage (2460 m ü. M) und eine zweite in La Frétaz bei mittlerer Höhenlage (1205 m ü. M.). Der Schwerpunkt 7
8 2 EINLEITUNG UND FRAGESTELLUNG der Analyse wird auf folgende Einflussparameter gesetzt: Die Höhe, die Luft- und Bodentemperatur, die Schneehöhe und den Niederschlag. In einer vorhergehenden Bachelorarbeit an der Universität Fribourg wurde bereits der saisonale Gefrierprozess in Abhängigkeit der Höhe untersucht. Dieser regionale Vergleich wurde anhand von lokalen Daten aus dem Schwarzwald, Mittelland und den Alpen aufgestellt (Kaeser, 2013). Das Ziel dieser Arbeit ist, mit Hilfe der bereits ausgewerteten Messdaten und der in dieser Arbeit analysierten Stationen im Furggentälti und in La Frétaz ein Verhalten der Bodenfeuchte und der Einflussparameter in Abhängigkeit der Höhe darzustellen. Folgende Forschungsfrage soll im Verlaufe dieser Arbeit beantwortet werden: Wie werden in unterschiedlichen Höhenlagen die Bodenfeuchte und das Gefrierverhalten des Bodens von den Faktoren wie der Bodentemperatur, Lufttemperatur, Niederschlag und der Schneedecke beeinflusst? Konkret sollen die folgenden wissenschaftlichen Fragestellungen überprüft werden: (i) Ab welcher Höhe wird der Gefrierprozess relevant und inwiefern modifiziert die isolierende Schneedecke den Gefrierprozess? (ii) Inwiefern sind Infiltration, Schmelzwassereintrag, eine isolierende Schneedecke und die höheren Lufttemperaturen verantwortlich für die Bodenfeuchte in niedrigeren Lagen? 8
9 3 THEORIE ZU DEN VERSCHIEDENEN PROZESSEN 3 Theorie zu den verschiedenen Prozessen 3.1 Bodenfeuchte Die Bodenfeuchte beschreibt die im Boden enthaltene Menge an Wasser. Der Boden erhält das Wasser durch Regen oder von schmelzendem Schnee. Der Wasseranteil fliesst über die Oberfläche ab, gelangt so in Bäche und Flüsse oder sickert durch Spalten und Poren in den Boden. Ein Anteil wird an der Bodenoberfläche in Form von Wasserdampf an die Atmosphäre zurückgegeben (Evaporation) oder verdunstet an Pflanzenoberflächen aufgrund biotischer Prozesse (Transpiration). Diese beiden Prozesse zusammen nennt man Evapotranspiration. Einige Teilmengen des Wassers sickern gänzlich durch den Boden und füllen das Grundwasservorkommen auf (Strahler, 2010). 3.2 Luft- und Bodentemperatur Die Variabilität der Lufttemperatur hat einen grossen Einfluss auf die Veränderung der Bodentemperatur (Strahler, 2010). Sie wird in einer Höhe von zwei Metern über dem Boden gemessen (Bundesamt für Meteorologie und Klimatologie MeteoSchweiz, 2014). In der Troposphäre sinkt die Lufttemperatur im Mittel mit zunehmender Höhe. Die durchschnittliche Abnahme mit der Höhe, auch atmosphärischer Temperaturgradient genannt, beträgt 6.49 C pro 1000 m (Strahler, 2010). Die Bodentemperatur wird im Verlaufe dieser Arbeit mit Hilfe unterschiedlich tief eingesetzten Bodensensoren gemessen. 9
10 3 THEORIE ZU DEN VERSCHIEDENEN PROZESSEN 3.3 Kältesumme (Freezing degree-days (FDD)) Die sogenannten Freezing Degree Days beschreiben die Summe aller Temperaturtagesmittelwerte in einer definierten Zeitspanne, welche unter 0 C liegen. Die Kältesumme war ursprünglich für die Analyse von Lufttemperaturen vorgesehen. In dieser Arbeit wird zusätzlich die Kältesumme der Bodentemperaturen berechnet. Die Kältesumme wird häufig benutzt, um die Verteilung von Permafrost, die maximale Eisdicke von Meer, Seen und Flüssen zu bestimmen, die maximale Eindringtiefe des Bodenfrosts abzuschätzen oder Aussagen über die Strahlungsbilanz von verschiedenen Oberflächen zu machen. So konnte beispielsweise anhand von Messungen während einem Jahr in der Permafrostregion Murtel-Corvatsch im Oberengadin gezeigt werden, dass ein Grundgestein mit Vegetation im Vergleich zu einem ohne Vegetation eine um 77 C kleinere Wärmesumme (Summe der Tagesmittelwerte > 0 C) und eine um 126 C niedrigere Kältesumme aufweist (Schneider et al., 2012). Demzufolge absorbiert das kahle Grundgestein im Verlaufe des Tages eine grössere Menge an eintreffender kurzwelliger Strahlung, gibt aber in der Nacht auch mehr langwellige Wärmestrahlung ab. Das mit Vegetation bedeckte Grundgestein hingegen führt aufgrund der grösseren Wärmespeicherkapazität zu einem leicht wärmeren Temperaturregime im Boden. Man kam zum Schluss, dass der Einfluss der Wärmespeicherkapazität des Grundgesteins auf das thermische Regime des Bodens wichtiger ist, als eine leicht erhöhte Sonneneinstrahlung. Die Kältesumme kann wie folgt berechnet werden: FDD = i= (0 C T i ) (1) Wobei T i kleiner als null Grad sein muss und für die jeweilige Tagesmitteltemperatur steht (Houghton, 1985). Die Kältesumme wird in der Regel für den ganzen Winter angegeben. Der Bezugszeitraum variiert jedoch, da Winter in Einzelfällen unterschiedlich festgelegt wird. Einige sprechen vom meteorologischen Winter, wobei die Kältesumme für die Monate Dezember, Januar und Februar berechnet wird (Deutscher Wetterdienst, 2014). Andere beziehen sich auf die Monate von November bis März. Für diese Arbeit wurde letztere Variante gewählt. 10
