Eine objektive Föhnklimatologie für das Wipp- und Inntal

Transkript

1 Eine objektive Föhnklimatologie für das Wipp- und Inntal Diplomarbeit im Fach Meteorologie Eingereicht am Fachbereich Geowissenschaften der Freien Universität Berlin von Friedrich Föst Berlin/Innsbruck, Februar

2

3 1. Gutachter: Prof. Dr. Werner Wehry Freie Universität Berlin. Gutachter: Prof. Dr. Georg Mayr Leopold-Franzens-Universität Innsbruck

4

5 Für Agnes

6

7 Er entschied sich für das Wetter. Eigentlich entschied sich das Wetter für ihn. (Aus Isaacs Sturm von Erik Larson) i

8

9 Zusammenfassung Die Diplomarbeit präsentiert eine Südföhnklimatologie in einer der am meisten untersuchten Föhnregionen der Alpen. Mit Hilfe einer objektiven Föhnklassifikation wurden Föhnperioden zwischen September 1999 und April in Innsbruck (Inntal) und Ellbögen (Wipptal) ermittelt. Das Wipptal erstreckt sich nördlich des Brenners, dem niedrigsten Pass über den Alpenhauptkamm, und mündet nach rund km in das von West nach Ost ausgerichtete Inntal. Die Station Innsbruck-Flughafen (11 mnn) liegt km nördlich des Brenners in der Talsohle des Inntals. Die Auswertung des Datenmaterials ergab eine relative Föhnhäufigkeit von 5% im Gesamtzeitraum von.5 Jahren. Dieses Ergebnis wurde mit der Station Innsbruck-Universität verglichen, die näher am Ausgang des föhnreichen Wipptals liegt. Die relative Föhnhäufigkeit beträgt rund %. Die Station Ellbögen liegt km nördlich des Brenners auf einer Höhe von mnn im unteren Teil des Wipptals, nahe des Wipptalausgangs in das Inntal. Die relative Föhnhäufigkeit beträgt im untersuchten.5-jährigen Zeitraum über %. Somit weist Ellbögen eine um den Faktor 3.5 bis höhere Föhnhäufigkeit auf als die Innsbrucker Stationen. Ursache dafür ist die höhere und nähere Lage Ellbögens zum Alpenhauptkamm, wodurch Ellbögen deutlich weniger oft den stabilen, föhnhemmenden inneralpinen Kaltluftseen ausgesetzt ist als die Innsbrucker Stationen. Die Föhnhäufigkeiten erreichen ein erstes jährliches Maximum an allen drei Talstationen in den späten Wintermonaten bis in den Frühling hinein, besonders im März, April und im Mai. Ein sekundäres, schwächeres Maximum findet sich im Oktober und November. In diesen Monaten nimmt die Südanströmung der Alpen klimatologisch zu. Zusätzlich ist die Talatmosphäre eher gering stabil geschichtet. Die Föhnminima sind im Dezember, Januar und in den Sommermonaten anzutreffen. Im Winter ist die Atmosphäre eher stabil geschichtet, was Föhndurchbrüche bis ins Tal erheblich erschwert. In den Sommermonaten schwächt sich die Südanströmung der Alpen klimatologisch ab, was die Hauptursache des Föhnminimums darstellt. iii

10 iv

11 Abstract A south foehn climatology for one of the best-studied foehn regions of the central Alps will be presented. Begin and end of a foehn period at Innsbruck (Inn Valley) and Ellboegen (Wipp Valley) are determined with an objective foehn classification method from September 1999 through April. The Wipp Valley runs north from the lowest pass over the Alpine crest, the Brenner Pass, and discharges after km to the west-east aligned Inn Valley. The foehn duration of Innsbruck Airport, situated km north of the Alpine crest at an altitude of 11 m MSL, is about 5% for the whole measurement period of.5 years. This result will be compared with a second station. At the University of Innsbruck, which is closer to the exit of the Wipp Valley, is about %. The station Ellboegen is situated in the lower part of the Wipp Valley near its exit to the Inn Valley, km north of the Brenner Pass at an altitude of m MSL. The relative foehn frequency reaches about %, four times as high as at the Innsbruck stations. Nocturnal cold-air pools that form in the lower located Inn Valley, reach Ellbögen much less frequently. Foehn frequency reaches its primary maximum at all stations in the later part of winter and spring, especially in March, April and May and a secondary maximum in October and November. During these months the southerly flows increase climatologically over the Alps and the valley atmosphere is not very stably stratified. The foehn minima lies in December, January and in the summer months. In the winter it is mainly the stability of the valley atmosphere, which prevents foehn breaking through in the valley. In summer southerly flow towards the Alps is climatologically rarer. v

12 vi

13 Inhaltsverzeichnis Zusammenfassung Abstract iii v 1 Einleitung Motivation und Zielsetzung Aufbau der Arbeit Föhntheorie und Mechanismus 5.1 Stationsnetz im Untersuchungsgebiet Föhndefinition Föhntypen und deren Mechanismus Historischer Streifzug durch die Literatur bis Phänomenologie Namen und Ableitungen des Begriffes Föhn Charakteristik des Föhns Föhnklimatologien und Föhnklassifikationen Datensatz Stationstypen und Messintervalle Qualitätskontrolle Einleitung Formatierung Qualitätsindikatoren Güte des Datensatzes Föhnklassifikation 35.1 Subjektive Föhnklassifikation Objektive Föhnklassifikation Konservative Größen als Tracer Strömung über einen Gebirgskamm oder durch einen Einschnitt 3..3 Vor- und Nachteile der Objektiven Föhnklassifikation vii

14 viii INHALTSVERZEICHNIS.3 Anwendung der objektiven Föhnklassifikation auf Föhnströmungen im Inn- und Wipptal Strömung in Bezug auf die Referenz- und Talstationen Windkriterium für Föhn im Inn- und Wipptal Potentielle Temperatur (θ) - Kriterium für Föhn im Inn- und Wipptal Überprüfung der OFK anhand von Fallstudien Objektive Föhnklimatologie für das Inn- und Wipptal Einleitung Relative Föhnhäufigkeit Föhnhäufigkeitsverteilung Abhängigkeit der relativen Föhnhäufigkeit von der nordhemisphärischen Zirkulation im Synoptik- und Mesoscale Föhnbeginn- und -abhebezeiten Föhndauer Mittlere Föhndauer in Bezug auf die relative Föhnhäufigkeit Föhndauerklassen Das Rotorproblem über Innsbruck Windverhältnisse bei Föhn Schlussfolgerungen 13 Literaturverzeichnis 1 Danksagung 155 Curriculum Vitae 157

15 Kapitel 1 Einleitung 1.1 Motivation und Zielsetzung Seit über 15 Jahren ist der Föhn in den Alpen Forschungsgegenstand und ist nach wie vor ein faszinierendes Wetterphänomen, das nur schwer seine Geheimnisse Preis gibt. Schon die Römer haben sich bei ihren Eroberungszügen über die Alpen Gedanken über die Herkunft des warmen Windes gemacht. Forscher aus aller Welt diskutierten, ja stritten sogar über ihre Theorien zur Erklärung des Phänomens Föhn. Es gab abenteuerliche, spektakuläre Ballon- und Segelflüge durch Föhnströmungen in aller Welt, um Föhn zu verstehen. Jeder, der bei einer Föhnwetterlage schon einmal auf einen Berg gestiegen ist, wo die Luft bis m unterhalb des Gipfels ruhig wie ein Seerosenteich war und erst kurz vor dem Gipfel der Sturm über einen hereinbrach, der kann sich der Faszination des Föhns nur schwer entziehen. So geschah es auch mir im Oktober 3, als ich mit meiner Kollegin Susanne Drechsel den Gipfel der Serles südwestlich von Innsbruck bestieg und wir unterhalb des Gipfels die wärmende Sonne in ruhiger Luft genießen konnten, doch wenige Höhenmeter weiter oben der Föhn uns mit unbändiger Gewalt fast zu Boden drückte. Das großangelegte Forschungsprojekt MAP (Mesoscale Alpine Programme) 1999 brachte einige neue Erkenntnisse hervor. U.a. wurde eine Methode entwickelt, Föhn objektiv anhand spezieller Parameter zu klassifizieren. Die vorliegende Diplomarbeit gibt zum einen Aufschluss über die Anwendbarkeit dieser objektiven Klassifikation im Inn- und Wipptal in Nordtirol, zum anderen wird eine Föhnklimatologie auf objektiver Basis erstellt in einem Zeitraum von September 1999 (Beginn der intensiven Messphase während MAP) bis April (Beginn der Datenauswertung im Zuge der Diplomarbeit). Dabei stellte sich das Herausfinden der exakten Föhnkriterien an den Berg- und Talstationen, die als Grenzwerte in das numerische Auswerteprogramm eingehen, als schwierigste Aufgabe heraus, insbesondere, je 1

16 Einleitung weiter die Stationen vom Alpenhauptkamm entfernt liegen. Folgende Fragestellungen und Ziele werden in dieser Diplomarbeit behandelt und erläutert: 1. Objektive Föhnklassifikation Wie lauten die Föhnkriterien der potentiellen Temperatur sowie der Windrichtung und -geschwindigkeit, um Föhn an den Talstationen zu klassifizieren? Welchen Einfluss hat die lokale Topographie an den Talstationen hinsichtlich der Eigenschaften der Föhnwinde? Wo stößt die objektive Föhnklassifikation an ihre Grenzen? Wo liegen ihre Stärken, wo ihre Schwächen?. Objektive Föhnklimatologie Wie häufig tritt Föhn nach der objektiven Föhnklassifikation relativ und absolut gesehen an den Talstationen auf? Wieviele Föhnstunden und Föhnfälle werden registriert? Was gibt es für Unterschiede in den Föhnhäufigkeiten, und wo liegen die Gründe dafür? Wie können die jahres- und tageszeitlichen Föhnmaxima bzw. -minima synoptisch und mesoskalig eingeordnet werden? Wie sind die Föhnbeginn- und Föhnendezeiten an den Talstationen verteilt? Was ist der Grund für die unterschiedlichen Verteilungen? Wie lange hält der Föhn an den Talstationen an? Gibt es jahres- und tageszeitliche Abhängigkeiten? Wie sind die Windrichtungen bei Föhn an den Stationen verteilt? Wie hoch sind die Mittelgeschwindigkeiten und die Böen bei Föhn? 1. Aufbau der Arbeit In Kapitel wird der Leser in die Föhnthematik eingeführt. Nach der topographischen Beschreibung des Untersuchungsgebiets sowie der Föhndefinition wird auf die verschiedenen Föhntypen und deren Mechanismus eingegangen. Es folgt ein historischer Streifzug durch die Föhnliteratur bis zum heutigen Kenntnisstand. Der Phänomenologie des Föhns folgt ein Überblick über bereits bestehende Föhnklassifikationen und -klimatologien hauptsächlich für den Innsbrucker Raum.

17 1. Aufbau der Arbeit 3 Kapitel 3 beinhaltet Informationen zum Stationsnetz und zu dem daraus gewonnenen Datensatz. Der Schwerpunkt liegt hier auf der Erläuterung des aufwendigen Verfahrens der Qualitätskontrolle. Das Kapitel liefert einen Einblick in die Strömungsverhältnisse bei Föhn im Innsbrucker Raum und untermauert zu Beginn die Notwendigkeit einer objektiven Föhnklassifikation. In diesem Kapitel werden die Föhnkriterien erläutert und für die Stationen im Inn- und Wipptal ermittelt. Anhand von Fallstudien werden deren Anwendbarkeit überprüft. Eine zusammenfassende Darstellung der Vor- und Nachteile einer objektiven Föhnklassifikation runden das Kapitel ab. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit, die Föhnklimatologie, findet sich in Kapitel 5. Dort werden die anfangs eingeführten Fragestellungen ausführlich behandelt. Die Föhnhäufigkeiten werden in Bezug zu dynamischen und stabilitätsbedingten Faktoren gesetzt; es werden Erläuterungen zu Föhnbeginn- und -abhebezeiten, zur Föhndauer und zu den Windverhältnissen bei Föhn gemacht. Bei der Behandlung der Frage nach der Föhndauer (Unterkapitel 5.) trat ein Widerspruch zwischen den beiden Innsbrucker Stationen auf, der zu einer gesonderten Behandlung eines bestimmten Föhnphänomens im Rahmen einer Fallstudie führte (Abschnitt 5..3), anhand derer der Widerspruch ausgeräumt werden konnte. Im letzten Kapitel werden die Ergebnisse und Erkenntnisse zusammengefasst. Ein Hinweis auf mögliche weitere Arbeiten rundet diese Diplomarbeit ab.

18

19 Kapitel Föhntheorie und Mechanismus.1 Stationsnetz im Untersuchungsgebiet Um den Leser mit den örtlichen Begebenheiten um Innsbruck vertraut zu machen, folgt vorab eine Kurzbeschreibung der topographischen Verhältnisse im Untersuchungsgebiet. Dieses wird in diesem Kapitel in Bezug auf Föhntheorien und Föhnklassifikationen bereits mehrmals erwähnt. Abbildung.1: Topographieausschnitt der Zentralalpen (links) und der Brennerregion (rechts) mit eingezeichneten Stationen: F = Innsbruck-Flughafen, U = Innsbruck- Universität, E = Ellbögen, P = Patscherkofel, S = Sattelberg, B = Brenner 5

20 Föhntheorie und Mechanismus Das Untersuchungsgebiet befindet sich in Nordtirol und ist in Abbildung.1 zu sehen. Die Stationen Innsbruck-Universität und Innsbruck-Flughafen liegen im von West nach Ost ausgerichteten Inntal. Nördlich wird das Inntal von der Nordkette begrenzt. Südlich von Innsbruck mündet das Wipptal über eine m hohe Stufe, dem Mittelgebirge, ins Inntal. Knapp 7 km südlich von Innsbruck liegt die Ortschaft Ellbögen im unteren Teil des Wipptals. Das Wipptal verläuft auf Nordtiroler Seite ca. 3 km talaufwärts bis zum Brennerpass und mündet schließlich auf Südtiroler Seite in das Sterzinger Becken. Eingeengt zwischen den 3ern der Stubaier Alpen im Westen und jenen der Zillertaler Alpen im Osten befinden sich die Stationen Brenner und Sattelberg, die wertvolle Aufklärungsarbeit über den Ursprung der Föhnluft leisten; ähnlich verhält es sich am Patscherkofel. Neben den zur Föhnklassifikation herangezogenen Talstationen Innsbruck-Flughafen, Innsbruck-Universität und Ellbögen gibt es also noch drei Bergstationen, deren Nutzen als Referenzstationen hinsichtlich der Föhnklassifikation im Unterkapitel.3 ausführlich beschrieben wird. Explizit sind die geographischen Koordinaten und die Höhenlagen der Stationen in Tabelle 3.1 aufgeführt. Stationsname Längengrad Breitengrad Höhe ü. NN [Grad Nord] [Grad Ost] [m] Brenner Ellbögen Innsbruck Flughafen Innsbruck Universität Patscherkofel Sattelberg Tabelle.1: Geographische Lage der verwendeten Stationen. Föhndefinition Vor 199 findet man in der Literatur Definitionen, die Föhn im Allgemeinen als einen warmen, trockenen Fallwind auf der Leeseite eines Gebirges charakterisieren. Eingeführt haben den Begriff Föhn die Römer (lat. Favonius), als sie bei ihren Eroberungszügen an die Nordseite der Alpen gerieten und dort einen warmen, trockenen Wind antrafen. Sie glaubten, dass dieser vom Mittelmeer stamme. Infolge adiabatischer Erwärmung auf der Leeseite erscheint der Föhn als warmer, trockener Wind. Doch es gibt auch genügend Fälle, wo abwärtsgeneigte Winde wie der Föhn

21 . Föhndefinition 7 nicht wärmer als die verdrängte Luftmasse sind. Solche Winde sind mit Kaltluftadvektion verbunden, wie z.b. die Bora auf dem Balkan, bei der kalte Festlandsluft im Lee des Dinarischen Gebirges abwärts strömt oder der Nordföhn in den Alpen, bei dem häufig Luftmassen polaren Ursprungs auf der Alpensüdseite herabsteigen. Eine exaktere Föhndefinition wurde daher von der World Meteorological Organization (WMO) im Jahre 199 verfasst und ist bis heute die allgemein anerkannte Definition: Föhn ist ein Wind, der auf der Leeseite von Gebirgen durch Absinken wärmer und relativ trockener wird. Der Föhn hat seine treibende Kraft entweder durch eine synoptischskalige Strömung, die senkrecht zum Alpenhauptkamm verläuft oder durch einen Druckgradienten, der entsteht, wenn beiderseits der Alpen verschieden temperierte Luftmassen existieren. Oftmals gibt es eine Symbiose aus diesen dynamischen und hydrostatischen Effekten. Bei der dynamisch erzeugten Druckdifferenz wird das Strömungsfeld leeseitig bis weit über Kammniveau deformiert und es bilden sich Schwerewellen aus. Die Luft sinkt aus höheren und damit potentiell wärmeren Niveaus in die Täler auf der Leeseite ab. Je stärker die Anströmung ist, desto größer sind die Amplituden der Schwerewellen im Lee der Alpen, was wiederum eine Forcierung des mesoskaligen Leetiefs hervorruft, das in der Folge zu einer Verstärkung der Druckdifferenz zwischen Luv und Lee führt (Zängl 3). Föhn ist auch ohne große Dynamik durchaus möglich. Unterschiedlich temperierte Luftmassen führen schon rein hydrostatisch zu einem Druckunterschied zwischen Alpennord- und Alpensüdseite, so dass der Föhn als Ausgleichsströmung fungiert. In der Regel ist dieser Föhn eher unterhalb des Kammniveaus anzutreffen, der das Strömungsfeld längst nicht so stark zu deformieren vermag, wie das bei dynamisch induziertem Föhn der Fall ist. In der Literatur begegnet man einem weiteren, an den Föhnbegriff gekoppelten Terminus, dem gap flow (engl. gap = Gebirgslücke, Gebirgseinschnitt). Dieser mesoskalig geprägte Begriff beschreibt Einschnitte in einem Gebirge, durch die eine Strömung fließen kann. Vergeiner () stellte diese gängige Definition für gap flow auf: Gap flow ist jeder Wind durch eine horizontale oder vertikale Gebirgslücke innerhalb eines Gebirges. Dieser Begriff ist also als eine Art Unterbegriff des Föhns. Erstmals tauchte er in einer Studie von Reed (1931) über einen low level jet durch den Strait of Juan de Fuca auf. Gap flows erfüllen alle Föhnkriterien und treten in den Tälern

22 Föhntheorie und Mechanismus stromabwärts als Föhnwinde auf. Der neu eingeführte Terminus hat den Vorteil, dass eine Bestimmung der Ursprungshöhe der abgestiegenen Luftmasse möglich ist, auch wenn es sich um komplexes Gelände handelt, d.h. wenn es zwei oder mehrere Einschnitte übereinander gibt. Dies ist z.b. in der Brennerregion der Fall, wo es zwei Gebirgseinschnitte in der Vertikalen gibt (s. Kapitel 3). Die Strömung, die durch den unteren Teil des Einschnittes fließt, bezeichnet man als lower gap flow, jene, die durch die obere Lücke führt als upper gap flow, womit die Ursprungshöhe der abgestiegenen Luftmasse klar beschrieben wird. Schematisch ist u.a. der gap flow in Abbildung.1 dargestellt..3 Föhntypen und deren Mechanismus Abbildung.: Schematische Darstellung eines hochreichenden Föhns nach Steinacker (5): Zu sehen ist eine stabile Kaltluftschicht auf der Luvseite des Gebirges, die bis unter Kammniveau reicht und von der Föhninversion begrenzt wird. Oberhalb des Kammniveaus befindet sich die potentiell wärmere Föhnluft. Eingezeichnet sind die Isentropen (durchgezogene Linien), anhand derer die Föhnströmung verfolgt werden kann. Luft, die aus potentiell wärmeren Schichten im Luv stammt, sinkt auf der Leeseite ab. Hier ist auch, wie in diesem Falle, ein Kaltluftsee zu finden, der von der Föhnströmung entkoppelt ist und nicht ausgeräumt wird. Die Gebirgsüberströmung verursacht einen hydraulischen Sprung und Leewellen stromabwärts. Neben dem hochreichendem Föhn ist auch noch eine Strömung durch die Gebirgslücke (gap flow) eingezeichnet, die potentiell kältere Luft gegenüber dem hochreichendem Föhn mit sich führt.