11 3 THEORIE ZU DEN VERSCHIEDENEN PROZESSEN 3.4 Niederschlag Es gibt mehrere Formen des Niederschlags (Ahrens, 2012). In dieser Arbeit wird der Fokus auf Schnee und flüssigen Niederschlag wie Regen gesetzt. Es sind die beiden wichtigsten Prozesse, welche die Bodenfeuchte massgeblich beeinflussen können. Die Daten für den Niederschlag werden von den Meteo Schweiz Stationen geliefert. Die Messung des Niederschlags basiert hierbei auf dem Wägeprinzip. Die Intensität flüssiger, fester und gemischter Niederschläge wird durch eine hermetisch abgeschlossene Wägezelle ermittelt (Bundesamt für Meteorologie und Klimatologie MeteoSchweiz, 2012). Das heisst, dass bei der Niederschlagsmessung alle Niederschlagsformen als Summe zusammengefasst werden. 3.5 Schneedecke Fällt Niederschlag in Form von Schnee, isoliert die Schneedecke aufgrund ihrer niedrigen Wärmeübertragungsleistung den Boden. Sie verhindert somit einen Wärmeaustausch zwischen dem Boden und der Atmosphäre. Der Einfluss der Schneedecke auf den Untergrund hängt stark von ihrer Dicke, der Dichte und ihrer Beständigkeit ab. Eine grosse Akkumulation von Schnee im Herbst verhindert beispielsweise ein Gefrieren der Auftauschicht (die im Sommer saisonal auftauende Schicht) und eine dicke Schneedecke im Frühling verzögert das Auftauen (Hoelzle et al., 1999). Das Isolationsprinzip der Schneedecke gilt in allen Höhenlagen. 11
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13 4 METHODIK 4 Methodik 4.1 Untersuchungsgebiet Die Analyse beschränkt sich auf zwei Gebiete. Zum einen auf das Gebiet beim Furggentälti/Gemmi nahe dem Gemmipass auf 2460 m ü. M. und zum anderen auf das Gebiet bei La Frétaz welches auf 1205 m ü. M. liegt. Die Messstation beim Furggentälti befindet sich im westlichen Teil der Berner Alpen zwischen Kandersteg und Leukerbad ( N / O). Sie liegt oberhalb der Baumgrenze. Der grösste Teil ist mit riesigen periglazialen Ablagerungen bedeckt. Diese bilden grosse Schutthalden an den steilen Südhängen. An den Nordhängen befinden sich mehrere kleine Blockgletscher und Solifluktionsloben. Im flachen Gelände finden sich typische periglaziale Bodenstrukturen (Mihajlovic et al., 2003). Die Vegetation bei der Messstation ist spärlich und besteht vorallem aus einzelnen Stellen mit niedrigem Gras. Dazwischen befinden sich vor allem Geröllablagerungen (s. Abb. 1). Abbildung 1: Bodenfeuchte-Messstation beim Furggentälti/Gemmi (Foto: Cécile Pellet). Abbildung 2: Bodenfeuchte-Messstation bei La Frétaz (Foto: Cécile Pellet). 13
14 4 METHODIK Die Meteo Schweiz Messtation in La Frétaz befindet sich nordwestlich von Yverdon les Bains am Südhang der Jurakette des Chasseron ( N / O). Sie befindet sich auf einer Wiese (s. Abb. 2). Die Wahl fiel auf die beiden Messstationen, weil es im Rahmen des SOMOMOUNT- Projekts die ersten zwei waren, die installiert wurden (Ende September respektive anfangs Oktober 2013). Zudem bieten die unterschiedlichen Höhenlagen die Bedingungen für die Analyse der Bodenfeuchte und der in Kapitel 3 genannten Einflussparameter in Abhängigkeit der Höhe. 4.2 Daten und Datenanalyse Die Daten dieser Arbeit stammen von zwei Stationen, welche im Rahmen des SOMOMOUNT-Projektes aufgebaut wurden. Die im Boden installierten Sensoren messen jeweils die Bodenfeuchte und die Bodentemperatur. Die Sensoren liefern Messdaten in einem Intervall von zwei Minuten. Nach dreissig Minuten wird automatisch der Mittelwert der 15 Daten berechnet und gespeichert. Der Feuchtegehalt wird in m 3 /m 3 und die Temperatur in C angegeben. Die Daten für den Niederschlag und die Schneehöhe stammen von den Stationen des Bundesamtes für Meteorologie und Klimatologie Meteo Schweiz. Da Meteo Schweiz keine Geräte zur Schneehöhenmessung im Furggentälti installiert hat, wurde im Oktober 2013 eine Messstation errichtet. Die Daten für die Schneehöhe stehen jedoch für diese Arbeit noch nicht zur Verfügung, da sie noch nicht ausgelesen werden konnten. Es wurden deshalb die Schneehöhemessungen der Meteo Schweiz Messstation beim Männlichen genommen. Der Männlichen liegt ca. 30 km nordöstlich vom Furggentälti und befindet sich 2230 m über Meer. Die Daten für den Niederschlag stammen von der Meteo Schweiz Station in Leukerbad. Die Station liegt ca. 3 km südlich vom Furggentälti in einer Höhe von 1286 m über Meer. 14
15 4 METHODIK Aufgrund eines technischen Defekts bei der Station in La Frétaz, stehen vom 17. Oktober 2013 bis zum 21. Januar 2014 keine Bodenfeuchte und Bodentemperaturmessungen zur Verfügung. Die fehlenden Werte wurden nicht in die Datenanalyse miteinbezogen. Gleiches gilt für die Station auf dem Furggentälti. Hier fehlen die Daten vom 12. bis zum 24. September und vom 16. bis zum 28. November. Abbildung 3: La Frétaz: Bodenfeuchte- Sensoren 1-4 vom Typ SMT100, 5 und 6 vom Typ PICO64. Sensor 1 in 10 cm Tiefe, 2, 3 und 5 in 30 cm Tiefe, 4 und 6 in 50 cm Tiefe. (Foto: Cécile Pellet). Abbildung 4: Furggentälti: Bodenfeuchte- Sensoren 1-4 vom Typ SMT100, 5 und 6 vom Typ PICO64. Sensor 1 in 10 cm Tiefe, 2, 3 und 5 in 30 cm Tiefe, 4 und 6 in 50 cm Tiefe. (Foto: Cécile Pellet). Es gibt insgesamt sechs Messsonden pro Station. Alle Sonden messen die Bodenfeuchte und die Bodentemperatur. Eine Sonde wurde in einer Tiefe von 10 cm platziert. Drei weitere Sonden befinden sich in einer Tiefe von 30 cm. Die verbleibenden zwei Sonden wurden in einer Tiefe von 50 cm (s. Abb. 3 und 4) installiert. Bei den Auswertungen wird hauptsächlich die oberste Bodenschicht in 10 cm Tiefe untersucht. Es wird davon ausgegangen, dass Prozesse wie Niederschlag, Infiltration, Lufttemperatur, Variabilität der Schneehöhe primär den Feuchtegehalt in der oberen Bodenschicht beeinflusst. Da die ETH Zürich im Rahmen des SwissSMEX Projektes PICO64 Sensoren installiert hat, hat man sich entschieden die gleichen Sensoren zu benutzen. Die Daten können somit besser untereinander verglichen werden. Beim zweiten Sensortyp handelt es sich um einen SMT100. Der gleichen Typ wurde bereits im Jahre 2007 von der Universität Fribourg für Messungen auf dem Schilthorn verbaut, weshalb man sich im Rahmen des SOMOMOUNT-Projekts zusätzlich für diesen Sensor ent- 15
16 4 METHODIK schieden hat. Der Vorteil des PICO64 gegenüber dem SMT100 ist, dass er eine eine hohe Präzision in hoch porösen Böden bietet und eine Bodenfeuchte von bis zu 100 % aufzeichnen kann. Er hat eine Genauigkeit von ±1 % bei Bodenfeuchtewerten zwischen 0 m 3 /m 3 und 40 m 3 /m 3 und eine Genauigkeit von ±2 % bei Werten von 40 m 3 /m 3 bis 70 m 3 /m 3 (s. IMKO GmbH (2012) und Datenblatt im Anhang A). Die SMT100 Sensoren sind mit ±3 % bei Werten zwischen 0 m 3 /m 3 und 50 m 3 /m 3 etwas weniger genau dafür aber kostengünstiger. Um eine Genauigkeit von ±1 % zu erreichen, muss der SMT100 ortsspezifisch kalibriert werden (Truebner GmbH, s. Datenblatt im Anhang A). 4.3 Vorgehen In einem ersten Schritt werden die Tagesmittelwerte der Bodenfeuchte und der Bodentemperatur in allen Messtiefen berechnet, um einen ersten Vergleich zwischen den beiden Stationen zu erstellen und Messfehler einzelner Sonden auszuschliessen. Temperatur- oder Bodenfeuchtewerte, welche sich nicht in einem unrealistischen Wertebereich befinden oder nicht aufgezeichnet wurden, können so mit den anderen Tiefen verglichen und falls nötig ausgeschlossen werden. Durch das Auswerten der Messdaten in allen Tiefen kann zusätzlich die Eindringtiefe des Gefrierprozesses ermittelt werden. In einem zweiten Schritt werden die Tagesmittelwerte für die spezifischen Einflussparameter erstellt, um Abhängigkeiten der Bodenfeuchte von den einzelnen Variablen zu ermitteln. Um das thermische Regime der beiden Station im Furggentälti und in La Frétaz untereinander vergleichen zu können, wird zusätzlich die Kältesumme berechnet. Schlussendlich werden die zwei Stationen untereinander verglichen. Mit Hilfe von zusätzlichen Stationen, bei welchen in vorhergehenden Studien (SwissSMEX, COPS und PERMOS) Bodenfeuchtemessungen gemacht wurden, soll eine Höhenabhängigkeit der Bodenfeuchte, des Gefrierprozesses und der unterschiedlichen Einflussparameter dargestellt werden. 16
17 5 RESULTATE 5 Resultate 5.1 Furggentälti/Gemmi Verhalten der Bodenfeuchte und der Bodentemperatur In Abbildung 5 wird sichtbar, dass in den Monaten September bis anfangs Dezember die Bodentemperatur tendenziell abnimmt. Anfangs Oktober und Ende Oktober steigt sie kurzfristig um ca. 2 C an. Am 9. Dezember unterschreitet die Bodentemperatur erstmals die Nullgrad- Grenze. Auffällig ist, dass die Bodentemperatur anfangs Dezember in zwei Wochen von 0.5 C auf 1.8 C sinkt (im Bereich der roten gestrichelten Linien in Abb. 5). Vom 27. Dezember bis zum 16. Januar bleibt der Temperaturverlauf relativ konstant. Die Werte schwanken zwischen 0.7 C und 0.9 C. Nach Abbildung 5: Bodenfeuchte (blaue Linie) und Bodentemperatur (schwarze Linie) in 10 cm Tiefe. dieser konstanten Phase sinkt der Temperaturverlauf weiter ab und erreicht am 10. Februar mit 2.7 C ein Minimum. Danach steigt die Bodentemperatur wieder leicht an. Die Bodenfeuchte in 10 cm Tiefe bleibt bis anfangs Oktober annähernd konstant bei Werten zwischen 40 und 50 m 3 /m 3. Am 8. Dezember beträgt der gemessene Wert noch 34.8 m 3 /m 3 sinkt dann jedoch in nur zwei Tagen auf 15 m 3 /m 3 und fällt dann schlussendlich auf einen Wert um die 10 m 3 /m 3. Erst am 5. April, steigt der Feuchtegehalt des Untergrundes im Furggentälti langsam wieder an. Anhand von Abbildung 5 kann gezeigt werden, dass ein Absinken der Bodentemperaturen für die Abnahme der Bodenfeuchte verantwortlich ist und nicht umgekehrt. Somit beeinflusst die Bodentemperatur die Bodenfeuchte. Begründet wird dies damit, dass die Bodenfeuchte bis anfangs Oktober konstant bleibt während die Bodentemperatur kontinuierlich sinkt. Der Gefrierprozess, genauer gesagt das Einfrieren des Porenwassers im Untergrund, ist verantwortlich für die Abnahme der Bodenfeuchte. 17
18 5 RESULTATE Gefrierprozess und Eindringtiefe des Gefrierprozesses Abbildung 6 und 7 zeigen die Bodentemperatur- und Bodenfeuchtewerte in 10 cm, 30 cm und 50 cm Tiefe. Die Bodentemperaturen in 30 cm und 50 cm nehmen von anfangs September bis anfangs Dezember tendenziell ab. Anfangs Oktober steigen die Bodentemperaturen in 30cm und 50cm Tiefe im Vergleich zur Sonde in 10 cm Tiefe nur gering an. Vom 13. Oktober bis zum 4. November steigen die Bodentemperaturen in allen Tiefen kurzfristig auf einen annähernd identischen Wert von ca. 3.5 C an (Abb. 6, im Bereich der roten gestrichelten Linien). Von anfangs Dezember bis anfangs Februar bleibt die Bodentemperatur in 30 cm und 50 cm relativ konstant bei Werten um 0 C (Abb. 6, rote ovale Markierung). Abbildung 6: Gemessene Bodentemperatur im