23 .3 Föhntypen und deren Mechanismus 9 Man unterscheidet hinsichtlich der vertikalen Eigenschaften des Föhns zwei Typen: Hochreichenden und seichten Föhn. Bei hochreichendem Föhn hat der geostrophische Wind auch über Kammniveau bis in die mittlere und obere Troposphäre eine Komponente senkrecht zum Gebirge (Mayr and Gohm 199). Dabei strömt die Luft nicht nur durch die Gebirgseinschnitte, sondern sinkt hochreichend aus Niveaus oberhalb des Hauptkammes in die Täler ab (Abb..). Oberhalb der Föhnströmung ist bei hochreichendem Föhn meist keine ausgeprägte Inversion vorhanden. Die vertikale Wellenauslenkung reicht dadurch bis weit über Kammniveau. Die treibende Kraft für hochreichenden Föhn ist hauptsächlich dynamischen Ursprungs, also ein synoptischskaliger Druckgradient, der eine Komponente senkrecht zum Gebirge liefert. Erst in der oberen Troposphäre dreht die Strömung zurück auf eine Komponente parallel zum Hauptkamm. Dadurch verstärkt sich die Dynamik des Überströmens, so dass Föhn auch in Tälern ohne Verbindung zum Hauptkamm auftreten kann. Abbildung.3: Schematische Darstellung eines seichten Föhns nach Steinacker (5): Auf der Luvseite ist eine stabile Kaltluftschicht vorhanden. Die Föhnströmung unterhalb des Kammniveaus ist von der darüberliegenden Schicht völlig entkoppelt. Seichter Föhn wird häufig hydrostatisch durch Temperaturgegensätze zwischen Luv und Lee ausgelöst, und die kompensierende Strömung führt durch Einschnitte im Gebirge. Auf der Leeseite verhindert in diesem Fall ein Kaltluftsee den Durchbruch des Föhns. Etwas andere Zustände werden beim seichten Föhn beobachtet, der von Kanitscheider (193) erstmals erwähnt wurde. Bei seichtem Föhn ist die Strömung oberhalb der Föhninversion, die ungefähr bis ins Kammniveau reicht, von der darunterliegenden Föhnströmung vollständig entkoppelt (Abb.3). Die Anströmung erfolgt oberhalb des Kammniveaus auch nicht mehr, wie beim hochreichendem Föhn,

24 Föhntheorie und Mechanismus senkrecht zum Gebirge, sondern parallel dazu. Als treibende Kraft dient ein hydrostatischer Druckunterschied. Dieser kommt zustande, wenn die Luftmasse beiderseits der Alpen unterschiedlich temperiert ist. Der seichte Föhn dient dann als Ausgleichsströmung. Er fließt hauptsächlich durch die Gebirgslücken und fällt somit unter die Rubrik gap flow (s. Unterkapitel.). Der Ursprung der Luftmasse bei seichtem Föhn ist aus deutlich niedrigeren und damit potentiell kälteren Niveaus als bei hochreichendem Föhn (vgl. Abb. und.3). Durch das Absteigen aus niedrigeren Höhen ist die trockenadiabatische Erwärmung auf der Leeseite bei seichtem Föhn gegenüber hochreichendem Föhn, bei dem die Luft aus höheren und damit potentiell wärmeren Niveaus herabsteigt, geringer (Vergeiner 1975).. Historischer Streifzug durch die Literatur bis 5 Mitte des 19. Jahrhunderts begann die wissenschaftliche Betrachtung des Föhns. Die ersten Arbeiten handelten über den Südföhn, insbesondere in den Regionen des Wallis, des Berner Oberlandes, des Reusstals (Altdorf) und des Inntals (Innsbruck) sowie des Salzkammerguts. Bei der Frage, woher denn die Föhnluft stamme, entbrannte ein Streit zwischen einigen renommierten Geologen und dem Wissenschaftler W.H. Dove. Die Geologen waren der Auffassung, dass Föhn aufgrund seiner Trockenheit ein Wüstenwind aus der Sahara sei, der mit warmer Luft die Temperatur in den Alpen steigen ließe. Der Schweizer Geologe Escher von der Linth sah sogar einen unmittelbaren Zusammenhang zwischen dem Auftreten von Föhn und dem Gletscherhaushalt. Der Ansatz, dass das Ursprungsgebiet der Föhnluft einen wesentlichen Beitrag zur Temperaturerhöhung liefert, ist verständlich und läßt sich auch nachweisen (Saharastaub auf Schnee), ist aber nicht ausreichend, um weitere, wesentliche Komponenten des Föhns zu erklären. Dove dagegen meinte, dass eine trockene Wüstenluft nicht im Stande sei, die teils ergiebigen Niederschläge in den Südstaulagen bei gleichzeitigem Föhn hervorzurufen und wähnte den Ursprung des Föhns über dem westindischen Ozean (Dove 15)! Wie bereits in Kapitel.1 erwähnt, ist das Wesentliche an der Temperaturerhöhung durch den Föhn nicht, aus welchem geopgraphischen Ursprungsgebiet die Luft stammt, sondern aus welcher Höhe die Föhnluft absteigt. Ein Musterbeispiel dafür wäre eine stabile Schichtung auf der Luvseite und Schwerewellen mit großen Amplituden, so dass potentiell warme Luft aus großen Höhen herabsteigen kann. Auch die Kondensationsprozesse beim Aufsteigen der Luftmasse im Luv sind nur von sekundärer Bedeutung, da die freiwerdende latente Wärme kaum einen Beitrag zur Erwärmung in den Tälern liefert (Kuhn 199, Seibert 199).

25 . Historischer Streifzug durch die Literatur bis 5 11 Die Theorie der adiabatischen Erwärmung als Grund für die warme Föhnluft in den Tälern wurde zuerst vom Atmosphärenwissenschaftler Rink vermutet, der an der Ostseite Grönlands Föhnwinde nachweisen konnte und diese auf adiabatische Erwärmung zurückführte (Rink 15). Der spätere Direktor der Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik in Wien, Julius von Hann, griff 1 diese Vermutung auf und leitete die Theorie für die Alpen ab. Er widerlegte somit die Behauptung, dass die Erwärmung in den Tälern abhängig von dem Ursprungsgebiet (Sahara) der Föhnluft sei (Hann 1): Vielleicht auch möchten manche geneigt sein, den SO Grönlands direct von dem durch die Zweige des Golfstroms erwärmten atlantischen Meerbecken östlich von Grönland herzuleiten; aber was man auch darüber denken möge, die Thatsache, dass wir hier eine warme, wenigstens scheinbar trockene Luftströmung antreffen, ohne ein erwärmtes Festland in der Nähe zu haben, bleibt aufrecht. Wir sehen daher keine Nothwendigkeit, den Ursprung des Föhns desshalb in der Sahara suchen zu müssen, weil er warm und trocken erscheint. [...] Die Aequatorialluft besitzt in der luftverdünnten Höhe keineswegs schon die hohe Temperatur, die sie später an der Erdoberfläche zeigt, erst beim Herabsteigen in die Tiefe, wo sie unter einen höheren Druck kommt, tritt nach bekannten physikalischen Gesetzen durch Volumenverkleinerung eine Erwärmung ein. Der Schweizer Forscher Wild bestätigte mit seinen Untersuchungen zum Nordföhn 1 diese These. Dies war die erste physikalisch korrekte Erklärung für die Erwärmung auf der Leeseite. 191 stellte Hann in seinem Lehrbuch der Meteorologie die erste thermodynamische Theorie auf, erkannte den Grad der Abhängigkeit der Erwärmung von der Höhe des Gebirges und erwähnte hier auch erstmals, dass die freiwerdende Kondensationswärme im Luv keine absolute Bedingung darstellt. Auch erwähnte Hann, dass auf der Südseite der Alpen nicht unbedingt Niederschläge auftreten müssen, damit auf der Nordseite Föhn herrscht (Hann 191). Als nächstes interessierte die Frage, warum der Föhn überhaupt in die Täler absteigt. Wild (1) begründete dies mit einem Unterdruck, den die Föhnströmung über den Tälern erzeugt und der bewirkt, dass die Strömung nach unten ausgreift. Wild lieferte somit den ersten Ansatz dafür, dass Druckfall in den leeseitigen Tälern eine Konsequenz der Föhnströmung ist. Ausgereiftere Erklärungen lieferte Billwiller, der u.a. das Absteigen des Föhns an lokalen Leetiefs festmachte, die die Kaltluft aus den Tälern absaugen. Diese Kaltluft wird durch die Luft aus der Höhe ersetzt, ganz in der Weise eines thalwärstfliessenden Wassers (Billwiller 17, Billwiller 199). Heinrich von Ficker bestätigte die These Billwillers und widerlegte die Behauptung Wilds durch seine spektakulären Ballonflüge bei Föhn in Innsbruck. Wild setzt in seiner Theorie eine starke Höhenströmung voraus, die v.ficker bei seinen Ballonflügen in vielen Fällen nicht gemessen hat während in Innsbruck trotzdem Föhn herrschte

26 1 Föhntheorie und Mechanismus (Ficker 19a, Ficker 19b). Ficker fand noch mehrere, für die weitere Föhnforschung wichtige Erkenntnisse heraus (Seibert 195): Die potentielle Temperatur ist zwischen Berg- und Talstation (Patscherkofel- Innsbruck) einheitlich, ebenso verhält es sich mit der relativen Feuchte an den Talstationen. Weiters wies er nach, dass der Föhn erst in der Höhe beginnt und dort auch länger anhält. In Innsbruck dauert der Föhn länger als westlich oder östlich davon. Ebenso nimmt die Windgeschwindigkeit nach Osten und Westen rasch ab. Kurz vor Föhnende schiebt sich Kaltluft unter die warme Föhnluftschicht und läßt diesen abheben. Ferner vermutete v.ficker, dass sich die Föhnströmung am Wipptalausgang aufspaltet, was 193 von Kanitscheider bestätigt wurde. Die Innsbrucker Föhnströmung könne nicht über das Unterinntal abfließen, sondern überströmt die Nordkette, was an der Bewölkung an der Nordkette sichtbar werde. Hier irrte aber v.ficker, da der Hauptmassenabfluss der Föhnluft sehr wohl durch das Unterinntal führt. Er fand auch heraus, dass auf der Luvseite von Patscherkofel und Zugspitze meist eine recht stabile Schichtung herrsche, was auf einen ungestörten Verlauf der Isentropen zwischen Luvseite und den Berggipfeln rückschließen läßt. Wichtig war auch die Erkenntnis, dass der vorföhnige Westwind bis knapp östlich von Innsbruck reicht (Ficker 1931, Ficker 193). Kanitscheider entdeckte später das Patscherkofel-Leetief, womit beide Forscher indirekt schon das vorföhnige Ausfließen im Innsbrucker Raum erklärten. Warum der Föhn denn nun absteige, beschäftigte die Wissenschaftler weitere Jahrzehnte und zwischen v.ficker und dem Forscher Streiff-Becker entfachte eine lebhafte Diskussion über die Richtigkeit ihrer Theorien. Streiff-Becker griff den Gedanken von Wild auf, nachdem die Föhnströmung aufgrund einer Saugwirkung die Täler erreicht und nannte diese Theorie Vakuumtheorie (Streiff-Becker 1931). Rossmann (195) zeigte, dass selbst bei günstigster Schichtung und höchsten Strömungsgeschwindigkeiten die Sogwirkung nur bis etwa m unter Kammniveau reicht. Einen anderen Vorschlag macht Rossmann selbst. Er sieht die Föhnmauer als primären Antrieb für das Herabsteigen des Föhns. In der Föhnmauer steigt die Luft feuchtadiabatisch ab, ist also schwerer als die Umgebungsluft und strömt nach dem Archimedischen Prinzip talabwärts, womit der Weg für den Föhn frei ist. Diese physikalische Erklärung allein ist nicht ausreichend, denn eine Föhnmauer bildet sich mitunter erst aus, wenn der Föhn schon einige Zeit geblasen hat. 5 Jahre vorher erklärte Frey (195) sich den Föhndurchbruch mit Hilfe eines baroklinen Solenoidfelds, das beim Absinken der Föhnluft entsteht und dessen Zirkulation die Kaltluft ausräumt, was Kuhn (197) widerlegte. Hoinkes stellte die These auf, dass die Einstrahlung allein verantwortlich sei, dass der Föhn es bis in die Täler schaffe. Der Föhn kann sich erst durchsetzen, wenn der Temperaturgradient entlang der Hänge gegen den trockenadiabatischen Gradienten strebt und somit dem Föhn die Arbeit

27 . Historischer Streifzug durch die Literatur bis 5 13 erleichtert, durchzubrechen (Hoinkes 195). Diese These ist eine von vielen föhnunterstützenden Möglichkeiten, kann aber aufgrund der mächtigen inneralpinen Kaltluftseen nicht allein für das Durchbrechen des Föhns verantwortlich gemacht werden. Einen weiteren Ansatz liefert Schweitzer (1953), der die Föhnströmung nicht thermodynamisch, sondern nach strömungsmechanischen Ansätzen untersucht. Analog zur Flachwassertheorie, bei der das Wasser hinter einem Hindernis als flache, schießende (überkritische) Strömung auftritt und in einem hydraulischen Sprung als dicke turbulente Schicht weiterströmt, wurde dies auch auf die Föhnströmung angewandt. Die These Schweitzers wird von Reinhardt (193) bestätigt, der mit seinem Segelflugzeug Sondierungsflüge im Innsbrucker Raum unternommen hatte. Reinhardt konnte mit den Flügen die überkritische, schießende Strömung im Patscherkofel-Lee sowie den hydraulischen Sprung an der Nordkette nachweisen. Auch die Abhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeit vom Strömungszustand konnte Reinhardt feststellen. Ist die Südströmung stark, dann greift die laminare Strömung weit nach Norden in das Inntal hinunter, ist sie schwach, dann liegt die Zone des Umschlages schon dicht hinter Patscherkofel und Glungezer. Ebenso erwähnte er, dass es bei Innsbruck aufgrund des Wipptalzuflusses keine gut ausgebildeten Rotoren geben kann, da der Zufluss die Zweidimensionalität des Wirbels stört. In der Tat sind Rotoren in Innsbruck nicht von langer Dauer, was in Kapitel 5.. noch näher beschrieben wird. Im Zuge der fortschreitenden Technisierung wurden immer größere Anstrengungen unternommen, den Geheimnissen des Föhns numerisch auf die Schliche zu kommen. Hier sei besonders Vergeiner (1975) erwähnt, der ein linearisiertes, dreidimensionales Leewellenmodell entwickelte. Dieses Modell reagiert besonders sensibel auf die Stabilität und auf die vertikale Windscherung bzw. Drehung. Dies impliziert eine große Anzahl an verschiedenen Strömungsmustern. Wird der Grundzustand leicht geändert, so verändert sich auch das Strömungsmuster, was nichts anderes bedeutet, als dass jedes Föhnereignis individuell ist. Das große internationale Forschungsprojekt ALPEX (Alpine Experiment) brachte 19 neue Erkenntnisse, die von Hoinka (199) wie folgt zusammengefasst wurden: Die Poebene ist bei Südföhn mit einer flachen Kaltluftschicht bedeckt. Die latente Wärme liefert kaum einen Beitrag zur Erwärmung der Luft auf der Leeseite (Seibert 195). Die Erwärmung ist auf das Absinken potentiell wärmerer Luft zurückzuführen. Die Innsbrucker Föhnluft stammt aus Höhen um mnn Hohe Amplituden der Wellen wie über den Rocky Mountains sind über den Alpen selbst bei extremen Föhnereignissen nicht zu erwarten. Die Ursache liegt

28 1 Föhntheorie und Mechanismus in der speziellen Orographie der Alpen, die die hydrostatischen Wellen nicht stark genug anregen, dass sich die Amplituden vergrößern. Die Teilung der Föhnströmung im Innsbrucker Raum in einen östlichen und westlichen Teil kommt durch die Stauwirkung an der Nordkette zustande. (Vergeiner et al. 193) Einen weiteren Fortschritt brachte im Jahre 1999 das Forschungsprojekt MAP (Mesoscale Alpine Programme), wo mit großem Messaufwand Daten zur Auswertung gesammelt wurden. In den folgenden Jahren gab es zahlreiche Veröffentlichungen zum Föhn im Raum Innsbruck. Verstärkt wurde dabei auf numerische 3d-Simulationen, insbesondere auf das hochauflösende, mesoskalige Modell MM5 zurückgegriffen, um Föhnströmungen nachzuvollziehen. Flamant et al. (1) simulierten eine seichte Föhnströmung mit dem Mesomodell Meso-NH. Mit Einführung der Froude-Zahl, die ein Maß für die Kritikalität der Strömung darstellt, konnten im Wipptal über- und unterkritische Strömungen sowie hydraulische Sprünge nach der Flachwassertheorie nachgewiesen werden. Gohm et al. (3) erstellten Simulationen mit MM5 und bekamen eine hohe Korelation von mesoskaligem Druckgradienten mit der Stärke des Föhns heraus. Zudem ergab die Analyse der Froude-Zahl ein detailliertes Bild der Föhnströmung im Wipptal, das etwas von jener Flamants abwich. Eine rein hydraulische Untersuchung machten Mayr und Gohm (3) und zeigten, wie mannigfaltig und komplex die Föhnströmung im Wipptal ist, wo hydraulische Sprünge zu finden sind und welche Amplitude die Leewellen aufweisen. Sowohl mit der Strömungsproblematik am Wipptalausgang als auch der Föhnströmung im Inntal befasste sich Zängl (3) genauer. Er simulierte ebenfalls mit MM5 die Strömungverhältnisse bei seichtem und hochreichendem Föhn. So konnte er sowohl die Bildung des Patscherkofel-Leetiefs und den dadurch bedingten vorföhnigen Westwind in Innsbruck simulieren als auch die Bildung eines Rotors mit bodennaher Nordkomponente in Innsbruck bei schwachen Föhnströmungen. Zusammenfassend läßt sich damit folgender Kenntnisstand festhalten: Auf Basis der von Julius von Hann aufgestellten Föhntheorie hat sich im Laufe der letzten 15 Jahre ein komplexes Bild des Föhns entwickelt. Dabei konnten die Frage nach der Erwärmung der Luft auf der Leeseite sowie die Frage, warum denn der Föhn überhaupt in die Täler absteigt, beantwortet werden: Der Unterschied in der potentiellen Temperatur nördlich und südlich der Alpen ist eine Folge der Erwärmung, die die Luft auf der Leeseite erfährt, wenn sie trockenadiabatisch abwärts strömt. Die durch Kondensationsprozesse auf der Luvseite bzw. am Hauptkamm selbst freigesetzte latente Wärme hat kaum Einfluss auf die Temperaturerhöhung in den Tälern der Leeseite (Seibert 199). Niederschläge auf der Luvseite sind nicht notwendig, um eine warme leeseitige Föhnströmung anzutreffen.