Furggentälti in 10 cm, 30 cm und 50 cm Tiefe, rote ovale Markierung: zero curtain effect, rote gestrichelte Linien: kurzfristiger Anstieg der Bodentemperatur Abbildung 7: Gemessene Bodenfeuchtewerte im Furggentälti in 10 cm, 30 cm und 50 cm Tiefe, Bereich der roten gestrichelten Linien: sägezahnförmige Bodenfeuchteschwankungen Das konstante Verhalten der Temperaturen in einer Tiefe von 30 cm und 50 cm bei einem Wert um 0 C (s. ovale Markierung in Abb. 6) kann mit dem zero-curtain effect begründet werden. Dieser Begriff bezieht sich auf den Effekt von latenter Wärme, welche bei einem Phasenübergang in der Auftauschicht frei wird und so während einer gewissen Zeitspanne zu einem isothermen Vorgang nahe des Nullpunktes führt (Outcalt et al., 1990). Dieses konstante Temperaturverhalten weist auf ein partielles Gefrieren in allen Messtiefen hin. Einen weiteren Hinweis auf das Gefrieren des Bodens in allen Messtiefen liefert der niedrige Feuchtegehalt aller Messsonden in Abbildung 7. Ab dem 4. Dezember sinkt der Bodenfeuchtewert in 10 cm Tiefe von 41 m 3 /m 3 in acht Tagen auf einen Wert von 11 m 3 /m 3. Bei den Bo- 18
19 5 RESULTATE denfeuchtewerten in 30 cm und 50 cm Tiefe kann dasselbe Phänomen beobachtet werden, mit dem Unterschied, dass die Abnahme des Feuchtegehaltes mit zunehmender Tiefe des Sensors etwas verzögert und weniger schnell eintrifft. Ab Mitte Februar bleibt die Bodenfeuchte in allen Tiefen bei Werten um 10 m 3 /m 3 konstant. In 10 cm Tiefe kann kein zero-curtain effect nachgewiesen werden. Die Bodentemperatur sinkt in nur wenigen Tagen unter den Gefrierpunkt und bewegt sich bei Werten um 1 C (s. Abb. 5 im Bereich der roten gestrichelten Linien). Eine mögliche Erklärung könnte die Infiltration des Wassers von 10 cm Tiefe in die tieferen Schichten geben. Durch die geringeren Wassermassen in der obersten Schicht, wird beim Gefrierprozess nur wenig latente Wärme frei, was zu einem sofortigen Einfrieren des Bodens führt und das plötzliche Absinken der Temperatur in 10 cm Tiefe erklären könnte. Die Bodenfeuchtewerte in Abbildung 7 in einer Tiefe von 30 cm und 50 cm bleiben bis Mitte Oktober bei Werten zwischen 20 und 25 m 3 /m 3 annähernd konstant. Von Mitte Oktober bis anfangs November ist eine sägezahnförmige Zu- und Abnahme der Bodenfeuchte zu erkennen. Zeitgleich ist in Abbildung 6 eine Temperaturzunahme sichtbar (s. Abb. 6 und 7, im Bereich der gestrichelten roten Linien). Das Ansteigen der Bodenfeuchte ist auf den Niederschlag in Form von Regen zurückzuführen. Die asymptotische Abnahme der Bodenfeuchte entsteht durch die Infiltration und die Evapotranspiration (Hilbich et al., 2011). Begründet werden kann die vorhergehende Erkenntnis mit Hilfe von Abbildung 8. Die Zunahme der Bodenfeuchte in Leukerbad korrespondiert im markierten Bereich (rote gestrichelte Linien) mit der Zunahme der täglichen Niederschlagssummen. Anhand der positiven Lufttemperaturen in Abbildung 10, kann davon ausgegangen werden, dass an den Tagen der Bodenfeuchtezunahme, Abbildung 8: Bodenfeuchte in 10 cm Tiefe und tägliche Niederschlagssumme in Leukerbad (1286 m ü. M.) Niederschlag in Form von Regen gefallen ist. Da auf dem Männlichen vom 13. Oktober bis zum 4. November teils Schnee liegt, ist die asymptotische Abnahme eher auf die Infiltration als auf die Evapotranspiration zurückzuführen. 19
20 5 RESULTATE Verhalten der Bodenfeuchte in Abhängigkeit der Schneehöhe Der Zusammenhang zwischen der Bodenfeuchte und der Schneehöhe wird in Abbildung 9 illustriert. Am 8. September fällt auf dem Männlichen zum ersten Mal Schnee. Bis Ende Oktober ist die Schneedecke zwischen 2 cm und maximal 7 cm dick. Anfangs Oktober fällt erneut Schnee und die Schneedecke erreicht am 12. Oktober eine Dicke von 28 cm. Bis Ende November schneit es an vereinzelten Tagen. Die Schneehöhe beträgt zwischen 2 cm und 10 cm. Ab anfangs November bis zum 26. November akkumuliert sich der Schnee und die Schneehöhe erreicht am 21. November einen Wert von 77 cm. Danach schmilzt der Schnee bis Ende Dezember auf eine Dicke von 54 cm. Ab anfangs Januar bis Ende März ist die Schneedecke zwischen 80 cm und 160 cm dick. Die Schneehöhe variiert in der Zeit von Mitte Dezember bis Anfang März um einen Wert von 15 cm bis zu einer maximalen Dicke von 53 cm. Ab dem 8. März beginnt ein kontinuierlicher Schmelzprozess der Schneedecke. Mitte März steigt die Schneehöhe noch einmal auf 150 cm an und sinkt dann bis Ende März auf eine Höhe von 120 cm. Abbildung 9: Bodenfeuchte in 10 cm Tiefe und die Schneehöhe auf dem Männlichen (2230 m ü. M.) die täglich am Abend um 17:30 Uhr gemessen wurde. In der Zeitspanne von anfangs November bis Ende November beobachtet man die kontinuierliche Abnahme der Bodenfeuchte. Fast zeitgleich mit der Zunahme der Schneedecke beginnt sich also der Feuchtegehalt des Bodens zu verringern. Am 12. Dezember erreicht die Bodenfeuchte einen Wert um die 10 m 3 /m 3. In Abbildung 9 ist gemäss den Erwartungen ein Zusammenhang zwischen der Dicke der Schneedecke (auf dem Männlichen) und der Bodenfeuchte zu erkennen. Gemäss Hoelzle et al., (1999) verhindert die feste Form des Niederschlags in erster Linie ein weiteres Eindringen von Wasser in den Untergrund. Da durch die vorhandene Schneedecke auch keine Verdunstung mehr stattfinden kann, weist die Abnahme der Bodenfeuchte in Abbildung 6 auf ein Gefrieren des Bodens hin. 20