29 . Historischer Streifzug durch die Literatur bis 5 15 Eine Vielzahl von Südföhnfällen vergeht ohne Niederschlag auf der Alpensüdseite. So zeigte Fliri (193), dass nur in 5-7% aller Südföhnfälle in Innsbruck, in den südlichen Ostalpen Niederschläge auftreten (Niederschlagstagessumme >.1 mm). Auf der Luvseite bildet sich eine stabile, stagnierende Kaltluftschicht. Sie reicht in der Regel nicht bis zum Kammniveau und weist nur sehr geringe Windgeschwindigkeiten auf. Eine starke Föhninversion trennt die stabile Kaltluft von potentiell wärmerer Luft darüber. Nach der hydraulischen Theorie stürzt die hochreichende Föhnluft aus einer Höhe vom Kammniveau in die Täler, die seichte Föhnluft strömt durch Einschnitte und Lücken im Gebirge talabwärts. Dabei führen die Isentropen dem Gelände folgend abwärts, während sie auf der Südseite entsprechend einer stabilen Schichtung horizontal verlaufen (s. Abb..). Abbildung.: Schema der aktuellen Föhntheorie nach Steinacker (5): Die Föhnluft sinkt infolge von Turbulenz, die durch Windscherung beim Überströmen des Gebirges induziert wird, von Kammniveau (3 mnn, T = -3 C) trockenadiabatisch ins Lee ab und erwärmt sich dabei um 1K/ m auf +7 C. Im Luv gibt es kaum ein Aufsteigen der Luftmassen und kaum Niederschlagsbildung, wie in diesem Falle. Auf der Luvseite lagert eine stagnierende Kaltluftmasse ( Totluft ). In den zentralen Ostalpen wird die Mehrzahl der Südföhnfälle ohne Niederschläge südlich der Alpen beobachtet, woher die Bezeichnung Austrian type foehn stammt. Die stabile Schichtung mit der Föhninversion in Kammniveau bewirkt, dass nahe am Hauptkamm auf der Leeseite potentiell kältere Luftmassen abwärts strömen als in einiger Entfernung vom Hauptkamm, wo potentiell wärmere Luft aus höheren Niveaus absinkt. Je dicker die Föhninversion ist, desto potentiell wärmere Luft strömt in die Täler. Damit ist auch die thermodynamische Theorie, die heute noch

30 1 Föhntheorie und Mechanismus in vielen Lehrbüchern steht, widerlegt. Die potentiellen Temperaturen aus der Poebene sind auf der Leeseite bei Föhn nicht zu finden, was beweist, dass die Luft aus deutlich höheren Niveaus stammen muss. Die Frage, warum der Föhn in die Täler absteigt, läßt sich anhand eines Südföhnereignisses gut nachvollziehen. Typischerweise beginnt ein Südföhnfall auf der Vorderseite einer Kaltfront mit Warmluftadvektion nördlich der Alpen (zur Synoptik des Südföhns sei auf die Fallstudien in Kapitel hingewiesen). Südlich der Alpen lagert eine stabile Kaltluftschicht. Somit sind die Isentropen nach Norden hin leicht geneigt, was ein Absteigen der Föhnluft erleichtert, da die Trajektorien der Föhnluft den Isentropen folgen. Beim Überströmen des Gebirges kommt es an der Inversion knapp über Kammhöhe zu Instabilitäten, was sich in einer Windscherung äußert. Diese induziert eine Turbulenz, die potentiell wärmere Luft heruntermischt und potentiell kältere Luft in die Höhe transportiert. Die abwärts transportierte potentielle Warmluft sorgt für Druckfall in den unteren Niveaus. Dieser setzt sich bei entsprechender Effektivität der Turbulenz bis zum Boden durch. Dabei werden die leeseitigen Inversionen abgebaut und durch eine neutrale Schichtung ersetzt (Mayr 5). Häufig kann sich der Föhn nicht bis ins Tal durchsetzen, da die Kaltluftseen dort sehr stabil und somit hartnäckig sein können. Um diese Kaltluftseen abzubauen, gibt es mehrere Möglichkeiten: Ein Leetief im Alpenvorland saugt die Kaltluft aus den Tälern ab, somit strömt Luft aus der Höhe nach und der Föhn bricht durch. Durch Einstrahlung wird die Talatmosphäre auch vom Boden aus durchmischt mit größter Effektivität im Sommer. Turbulente Erosion durch die Föhnströmung am oberen Rand des Kaltluftsees baut diesen ab (Rakovec et al. 1, Petkovsek 199). Dies ist aber nur effektiv, wenn die Windgeschwindigkeit über einen längeren Zeitraum kontinuierlich zunimmt. Die Turbulenz baut die stabile Schichtung von oben her ab und würde ohne Zunahme die Inversion eher verstärken als erodieren. So muss die Windgeschwindigkeit einen bestimmten Schwellenwert überschreiten und kontinuierlich zunehmen, um den Kaltluftsee abzubauen. Abschließend sei noch kurz auf den aktuellen Kenntnisstand des Föhns in der Innsbrucker Region eingegangen. In Kapitel 3, und 5 wird detaillierter auf den heutigen Kenntnisstand eingegangen. Es ist bekannt, dass die Föhnströmung im Wipptal stark an das Gelände gebunden ist und die höchsten Windgeschwindigkeiten auf der Ostseite des Tales zu finden sind. Ferner ist bekannt, dass auch bei seichtem Föhn der Hauptmassendurchfluss durch den oberen Einschnitt des Brenners führt

31 .5 Phänomenologie 17 (Mayr et al. 3). Im Wipptalausgang kommt es zur Bildung eines Staukeils, der die Strömung in einen westlichen und in einen östlichen Ast aufspaltet. Bereits im Wipptal gibt es mehrere hydraulische Sprünge mit einem sehr markanten Sprung an der Nordkette auf Höhe des Patscherkofels (Gohm 3). Dort befindet sich auch ein mesoskaliges Leetief, das den vorföhnigen Westwind in Innsbruck hervorruft und somit die Kaltluft dort ausräumen kann. Der vorföhnige Westwind reicht nur von Zirl (knapp km westlich von Innsbruck) bis Hall (etwa km östlich von Innsbruck). Der Druckfall des Patscherkofel-Leetiefs ist umso größer, je höher die Amplituden der Patscherkofel-Leewellen sind. Bei schwachen Föhnströmungen kommt es am Mittelgebirge südlich von Innsbruck zu Ablösungen der Strömung, wobei es kurzzeitig zur Ausbildung eines Rotors kommt, der in der Stadt eine nördliche Windkomponente hervorruft (Zängl 3). Die Föhnluft in Innsbruck stammt aus Höhen um mnn. Eine genaue Bestimmung der Ursprungsluftmasse ist aber nicht möglich, da die Luft auf ihrem Wege vom Alpenhauptkamm bereits turbulent durchmischt wird..5 Phänomenologie.5.1 Namen und Ableitungen des Begriffes Föhn Wie bereits in Kapitel.1 erwähnt, führten die Römer den Begriff Föhn ein, unter dem sie einen warmen, trockenen Gebirgswind verstanden. Diese physikalischen Eigenschaften finden sich in vielen Gebirgszügen der Erde und die dort lebenden Menschen gaben diesem Wind einen eigenen Namen. Chinook wird er in den Rocky Mountains genannt, Germich im Südwesten des Kaspischen Meeres, Afganet und Ibe in Zentralasien, Kachchan auf Sri Lanka, Berg Wind in Südafrika, Santa Ana im Süden Kaliforniens, Zonda und Puelche in den Anden und North-Wester auf Neuseeland (Brinkmann 1971). Selbst in den Alpen gibt es noch lokal Unterschiede. Zum einen werden die Himmelsrichtungen, aus denen der Föhn kommt, in den Namen eingebunden wie Südföhn, Nordföhn oder Westföhn, zum anderen verraten die Bezeichnungen aber auch Länder, aus denen der Föhn stammt, wie z.b. Il Tedesco (ital.), übersetzt der Deutsche, als Bezeichnung für den relativ kalten Nordföhn in Italien. Oft gibt es Begriffe, die nur für einen eng begrenzten Raum gelten, wie z.b. den Guggiföhn in der Schweiz bei Wengen. Er ist deswegen erwähnenswert, weil er schon für einige Absagen der Weltcupabfahrt am Lauberhorn verantwortlich war. In den letzten Jahren haben sich Föhnerscheinungen in den deutschen Mittelgebirgen mit dem Namen des jeweiligen Gebirges im Begriff Föhn festgesetzt. So hört man in den Wetterberichten häufig vom Eifelföhn- oder Sauerlandföhn. Auch im Innsbrucker Raum ist in alter Literatur öfters vom Brennerföhn die Rede, ehe sich die Begriffe mit den Himmelsrichtungen durchgesetzten.

32 1 Föhntheorie und Mechanismus.5. Charakteristik des Föhns Wind: Föhnwinde weisen in der Regel eine hohe Windgeschwindigkeit auf, die zum einen durch vertikalen Impulstransport, zum anderen aber auch durch Kanalisierungseffekte in den engen Alpentälern verursacht werden. Gelegentlich wird dabei auch Sturmstärke erreicht, extreme Föhnfälle erreichen mitunter Orkanstärke. So erreichte z.b. das Westföhnereignis in der Nacht vom 7. auf den. Oktober in Innsbruck eine Windgeschwindigkeit von 13 km/h in Böen. In Boulder/Colorado, USA, wird der Chinook auch als Boulder Windstorm bezeichnet (Clark et al. 199). Temperatur: Der Föhndurchbruch äußert sich bei Südföhn infolge adiabatischer Kompression mit einem kräftigen Temperaturanstieg. In Innsbruck ist ein Fall vom 13. Januar 195 vermerkt, wo die Temperatur von -1.7 C auf +5.7 C anstieg, eine Differenz von. K! Im Kontrast dazu stehen Föhnereignisse im Sommer, bei denen die überadiabatisch aufgeheizte bodennahe Luftschicht ausgeräumt und durch kühlere Luftmassen ersetzt wird. Bei Nordföhnfällen in Südtirol kommt es häufig zu Abkühlung bei Föhndurchbruch (Verant ). Relative Feuchte: Mit der absinkenden Föhnluft und dem damit verbundenen Temperaturanstieg sinkt die relative Feuchte. Da die absolute Feuchte mit der Höhe abnimmt, wird beim Absteigen der Föhnluft sehr trockene Luft in die Täler transportiert, wobei Werte der relativen Feuchte von teils unter % registriert werden. Auf den Bergen werden enorme Taupunktdifferenzen von teils über 3 K erreicht. Wolken und Wellen: Genügend Feuchte vorausgesetzt, produziert Föhn die herrlichsten und vielfältigsten Wolkenformationen. Vorgreifend auf das nächste Kapitel liegt ein Kaltluftsee im Luv, der bis etwa Kammhöhe reicht. Die Luftmassen werden über dem Kaltluftsee und dem Hauptkamm zum Aufsteigen gezwungen, so dass sich Schichtwolken in Form von Altostratus translucidus, später auch opacus und bei Niederschlag Nimbostratus preacipitatio ausbilden. Im Lee werden sie durch das Absinken der Föhnluft aufgelöst und es bildet sich ein Wolkenwall, der Föhnmauer genannt wird. Dass ausgeprägte Föhnmauern nicht nur im alpinen Raum zu finden sind, zeigt Abb..5. Dieses Bild entstand am 1. November 5 am Nordrand des nur 3 mnn hohen Wiehengebirges in Lübbecke/Westfalen. Über dem Hauptkamm bilden sich Schwerewellen mit vertikaler Auslenkung, die stromabwärts führen. Im aufsteigenden Ast solcher Wellen bilden sich, vorausgesetzt das Kondensationsniveau wird erreicht, linsenförmige Wolken,

33 .5 Phänomenologie 19 der Altocumulus lenticularis, das Wahrzeichen des Föhns schlechthin. Im absteigenden Ast der Schwerewelle wird die auch Föhnfisch genannte Wolke beständig aufgelöst. Besonders schöne Exemplare gab es am. Dezember 3 in den Abendstunden über Innsbruck (Abb..). Abbildung.5: Ausgeprägte Föhnmauer über dem Wiehengebirge bei Lübbecke/Westfalen am 1. November 5, Blickrichtung Südost, Föhnströmung von rechts nach links. Foto: F. Föst Trotz starker Höhenwinde erscheint der Altocumulus lenticularis über Stunden stationär am Himmel. Erscheinen mehrere Föhnwolken in der Horizontalen, so kann man aus der Entfernung der Wolken die Wellenlänge ableiten. Werden im aufsteigenden Ast mehrere Inversionen angehoben, so bilden sich regelrechte Wolkenstapel aus, der Altocumulus lenticularis duplicatus. Unterhalb des Wellenscheitels bilden sich häufig Wirbel, Rotoren, die sich im Wolkenbild als turbulente Cumulus humilis zeigen, oft auch am Unterrand einer Lenticulariswolke. Indirekt zum Wolkenbild des Föhns gehört auch der Cumulonimbus, die Gewitterwolke. Besonders im Alpenvorland entstehen bei Föhn in den Alpen isolierte Hagelunwetter, die häufig Superzellenstatus annehmen und auch Tornados produzieren. Obwohl dieser Zusammenhang noch wenig erforscht ist,

34 Föhntheorie und Mechanismus zeigt die Beobachtung, dass der Föhn bei der Ausbildung solcher Hagelzellen seine Finger mit im Spiel hat: Peristeri et al. (1999) zeigten durch Modellsimulationen, dass direkt im Lee die Isentropen gedrängt werden, was Stabilisierung bedeutet, stromabwärts aber die Isentropen aufgefächert werden, was zu Labilisierung und damit auch zu Gewitterbereitschaft führt. Die Auslösung dieser Gewitter ist eine Symbiose aus dem Herannahen der Kaltfront im Westen, Schwerewellen, Einmischen sehr trockener Föhnluft zwischen 5 hpa und 7 hpa, sowie starker bodennaher Scherung infolge des mesoskaligen Leetiefs. Abbildung.: Altocumulus lenticularis duplicatus am. Dezember 3 über Innsbruck. Das Bild wurde vom Dach des Meteorologischen Instituts gemacht, Blickrichtung Nordost. Foto: F. Föst Niederschlag: Auf der Luvseite kommt es zu orographisch induzierten Niederschlägen, die oftmals mm in Stunden überschreiten. Mehrere Tage andauernde Föhnlagen können so in den Stauregionen zu Überschwemmungen oder zu Schneekatastrophen wie im Februar 1999 an der Alpennordseite führen. Gelegentlich schwappt feuchte Luft über den Hauptkamm des Gebirges auch auf die Leeseite über und löst hier leichte Niederschläge aus. Wenn Föhn gleichzeitig mit Niederschlägen auftritt, so wird allgemein von Dimmerföhn

35 . Föhnklimatologien und Föhnklassifikationen 1 gesprochen, ein Ausdruck, der aus der Schweiz stammt (Kuhn 199).. Föhnklimatologien und Föhnklassifikationen So alt wie die ersten Untersuchungen über den Föhn selbst, so alt sind auch die Föhnklimatologien. Dabei ist es von hoher Bedeutung, festzustellen, wann eine Station Föhn hat und wann nicht. In diesem Kapitel erfolgt ein kurzer, historischer Abriss über die Entwicklung von Föhnkriterien und -klimatologien. Bereits 195 stellte Pernter eine erste Föhnklimatologie über den Innsbrucker Föhn auf. Anhand von Luftdruck, Temperatur, Feuchte, Niederschlag und Bewölkung klassifizierte er Föhn auf der Basis einer 5-jährigen Datenreihe. Erstmals wurde damit die Doppelwelle der Föhnhäufigkeit im Jahresverlauf nachgewiesen. Auch ist das Föhnmaximum im Frühjahr höher als jenes im Herbst, was auch auf Abb. 5. bis 5.5 in Kapitel 5 zu sehen ist. Allerdings ist der Sommer in dieser Diplomarbeit nicht, wie bei Pernter, die föhnärmste Zeit des Jahres in Innsbruck, sondern der Winter. Leider bleibt der Autor die Frage schuldig, welche Grenz- und Toleranzwerte er für die Parameter bei der Föhnklassifizierung herangezogen hat (Pernter 195). In den nächsten 3 Jahrzehnten wurde es eher ruhig um die Föhnklimatologie. 193 stellte Ekhart eine Statistik zum Innsbrucker Föhn auf (Ekhart 193), die er 199 in einer weiteren Veröffentlichung erweiterte (Ekhart 199). Mit Hilfe eines Föhnkalenders, in den er alle Föhnereignisse eintrug, stellte er auf Basis der Datenreihe von 19 bis 197 eine Föhnstatistik auf. Wie Pernter bereits vor ihm feststellte, gibt es in einzelnen Jahren erhebliche Schwankungen und selbst der April, der föhnstärkste Monat, ist in einigen Jahren föhnfrei. Besonders auffällig ist die stetige Abnahme der Föhntage zwischen 191 und 199 von anfangs 9 auf Föhntage im Jahr. Der Autor macht dafür die Abschwächung der allgemeinen Zirkulation verantwortlich. Als Föhnkriterium verwendete Ekhart ein Windrichtungs- Böenkriterium. Conrad (193) erweiterte das Windrichtungskriterium um zwei weitere Kriterien. Zum einen muss die Temperatur mehr oder minder rasch ansteigen und zum anderen muss die relative Feuchte absinken. Diese 3-Kriterien-Methode sollte lange Zeit bestimmend bleiben. Ungeheuer (195) stellte eine Föhnstatistik im Alpenvorland auf Basis einer Datenreihe von 1939 bis 195 auf, verwendete aber lediglich ein Windkriterium. Er erhielt vom Muster her ähnliche Ergebnisse für die Bad Tölzer Region wie Ekhart für Innsbruck, hatte aber fast doppelt so viele Föhntage, was sehr fragwürdig erscheint. Erstmals wurde aber von Ungeheuer eine Korelation zwischen Föhn und Großwetterlage aufgestellt. Der Autor schrieb: Es zeigt sich, daß auch keine Großwetterlage ganz föhnfrei ist. Die relativ föhnfeindlichsten Großwetterlagen

36 Föhntheorie und Mechanismus sind Hoch Fennoskandien 1, Hoch Nordmeer-Fennoskandien und Hoch Britische Inseln. Föhnbegünstigend wirken hingegen offensichtlich die Großwetterlagen Trog Westeuropa, südliche Westlage, Tief Britische Inseln und Winkelwestlage. Auch bei der Westlage und dem Trog Mitteleuropa tritt noch relativ häufig Föhn auf, wobei es sich wohl überwiegend um jene Fälle handelt, welche an das Rückdrehen der Strömung auf Süd vor den von Westen hereinschwenkenden Störungslinien gebunden sind. Der Gedanke, die Föhnhäufigkeit anhand der großräumigen Strömungsverhältnisse zu analysieren, wird nochmals in Kapitel 5 aufgegriffen. Die Idee Ungeheuers, die Klimatologie des Föhns auf die allgemeinen Zirkulationsprozesse zu beziehen, verfeinerte Heigel noch 195, in dem er Radiosondenaufstiege von München hernahm und die Winde in 5 hpa, 7 hpa und 5 hpa hinsichtlich ihrer Südkomponente in Beziehung mit den Windregistrierungen in Bad Tölz setzte (Heigel 195). 193 veröffentlichte er eine Föhnklimatologie der Station Hohenpeißenberg im Alpenvorland (Heigel 193). Weitere Arbeiten mit der 3-Kriterien-Methode stammen von Conrad (193), Osmond (191) und Obenland (195), der den Föhn im Oberallgäu untersuchte sowie von Widmer (197), der eine Föhnklimatologie für Altdorf im Reusstal aufstellte. In der Vielzahl der Fälle ist die 3-Kriterien-Methode ausreichend, um Föhn korrekt zu klassifizieren. Doch ist man auf stündliche Terminbeobachtungen angewiesen, so ergeben sich hinsichtlich der Entscheidung: Föhn?, Ja oder Nein schon Schwierigkeiten, da es aufgrund der schlechteren zeitlichen Auflösung abrupte und keine kontinuierlichen Föhnanfänge und -enden gibt. Dies führt häufig dazu, dass grenzwertige Föhnfälle nicht registriert werden und die Föhnhäufigkeiten dadurch zu gering erscheinen. Schüepp und Gutermann entwickelten 1971 die erste objektive Föhnklassifizierung für Bad Ragaz in der Schweiz mit Hilfe der Diskriminanzanalyse von Fisher. Sie erstellten dafür das Föhnmaß F = 1.9W +.du.1dt 1.5, (.1) wobei W ein Windmaß bestehend aus Windrichtung und Windgeschwindigkeit ist, du und dt sind die Abweichungen der relativen Feuchte und der Temperatur vom Klimamittel des entsprechenden Kalendertages und Beobachtungstermins. Ist F < wird Föhn klassifiziert, ist F > handelt es sich um eine Beobachtung ohne Föhn. Je kleiner der Betrag von F ist, desto mehr handelt es sich um einen Grenzfall. Man kann also die Wahrscheinlichkeit eines grenzwertigen Falles ableiten und somit die Ungenauigkeit angeben, was bis heute die eleganteste Art für Grenzwerte einer 1 Fennoskandien = Skandinavische Halbinsel + Finnland, Karelien und Halbinsel Kola (Wikipedia )

37 . Föhnklimatologien und Föhnklassifikationen 3 Föhnklassifizierung darstellt (Schüepp 1971). Fliri stellte 1973 und 1975 umfassende Föhnklimatologien für Innsbruck zusammen, wobei er sich der von der Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik aufgestellten 3-stufigen Föhnskala bediente. Diese Skala beinhaltet die Stufen -föhnig, 1-leichter Föhn und -starker Föhn, die im Prinzip auf der 3-Kriterien-Methode aufgebaut ist unter zusätzlicher Berücksichtigung von Wolkenbild und optischen Erscheinungen wie die Sichtweite. In die Statistik gehen aber nur die Stufen 1 und ein (Fliri 1973, Fliri 1975). Seibert (195) nahm sich ebenfalls dieser Skala an und erstellte eine Klimatologie für den Innsbrucker Föhn der Jahre 197 bis 19. Sie stellte Föhnkriterien für Innsbruck auf und erstellte ein objektives Flussdiagramm zur Föhnklassifizierung. Durch die Vielseitigkeit des Innsbrucker Föhns gerade bei schwachen Föhnereignissen oder kurz vor Föhnende räumt Seibert ein, dass ein gewisser Spielraum nach wie vor vorhanden ist. In der Auswertung kommt Seibert auf ähnliche Ergebnisse wie jene, die in der vorliegenden Arbeit ermittelt wurden. Der gewisse Spielraum konnte nach der MAP-Phase 1999 weiter eingeengt werden. Vergeiner et al. () führten eine objektive Föhnklassifizierung ein, die von neben einem Windkriterium ein potentielles Temperatur-Kriterium beinhaltet, das die Durchmischung und den Ursprung der Föhnluft berücksichtigt. Vergeiner () wendete diese Methode im Zuge seiner Dissertation im Innsbrucker Raum an. Diese physikalisch basierte Methode hat zusätzlich den Vorteil, dass die Klassifikation nicht mehr von Temperatur- und Feuchteänderungen an einem Ort abhängig ist, sondern von einer Erhaltungsgröße entlang der Föhnströmung. Man braucht dazu als Referenz einige Bergwetterstationen, die im Rahmen des MAP 1999 aufgestellt wurden. Die Klassifikation beginnt also dort, wo der Föhn am ehesten zu finden ist: Auf den Bergen. In einer Verfeinerung der Methode (Verant ) wurden Schwellenwerte für Wind und potentielle Temperaturdifferenz objektiv festgelegt, was auch in der vorliegenden Diplomarbeit Anwendung findet. Dennoch gibt es auch bei dieser Methode noch Grenzfälle, die in Kapitel und 5 im Rahmen von Fallstudien diskutiert werden.

38

39 Kapitel 3 Datensatz 3.1 Stationstypen und Messintervalle Der verwendete Datensatz hat seinen Ursprung in einem umfangreichen Stationsnetz im Inn- und Wipptal, das bereits in Kapitel beschrieben wurde. Stationsname Stationstyp Parameter Datenintervall [min] Brenner TAWES/Windtaker TT, RH, DD, /1 FF, PP Ellbögen Campbell TT, RH, DD, 1 FF, FFX, PP Innsbruck-Flughafen TAWES TT, RH, DD, FF, FFX, PP Innsbruck-Universität Meteodat TT, RH, DD, (TAWES- Prototyp) FF, PP Patscherkofel TAWES TT, RH, DD, FF, FFX, PP Sattelberg Campbell TT, RH, DD, FF, FFX, PP 1 Tabelle 3.1: Stationstyp, Messgrößen und Messintervalle der verwendeten Stationen: TT = m-temperatur, RH = relative Feuchte, FF = mittlere Windgeschwindigkeit, FFX = Böen, DD = Windrichtung, PP = Stationsdruck Die Stationen Ellbögen, Sattelberg und Innsbruck-Universität wurden vom Meteorologischen Institut aufgestellt, während die Stationen Brenner und Innsbruck- Flughafen von der Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik (ZAMG) betrieben werden und die Station auf dem Patscherkofel im Besitz der Austro Control 5

40 Datensatz GmbH (ACG) ist. Im Zuge der Mesoscale Alpine Programme Special Observing Period (MAP-SOP) wurde auf der Passhöhe der Brennerautobahn zusätzlich ein Windanemometer aufgestellt, da der Windmast an der ZAMG-Station bereits zu sehr im Einflussbereich eines Seitentals in unmittelbarer Nähe des Brenners liegt. Durch diesen Windtaker genannten Windmasten wurden die Winddaten (Geschwindigkeit und Richtung) im 1-Minuten-Intervall gewonnen (s. Tabelle 3.1). Die Wetterstationen auf dem Sattelberg und in Ellbögen vom Typ Campbell liefern Temperatur-, Druck-, Feuchte-, Windrichtung-, Windgeschwindigkeit- und Böendaten im 1-Minuten-Intervall, während die TAWES (TeilAutomatische WetterStation)- Stationen am Flughafen Innsbruck und am Patscherkofel im -Minuten-Intervall verfügbar sind. Die Campbell-Stationen geben mit Ausnahme der Böen, bei denen die höchste Windspitze der letzten Minute aufgezeichnet ist, in allen aufgezählten Parametern 1-Minuten-Mittelwerte an. Ebenso verhält es sich beim Datensatz der TAWES-Stationen mit -Minuten-Mittelwerten mit Ausnahme der Böen, bei denen die maximale Böe der letzten Minuten angegeben ist. Um die Daten verarbeiten zu können, wurden die Daten der Campbell-Stationen auf -Minuten-Mittelwerte umgewandelt, bei den Böen wurde die Maximalböe der letzten Minuten ermittelt. Unterschiedliche Zeitintervalle weist die Meteodat-Wetterstation der Universität Innsbruck auf. Vom Beginn des Untersuchungszeitraumes bis zum 1..1 stehen lediglich Daten in -minütiger Auflösung zur Verfügung, wobei im Gegensatz zu den anderen Stationen keine Böen mitaufgezeichnet wurden. Nach einer Umstellung der Datenerhebung im Oktober 1 gibt es ab dem 5..1 zwar Daten in einminütiger Auflösung, die jedoch wiederum in ein -Minuten-Mittel umgerechnet werden mussten, um einen einheitlichen Datensatz der Station Innsbruck-Universität bezüglich des Zeitintervalls zu gewinnen. Auch stehen seit diesem Zeitpunkt die Böen zur Verfügung, die aber nicht mit den Werten der anderen Stationen vergleichbar sind, da diese nicht die absolut höchste Windgeschwindigkeit angeben, sondern das höchste Einminutenmittel der letzten Stunde. Für die Erstellung der Föhnklimatologie der Talstationen Ellbögen und Innsbruck-Flughafen wurde der nun zeitlich homogene -Minuten-Datensatz verwendet. Bezüglich der Talstation Innsbruck-Universität mussten die Referenzstationen wiederum neu auf -Minuten-Zeitintervalle gemittelt werden, wobei die Böendaten verworfen werden mussten, weil das höchste 1-Minuten-Mittel nicht mit der höchsten Windspitze in der letzten Minuten vergleichbar ist.

41 3. Qualitätskontrolle 7 3. Qualitätskontrolle 3..1 Einleitung Um eine Föhnklimatologie zu erstellen, ist es von enormer Wichtigkeit, einen homogenen, qualitätskontrollierten Datensatz zu verwenden. Abweichungen von wenigen Zehnteln bei Druck oder Temperatur wirken sich unmittelbar auf die Anzahl der Föhnstunden aus. Vor der MAP-SOP, die vom bis zum dauerte, fanden umfangreiche Kalibrierungs- und Vergleichsmessungen der einzelnen Sensoren mit Standardreferenzen statt. Für genauere Details dieser Verfahren sei auf Pippan () verwiesen, wo speziell auf den Umgang mit einem heterogenen, hochaufgelösten Messnetz während der Feldphase der MAP eingegangen wird. Letzter Schritt der Datenassimilation ist eine speziell entwickelte Qualitätskontrolle, bei der die Daten verschiedene Prozesse durchlaufen müssen. Dadurch werden Messfehler in den Datensätzen erkannt und wenn möglich korrigiert oder durch eine Fehlerkennziffer ersetzt. Das Verfahren beinhaltet sowohl automatische als auch manuelle Kontrollen. Im Folgenden wird dieses Verfahren für lange, inhomogene Datensätze erläutert. 3.. Formatierung Datum Julianischer Tag TT RH FF FFX DD PP [ C] [%] [m/s] [m/s] [Grad] [hpa] Tabelle 3.: Auszug aus einem formatierten Datenfile mit verschiedenen Parametern der Referenzstation Sattelberg. TT = m-temperatur, RH = relative Feuchte, FF = mittlere Windgeschwindigkeit, FFX = Böen, DD = Windrichtung, PP = Stationsdruck Durch die Mannigfaltigkeit der Stationstypen wurden Rohdatensätze gewonnen, die unterschiedliche Formate aufwiesen. Im ersten Schritt der Qualitätskontrolle wurden alle Datensätze homogenisiert, so dass alle das in Tabelle 3. aufgeführte Format bekamen. Spalte eins beinhaltet das Datum in der Form Jahr-Monat-Tag-Stunde- Minute. Für die Erleichterung der graphischen Darstellungen von zeitabhängigen Messreihen innerhalb eines Jahres wurde der in Spalte aufgelistete Julianische Tag eingefürt. Es folgen die m-temperatur, die relative Feuchte, Böen und Windgeschwindigkeit sowie in der letzten Spalte der nicht auf Meeresniveau reduzierte

42 Datensatz Stationsdruck. Dem aufmerksamen Leser wird nicht entgangen sein, dass mit. m/s in Böen ein extremes Föhnereignis vorliegt, welches in einer Fallstudie in Abschnitt.3. noch näher betrachtet wird. Ferner wird in Tabelle 3. ein Problem aufgeworfen. Im Mittel aller Föhnfälle wird auf dem Sattelberg eine Windrichtung von 1 gemessen, die Standardabweichung beträgt, bzw. nach händischer Korrektur 5 (s. Tabelle.1 in Abschnitt.3.). Rein mathematisch lägen die in der Tabelle aufgelisteten Windrichtungen schon in der Ausreißerklasse und selbst nach der händischen Korrektur an der unteren Schranke. Da es sich in diesem Fall um ein klassisches Föhnereignis handelt und nicht um einen für die Randwerte interessanten Sonderfall, weisen die Daten mit großer Wahrscheinlichkeit auf einen Fehler hin. Tatsächlich stellte sich ein mechanischer Fehler des Windanemometers heraus, wobei sich dieser Schaden in den Daten bis zum 5. April 1 zurückverfolgen ließ. Also mussten entsprechende Korrekturen vorgenommen werden, die umso grösser waren, je weiter der Verschleiß des Messgerätes voranschritt. In Abbildung 3. ist solch eine Korrekturphase dargestellt. Nach dem Austausch des Anemometers am 7. Dezember 3 lieferte dieser wieder genaue Daten Windrichtung [Grad] : 1: : 1: : 1 Nov 15 Nov Abbildung 3.1: Windrichtung [Grad] bei Föhn an der Referenzstation Sattelberg vor (rot, untere Kurve) und nach (blau, obere Kurve) der Korrektur 3..3 Qualitätsindikatoren Nach der Formatierung der Daten wurden diese einer ersten, semiautomatischen Qualitätskontrolle unterzogen, welche Fehler im Datensatz aufspürt und kenntlich macht. Der Datensatz wird explizit nach physikalischen Ausreißern, Sensor- und Übertragungsfehlern, Umwelteinflüssen wie z.b. Vereisung und Inkonsistenz unter-

43 3. Qualitätskontrolle 9 sucht. Dabei wird jeder Messparameter mit je zwei Qualitätsindikatoren versehen, wie in Tabelle 3.3 dargestellt. Datum Julianischer Tag TT RH FF FFX DD PP [ C] [%] [m/s] [m/s] [Grad] [hpa] AF1 AF AF3 AF AF5 AF HF7 HF HF9 HF HF11 HF Tabelle 3.3: Auszug aus einem vorqualitätskontrollierten Datenfile mit verschiedenen Parametern der Referenzstation Sattelberg. TT = m-temperatur, RH = relative Feuchte, FF = mittlere Windgeschwindigkeit, FFX = Böen, DD = Windrichtung, PP = Stationsdruck, AF = automatischer Indikator als Kennzeichnung für fehlerhafte Daten, HF = händischer Indikator als Kennzeichnung für fehlerhafte Daten Die sechs automatischen Indikatoren (AF1 bis AF) kennzeichnen jeden Messwert nach Art und Schwere des Fehler nach einem bestimmten Schlüsselsystem, das in Tabelle 3. aufgelistet ist. In dem in Tabelle 3.3 angeführten Auszug aus dem Datensatz des Sattelbergs sind die Parameter relative Feuchte, Windgeschwindigkeit und Windrichtung ab der dritten Zeile mit dem Qualitätsindikator 5 gekennzeichnet, was auf Vereisung oder Übertragungsfehler schließen läßt. In diesem Fall handelt es sich um den Frontdurchgang nach Zusammenbruch des Föhnereignisses, das bereits in Abschnitt erwähnt wurde. Starker Schneefall setzte am Sattelberg ein und ließ das Windanemometer vereisen. Die relative Feuchte wurde deswegen mit dem Indikator 5 klassifiziert, da nach einem bestimmten Zeitintervall, in dem sich ein Messwert nicht ändert, dieser als Übertragungsfehler angesehen wurde. Dies war aber nicht immer der Fall, so dass eine weitere, händische (graphische) Kontrolle von Nöten war, die zusätzlich noch alle Fehlerwerte erfassen kann, die von der automatischen Kontrolle übersehen wurden. Dabei sind zunächst alle

44 3 Datensatz händischen Indikatoren vom Programm auf den Wert -1 gesetzt. Ändert man diesen Wert händisch nicht, bleibt der Wert erhalten oder die automatische Korrektur wird angewendet. Es zeigte sich, dass besonders die Bergstationen Brenner, Sattelberg und Patscherkofel, gelegentlich auch Ellbögen von Vereisung betroffen waren und größtenteils händisch kontrolliert werden mussten. QI Beschreibung Durchgeführte Aktion des Kontrollprogramms -1 händisch gesetzter Indikator für die Endkontrollphase keine korrekter Wert keine 1 Wert geringfügig außerhalb des physikalischen keine Rahmens (z.b. relative Feuchte von.%) Fragwürdiger Wert, Verwendung mit Vorsicht keine 3 Wert geringfügig außerhalb des physikalischen Wert wird innerhalb Rahmens (z.b. Windgeschwindigkeit des physikalischen ändert sich von -.1 m/s auf. m/s) Rahmens korrigiert Wert außerhalb des physikalischen Rahmens Fehlerwert -999 oder ein Ausreißer 5 Vereisung des Sensors oder Übertragungsfehler Fehlerwert -999 Fehlerwert bereits vom Datenlogger erkannt keine, Fehlerwert -999 bleibt Tabelle 3.: Beschreibung der Qualitätsindikatoren QI in der Vorkontrollphase Nachdem der Datensatz sowohl automatisch als auch händisch kontrolliert wurde, konnten die mit einem Qualitätsindikator versehenen Werte in einem weiteren Schritt abgeändert oder als Fehlerwert -999 deklassifiziert werden. Bei der bereits in Unterkapitel 3. erläuterten vereinheitlichenden Mittelung der Werte, mussten in einer letzten Kontrolle mindestens zwei Drittel aller Werte in einem gemittelten Zeitintervall fehlerlos sein, ansonsten wurde der gemittelte Wert auf den Fehlerwert -999 klassifiziert. Auch dafür gab es ein Schlüsselsystem, das in Tabelle 3.5 aufgezeigt wird. Erst nach dieser letzten Prozedur stand ein formatierter, zeitlich einheitlicher und sowohl automatisch als auch händisch qualitätskontrollierter Datensatz zur Anwendung zur Verfügung.

45 3. Qualitätskontrolle 31 QI Beschreibung Durchgeführte Aktion des Kontrollprogramms Alle Werte des gemittelten Intervalls sind korrekt keine 1 3 aller Werte des gemittelten Intervalls keine sind korrekt < 3 aller Werte des gemittelten Intervalls Fehlerwert -999 sind korrekt Tabelle 3.5: Beschreibung der Qualitätsindikatoren QI in der Endkontrollphase nach der zeitlichen Mittelung der Daten 3.. Güte des Datensatzes Die Güte des gesamten Datensatzes für eine Bergstation ist zum einen abhängig von der Vereisung der Sensoren, zum anderen aber auch von mechanischen Fehlern und Datenverlust. Die Vereisung ist die Hauptursache für den Datenverlust an den Bergstationen in den Monaten November bis März. In Abbildung 3.3 übersteigen die Kurven von Sattelberg und Patscherkofel die 15% -Marke kaum. Lediglich am Brenner liegen die Datenverluste bei über % im Februar und im März, was zum Teil auch darauf zurückzuführen ist, dass die Speicherkapazität des Datenloggers überschritten wurde und einige Daten daher nicht abgespeichert werden konnten. Auffällig ist auch der starke Datenverlust am Patscherkofel in den Sommermonaten. Besonders im Juli werden 5% deutlich überschritten. Die Juli-Daten der Jahre und 1 sowie die August-Daten im Jahre 1 weisen durch Totalausfall erhebliche Verluste auf. Die Talstationen weisen insgesamt weniger Verlustdaten auf, was zum Großteil auf die weniger rauhen klimatischen Bedingungen zurückzuführen ist. Im Vergleich der Innsbrucker Talstationen fällt auf, dass der Datensatz der Station Innsbruck- Universität eine geringere Güte aufweist als jener der Station Innsbruck-Flughafen. Der Grund für die geringere Güte liegt in der Datenmittelung im letzten Qualitätskontrolleverfahren, das in Tabelle 3.5 geschildert wurde. Oftmals wurde die - 3 Mehrheit verfehlt und somit der Wert auf -999 klassifiziert. Bei der Universität kommt noch verstärkend Datenausfall in den Monaten Februar, August 1 und Oktober 1 hinzu, wobei selbst hier die relative Häufigkeit der fehlenden Daten zwischen 1% und 17% eher gering ist, dadurch aber dennoch ein paar Föhnstunden wegfallen. Der Vereisungsfaktor in den Wintermonaten Dezember bis Februar ist eher niedrig, bei allen drei Talstationen liegt die Güte der Daten mit über 95% relativ hoch. An der Station Ellbögen macht sich besonders der Datenausfall

46 3 Datensatz [%] Ellboegen Innsbruck Flughafen Innsbruck Universitaet Patscherkofel Sattelberg Brenner Monat Abbildung 3.: Relative Häufigkeit [%] der Fehlerwerte für alle verwendeten Stationen nach Monaten im September 1 bemerkbar. Er schlägt sich mit bis zu % Fehleranteil zu Buche. Das Föhnprogramm ist darauf ausgelegt, dass zumindest eine Referenzstation (Patscherkofel oder Sattelberg oder Brenner) fehlerfreie Daten haben muss, damit Föhn klassifiziert werden kann. So entgeht das Föhnprogramm größtenteils der Gefahr, Föhnperioden aufgrund von Datenausfall an nur einer Bergstation nicht zu erkennen. Für die Innsbrucker Stationen darf zusätzlich Ellbögen keinen Datenausfall aufweisen, denn sonst würde in Innsbruck auch kein Föhn klassifiziert werden. Abbildung 3. zeigt die relative Häufigkeit des Datensatzes an, bei dem Föhn nicht klassifiziert werden kann. Besonders auffällig ist der verlustreiche Juli für die Innsbrucker Stationen, wo es gleich an mehreren Referenzstationen Datenausfälle gab. Somit sind 3% des Datensatzes im Juli für Innsbruck nicht klassifizierbar! Auch im Herbst konnten bei allen drei Talstationen rund 3% des Datensatzes nicht verwertet werden, ähnlich verhält es sich im Winter, wobei es die Innsbrucker Stationen im Februar mit teils 5% Verlust besonders trifft, da die Stationen Patscherkofel und Brenner im Februar eine relativ hohe Fehlerrate aufweisen und auch die Universität selbst von Datenausfällen betroffen ist (vgl. Abb. 3.3). Eine raltiv hohe Güte weist der Datensatz dagegen im Frühjahr auf, insbesondere im April und im Mai. In diesen Monaten standen an den Referenzstationen Sattelberg, Brenner und Patscherkofel Datensätze von hoher Güte zur Verfügung, so dass die Klassifizierung gewährleistet war (vgl. Abb. 3.3). Auch im Sommer ist die Qualität für die Station Ellbögen noch relativ gut. Hinsichtlich der Ergebnisse der Föhnklimatologie in Kapitel 5 muss man sich

47 3. Qualitätskontrolle 33 [%] Ell/Sat/Bre Ibk/Ell/Pat/Bre IMGI/Ell/Pat/Bre Monat Abbildung 3.3: Prozentsatz nicht anwendbarer Daten für die Föhnklassifikation nach Monaten. Blauer Kreuze: Datensatz bestehend aus den Einzeldatensätzen von Ellbögen/Sattelberg/Brenner; grüne Kreise: Datensatz bestehend aus den Einzeldatensätzen von Flughafen/Ellbögen/Patscherkofel/Brenner; rote Sterne: Datensatz bestehend aus den Einzeldatensätzen von Universität/Ellbögen/Patscherkofel/Brenner der gezeigten Datenverluste immer bewusst sein. Es lässt sich insgesamt festhalten, dass ein homogener, relativ hochgütiger Datensatz gewonnen werden konnte, wobei besonders an den Bergstationen gelegentliche Ausfälle zu verzeichnen sind, die sich aber aufgrund der Selektion im Föhnprogramm in der Statistik kaum niederschlagen. Die Güte an den Talstationen ist relativ hoch, abgesehen von monatlichen Ausnahmen besonders in Ellbögen und in Innsbruck-Universität, wobei verhältnismäßig wenig Föhnstunden der Statistik vorenthalten werden (s. Unterkapitel 5.).