21 5 RESULTATE Die Bodenfeuchte und der Zusammenhang mit der Kältesumme. In Abbildung 10 sind die Bodentemperaturen in 10 cm Tiefe sowie die Lufttemperaturen im Furggentälti zu sehen. Die Lufttemperatur sinkt am 10. Oktober zum ersten Mal unter die Nullgrad-Grenze. Sie bewegt sich meist unterhalb des Gefrierpunktes. Erst Anfang März ist die Lufttemperatur über der Nullgrad-Grenze. Sie weist grössere Schwankungen auf. Die Bodentemperatur dagegen ist stabiler. Die abnehmenden Schwankungen sind auf die vorhandene Schneedecke (ab vertikaler, rot-gestrichelten Linie in Abb. 10) und die damit verbundenen Isolationswirkung zurückzuführen. Die Schneedecke entkoppelt den Boden von der Atmosphäre. Ein Wärmeaustausch kann nicht mehr stattfinden. Gemäss Strahler (2010) wird die Bodentemperatur stark durch die Variabilität der Lufttemperatur beeinflusst. Anhand von Abbildung 10 kann der Einfluss der Lufttemperatur auf die Bodentemperatur gezeigt werden. Anfangs Oktober bis Ende November sinkt bei einer Abnahme der Lufttemperatur die Bodentemperatur und bei einer Zunahme der Lufttemperatur steigt auch die Bodentemperatur. Anfangs Dezember Abbildung 10: Die Tagesmittel der Luft- (schwarze Linie) und Bodentemperatur (blaue Linie), roter Pfeil links: erster Schneefall, rote gestrichelte Linie: Ab diesem Zeitpunkt ist der Boden schneebedeckt nimmt die Variabilität der Lufttemperatur aufgrund der isolierenden Schneedecke nur noch einen geringen Einfluss auf die Bodentemperaturen (ab der rot-gestrichelten Linie in Abb. 10). 21
22 5 RESULTATE Während der Periode von anfangs November bis Ende März, erhält man für die Kältesumme folgende Werte: FDD Luft = i= (0 C T i ) = 562 C (2) 5.2 La Frétaz FDD Boden = i= (0 C T i = 111 C) (3) Verhalten der Bodenfeuchte und der Bodentemperatur Das Verhalten der Bodenfeuchte und der Bodentemperatur in 10 cm Tiefe wird in Abbildung 11 sichtbar. Mitte Januar beträgt der Feuchtegehalt des Bodens 37 m 3 /m 3. Es ist eine stetige Zunahme bis zum 19. März sichtbar. An diesem Tag erreicht der Bodenfeuchtegehalt ein Maximum von 40 m 3 /m 3. Dazwischen gibt es kleinere und grössere Veränderungen die sich täglich zwischen 1 m 3 /m 3 und höchstens 3 m 3 /m 3 bewegen. Nach dem 22. März nimmt die Feuchte kontinuierlich und relativ schnell ab. Abbildung 11: Bodenfeuchte und Bodentemperatur in 10 cm Tiefe bei der Messstation in La Frétaz. Die Bodentemperatur verhält sich umgekehrt proportional zur Bodenfeuchte. Bis zum 19. März, kann eine stetige Abnahme beobachtet werden. Die Bodentemperaturschwankung ist gering. Sie beträgt in der Zeitspanne von Mitte Januar bis Mitte März höchstens 1 C. Nach dem 27. März steigt die Temperatur in 10 cm Tiefe in fünf Tagen um ungefähr 6 C an. Interessant ist, dass die Bodentemperatur die Nullgrad-Grenze zu keinem Zeitpunkt unterschreitet. Sie befindet sich stets bei wenigen Zehntel Grad über dem Gefrierpunkt. 22
23 5 RESULTATE Gefrierprozess und Eindringtiefe des Gefrierprozesses Das Verhalten der Bodenfeuchte und der Bodentemperatur in allen Messtiefen wird in den Abbildungen 12 und 13 illustriert. Der Kurvenverlauf der Bodenfeuchte in 10 cm und 30 cm Tiefe ist nahezu identisch. In Abbildung 12 fällt aber auf, dass die mit den gestrichelten Linien markierten Peaks in 50 cm Tiefe eine grössere Amplitude haben. Das zeigt, dass es sich um eine Infiltration handelt. Das Sägezahnmuster ist bis in die unterste Messtiefe zu beobachten. Die Bodentemperaturen (s. Abb. 13) aller Messtiefen liegen zwischen 1.5 C und 2 C über dem Gefrierpunkt und haben keine nennenswerten Schwankungen. Begründet wird dies wiederum mit der isolierenden Funktion der Schneedecke. Erst Ende März, nachdem der Schnee vollständig geschmolzen ist, steigt die Bodentemperatur bei der Station in La Frétaz an (Abb. 13 und 14). Abbildung 12: Gemessene Bodenfeuchtewerte auf in La Frétaz in 10 cm, 30 cm und 50 cm Tiefe. Gestrichelte Linien: Tagesmaxima der Bodenfeuchte Abbildung 13: Gemessene Bodentemperatur in La Frétaz in 10 cm, 30 cm und 50 cm Tiefe 23
24 5 RESULTATE Verhalten der Bodenfeuchte in Abhängigkeit des Niederschlages Die Schneehöhe in Abbildung 14 nimmt bis zum 6. März tendenziell zu. Während dieser Zeitspanne sind Schmelzprozesse sowie erneute Niederschläge zu beobachten. Ab dem 7. März nimmt die Schneedecke dann rapide ab. Vom 8. März bis zum 20. März bleibt der Feuchtegehalt des Untergrunds bei ca. 39 m 3 /m 3 konstant, die Höhe der Schneedecke nimmt kontinuierlich ab. Bereits am 20. März liegt kein Schnee mehr in La Frétaz. Abbildung 14: Feuchtegehalt des Untergrunds in 10 cm Tiefe und die Schneehöhe die täglich am Abend um 17:40 Uhr gemessen wurde. Gestrichelte Linien: Tagesmaxima der Bodenfeuchte Erstaunlicherweise sinkt der Feuchtegehalt des Untergrunds anfangs März gleichzeitig mit dem Schmelzprozess der Schneedecke. Da die Datenanalyse nur bis anfangs April erfolgte, ist schwierig zu beurteilen, wieso sich die beiden Werte entgegen den Erwartungen umgekehrt proportional verhalten. Eine Erklärung könnte die einsetzende Evapotranspiration liefern. Die Summe aus Infiltration und Evapotranspiration könnte den Schmelzwassereintrag übersteigen. Von Mitte März bis Ende März verhält sich der Verlauf der Bodenfeuchte bis zur untersten Sonde annähernd gleich. Abbildung 15 zeigt von Mitte Januar bis zum 22. März einen direkten Zusammenhang zwischen dem Niederschlag und der Bodenfeuchte. Bezieht man Abbildung 16 mit ein, wird sichtbar dass am 7., 15. und am 21. Februar (vertikale gestrichelte Linien), Niederschläge in Form von Regen gefallen sind. Begründet wird dies durch die positiven Temperaturwerte an den entsprechenden Tagen (s. Abb. 16). Abbildung 14 zeigt im weiteren, dass an den drei Tagen die Schneedecke jeweils um einige Zentimeter zurückgegangen ist. 24
25 5 RESULTATE Abbildung 15: Feuchtegehalt des Untergrunds in 10 cm Tiefe und tägliche Niederschlagssumme. Rote Pfeile: Sägezahnmuster, Tagesmaxima der Bodenfeuchte Abbildung 16: Gemessene Lufttemperatur und Bodenfeuchte (10 cm Tiefe) in La Frétaz. Gestrichelte Linien: Tagesmaxima der Bodenfeuchte. Vom bis zum 21. März gibt es keine erneuten Niederschläge. Ab dem 24. März nimmt der Feuchtegehalt des Bodens tendenziell ab. Die Variation des Feuchtegehaltes im Untergrund bewegt sich in Form eines Sägezahnmuster zwischen einigen Prozent. Die Entstehung des typischen Sägezahnmusters wurde bereits in Kapitel erläutert. Auch in La Frétaz, ist das Ansteigen der Bodenfeuchte auf den Niederschlag in Form von Regen zurückzuführen. Die asymptotische Abnahme der Bodenfeuchte entsteht jedoch ausschliesslich durch die Infiltration, da in diesem Fall Evapotranspiration aufgrund der Schneedecke ausgeschlossen werden kann. Die Schneedecke verhindert eine Verdunstung während der Periode von Mitte Februar bis Mitte März (s. Abb. 14). 25
26 5 RESULTATE Die Bodenfeuchte und der Zusammenhang mit der Kältesumme Abbildung 17: Die Tagesmittelwerte der Lufttemperatur im Furggentälti (schwarze Linie und bei der Station La Frétaz (blaue Linie) Vergleicht man die Lufttemperaturen der Station La Frétaz mit jenen im Furggentälti, sieht man, dass der Verlauf beinahe identisch ist (Abb. 17). Die Lufttemperaturen in La Frétaz sind erwartungsgemäss rund 6 C wärmer. Dies entspricht dem in Kapitel 3.2 erläuterten Verhalten (atmosphärischer Temperaturgradient). Diese durchschnittlich wärmeren Temperaturen zeigen sich auch in der Kältesumme der Lufttemperatur. Sie zeigt einen viel geringeren Wert verglichen mit der Kältesumme im Furggentälti. Die Bodenfeuchte ist vermutlich so hoch, dass eine viel höhere Kältesumme notwendig wäre, um ein Einfrieren der oberen Bodenschichten zu erreichen. Hinzu kommt, dass die Schneedecke zu früh isoliert (s. Abb. 14) und dadurch ein Absinken der Bodentemperaturen und ein Einfrieren des Bodens verhindert. Für die Messungen in La Frétaz während der Periode von anfangs Oktober bis Ende März, erhält man folgenden Wert: FDD Luft = FDD Boden = i= i= (0 C T i ) = 127 C (4) (0 C T i ) = 0 C (5) Dies entspricht ca. einem Viertel der gemessenen Kältesumme im Furggentälti. 26
27 6 DISKUSSION UND ZUSAMMENFASSUNG 6 Diskussion und Zusammenfassung Die Analyse der zwei Stationen in La Frétaz und im Furggentälti erlaubt nur einen kleinen Einblick in das Verhalten der Bodenfeuchte in Abhängigkeit der Höhe. Mit Hilfe von vorhergehenden Studien kann trotzdem eine Relation zwischen der Höhe und der verschiedenen Variablen hergestellt werden. 6.1 Luft- und Bodentemperatur, Kältesumme Dass die Bodentemperatur von der Variabilität der Lufttemperatur abhängt, konnte in Abbildung 10 gezeigt werden. Im weiteren konnte gezeigt werden, dass die Schneedecke modifizierend auf die Bodentemperaturen wirken kann. Gemäss Zhang (2005) kann bspw. in kontinuierlichen Permafrostregionen eine saisonbedingte Schneedecke die mittleren Jahresmittel-Bodentemperaturen um einige Grad ansteigen lassen, wohingegen in diskontinuierlichen oder sporadischen Permafrostregionen eine fehlende Schneedecke eine Schlüsselrolle bei der Entstehung von Permafrost spielen kann. In saisonal gefrorenen Gebieten kann die Schneedecke deshalb einen erheblichen Einfluss auf den Gefrierprozess nehmen. In La Frétaz könnte somit nebst den hohen Lufttemperaturen die früh vorhandene Schneedecke mitverantwortlich für das Nicht-Gefrieren der Bodenschichten sein. Wie bereits in Kapitel 3.2 gesehen, sinken die Lufttemperaturen mit steigender Höhe. Man kann mit einem Richtwert von ca C pro hundert Metern rechnen (Strahler, 2010). Diese Abnahme der Lufttemperatur mit der Höhe wird in Abbildung 17 illustriert. Die Kältesumme der Luft in La Frétaz ist deshalb verglichen mit der Messung im Furggentälti kleiner. Auch die Kältesumme des Bodens ist mit einem Wert von 0 C deutlich geringer als diejenige im Furggentälti (111 C). Es wird also von einer Abnahme der Luft- und Bodentemperatur mit der Höhe ausgegangen. Dies hat zur Folge, dass die Kältesumme der Luft und des Bodens mit der Höhe steigt. 27