48 3

49 Kapitel Föhnklassifikation.1 Subjektive Föhnklassifikation Zur Erstellung einer Föhnklassifikation sind die Prozesse stromabwärts des Gebirgskammes von Bedeutung, insbesondere der Transport potentiell wärmerer Luft aus Höhen deutlich über der Kammhöhe in das Tal mit steigender Distanz zum Gebirgskamm bei Föhnereignissen (Mayr et al. ). Eine Vielzahl von Annäherungen an diesen Prozess zur Erstellung einer Föhnklassifikation ist in der Literatur auffindbar, wie in Kapitel bereits gezeigt wurde. Dabei waren es die subjektiven Methoden, die zur Klassifikation herangezogen wurden. Diese subjektiven Methoden beruhen hauptsächlich auf phänomenologischen Sichtweisen. Als allgemeine Form hat sich dabei die Methode der 3-Kriterien-Definition von Conrad (193), Osmond (191) und Obenland (195) herausgestellt. Die drei Kriterien umfassen die Parameter Wind, Temperatur und relative Feuchte, wobei die Zeitreihen dieser Parameter an einer Station auf hinweisende Strukturen für Föhn untersucht werden. Beim Wind sind dies die Windrichtung mit einer bestimmten Bandbreite, die mittlere Windgeschwindigkeit und die Böen. Das Erwartungsmuster der Temperatur und der relativen Feuchte ist gekennzeichnet durch die Interaktion dieser Parameter bei Föhn. Die relative Feuchte sinkt infolge des Temperaturanstieges, wenn der Föhn an der Station durchgebrochen ist und steigt, sobald der Föhn wieder abhebt. Doch genau hier ergibt sich der erste Widerspruch. Gerade in Sommermonaten, wenn die Grundschicht hochreichend durchmischt ist und sich am Boden überadiabatische Verhältnisse einstellen, kann die Föhnluft kälter sein als die gerade ersetzte Luftmasse. Das Temperaturkriterium gilt nur, wenn die Schichtung zwischen der Station und dem Gebirgskamm trockenstabil ist. Dann reicht der trockenadiabatische Abstieg der Föhnluft aus, um eine höhere Temperatur an der Station zu erzeugen als die verdrängte Luftmasse zuvor. Somit kann das Temperaturkriterium kein obligatorisches Föhnkriterium sein. Auch das Windkriterium ist ohne Berücksichtigung 35

50 3 Föhnklassifikation des Temperatur- und Feuchtesignals für falsche Interpretationen offen. Föhn kann dabei nicht unterschieden werden von starken, thermisch gesteuerten Talwindsystemen oder dem Outflow eines Gewitters. Abbildung.1 zeigt die Problematik der subjektiven Föhnklassifikation. OFK Perioden Temperatur [Grad C] Rel.Feuchte [%] Windgeschw. [m/s] Windrichtung [Grad] : : 1: : 1: 1 Jul 3 17 Jul 3 Abbildung.1: Objektive Föhnklassifikation (OFK) und relevante Parameter für die subjektive Föhnklassifikation wie Temperatur [ C], relative Feuchte [%], Windgeschwindigkeit [m/s] und Windrichtung [Grad] an der Station Ellbögen zwischen dem 15. Juli 3, 1 UTC und 17. Juli 3, 1 UTC In der Nacht zum 1. Juli ist an der Station Ellbögen tagesgangbedingt eine Abnahme der Temperatur und gleichzeitig eine Zunahme der relativen Feuchte zu verzeichnen. Die Windregistrierung zeigt Südostwind mit zunehmenden, recht hohen Windgeschwindigkeiten um 7 m/s. Nach der subjektiven Föhnklassifikation zeigen

51 . Objektive Föhnklassifikation 37 die Temperatur- und Feuchteverläufe keinerlei Anzeichen auf Föhn. Auch der Talauswind aus dem Wipptal (Südostwind) lässt in diesem Zusammenhang eher auf nächtliches Ausfließen, also auf einen thermisch gesteuerten Prozess schließen, als auf ein Föhnereignis. Zieht man lediglich das Windkriterium zu Rate, so kann man mit der Hauptföhnwindrichtung aus Südost in Ellbögen (s. Abschnitt.3.) und die zunehmende Windgeschwindigkeit argumentieren. Da aber orographisch bedingt das nächtliche Ausfließen auch mit der Windrichtung Südost zusammenfällt, kann nicht zweifelsfrei die Frage nach Föhn, thermisch gesteuertes Windregime oder sogar Outflow eines Gewitters im oberen Teil des Wipptals geklärt werden. Anders sieht es dann im Tagesverlauf des 1. Juli aus. Hier greift auch die subjektive Föhnklassifikation. Temperatur und Feuchte verhalten sich gegenläufig zueinander, die relative Feuchte liegt sogar deutlich unter 3%. Tageszeitlich durch das Talwindsystem bedingt, müsste in Ellbögen Einfließen aus Nordwest herrschen, tatsächlich bleibt aber die Windrichtung auf Südost, was im Einklang mit der Windgeschwindigkeit, die deutlich über m/s beträgt, auf Föhn schließen lässt. Vorgreifend auf das Unterkapitel. sei erwähnt, dass in der Nacht auf den 1. Juli Föhn durch die objektive Föhnklassifikation (OFK-Perioden) registriert wurde, hier also eine Diskrepanz zu der gerade erläuterten subjektiven Betrachtungsweise vorliegt. Tatsächlich hat es sich von der Wetterlage so verhalten, dass sich in der Nacht auf den 1. Juli durch einen Trog über dem Golf von Biskaya eine schwache west- bis südwestliche Höhenströmung aufbaute, die typisch für seichte Föhnströmungen im Wipptal ist. Weil im Zuge dessen die Feuchte- und Temperaturmessungen nicht unbedingt föhnartige Muster zeigen, aber dennoch Föhnperioden angezeigt wurden, beinhaltet die objektive Föhnklassifikation ein zusätzliches, repräsentatives Kriterium zur Föhnregistrierung. Deutlich wird dies auch, wenn man sich Temperatur- und Feuchtemessung der Nacht auf den 17. Juli anschaut, die ein ähnliches Muster aufweist wie in der Nacht davor. Nach der subjektiven Methode ist wiederum wenig Auffälliges zu erkennen, diesmal schlägt aber auch nicht die objektive Methode an, obwohl diese ein zusätzliches Kriterium (θ-kriterium, s. Abschnitt.. und.3.3) beinhaltet. Grund dafür ist der Biskaya-Trog, der über die Alpen schwenkte und den Föhn zusammenbrechen ließ.. Objektive Föhnklassifikation Die subjektive Methode ist, wie im vorigen Abschnitt erläutert, anfällig für Fehlinterpretationen. Mit der Entwicklung der objektiven Föhnklassifikation (Vergeiner ) wurden diese Defizite weitesgehend ausgeräumt. Sie beinhaltet die Physik die Föhns, den Ursprung der Föhnluft in den Tälern und den leeseitigen trockenadiabatischen Abstieg. Im Folgenden wird der Gebrauch von Erhaltungsgrößen für die

52 3 Föhnklassifikation Föhnklassifizierung diskutiert und zusammen mit dem Windkriterium im Untersuchungsgebiet angewandt...1 Konservative Größen als Tracer Jede Erhaltungsgröße entlang einer Stromlinie kann bei einem Föhnereignis als Tracer genutzt werden. Insbesondere das Sättigungsmischungsverhältnis (g Wasserdampf pro kg trockener Luft) und die potentielle Temperatur θ sind bei trockenadiabatischen Verhältnissen geeignet. Ersteres ist stark abhängig von der Messgenauigkeit der Instrumente für die relative Feuchte. Das Netzwerk bei der OFK war nicht auf diesen Tracer ausgelegt: Entweder es wurde gar keine relative Feuchte gemessen oder das Instrument maß nicht akkurat genug. Die potentielle Temperatur ist definiert als θ = T ( ) R hp a cp (.1) wobei T die Temperatur in Kelvin, p der Druck in hpa, R die Gaskonstante und cp die spezifische Wärme bei konstantem Druck ist. Die potentielle Temperatur θ ist demnach die Temperatur, die man erhält, wenn man ein Luftpaket aus einer beliebigen Höhe trockenadiabatisch auf hpa führt. Sie ist entlang einer Stromlinie konstant und macht die Luftpakete in Bezug auf ihren Wärmeinhalt vergleichbar. Die potentielle Temperatur ist wesentlicher Bestandteil einer objektiven Föhnklassifizierung, unabhängig von Stärke, Temperatur und relativer Feuchte an der Talstation. Sie ist zusätzlich für lange Datenreihen geeignet und automatisierbar. Fehler treten bei dieser Methode bei feuchtadiabatischen und diabatischen Prozessen sowie bei Temperaturadvektion auf. Eine explizite Fehlerbetrachtung wird in Abschnitt..3 durchgeführt. p.. Strömung über einen Gebirgskamm oder durch einen Einschnitt Windkriterium Das Windkriterium soll jene Fälle ausschließen, bei der die Strömung nicht über den Alpenhauptkamm kommt. Dazu ist die spezifische Ermittlung der Strömungsrichtung an der am Gebirgskamm stationierten Referenzstation und jene spezifische Föhnströmung an den Talstationen erforderlich. Die Windrichtung an den Talstationen variiert stark durch Kanalisierungseffekte im Tal und erfährt eine Komponente, welche die Ausrichtung des Tales widerspiegelt. Das Windkriterium ist alleine nicht ausreichend, um Föhn zu klassifizieren. Es werden zwar dadurch nahezu alle Föhnfälle an der zu klassifizierenden Talstation registriert, dennoch erfüllen einige

53 . Objektive Föhnklassifikation 39 Wettererscheinungen die Bedingung, dass die Strömung vom Gebirgskamm kommen muss, die aber trotzdem kein Föhn sind. Dies sind insbesondere thermisch gesteuerte Talwindsysteme wie das nächtliche Ausfließen aus den Tälern oder die Outflowböen eines Gewitters. Es ist also ein weiteres Kriterium erforderlich. Potentielle Temperatur (θ) - Kriterium All jene Wettererscheinungen, die das Windkriterium erfüllen, aber dennoch kein Föhn sind, weisen eine gemeinsame Eigenschaft auf: Sie erreichen an der zu klassifizierenden Talstation nicht wie bei Föhn üblich gleiche oder höhere Werte der potentiellen Temperatur in Bezug zur Referenzstation am Gebirgskamm. Das tritt nur ein, wenn die Schichtung zwischen den beiden Stationen trockenadiabatisch durchmischt ist. Auch dieses Kriterium kann allein nicht zur Föhnklassifizierung herangezogen werden. Im Falle eines Strahlungstages mit gut durchmischter Grundschicht weisen Talstation und Referenzstation die gleichen potentiellen Temperaturwerte auf. Damit nicht Föhn klassifiziert wird, greift nun das Windkriterium, denn die Windrichtungen der Talwindsysteme an einem Strahlungstag stimmen in der Regel nicht mit denen bei einem Föhnereignis überein. Wenn beide Kriterien erfüllt sein sollen, kann es nur jene Möglichkeit absteigender Strömung vom Gebirgskamm sein - Föhn...3 Vor- und Nachteile der Objektiven Föhnklassifikation Vorteile Die OFK basiert auf physikalischen Grundlagen: Der Föhndefinition und dem Ursprung der Föhnluft wird dabei Rechnung getragen. Der Algorithmus kann automatisiert werden und eignet sich gut für lange Reihen. Die Methode ist objektiv, reproduzierbar und konsistent. Eine weltweite Anwendung für alle Föhnphänomene ist möglich. Die Föhnfälle sind von ihrer Stärke unabhängig. Die Methode ist von temporären Temperatur- und Feuchteänderungen unabhängig. Nachteile Da zur Klassifizierung mindestens zwei Stationen (eine Tal- und eine Bergstation) notwendig sind, gibt es oftmals Perioden, die wegen fehlerhafter Werte oder Datenausfall, insbesondere an der Bergstation, nicht klassifizierbar sind.

54 Föhnklassifikation Die Notwendigkeit von mindestens einer Bergstation bringt zusätzliche Kosten. Fehlende Interkalibrierung zwischen Berg- und Talstation führt zu Messungenauigkeiten und in weiterer Folge zur Veränderung des Tracers, so dass bei Föhn die trockenadiabatische Durchmischung nicht genau erfüllt ist. Auswirkungen feuchtadiabatischer, adiabatischer und turbulenter Prozesse auf den Tracer: Prozess Niederschlag im Lee Einmischen von Kaltluft Strahlung Auswirkungen Verdunstungsprozesse erfordern Energie, so dass die Erwärmung beim Absteigen der Föhnluft geringer ist. Für feuchtadiabatische Prozesse ist die potentielle Temperatur nicht konstant und verändert daher den Tracer. Stromabwärts erfolgt das Einmischen von potentiell kälterer Luft aus Seitentälern, so dass das θ-kriterium nicht mehr exakt erfüllt wird. Erwärmung/Abkühlung eines Luftpakets durch Absorption/Emission von Sonnenstrahlung hat eine Größenordnung von K/Tag und ist für kurze Distanzen eher gering. Bei Entfernungen von km und einer Windgeschwindigkeit von 5m/s liegt dabei die Änderung der potentiellen Temperatur bei.1 K, was den Messungenauigkeiten der Sensoren entspricht (Vergeiner ). Tabelle.1: Grenzen und Ungenauigkeiten der OFK

55 .3 Anwendung der objektiven Föhnklassifikation auf Föhnströmungen im Inn- und Wipptal 1.3 Anwendung der objektiven Föhnklassifikation auf Föhnströmungen im Inn- und Wipptal.3.1 Strömung in Bezug auf die Referenz- und Talstationen Für die Klassifizierung von Föhn sind eine oder mehrere Referenzstationen in der Nähe des Alpenhauptkammes notwendig. Zum einen ist die trockenadiabatische Durchmischung Voraussetzung für Föhn, zum anderen muss die Strömung über den Hauptkamm mit der entsprechenden Windrichtung gewährleistet sein. Die Anzahl und Positionen der Referenzstationen sind abhängig von der Topographie des Untersuchungsgebietes, was im Folgenden näher erläutert wird. Das Untersuchungsgebiet ist nochmals in Abbildung.1 zu sehen. Der Brenner Pass ist mit 137 mnn der niedrigste Pass über die Zentralalpen. Er besteht aus zwei Einschnitten: Der Untere ist nur wenige hundert Meter breit, der Obere weist eine Weite von fast 3 km auf und wird im Westen durch die 3 m hohen Berge der Stubaier und im Osten durch die Zillertaler Alpen begrenzt. Der Alpenhauptkamm ist ein effektives Hindernis für südliche Strömungen. Ein Teil der Strömung passiert zwischen 13 m und mnn den unteren Einschnitt des Brenners und wird kanalisiert durch das Wipptal nach Norden geführt. Diese sog. seichte Föhnströmung konnte während der Feldphase des Mesoscale Alpine Programme (MAP) mit einigen, dem Brenner nahegelegenen Stationen anhand fast identischer potentieller Temperaturen zwischen diesen Stationen und der Referenzstation Brenner nachgewiesen werden. Im unteren Teil des Wipptals verliert diese seichte Föhnströmung an Einheitlichkeit, da Luftmassen von höheren Schichten und von den zahlreichen Seitentälern eingemischt werden. Die Referenzstation Brenner ist also repräsentativ für die seichte Föhnströmung durch den unteren Einschnitt des Brennerpasses. Oberhalb mnn verläuft die Strömung durch den oberen Teil des Brennereinschnitts, der stromabwärts in den meisten Fällen als hochreichender Föhn klassifiziert werden kann. Im Tal äußert sich dieser als relativ warmer, böiger Wind. Die potentielle Temperatur in den Talstationen liegt deutlich über jener des unteren Brennereinschnittes (Abschnitt.3.), so dass die Ursprungsluft aus höheren Schichten kommen muss. In Abschnitt.3. wird außerdem deutlich, dass dieses Level in der Regel um mnn liegt. Die Strömung im oberen Teil des Brennereinschnittes wird somit von der Station am Sattelberg abgedeckt. Da sowohl seichter als auch hochreichender Föhn in der vorliegenden Arbeit in die Föhnklimatologie eingehen, sind die beiden Stationen Brenner (1373 mnn) am unteren Einschnitt und Sattelberg ( mnn) am oberen Einschnitt sehr gut als Referenzstationen geeignet, insbesondere für die Talstation Ellbögen im unteren Wipptal. Eine detaillierte Föhnklassifikation zwischen seichtem und hochreichendem Föhn findet sich in

56 Föhnklassifikation der Dissertation von Vergeiner,. Für Innsbruck wurde die auf ähnlichem Höhenniveau liegende Station Patscherkofel ( mnn) als Referenzstation für die Föhnklimatologie verwendet. Parallelauswertungen mit der Referenzstation Sattelberg (Abschnitt 5..1 und Tabelle 5.1) liefern fast identische Ergebnisse. Vorteil der Referenzstation Patscherkofel ist die längere Datenreihe der Synopstation gegenüber der 1999 aufgestellten Station am Sattelberg, um zukünftige Föhnklimatologien für Innsbruck mit in dieser Arbeit vorliegenden Klimatologie vergleichen zu können. SS (a) (b) Abbildung.: a) Numerische Simulation eines hochreichenden Föhns mit dem Modell MM5 und einer horizontalen Maschenweite von m (nach Zängl 3): a) Potentielle Temperatur [1 K] im Inn- und Wipptal, Orographiekonturen alle Höhenmeter mit eingezeichneten Stationen: F = Innsbruck-Flughafen, U = Innsbruck-Universität, P = Patscherkofel und Vertikalschnitten S und S; b) Vertikalschnitt S (SE nach NW) durch das Inntal mit Patscherkofel (PK) und Nordkette (NK), 1 Stunden nach Beginn der Simulation: Isentropen [ K] (durchgezogene Linien)- und Windverlauf (Pfeile) sowie Windgeschwindigkeit (schattiert) m/s, Konturschritte alle 5 m/s Die Nähe des Patscherkofels zu den Talstationen im Inntal mindert zwar auch den Effekt des Einmischens von Luftmassen aus den zahlreichen Seitentälern des Wipptals, dennoch liefert die Nähe keinen physikalischen Vorteil, da, wie Abbildung.a zeigt, die Stromlinien bei Föhn Innsbruck nicht erreichen, sondern sich am Hang ablösen und über das Inntal hinwegführen. Diese Aussage untermauert Abbildung.b, bei der die Werte der potentiellen Temperatur im Inn- und Wipptal abgebildet sind. Es wird deutlich, dass beide Innsbrucker Stationen nicht mit dem Patscherkofel durchmischt sind, da zwischen Innsbruck und dem Patscherkofel ein relativ starker Gradient der potentiellen Temperatur zu verzeichnen ist. Dieser ist relativ

57 .3 Anwendung der objektiven Föhnklassifikation auf Föhnströmungen im Inn- und Wipptal 3 schwach, wenn man die potentielle Temperatur bei Innsbruck mit jenen im Wipptal vergleicht, was zeigt, dass die Föhnluft vom Alpenhauptkamm und nicht vom Patscherkofel stammt. Hat die Föhnströmung das Inntal erreicht, so wird sie an der nördlichen Begrenzung des Inntals, der west-ostwärts verlaufenden Nordkette, gespalten: Ein Teil der Strömung verläuft durch das Tiroler Unterland Richtung bayerisches Alpenvorland oder fließt über die Nordkette, ein westlicher Ast strömt das Tiroler Oberland hinauf, wobei hier wiederum ein Teil über den Seefelder Sattel Richtung bayerisches Alpenvorland abgeführt wird. Während die Talstation Innsbruck-Universität (5 mnn) schon deutlichen Einfluss des östlichen Astes zeigt, befindet sich die Station Innsbruck-Flughafen (11 mnn) noch eher im westlichen Teil der Strömung (Abb..3). Abbildung.3: Auswahl der Referenz- (R1-R) und Talstationen (T1-T3) im Inn- und Wipptal: T = Innsbruck-Flughafen, T3 = Innsbruck-Universität, R/T1 = Ellbögen, R3 = Patscherkofel, R1 = Sattelberg, R = Brenner, strichlierte Linie: Staatsgrenze Österreich-Italien.3. Windkriterium für Föhn im Inn- und Wipptal Zur Bestimmung der mittleren Föhnwindrichtung der Talstationen wurden sektorielle Windrichtungen der Bergstationen hergenommen und in der Hinsicht untersucht,

58 Föhnklassifikation % % (a) (b) % % (c) (d) % % (e) (f) Abbildung.: Relative Häufigkeit [%] der sektoriellen Windrichtungen 9 bis 7 (Ausnahmen e und f) für die Stationen Patscherkofel (a), Sattelberg (b), Brenner (c), Ellbögen (d), Innsbruck-Flughafen (e), Innsbruck-Universität (f) mit eingezeichneten Toleranzgrenzen für die Föhnklassifikation (Ausnahme c)

59 .3 Anwendung der objektiven Föhnklassifikation auf Föhnströmungen im Inn- und Wipptal 5 welche relativen Häufigkeiten in der Windrichtung dabei an den Talstationen auftreten. Die Ergebnisse sind in den Abbildungen.a bis f dargestellt. Mittelwerte und Standardabweichung sind in Tabelle. zu sehen. Es zeigt sich, dass die Föhnströmung sowohl im Wipptal als auch im Inntal von der Orographie stark beeinflusst wird. Die Referenzstationen Patscherkofel und Sattelberg weisen durch Kanalisierungseffekte im Gebirgseinschnitt eine fast einheitliche Windrichtung aus Südost (Patscherkofel, Abb..a) bzw. Süd (Sattelberg, Abb..b) mit nur geringer Standardabweichung zwischen ±1 bzw. ± (Tab..) auf. Am Patscherkofel (Abb..a) fällt die Kanalisierung mit einer relativen Häufigkeit von % aus dem Sektor Südsüdost besonders auf. Ellbögen spiegelt mit 137 die Achse des Wipptals an dieser Stelle wider, die hier mit einer leichten Linksbiegung von Nordwest nach Südost verläuft. Auch in der relativen Häufigkeitsverteilung (Abb..d) ist diese durch die Orographie vorgegebene Windrichtung zu sehen. Stationsname Mittlere Windrichtunchung Standardabweichung Erlaubte Abwei- [Grad] [Grad] [Grad] Brenner 1 nicht verwendet Ellbögen /-5 Innsbruck /-11 Flughafen Innsbruck /-17 Universität Patscherkofel /- Sattelberg 1 +5/-5 Tabelle.: Windkriterien der Referenz- und Talstationen bei Südföhn (vgl. Abb..) Bei den Innsbrucker Stationen, an denen keine sektoriellen Einschränkungen vorgenommen wurden, ergibt sich in Abhängigkeit der sektoriellen Windrichtungen der Bergstationen folgendes Bild: Beide Stationen weisen ausgeprägte Westsektoren auf. Zum einen ist dieser Sachverhalt auf nächtliches Ausfließen, zum anderen auf vorföhnigen Westwind zurückzuführen. Bei der objektiven Föhnklassifikation sind daher westliche Windrichtungen herauszunehmen. Am Flughafen (Abb..e) ist ein deutlicher Ostsektor von 3 bis mit einer kumulativen relativen Häufigkeit von fast 5% auszumachen, im Gegensatz zur Universität (Abb..f), deren zweites Häufigkeitsmaximum zwischen und zu finden ist. Ursache ist hier die Aufspaltung der Föhnströmung am Wipptalausgang, die in Abbildung.5 zu sehen ist. Deutlich ist an der Station Innsbruck-Flughafen die Ostkomponente des westlichen

60 Föhnklassifikation Zweiges zu sehen, an der Station Innsbruck-Universität eine leichte Westkomponente des östlichen Zweiges. Um den thermisch gesteuerten Talwind, der in Innsbruck ebenfalls aus östlichen Richtungen kommend das West-Ost ausgerichtete Inntal hinaufweht, nicht versehentlich als Föhn zu klassifizieren, musste für das Inntal ein zusätzliches Windkriterium her. Die Verwechslungsgefahr ohne zusätzliches Kriterium ist sehr hoch, denn bei gut durchmischter Grundschicht ist zum einen das Potentielle Temperatur- Kriterium erfüllt, zum anderen ist aber auch die Ostkomponente in der Windrichtung vorhanden, so dass objektiv alle Föhnkriterien erfüllt wären. Abhilfe schafft da das Ellbögen-Windkriterium für Innsbruck, das bei der Erstellung der Abbildungen e und f bereits verwendet wurde. Da im engen von Nord nach Süd verlaufenden Wipptal durch das geringere Luftvolumen das Talwindsystem schneller reagiert als im Inntal, setzt hier an Strahlungstagen rasch Einfließen ein, was sich an der Station Ellbögen als Nordwestwind äußert. Somit erweist sich diese Station als sehr gute Referenz für die Stationen im Inntal, denn bei Einfließen ins Wipptal kann es keinen Südföhn in Innsbruck geben. Logischerweise besteht das zusätzliche Kriterium nun darin, dass Föhn in Innsbruck nur auftreten kann, wenn in Ellbögen der Wind aus südöstlichen Richtungen kommt. Tatsächlich konnte damit die Diskrepanz ausgeräumt und die Föhnfälle von den Taleinwindfällen herausgefiltert werden. Die Abbildungen.3e und f zeigen somit in den Ost- und Südsektoren bis auf wenige Ausnahmen reale Föhnfälle. Die Fälle, in denen in Innsbruck Ostwind und in Ellbögen trotzdem Ausfließen herrscht und zusätzlich das potentielle Temperatur- Kriterium erfüllt ist, sind extrem selten und verfälschen daher die Klimatologie kaum. Explizit wird dieses Problem bei der Grenzfalluntersuchung in Abschnitt.3. (Fallstudie ) illustriert. Bei der Festlegung der Toleranzgrenzen musste bei den Innsbrucker Stationen berücksichtigt werden, dass es aufgrund der Verzweigung der Föhnströmung am Wipptalausgang bei Südföhn auch nordöstliche Winde an den Stationen gibt. Insbesondere am Flughafen, der dem westlichen Zweig der Föhnströmung besonders ausgesetzt ist und somit eine häufigere Ostkomponente bei Föhn aufweist als die Universität, mussten Windrichtungen bis auf der Windrose toleriert werden. Die breite Streuung der Föhnwindrichtungen im Inntal ruft große Standardabweichungen von ±51 (Flughafen) bzw. ±59 (Universität) hervor, wobei die erlaubten Abweichungen noch wesentlich über diesen Standardabweichungen liegen. Um Grenzfälle mit einzuschließen, sind Abweichungen bis 1 (Universität) von der durchschnittlichen Föhnwindrichtung notwendig. Dabei beziehen sich die 11 am Flughafen und die 17 an der Universität auf die Subtraktion vom Mittelwert, also in den Nordostquadranten der Windrose, während die bzw. 3 als Addition zum Mittelwert in den Südwestquadranten zu verstehen sind. In Ellbögen sind mit ±5

61 .3 Anwendung der objektiven Föhnklassifikation auf Föhnströmungen im Inn- und Wipptal 7 Abbildung.5: Detailausschnitt (MODIS 5) der Brennerregion mit eingezeichneter, bodennaher Südföhnströmung im Inn- und Wipptal nördlich des Brenners mit Talstationen: F = Innsbruck-Flughafen, U = Innsbruck-Universität, E = Ellbögen, stark vereinfacht dargestellt erlaubter Abweichung alle möglichen Windrichtungen bei Föhn erfasst. An den Bergstationen Patscherkofel und Sattelberg sind die erlaubten Abweichungen mit ±5 (Sattelberg) und ± (Patscherkofel) festgelegt und erfassen damit im Einklang mit der Kanalisierung den größtmöglichen Sektor für Südföhnwindrichtungen. Für Ellbögen wurde als Windreferenz die Station Sattelberg gewählt, da zum einen der Datensatz qualitativ hochwertiger ist als jener des Brenners und zum anderen auch am Sattelberg die seichten Föhnfälle erfasst werden. Mayr et al. 3 zeigten, dass sogar bei seichtem Föhn die Hauptströmung durch den oberen Einschnitt des Brenners kommt. Daher war die Untersuchung der erlaubten Abweichung für den Sattelberg völlig ausreichend. Zusätzlich zur Windrichtung wurde noch eine Mindestwindgeschwindigkeit eingeführt, um sehr schwache Winderereignisse herauszufiltern. Auch sie ist auf die jeweilige Station abgemünzt und liegt zwischen 1 und m/s. Die größte Schwierigkeit beim Windkriterium liegt darin, zwischen Föhn und thermisch gesteuerten Talwinden zu unterscheiden. Nächtliches Ausfließen kann der Beginn einer Föhnperiode sein und die Windrichtungen unterscheiden sich dabei kaum. Mit Hilfe des potentielle Temperatur-Kriteriums gibt es eine deutliche Unterscheidung.

62 Föhnklassifikation.3.3 Potentielle Temperatur (θ) - Kriterium für Föhn im Inn- und Wipptal Die in Abschnitt.3.1 erläuterte besondere Orographie am Alpenhauptkamm wirft mehrere Probleme auf: Es müssen sowohl die Strömungen im unteren Teil als auch die im oberen Teil des Brennereinschnitts erfasst werden. Zusätzlich werden mit zunehmender Distanz zum Alpenhauptkamm Luftmassen von anderen Tälern hinzugemischt, insbesondere an den km nördlich des Brenners gelegenen Innsbrucker Stationen. Stationen, die nahe am Brenner liegen, bekommen hauptsächlich die Luft vom unteren Einschnitt (Vergeiner ). Ellbögen im unteren Teil des Wipptals ist dagegen schon im Einflußbereich einer Mischluftmasse aus beiden Einschnitten. Als einfachste Näherung für ein Föhnereignis durch das θ-kriterium an den Talstationen gelten dabei folgende drei Möglichkeiten: 1.) θ Station θ unterereinschnitt.) θ Station θ oberereinschnitt 3.) θ unterereinschnitt < θ Station < θ oberereinschnitt Die erste Möglichkeit stellt die Föhnströmung durch den unteren Einschnitt sicher, birgt aber gleichzeitig die Gefahr, dass bei gleicher potentieller Temperatur zwischen Tal- und Referenzstation viele Fälle mit thermisch gesteuertem Ausfließen miterfasst werden. Bei der zweiten Ungleichung ist Föhn quasi immer an der Station gegeben, da die Luft vom oberen Einschnitt oder von darüber stammt. Die dritte Möglichkeit besteht aus einem Mischtyp zwischen den Luftmassen aus dem unteren und oberen Einschnitt, was bei allen drei zu klassifizierenden Talstationen sehr häufig der Fall ist. Dagegen herrscht kein Föhn an der Station, wenn θ Station θ unterereinschnitt. In diesem Fall ist nicht einmal der trockenadiabatische Abstieg des Luftpaketes vom unteren Einschnitt gewährleistet, so dass Föhn nahezu ausgeschlossen werden kann. Das θ-kriterium stellt die größte Herausforderung bei einer Föhnklassifikation dar. Messungenauigkeiten durch fehlende Interkalibrierung zwischen Berg- und Talstation führen dazu, dass bei Föhn die trockenadiabatische Durchmischung zwischen den Stationen in den Messwerten nicht exakt erfüllt ist. Auch trägt das Einmischen von Kaltluft aus Seitentälern dazu bei, dass die o.a. Kriterien nicht exakt erfüllt werden können, insbesondere, je weiter die Talstationen vom Alpenhauptkamm entfernt liegt (vgl. Abschnitt..3). Aus diesen Gründen ist es erforderlich, einen Toleranzwert für das Kriterium einzuführen. Die genaue Wahl dieser Toleranz ist entscheidend, denn geringe Temperaturabweichungen beeinflussen das Ergebnis maßgeblich. Die Änderung der θ-toleranzgrenze wiegt schwerer als eine Änderung

63 .3 Anwendung der objektiven Föhnklassifikation auf Föhnströmungen im Inn- und Wipptal 9 des Windrichtungskriteriums. Das Festlegen einer geeigneten Toleranzgrenze gestaltet sich als schwierig. Auf der einen Seite sollen möglichst viele Föhnfälle erfasst werden, auf der anderen Seite müssen thermisch gesteuerte Talwindsysteme ausgeschlossen werden. Nun gilt es, den θ-toleranzwert so festzulegen, dass zwischen Föhn und anderen Windregimen unterschieden werden kann. Um dies zu gewährleisten, wird das θ-kriterium objektiv über eine Häufigkeitsverteilung der θ-differenz zwischen Berg- und Talstationen festgelegt. In Abhängigkeit von den Windgeschwindigkeiten unter Anwendung der bereits erstellten, objektiven Windrichtungskriterien werden die θ-differenzen in einer Häufigkeitsverteilung f geplottet. Diese Funktion wird dann mittels der kubischen Spline-Interpolation geglättet (s. Legende pp in Abb..b bis.13b). An der Stelle, wo die Häufigkeitsverteilung das Krümmungsmaximum aufweist, liegt die stärkste Zunahme an θ- Fällen, und hier ist eine Unterscheidung zwischen thermisch gesteuerten Talwinden und Föhn möglich. Durch die Krümmung K der Häufigkeitsverteilung (Ayres 1975) wird das Krümmungsmaximum ermittelt (s. Legende K in Abb..b bis.13b). K = f (1 + f ) 3 (.) Die maximale Krümmung der Häufigkeitsverteilung f befindet sich an dem Punkt, wo eine zyklonale (konvexe) Krümmung (K > oder Maximum von K) vorliegt, und wo die erste Ableitung der Krümmungskurve K gleich Null ist. Gibt es mehrere Maxima, so wurde jenes gewählt, was nahe bei θ = K liegt, da bei Föhn eine möglichst trockenadiabatische Durchmischung vorherrschend sein soll. Eine Ausnahme bildet da das θ-kriterium für Ellbögen mit Sattelberg (Abb..9b). Fallstudien ergaben, dass das Maximum, welches am nähesten an Null liegt, nicht brauchbar ist, da zu viele Föhnfälle verloren gehen. Daher wurde das benachbarte, tiefere Maximum gewählt, wodurch mehr Föhnfälle gewonnen werden konnten ohne eine Zunahme an Talauswindfällen zu registrieren. Die Abbildungen.a bis.13a zeigen die θ-differenzen zwischen den Berg- und Talstationen für die bekannten Föhnwindrichtungen bei einer Windgeschwindikeit von mindestens 1 m/s. Fälle mit θ > K sind mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit Föhnfälle, Fälle mit θ < K und geringen Windgeschwindigkeiten können auch anderen Windregimen zugeordnet werden.

64 5 Föhnklassifikation Θ [K] Ellboegen Brenner Windgeschwindigkeit [m/s] X:.3 Y:.3 pp Θ [K] K (a) (b) Abbildung.: a) Differenz der potentiellen Temperatur [K] Ellbögen-Brenner in Abhängigkeit der Windgeschwindigkeit [m/s] in Ellbögen bei Föhnwindrichtungen an beiden Stationen; b) Objektive Ermittlung des θ-kriteriums anhand des Krümmungsmaximums der Häufigkeitsverteilung f, pp = kubische Spline-Interpolation von f, K = Krümmung von pp Vergleicht man zunächst die θ-differenzen von Ellbögen und den Innsbrucker Stationen mit der Referenzstation am Brenner in den Abbildungen.a bis.a, so fällt auf, dass an der Station Ellbögen die Toleranzgrenze objektiv höher liegt als an den Innsbrucker Stationen. Mit einem Krümmungsmaximum bei +.3 K (Abb..b) muß Ellbögen um diese Differenz potentiell wärmer sein als der Brenner, um Föhn zu klassifizieren, womit das thermisch gesteuerte, nächtliche Ausfließen herausgefiltert wird. Man erkennt in Abb..b) ein zweites Maximum bei -1. K. Nach Abb..a) ist anzunehmen, dass es sich bei dieser Grenze gerade bei höheren Windgeschwindigkeiten zwar um Föhn handelt, gleichzeitig aber etliche Nicht-Föhnfälle, gerade bei geringeren Windgeschwindigkeiten, mit in die Föhnklassifikation einfließen. Untersuchungen ergaben, dass bei einer Absenkung der Toleranzgrenze auf θ -1 zwischen Brenner und Ellbögen eine Zunahme nächtlicher Föhnfälle von über % zu verzeichnen ist, während der Gewinn an Föhnfällen tagsüber lediglich % beträgt. Auffällig ist, dass es sich bei der nächtlichen Zunahme hauptsächlich um Fälle im Sommer handelt. Hierbei handelt es sich aber in Wirklichkeit um nächtliches Ausfließen, das nur deshalb als Föhn klassifiziert wird, da in den warmen Sommermonaten auch nachts oft Durchmischung im Wipptal herrscht. Mit der objektiv festgelegten Schwelle von θ +.3 K ist somit gesichert, dass thermisch gesteuerte Windregime in Ellbögen herausgefiltert werden.