28 6 DISKUSSION UND ZUSAMMENFASSUNG 6.2 Niederschlag Es ist schwierig anhand der vorangehenden Analyse, über das Verhalten des Niederschlages mit zunehmender Höhe eine Aussage zu machen. Während der untersuchten Zeitperiode war Schneefall die dominierende Niederschlagsform. Gemäss Krauss et al., (2010) nimmt die Niederschlagsmenge mit zunehmender Höhe zu. Da aber Niederschlagsmengen lokal stark variieren können, kann keine exakte Aussage über die Niederschlagsmenge in Abhängigkeit mit der Höhe gemacht werden. Eine detaillierte Analyse des Niederschlags entlang der Alpen durch Frei et al., (1998) zeigte, dass keine triviale Niederschlags-Höhe Beziehung im alpinem Massstab existiert, vielmehr hat der Standort und die Exposition der Station einen Einfluss auf die Niederschlagsmenge. 6.3 Schneehöhe Abbildung 18: Mittlere maximale Schneehöhe der Jahre 2001 bis 2012 an Messstationen der MeteoSchweiz (grün), des SLF (rot) und des kantonalen IMIS- Netzes (blau). Die schwarze Kurve ist ein Polynom 4. Grades, das durch die untersten Punkte gezwungen wurde. Die Messwerte der zwei Stationen Männlichen und La Frétaz (s. Abb. 9, resp. 14) zeigen eine Zunahme der Schneemenge mit der Höhe. Gemäss Lehning et al., (2012) hat neben der Meereshöhe die Steilheit des Geländes einen entscheidenden Einfluss auf die mittlere Schneehöhe im Gebirge. Im steileren Gelände liegt deutlich weniger Schnee. Allgemein nimmt die Schneehöhe mit der Meereshöhe zu, da zum einen in niedrigeren Höhen wegen der wärmeren Temperaturen nur ein Teil des Niederschlags in Form von Schnee fällt und zum anderen der Niederschlag generell mit der Höhe zunimmt. Dies zeigten die Auswertungen der Schneehöhe in Abhängigkeit der Höhe an Messstationen der MeteoSchweiz, des SLF und des kantonalen IMIS-Netzes (Lehning et al., 2012, s. Abb. 18). Es kann also von einer Zunahme der Schneehöhe mit der Höhe ausgegangen werden. 28
29 6 DISKUSSION UND ZUSAMMENFASSUNG 6.4 Bodenfeuchte In La Frétaz war der Untergrund während der untersuchten Periode nie gefroren. Gemäss Krauss et al., (2010) sind die Höhe und die Bodenfeuchte indirekt über die Abhängigkeit des Niederschlags von der Höhe verknüpft. Die in den vorhergehenden Kapiteln besprochenen Abhängigkeiten der unterschiedlichen Einflussparametern mit der Höhe und deren Einfluss auf die Bodenfeuchte sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Höhe Luft-und Bodentemp. Prozess Bodenfeuchte Gefrierprozess Höhe Niederschlag Prozess Bodenfeuchte Wasser in Poren Höhe Schneehöhe Prozess Bodenfeuchte Isolation (kein Gefrierprozess) Tabelle 1: Abhängigkeit der Bodenfeuchte von der Höhe und von den unterschiedlichen Einflussparametern In einer vorhergehenden Arbeit bei welcher Bodenfeuchtemessungen in Südwest- Deutschland ( m ü. M.), im Schweizer Mittelland (Payerne bei 482 m ü. M.), im Senseoberland (Plaffeien bei 1042 m ü. M.), im Wallis (Sion 482 m ü. M.) und in den Alpen (Schilthorn bei 2970 m ü. M.) gemacht wurden, konnte die Höhenabhängigkeit der Einflussparameter auch sehr deutlich aufgezeigt werden (Kaeser, 2013). Die Tabelle 2 zeigt die Jahresmittelwerte der ausgewerteten Stationen. Mit Hilfe der unterschiedlichen Abhängigkeiten der Bodenfeuchte und den ausgewerteten Daten wird angenommen, dass die Bodenfeuchte mit der Höhe nicht kontinuierlich abnimmt sondern bis zu einer gewissen Höhe ansteigt und dann wieder abnimmt. Laut Hilbich et al., (2011) kann die geringere Bodenfeuchte in höheren Lagen mit der Abnahme des Wassergehaltes aufgrund des Gefrierprozesses erklärt werden. Abbildung 19 illustriert ein mögliches Verhalten der Bodenfeuchte in Abhängigkeit der Höhe. Es ist zu beachten, dass die Messperioden sowie die Messtiefen variieren (s. Tabelle 2). Dies erlaubt nur eine ungefähre Abschätzung der Bodenfeuchte in Abhängigkeit der Höhe. 29
30 6 DISKUSSION UND ZUSAMMENFASSUNG Station Standort Baden- Baden Geroldsau (BAD) Eppingen (EPP) Ohlsbach (OHL) Notzingen (NOTZ) Renningen (RENN) Mess periode Messtiefe m ü. M. Mittelwert Bodentemp. ( C) Mittelwert Bodenfeuchte (m 3 /m 3 ) cm cm cm cm cm Payerne cm Plaffeien cm Sion cm Schilthorn cm La Frétaz 12 Moléson Furggentälti cm cm cm Tabelle 2: Übersicht der ausgewerteten Daten der verschiedenen Stationen bei unterschiedlichen Höhenlagen. 30
31 6 DISKUSSION UND ZUSAMMENFASSUNG Die Bodenfeuchte- und Bodentemperaturdaten für die Stationen 1 bis 5 stammen vom COPS-Experiment (Convective and orographically induced precipitation study, siehe Krauss et al., (2010)). Die Daten für die Stationen 6 bis 8 stammen vom Swiss- SMEX - Projekt (siehe Mittelbach et al., (2011), die Werte vom Schilthorn (Station 9) stammen von der Universität Fribourg und für die SOMOMOUNT- Stationen (10 bis 12) wurden die Mittelwerte in der Zeitspanne von anfangs September, respektive Mitte Oktober bis Ende März berechnet (Daten Moléson: Cécile Pellet, pers. Mitteilung, ) Abbildung 19: Die schwarzen Punkte sind die in Tabelle 2 berechneten Mittelwerte. Die rote gestrichelte Linie illustriert ein mögliches Bodenfeuchteverhalten in Abhängigkeit der Höhe. Die in Kapitel 2 genannte Forschungsfrage kann aufgrund der fehlenden Messdaten und der technischen Ausfälle der Messsonden nur bedingt beantwortet werden. Mit Hilfe der Resultate von vorhergehenden Studien (SwissSMEX, COPS und PER- MOS), ist es aber wahrscheinlich, dass mit zunehmender Höhe die Bodenfeuchte bis zu einer angenommenen Höhe von 2000 m ü. M ansteigt und ab einer Höhe von 2000 m ü. M. dann wieder abnimmt (s. Abb. 18). Es muss jedoch erwähnt werden, dass das Verhalten der Bodenfeuchte mit Hilfe von zusätzlichen Messstationen 31
32 6 DISKUSSION UND ZUSAMMENFASSUNG genauer analysiert werden muss, um eine repräsentative Aussage über die Abhängigkeit der Höhe zu machen. Im weiteren konnte eine Abnahme der Luft- und Bodentemperatur mit der Höhe gezeigt werden. Die Auswertung der Kältesumme der Temperaturen zeigte gemäss den Erwartungen eine Zunahme mit der Höhe. In La Frétaz war sie deshalb kleiner als im Furggentälti. Durch die geringeren Lufttemperaturen und der somit höheren Anzahl an Gefriertagen, ist in höheren Lagen die Wahrscheinlichkeit für das Gefrieren des Bodens grösser. Das typische Gefriermuster konnte bei der Station im Furggentälti beobachtet werden. Die zero-curtain Phase weist auf ein partielles Gefrieren der jeweiligen Schicht hin. Dies war in La Frétaz nicht der Fall. Die Bodentemperatur unterschritt den Gefrierpunkt während der Messperiode nicht. Die Kältesumme der Bodentemperatur ergab somit einen Wert von null. Niederschlag, Schmelzeintrag und Infiltration waren die verantwortlichen Prozesse, welche zu einer im Vergleich zum Furggentälti hohen Bodenfeuchte führten. Hinzu kommt, dass die relativ früh auftretende Schneedecke, durch ihre Isolationswirkung ein Einfrieren der Bodenschichten verhindern konnte. Die positiven Temperaturwerte von Mitte Januar konnten so aufgrund der Schneedecke bis Ende März erhalten werden. Die isolierende Wirkung der Schneedecke konnte bei beiden Stationen gezeigt werden. Da die Niederschlagsmenge räumlich stark variiert, kann keine exakte Regelmässigkeit mit der Höhe festgelegt werden. Generell kann aber davon ausgegangen werden, dass die Niederschlagsmenge mit der Höhe steigt. Die Analyse zeigt, dass nicht nur einzelne Parameter wie die Lufttemperatur oder die Bodenfeuchte den Gefrierprozess beeinflussen, sondern dass die Bedingungen durch eine Kombination der verschiedenen Faktoren gebildet werden. 32
33 7 LITERATUR 7 Literatur Buch Ahrens, C. D. (2012). Meteorology today: an introduction to weather, climate, and the environment. 9. Auflage. Cengage Learning. Houghton, D.D. (1985). Handbook of applied meteorology. Wiley. Strahler, A.H. (2010). Introducing Physical Geography. 5. Auflage. Wiley. Artikel Frei, C. und Schär, C. (1998). A precipitation climatology of the Alps from highresolution rain-gauge observations. In: International Journal of Climatology 18(8): Hauck, C. (2012). Soil moisture in mountainous terrain and its influence on the thermal regime in seasonal an dpermanently frozen terrain (SOMOMOUNT). In: SNF-Antrag SOMOMOUNT. Hilbich, C., Fuss, C. und Hauck, C. (2011). Automated timelapse ERT for improved process analysis and monitoring of frozen ground. In: Permafrost and Periglacial Processes 22(4): Hoelzle, M., Wegmann, M. und Krummenacher, B. (1999). Miniature temperature dataloggers for mapping and monitoring of permafrost in high mountain areas: first experience from the Swiss Alps. In: Permafrost and Periglacial Processes 10(2): Kaeser, S. (2013). Saisonale Gefrierprozesse in Abhängigkeit der Höhe. Bachelorarbeit. Universität Fribourg. Krauss, L., Hauck, C. und Kottmeier, C. (2010). Spatio-temporal soil moisture variability in Southwest Germany observed with a new monitoring network within the COPS domain. In: Meteorologische Zeitschrift 19(6): Lehning, M., Grünewald, T., Marty, C., Mott, R. und Stähli, M. (2012). Kleinräumige Schneeverteilung und Einfluss der Topographie (Hrsg.) In: Mihajlovic, D, Kölbing, D, Kunz, I et al., (2003). Developing new methods for monitoring periglacial phenomena. In: Permafrost: Proceedings of the 8th Internatio- 33
34 7 LITERATUR nal Conference on Permafrost, edited by M. Phillips, SM Springman, and LU Arenson: Mittelbach, H., Casini, F., Lehner, I., Teuling, A. J. und Seneviratne, S. I. (2011). Soil moisture monitoring for climate research: Evaluation of a low-cost sensor in the framework of the Swiss Soil Moisture Experiment (SwissSMEX) campaign. In: Journal of Geophysical Research: Atmospheres ( ) 116(D5). Outcalt, S. I., Nelson, F. E. und Hinkel, K.M. (1990). The zero-curtain effect: Heat and mass transfer across an isothermal region in freezing soil. In: Water Resources Research 26(7): Schneider, S., Hoelzle, M. und Hauck, C. (2012). Influence of surface and subsurface heterogeneity on observed borehole temperatures at a mountain permafrost site in the Upper Engadine, Swiss Alps. In: The Cryosphere 6(2): Zhang, T. (2005). Influence of the seasonal snow cover on the ground thermal regime: An overview. In: Reviews of Geophysics 43(4). Internet Bundesamt für Meteorologie und Klimatologie MeteoSchweiz (2012). SwissMetNet Messinstrumente. URL: http : / / www. meteoschweiz. admin. ch / web / de / kli ma / messsysteme / boden / swissmetnet / smn - instrumente. html (besucht am ). (2014). Temperatur. URL: ktuelles_wetter.par0001.html (besucht am ). Deutscher Wetterdienst (2014). Kältesumme. URL: st.de/lexikon/index.htm?id=k&dat=kaeltesumme (besucht am ). GOSIC (2014). GCOS Terrestrial ECV - Soil Moisture. URL: gcos-terrestrial-ecv-soil-moisture#climate (besucht am ). IMKO GmbH (2012). Trime-PICO64. URL: bodenfeuchtesonden/trimepico64 (besucht am ). PERMOS (2013). PERMOS Sites. URL: (besucht am ). 34
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