65 .3 Anwendung der objektiven Föhnklassifikation auf Föhnströmungen im Inn- und Wipptal 51 Θ [K] Innsbruck Brenner Windgeschwindigkeit [m/s] X: 1.5 Y: Θ [K] pp K (a) (b) Abbildung.7: a) Differenz der potentiellen Temperatur [K] Innsbruck/Flughafen- Brenner in Abhängigkeit der Windgeschwindigkeit [m/s] in Innsbruck/Flughafen bei Föhnwindrichtungen an beiden Stationen; b) Objektive Ermittlung des θ-kriteriums anhand des Krümmungsmaximums der Häufigkeitsverteilung f, pp = kubische Spline-Interpolation von f, K = Krümmung von pp Anders verhält es sich an den Innsbrucker Stationen. Dort werden die Schranken objektiv weiter unten angesetzt, obwohl das Verteilungsmuster gegenüber Ellbögen sehr identisch erscheint. Das bedeutet, dass in Innsbruck auch Föhn registriert wird, wenn die Stationen potentiell kälter sind als jene am Brenner. Die Fälle, bei denen θ zwischen K und -1 K (Flughafen) bzw. zwischen K und -.5 K (Universität) liegt, sind keine thermisch gesteuerten Talwindfälle, sondern Föhnfälle, bei denen aus dem Inntal bzw. von den Seitentälern des Wipptals bereits potentiell kältere Luftmassen miteingemischt wurden. Unterschiede hinsichtlich der Toleranzgrenze zwischen den Innsbrucker Stationen ergeben sich dennoch. Am Flughafen liegt die Grenze etwas niedriger als an der Universität, da dieser weiter vom Wipptal entfernt liegt und hier der Einfluss des Einmischens potentiell kälterer Inntal-Luft größer ist als an der Universität. Gemeinsamkeiten aller drei Talstationen bestehen darin, dass bei allen drei Stationen der Schwerpunkt der Föhnfälle deutlich über der θ = K-Marke liegt und somit in den meisten Fällen potentiell wärmer sind als der Brenner. Die Krümmungsmaxima liegen in Ellbögen und in Innsbruck-Flughafen bei θ = +1.5 K, an der Universität bei θ = +.1 K. Die Föhnluft kommt also meistens aus höheren Niveaus oberhalb des Brenners.

66 5 Föhnklassifikation Θ [K] InnsbruckIMGI Brenner Windgeschwindigkeit [m/s] X:.3 Y: Θ [K] pp K (a) (b) Abbildung.: a) Differenz der potentiellen Temperatur [K] Innsbruck/Universität- Brenner in Abhängigkeit der Windgeschwindigkeit [m/s] in Innsbruck/Universität bei Föhnwindrichtungen an beiden Stationen; b) Objektive Ermittlung des θ-kriteriums anhand des Krümmungsmaximums der Häufigkeitsverteilung f, pp = kubische Spline- Interpolation von f, K = Krümmung von pp Der Sachverhalt, dass die Föhnluft aus höheren Niveaus stammt, äußert sich in den Abbildungen.9 bis.11. Bei allen drei Stationen liegt das Krümmungsmaximum (Abb..9b bis.11b) der Fälle im θ - Bereich zwischen und +1.5 K, während die meisten Fälle mit der Referenzstation Brenner, wie oben erwähnt, zwischen +1.5 und +.1 K liegen. An allen drei Stationen stammt die Föhnluft demnach sehr häufig aus Niveaus oberhalb des Brennereinschnittes. Das Krümmungsmaximum ist in Ellbögen mit θ = -1. K, in Innsbruck-Flughafen mit -1. K und in Innsbruck- Universität mit -.5 K festgelegt, wobei das Maximum in Ellbögen dem an Null näher liegenden Maximum vorgezogen wurde, um Fehlklassifikationen bei thermisch gesteuerten Windregimen zu vermeiden. Vergleicht man die Punktplots (Abb..9a bis.11a) mit jenen der Referenzstation Brenner (Abb..a bis.a), so fällt auf, dass die jeweiligen Wolken in Bezug zur Referenzstation Sattelberg leicht in den negativeren Bereich verschoben sind. Das resultiert aus der Tatsache, dass potentiell kältere Luft aus Seitentälern mit eingemischt wird, bzw., dass die Föhnluft aus Niveaus zwischen Brenner und Sattelberg stammt. In Ellbögen ist wiederum das Krümmungsmaximum der nächtlichen Talauswindfälle sichtbar: In Abb..9b sieht man ein weiteres Maximum bei θ = -.3 K, welches in der Punktplotabbildung.9a den Punkten bei geringen Windgeschwindigkeiten um diesen Wert entspricht.

67 .3 Anwendung der objektiven Föhnklassifikation auf Föhnströmungen im Inn- und Wipptal 53 Θ [K] Ellboegen Sattelberg Windgeschwindigkeit [m/s] X: Y: Θ [K] pp K (a) (b) Abbildung.9: a) Differenz der potentiellen Temperatur [K] Ellbögen-Sattelberg in Abhängigkeit der Windgeschwindigkeit [m/s] in Ellbögen bei Föhnwindrichtungen an beiden Stationen; b) Objektive Ermittlung des θ-kriteriums anhand des Krümmungsmaximums der Häufigkeitsverteilung f, pp = kubische Spline-Interpolation von f, K = Krümmung von pp Θ [K] Innsbruck Sattelberg Windgeschwindigkeit [m/s] X:.91 Y: Θ [K] pp K (a) (b) Abbildung.: a) Differenz der potentiellen Temperatur [K] Innsbruck/Flughafen- Sattelberg in Abhängigkeit der Windgeschwindigkeit [m/s] in Innsbruck/Flughafen bei Föhnwindrichtungen an beiden Stationen; b) Objektive Ermittlung des θ-kriteriums anhand des Krümmungsmaximums der Häufigkeitsverteilung f, pp = kubische Spline- Interpolation von f, K = Krümmung von pp

68 5 Föhnklassifikation Θ [K] InnsbruckIMGI Sattelberg Windgeschwindigkeit [m/s] X:.9 Y: Θ [K] pp K (a) (b) Abbildung.11: a) Differenz der potentiellen Temperatur [K] Innsbruck/Universität- Sattelberg in Abhängigkeit der Windgeschwindigkeit [m/s] in Innsbruck/Universität bei Föhnwindrichtungen an beiden Stationen; b) Objektive Ermittlung des θ-kriteriums anhand des Krümmungsmaximums der Häufigkeitsverteilung f, pp = kubische Spline- Interpolation von f, K = Krümmung von pp In Innsbruck liegt der Toleranzwert an der Universität (-.5 K) wiederum höher als am Flughafen (-1. K), was die These des höheren Einmischfaktors potentiell kälterer Luft am Flughafen gegenüber der Universität stützt. Für die in der Föhnklimatologie der Innsbrucker Stationen verwendete Referenzstation Patscherkofel ergibt sich in den Abbildungen.1 und.13 ein ähnliches Bild unter den beiden Innsbrucker Stationen: Die θ-toleranz liegt am Flughafen und an der Universität mit -3. K gleich auf. Das bedeutet, dass sich in Innsbruck bei Föhn in der Regel nicht die Luft vom Patscherkofel durchsetzt und die Stationen somit in potentiell kälterer Luft als am Patscherkofel verbleiben, was Zängl (3) mit dem mesoskalig auflösenden Modell MM5 in seinen Simulationen bestätigt (vgl. Abb.a und b). Die meisten Fälle liegen in der Häufigkeitsverteilung am Flughafen bei -. K (Abb..1a) und an der Universität bei -1.5 K (Abb..13b). Zusammenfassend läßt sich festhalten, dass die Bestimmung des θ-kriteriums für die Föhnklassifizierung an den drei Talstationen stark von der Entfernung zur jeweiligen Referenzstation abhängt. Je weiter die Stationen vom Alpenhauptkamm entfernt sind, desto mehr werden potentiell kältere Luftmassen in die Föhnluft mit eingemischt. Dies ist in besonderem Maße im West-Ost ausgerichteten Inntal und hier besonders am Flughafen zu sehen, der bereits eine gewisse Distanz zum Wipptal aufweist und somit schon ein beträchtlicher Anteil an der Inntal-Luft sowie an Luft aus Seitentälern des Wipptals in die Föhnluft eingemischt wird. Gleichzeitig wird dadurch die exakte Bestimmung der Herkunft der Innsbrucker Föhnluft erschwert.

69 .3 Anwendung der objektiven Föhnklassifikation auf Föhnströmungen im Inn- und Wipptal 55 Θ [K] Innsbruck Patscherkofel Windgeschwindigkeit [m/s] pp K X: 3. Y: Θ [K] (a) (b) Abbildung.1: a) Differenz der potentiellen Temperatur [K] Innsbruck/Flughafen- Patscherkofel in Abhängigkeit der Windgeschwindigkeit [m/s] in Innsbruck/Flughafen bei Föhnwindrichtungen an beiden Stationen; b) Objektive Ermittlung des θ-kriteriums anhand des Krümmungsmaximums der Häufigkeitsverteilung f, pp = kubische Spline- Interpolation von f, K = Krümmung von pp Θ [K] InnsbruckIMGI Patscherkofel Windgeschwindigkeit [m/s] X: 3.39 Y: Θ [K] pp K (a) (b) Abbildung.13: a) Differenz der potentiellen Temperatur [K] Innsbruck/Universität- Patscherkofel in Abhängigkeit der Windgeschwindigkeit [m/s] in Innsbruck/Universität bei Föhnwindrichtungen an beiden Stationen; b) Objektive Ermittlung des θ-kriteriums anhand des Krümmungsmaximums der Häufigkeitsverteilung f, pp = kubische Spline- Interpolation von f, K = Krümmung von pp

70 5 Föhnklassifikation In Ellbögen liegt die θ-toleranz zur Referenzstation Brenner bei +.3 K, womit das thermisch gesteuerte, nächtliche Ausfließen herausgefiltert werden konnte. Die Nähe Innsbrucks zum Patscherkofel bietet hinsichtlich des θ - Kriteriums keinen Vorteil gegenüber der Referenzstation Sattelberg, da die Stromlinien des Patscherkofels bei Föhn Innsbruck in der Regel nicht erreichen. Explizit sind die Ergebnisse des θ - Kriteriums nochmals in Tabelle.3 dargestellt. Referenzstation Brenner Sattelberg Patscherkofel Talstation Ellbögen Innsbruck-Flughafen Innsbruck-Universität Tabelle.3: θ - Differenz [K] zwischen Referenz- und Talstationen.3. Überprüfung der OFK anhand von Fallstudien Mit zwei Fallstudien wird nun die Anwendbarkeit der OFK für die Stationen im Wipp- und Inntal überprüft und dem Leser einen Einblick hinsichtlich der Verfahrensweise der OFK ermöglicht, aber auch Grenzen dieser Klassifikationsmethode aufgezeigt. Dabei werden zwei Südföhnfälle herangezogen: Fallstudie 1 handelt über den sog. Jahrhundertföhn im November, Fallstudie zeigt einen eher untypischen Südföhnfall im Sommer auf. Die Föhnereignisse werden synoptisch analysiert und sowohl objektiv als auch subjektiv ausgewertet, um beide Klassifikationsmethoden miteinander zu vergleichen. Fallstudie 1: Der Jahrhundertföhn vom 1. bis 1. November Mitte November baute sich eine extreme Föhnwetterlage auf, die als Jahrhundertföhn in die Analen einging. Während es in Tirol nur geringe Schäden durch den Föhnsturm gab, fielen besonders im Pinzgau im Bundesland Salzburg und im oberbayerischen Werdenfelser Land ganze Wälder dem Föhnsturm zum Opfer. In diesen Gegenden erreichte der Föhn Orkanstärke auch in den Tälern; im Innsbrucker Raum blieb es bei Sturmstärke. Im Folgenden wird nun auf die synoptische Situation des Ereignisses eingegangen. Die Druckdifferenz Verona - Innsbruck (Abb..1) ermöglicht einen Gesamtüberblick über die Föhnperiode. Am 1. November UTC ist der Druck in Verona bereits um 5 hpa höher als in Innsbruck. Da es sich um die Nachtstunden handelt und sich im Inntal in der Regel ein Kaltluftsee bildet, muss erst noch im Laufe dieser Fallstudie geklärt werden, ob es der Föhn bis ins Inntal geschafft hat. Mit großer

71 .3 Anwendung der objektiven Föhnklassifikation auf Föhnströmungen im Inn- und Wipptal 57 p [hpa] / 1/1 15/ 15/1 1/ DD/UTC Abbildung.1: Differenz des auf Meeresniveau reduzierten Bodendrucks [hpa] (3- stündig) Verona - Innsbruck vom 1. November, UTC bis 1. November, UTC; DD/UTC = Tag ff [m/s] / 1/1 15/ 15/1 1/ DD/UTC Abbildung.15: min-mittelwind [m/s] an der Station Sattelberg vom 1. November, UTC bis 1. November, UTC; DD/UTC = Tag Wahrscheinlichkeit bläst er bereits im höher gelegenen Wipptal. Die Differenz steigt dann in den nächsten Stunden noch um 1 hpa an, ehe sich die Druckdifferenz um hpa abbaut. In den Vormittagsstunden des 1. Novembers baut sich ein kräftiger Druckunterschied auf, der um die Mittagszeit 9 hpa beträgt! Zum Abend baut sich die Druckdifferenz aber wieder ab, so dass man das Augenmerk auf ein mögliches Abheben des Föhns legen muss. Aber bereits in der ersten Nachthälfte auf den 15. November steigt die Druckdifferenz wieder an und eine zweite, kräftige Föhnphase

72 5 Föhnklassifikation ergibt sich kurz nach Mitternacht, die bis weit in den Tag des 15. Novembers hinein anhält. Erst am späten Nachmittag schwächt sich die hohe Druckdifferenz deutlich ab. An den Windverhältnissen am Sattelberg (Abb..15) zeigen sich ebenfalls zwei markante Föhnphasen: Die erste Phase am 1. November am späten Vormittag mit 31 m/s (!) Mittelwind, die zweite Phase um kurz nach Mitternacht des 15. Novembers. Gelegentliche Schwächephasen mit unter 1 m/s zeichnen sich am 1. November am frühen Morgen und am selben Tag in den späten Nachmittagsstunden ab. Synoptische Entwicklung der Großwetterlage Als nächstes wird analysiert, wie die starken und schwachen Föhnphasen in der Gesamtperiode mit der synoptischen Entwicklung der Großwetterlage zusammenhängen. Die ECMWF 3 hpa-analyse in Abbildung.1a vom 1. November um UTC zeigt einen ausgeprägten Langwellentrog über dem Ostatlantik, auf dessen Rückseite ein markanter Jet den Trog in südlicher Richtung amplifizieren wird. Vorderseitig wird Warmluft nach Nordosten advehiert, die einen Keil stützt, dessen Achse von Südskandinavien, über Polen bis ins östliche Mittelmeer verläuft. In der Trogvorderseite sind mehrere Kurzwellentröge integriert. Auf der θ e -Karte in 5 hpa (Abb..17a) ist eine Kaltfront der Steuerungszyklone über Großbritannien erkennbar, die von BeNeLux, über den französischen Westalpenraum bis in den Süden der Iberischen Halbinsel reicht. Diese strömungsparallel eingelagerte Kaltfront ist quasistationär und neigt zur Wellenbildung. Der Kurzwellentrog über Südostfrankreich induziert an der Kaltfront ein Randtief, dessen Warmfront südlich der Alpen ebenfalls quasistationär ist. Ferner nähert sich Österreich ein Jetstreak von den Pyrenäen her. Diese Konstellation und die Aussicht, dass der Langwellentrog sich durch den markanten Jet auf seiner Rückseite eher nach Süden amplifizieren und nicht progressiv verlagern wird, ermöglichte eine extreme Föhnphase, die durch den immer stärker werdenden, vorderseitigen Jet durch den Impulstransport der absteigenden Föhnstromlinien auch ein extremes Windereignis zuließ. Die 7 hpa-karte in Abb..1b zeigt bereits die starke südwestliche Anströmung im Gipfelniveau und die Austrocknung der Luftmasse nördlich des Alpenhauptkammes. In der VERA-Analyse in Abb..1b ist ein sich gerade bildendes, mesoskaliges Leetief im Alpenvorland zu erkennen, das die Kaltluft aus dem Inntal absaugt. Dieses Tief ist dynamischen Ursprungs, da vorher in Bodennähe noch potentiell kältere Luftmassen lagerten, die noch für hohen Luftdruck gesorgt haben.

73 .3 Anwendung der objektiven Fo hnklassifikation auf Fo hnstro mungen im Inn- und Wipptal Abbildung.1: Beschreibung na chste Seite 59

74 Föhnklassifikation Abbildung.1: ECMWF Analysen; linke Spalte: Geopotentielle Höhe [ m], Isotachen [m/s] in 3 hpa (schattiert), Kasten: Kartenausschnitt rechte Spalte; rechte Spalte: Geopotentielle Höhe [ m], Horizontalwinde [ m/s], Relative Feuchte >75 und >9 [%] in 7 hpa; a)-b) 1. November, UTC; c)-d) 1. November, 1 UTC; e)-f) 1. November, 1 UTC; g)-h) 15. November, UTC; i)-j) 15. November, UTC Die ECMWF-Analyse 3 hpa in Abb..1c zeigt, dass sich Stunden später der bereits erwähnte Kurzwellentrog über Südostfrankreich nach Nordosten verlagert hat. Mit dieser Verlagerung ist auch der Jetstreak in nordöstlicher Richtung vorangekommen und erhöhte die Windgeschwindigkeit auf den Bergen (7 hpa) (Abb..1d) und in den Föhntälern erheblich (Abb..1). Auch die Amplifizierung des Langwellentrogs nimmt durch einen einlaufenden Kurzwellentrog Fortschritte an. In der 5 hpa θ e -Analyse (Abb..17c) bewirkt die Verlagerung des Jetstreaks eine Verlagerung des Randtiefs, das unter fortschreitender Zyklogenese der Höhenströmung folgte. Das Tief hat Entwicklungspotenzial, da es sich zum einen im rechten Einzugsgebiet des Jetsstreaks befindet und sich zum anderen auf der Vorderseite des in den Langwellentroges einlaufenden Kurzwellentroges neuerlich ein Jetstreak abspalten sollte, der noch höhere Windgeschwindigkeiten aufweisen sollte, als sein Vorgänger. Der flache Keil zwischen diesen Systemen führt nur kurzzeitig zu einer Stagnation der Zyklogenese. Der synoptischskalige Druckgradient über Mitteleuropa bleibt somit erhalten. Mesoskalig hat sich nun einiges getan. Im Alpenvorland hat sich ein stattliches Leetief entwickelt (Abb..17d) und die Druckdifferenz zwischen Innsbruck und Verona beträgt nun beachtliche 9 hpa (s.abb..1), zwischen Alpennord- und Alpensüdseite sogar 1 hpa. Der Föhn zeigt ein typisches synoptisches Muster, was auch an der 5 hpa θ e -Analyse nochmals sichtbar wird: Im Alpenvorland hat sich potentiell warme Föhnluft durchgesetzt. Die Abbildungen.1e und f sowie Abbildung.17e zeigen die Analysen um 1 UTC. Der um 1 UTC noch über Frankreich liegende Kurzwellentrog hat in 3 hpa (Abb..1e) Westösterreich gestreift und ist nach Nordosten abgezogen. Die durch positive Vorticityadvektion (PVA) induzierte Hebung reichte aus, um über Tirol Niederschläge auszulösen und die Kaltfront der Steuerungszyklone bis zum Alpenhauptkamm vorzurücken. Die 5 hpa θ e -Karte (Abb..17e) zeigt diesen Sachverhalt sehr anschaulich. Hinter dem Kurzwellentrog nähert sich ein flacher Keil, der im postfrontalen Subsidenzbereich der Kaltfront im westlichen Alpenvorland für Druckanstieg sorgt. Zwar ist die Anströmung in 7 hpa (Abb..1f) immer noch sehr ausgeprägt aus südwestlicher Richtung, doch sind die Luftmassen nördlich und südlich des Alpenhauptkammes kaum noch unterschiedlich temperiert, so dass die Druckdifferenz abnimmt und den Föhn zumindest im Inntal

75 .3 Anwendung der objektiven Fo hnklassifikation auf Fo hnstro mungen im Inn- und Wipptal Abbildung.17: Beschreibung na chste Seite 1

76 Föhnklassifikation Abbildung.17: ECMWF Analyse linke Spalte: θ e [ C] in 5 hpa, Kasten: Kartenausschnitt rechte Spalte; VERA-Analyse rechte Spalte: Auf Meeresniveau reduzierter Bodendruck [1 hpa], m-horizontalwinde [m/s]; a)-b) 1. November, UTC; c)-d) 1. November, 1 UTC; e) 1. November, 1 UTC; f)-g) 15. November, UTC; h)-i) 15. November, UTC womöglich abheben läßt. Die 3 hpa-analyse des ECMWF in Abbildung.1g zeigt, dass am 15. November um UTC der Jet über der Iberischen Halbinsel unter Verstärkung nach Nordosten gezogen ist und das Jetdelta direkt auf die Alpen gerichtet ist. Die südwestliche Anströmung ist nun wesentlich ausgeprägter als zum 1 UTC-Termin. Differentielle zyklonale Vorticityadvektion vor der Kurzwellentrogachse über Südfrankreich löst besonders in den West- und Südalpen Niederschläge aus. Die 7 hpa-analyse (Abb..1h) zeigt einen verstärkten Druckgradienten im Gipfelniveau. In der Feuchte ist ein klassisches Föhnfenster entlang der Alpennordseite zu erkennen. Trotzdem wird durch die starke Höhenströmung auch nordseitig Feuchte advehiert und in Innsbruck wurden die ganze Nacht hindurch Regenschauer verschlüsselt. Auch die VERA-Analyse (Abb..17g) zeigt zum UTC-Termin einen starken Druckgradienten zwischen Alpennord- und Alpensüdseite, wobei zwischen Innsbruck und Verona die Druckdifferenz bereits wieder auf hpa angestiegen ist (s.abb..1). Die Föhnluft ist auch in der θ e -Analyse (Abb..17f) des ECMWF bereits zu erkennen, da die Werte nördlich des Alpenhauptkammes erneut ansteigen. Synoptisch hat das Ereignis seinen Höhepunkt um UTC erreicht. Sowohl der Jet in 3 hpa (Abb..1i) als auch die Horizontalwinde in 7 hpa (Abb..1j) zeigen maximale Geschwindigkeiten. Die θ e -Werte sind am Alpennordrand föhnbedingt deutlich gestiegen, was Abbildung.17h belegt. Die Druckdifferenz in der VERA- Analyse in Abbildung.17i zwischen Alpennord- und Alpensüdseite hat hpa überschritten; der stärkste Gradient ist über dem Bundesland Salzburg. Besonders die Region Pinzgau wurde von dem Föhnsturm getroffen, dem ganze Wälder zum Opfer fielen. Föhnereignisse an den Stationen Nach der synoptischen Entwicklung des Föhnereignisses wird nun auf die Entwicklung des Föhns an den einzelnen Stationen eingegangen. In den Abbildungen.1 bis. wird deutlich, dass zum synoptischen Analysetermin am 1. November, UTC (vgl. Abb..1a und b, Abb. 17a und b) an den Innsbrucker Stationen noch kein Föhn vorherrschte, in Ellbögen aber bereits seit UTC mit Mittelwinden um 15 m/s. Die Druckdifferenz zwischen Innsbruck und Verona beträgt bereits am 1. November,

77 .3 Anwendung der objektiven Föhnklassifikation auf Föhnströmungen im Inn- und Wipptal 3 SFK Perioden OFK Perioden Θ [Grad C] 1 Windgeschw. [m/s] Windrichtung [Grad] : 1: : 1: : 1 Nov 15 Nov Abbildung.1: Subjektive (SFK) und objektive Föhnklassifikation (OFK), potentielle Temperatur [ C] für Ellbögen (rote, durchgezogene Kurve), Sattelberg (blaue, strichliertpunktierte Kurve) und Brenner (schwarze, strichlierte Kurve) sowie Windrichtung [Grad] und Windgeschwindigkeit [m/s] an der Station Ellbögen zwischen dem 1. November, UTC und 1. November, UTC UTC 5 hpa (s.abb.1). Während in Ellbögen schon Föhn herrscht (Abb..1), ist er in Innsbruck (Abb..19 und.) noch nicht durchgebrochen. Die Föhnluft in Ellbögen stammt vom Sattelberg, wie die Theta-Werte an der Talstation verraten. Innsbruck ist noch von der Föhnluft entkoppelt, hat aber bereits vorföhnigen Westwind, was darauf schließen läßt, dass der Kaltluftsee allmählich aus dem Inntal ausgeräumt wird. Der stabile Kaltluftsee im Inntal ist gut an der Schichtung der potentiellen Temperatur an den Innsbrucker Stationen zwischen und UTC er-

78 Föhnklassifikation SFK Perioden OFK Perioden Θ [Grad C] Windgeschw. [m/s] Windrichtung [Grad] : 1: : 1: : 1 Nov 15 Nov Abbildung.19: Subjektive (SFK) und objektive Föhnklassifikation (OFK), potentielle Temperatur [ C] für Innsbruck-Flughafen (rote, durchgezogene Kurve), Patscherkofel (blaue, strichliert-punktierte Kurve) und Brenner (schwarze, strichlierte Kurve) sowie Windrichtung [Grad] und Windgeschwindigkeit [m/s] an der Station Innsbruck-Flughafen zwischen dem 1. November, UTC und 1. November, UTC kennbar. Der Föhndurchbruch in Innsbruck war an beiden Stationen gegen 9 UTC und äußerte sich durch einen plötzlichen Anstieg der potentiellen Temperatur, dem Windsprung auf die jeweiligen typischen Hauptföhnwindrichtungen Südost (Flughafen) bzw. Süd (Universität) sowie die Zunahme der mittleren Windgeschwindigkeit. Sowohl nach der OFK als auch der SFK ist der Föhnbeginn eindeutig. Föhnende ist an beiden Innsbrucker Stationen subjektiv um 1 UTC, wobei die Föhnluft noch bis etwa UTC erhalten bleibt und die θ-differenz erst nach UTC

79 .3 Anwendung der objektiven Föhnklassifikation auf Föhnströmungen im Inn- und Wipptal 5 SFK Perioden OFK Perioden Θ [Grad C] Windgeschw. [m/s] Windrichtung [Grad] : 1: : 1: : 1 Nov 15 Nov Abbildung.: Subjektive (SFK) und objektive Föhnklassifikation (OFK), potentielle Temperatur [ C] für Innsbruck-Universität (rote, durchgezogene Kurve), Patscherkofel (blaue, strichliert-punktierte Kurve) und Brenner (schwarze, strichlierte Kurve) sowie Windrichtung [Grad] und Windgeschwindigkeit [m/s] an der Station Innsbruck-Universität zwischen dem 1. November, UTC und 1. November, UTC deutlich auseinanderdriftet. Am Flughafen (Abb..19) werden sogar nochmals 5 Minuten Föhn klassifiziert, auch nach der OFK gibt es nach 1 UTC nochmals drei zeitlich kurze Föhnperioden, da sich die potentielle Temperatur am Flughafen jener des Brenners wieder annähert und dabei für kurze Zeit innerhalb des θ-kriteriums liegt. An der Universität (Abb..) wird von der OFK deshalb kein Föhn klassifiziert, da das Windgeschwindigkeitskriterium ab 15 UTC unterschritten wird. Das θ-kriterium wäre aber erfüllt, wie an dem Verlauf der Kurve der potentiellen Tem-

80 Föhnklassifikation peratur zwischen 15 und 1 UTC ersichtlich ist und dazu führt, dass subjektiv weiterhin Föhn klassifiziert werden kann. In Ellbögen (Abb..1) dagegen bläst der Föhn die ganze Periode subjektiv durch, da sowohl die Windrichtung als auch die Durchmischung eindeutig auf Föhn hinweist. Auch hier ist die Strenge des θ-kriteriums dafür verantwortlich, dass objektiv zwischenzeitlich kein Föhn klassifiziert wurde. Zwar ist Ellbögen mit dem Brenner auch in den vermeintlichen Föhnpausen der OFK durchmischt, was in Einklang mit der Windrichtung subjektiv den Föhn rechtfertigt, doch das objektiv ermittelte θ-kriterium mit +.3 K Differenz zwischen Ellbögen und Brenner ist objektiv an wenigen Stellen nicht erfüllt. In diesem Fall gehen zwar paar Föhnstunden in Ellbögen der OFK verloren, doch ist dieser Verlust immer noch kleiner als der Effekt, der sich durch das falsche Berücksichtigen des nächtlichen Ausfließens ergeben würde. Was aber bewirkte das Abheben des Föhns nach der OFK im Inntal ab 15 UTC, bzw. welche Faktoren führen dazu, dass sowohl durch die OFK als auch durch die SFK kurze Föhnperioden nach 1 UTC am Flughafen klassifiziert wurden? Die synoptische Analyse zeigte zwischen 1 und 1 UTC das Vordringen einer Kaltfront bis zum Alpenhauptkamm. In Ellbögen ist das Einsickern der Kaltluft anhand der potentiellen Temperatur deutlich zu sehen, doch ist hier die synoptischskalige Dynamik noch deutlich stärker als die hydrostatischen Effekte, so dass der Föhn weiter bläst. Dass die OFK trotzdem zwischenzeitlich keinen Föhn am späten Nachmittag klassifiziert, wurde bereits weiter oben erklärt. In Innsbruck zeigt sich die Föhnpause dagegen deutlich. An beiden Stationen hebt der Föhn nach der OFK nach 1 UTC ab, was sich an beiden Stationen an der zunehmenden θ-differenz zu den Referenzstationen äußert. Am Flughafen (Abb..1) dreht der Wind vor Mitternacht gar auf vorföhnigen Westwind zurück. Interessant ist die Zeit zwischen 15 und 1 UTC, wo nach der SFK noch Föhn klassifiziert werden kann. Am Flughafen bleibt die Windrichtung im Toleranzbereich für Föhn, dreht aber mehr auf östliche Richtungen. Zudem sinkt die potentielle Temperatur zwischen 15.3 und 1.3 UTC unter die des Brenners, so dass es sich bei dem Windregime um hydrostatisches Einfließen handelt, da im Alpenvorland potentiell kältere Luft liegt (s.abb..17e). Das baut auch die Druckdifferenz zwischen Innsbruck und Verona (s. Abb..1) erheblich ab. Dann bricht der Föhn durch die nach wie vor enorme Dynamik nochmals kurz durch, was durch das kurze Ansteigen der potentiellen Temperatur und die Durchmischung mit der Referenzstation Brenner deutlich wird, was auch die OFK als Föhnphase erkennt. Danach wird kurzzeitig erneut potentiell kältere Luft eingemischt, zwischen 19 und UTC ist es dagegen potentiell wärmere Föhnluft, die sich im Grenzbereich der θ-toleranz bewegt und von der OFK teils als Föhn teils als Nicht-Föhn klassifiziert wird. Die OFK bewegt sich in diesen Fällen im Grenzbereich der Föhnklassifikation für ein West-Ost ausgerichtetes Alpental. Auch

81 .3 Anwendung der objektiven Föhnklassifikation auf Föhnströmungen im Inn- und Wipptal 7 subjektiv wird es hier schwierig, Föhn zeitlich genau zu klassifizieren. Zwischen 15 und 1 UTC gibt es also ein ständiges Wechselspiel aus Föhn und Nichtföhn. Dabei wird zwar bei der OFK oft nicht der Toleranzwert zur Föhnklassifizierung erreicht, subjektiv kann dennoch von Föhn gesprochen werden, da der Toleranzbereich nur knapp unterschritten wird und alle anderen Parameter auch auf Föhnluft hinweisen. Hierbei sei nochmals auf die Abbildungen. bis.13 hingewiesen, bei denen deutlich wird, dass einige Föhnfälle durch die Toleranzgrenze der OFK herausfallen und diese hier aufgezeigten Fälle dabei sind. Zwischen und UTC hat sich die Kaltluft endgültig durchgesetzt und den Föhn im Inntal abheben lassen. Um Mitternacht bricht der Föhn wieder in das Inntal durch, ein Ereignis, das zu dieser Uhrzeit eher selten ist. In der Regel werden die nächtlichen Kaltluftseen erst mit dem Tagesgang der Sonne und der dadurch verursachten Labilisierung und Erhöhung von θ ausgeräumt, diesmal sind andere Faktoren dafür verantwortlich: Wie die synoptische Analyse für den 15. November, UTC ergab, verstärkte sich die Dynamik der Atmosphäre erheblich, so dass durch die starke südwestliche Anströmung der Alpen die Druckdifferenz zwischen Innsbruck und Verona wieder auf bis zu.5 hpa anstieg (vgl. Abb..1). Die Dynamik war zu diesem Zeitpunkt so stark, dass der Kaltluftsee rasch aus dem Inntal ausgeräumt wurde. An den Innsbrucker Stationen äußert sich der Föhndurchbruch zeitlich nahezu einheitlich. In den Abbildungen.19 und. bricht der Föhn um Mitternacht durch, mit einer zeitlichen Versetzung an der Universität von rund einer Stunde. Die zeitlich gröbere Auflösung der Universitätsdaten sind hierfür verantwortlich. Ein interessantes Detail hinsichtlich der Bodenströmung ergibt sich um 3 UTC. Am Flughafen herrscht vorföhniger Westwind, an der Universität Ostwind, in Ellbögen (Abb..1) kommt der Wind nach wie vor föhnbedingt aus Südost. Diese Konvergenz in Innsbruck ist dadurch erklärbar, dass sich zwischen Universität und Flughafen bereits wieder mesoskalig ein Leetief regeneriert. Diese Konvergenz ist schon öfter kurz vor Föhndurchbruch oder auch kurz vor Abheben des Föhns beobachtet worden. Ab Mitternacht geht der Föhn an beiden Inntalstationen durch und hebt erst am 1. November mit der Passage einer Kaltfront abends ab. Die OFK ist an den Talstationen (Ellbögen, Innsbruck-Flughafen) gelegentlich mit Pausen durchsetzt, wobei sich die Argumentation wiederum auf die Unterschreitung der Toleranzgrenzen der objektiven Föhnkriterien stützt. Abschließend sind ergänzend in Abbildung.1 die -Minuten-Mittelwinde und Maxböen dargestellt. Demnach wurde die höchste Böe des Föhnereignisses mit 1 m/s registiert, was Bft. 9 entspricht. In Ellbögen wurden maximal m/s (Bft. ) gemessen. Wesentlich höhere Windgeschwindigkeiten wurden auf dem Sattelberg mit m/s und auf dem Patscherkofel mit 5 m/s aufgezeichnet, was einen Föhnorkan

82 Föhnklassifikation der stärksten Sorte bedeutet. Die höchsten Mittelwinde und Böen korrelieren sehr gut mit der Passage der Jetstreaks über dem Alpenraum am 1. November von bis 1 UTC und vom 1. November 3 UTC bis 15. November UTC. OFK Perioden min Maxboen [m/s] min Mittelwind [m/s] 3 : 1: : 1: : 1 Nov 15 Nov Abbildung.1: Objektive Föhnklassifikation (OFK) für die Station Innsbruck- Flughafen, Minuten-Maximalböe [m/s] und Minuten-Mittelwind [m/s] an den Stationen Patscherkofel (schwarz, mitteldünn), Sattelberg (grün, dick), Ellbögen (blaue, mitteldick) und Innsbruck-Flughafen (rot, dünn) zwischen dem 1. November, UTC und 1. November, UTC Besonders an der Station Patscherkofel äußert sich die Passage an extrem hohen Windgeschwindigkeiten. Ist der Föhn erst einmal durchgebrochen, so wird nicht nur der Luftmassentransport aus der Höhe entlang einer Stromlinie sichergestellt, sondern auch der vertikale Impulstransport. Als Beispiel sei die Zeit vor dem ersten Föhndurchbruch angegeben. Dort ist Innsbruck noch völlig von der Föhnströmung in der Höhe entkoppelt, während am Patscherkofel schon Windgeschwindigkeiten

83 .3 Anwendung der objektiven Föhnklassifikation auf Föhnströmungen im Inn- und Wipptal 9 von deutlich über m/s herrschen. Erst mit Föhndurchbruch erhöht sich auch in Innsbruck durch den Impulstransport die Windgeschwindigkeit. Dieses Wechselspiel aus An- und Entkopplung an die Föhnströmung zeigt sich ein zweites Mal am 1. November kurz vor Mitternacht. Wiederum ist Innsbruck erst entkoppelt mit sehr niedrigen Windgeschwindigkeiten, während auf den Bergen die Windgeschwindigkeit wieder Sturmstärke erreicht. Hier wird auch die zeitliche Versetzung zwischen Berg- und Talstationen hinsichtlich des Impulstranportes deutlich. Die Kurven zwischen Patscherkofel und Sattelberg zu Ellbögen und Innsbruck zeigen eine deutliche Phasenverschiebung. Ein auffälliger Kurvenverlauf zeigt sich vor diesem Föhndurchbruch. Am Sattelberg werden in der Zeit zwischen 15 und UTC deutlich höhere Windgeschwindigkeiten registriert als am Patscherkofel, sogar in Ellbögen werden zeitweise höhere Mittelwinde und Böen gemessen als am Patscherkofel. Betrachtet man nochmals Abbildung.17e, so sieht man die sich im Alpenvorland befindliche Kaltluft der schwachen Kaltfront, die bis zum Alpenhauptkamm vorangekommen ist. Der höhere Druck im Alpenvorland bewirkt das Einfließen in das Inntal, gleichzeitig herrscht aber noch Föhn im Wipptal. Der Massenabfluss aus dem Wipptal wird durch den Massenzufluss aus dem Alpenvorland abgebremst. Der Einfluss dieser Verzögerung wirkt sich bis in den unteren Teil des Wipptals in Form von geringeren Windgeschwindigkeiten als im oberen Teil aus. Kanalisierungseffekte in der engen Talsohle des Wipptals bewirken höhere Windgeschwindigkeiten in Ellbögen als am Patscherkofel. Erst mit Annäherung des Jetstreaks gegen Mitternacht wird der Massenabfluss aus dem Wipptal wieder dominant und drängt die Kaltluft wieder zurück ins Alpenvorland, was der anschließende Föhndurchbruch in Innsbruck auch belegt.

84 7 Föhnklassifikation Fallstudie : Föhn im Sommer Als zweite Fallstudie wurde ein Föhnereignis aus dem klimatologischen Föhnminimum, dem Sommer, gewählt, um die OFK hinsichtlich der Unterscheidung zwischen Föhn und thermisch gesteuerten Talwindsystemen zu überprüfen. Diese Fallstudie ist der Kontrast zum klassischen Föhnfall im November. p [hpa] / /1 5/ 5/1 / DD/UTC Abbildung.: Differenz des auf Meeresniveau reduzierten Bodendrucks [hpa] (3- stündig) Verona - Innsbruck vom. Juli, UTC bis. Juli, UTC; DD/UTC = Tag ff [m/s] / /1 5/ 5/1 / DD/UTC Abbildung.3: min-mittelwind [m/s] an der Station Sattelberg vom. Juli, UTC bis. Juli, UTC; DD/UTC = Tag Wiederum sollen die Druckdifferenz Verona - Innsbruck sowie die mittlere Wind-

85 .3 Anwendung der objektiven Föhnklassifikation auf Föhnströmungen im Inn- und Wipptal 71 geschwindigkeit auf dem Sattelberg einen Überblick über mögliche Föhnperioden liefern. Die Druckdifferenz (Abb..) zeigt am. Juli um UTC bereits einen hpa höheren Druck in Verona gegenüber Innsbruck an und erreicht mit hpa ihr Maximum am frühen Nachmittag des. Juli und sinkt bis zur ersten Nachthälfte gänzlich ab. Noch vor Mitternacht des 5. Juli herrscht sogar in Innsbruck der höhere Druck, so dass Föhn hier ausgeschlossen werden kann. Erst im Laufe des 5. Juli kehren sich die Verhältnisse wieder um. Mögliche Föhnperioden konzentrieren sich also auf den. Juli bis zum Nachmittag und auf den 5. Juli nachmittags. Der Windgeschwindigkeitsverlauf am Sattelberg (Abb..3) zeigt höhere Windgeschwindigkeiten am. Juli bis in die erste Nachthälfte hinein sowie am 5. Juli am Nachmittag. Aus diesen Abbildungen sind die Föhnperioden nicht offensichtlich, da es sich bei dem Anstieg der Druckdifferenz zwischen Verona und Innsbruck auch um thermische Faktoren handeln könnte, da in Innsbruck der Druck in den Sommermonaten tagsüber durch das alpine Hitzetief rascher als in Verona fällt. Synoptische Entwicklung der Großwetterlage Die synoptische Analyse gibt schon mehr Aufschluss über die o.a. möglichen Föhnperioden. Die Ausgangslage am. Juli um UTC zeigt in den Abbildungen.a und b sowie.a und b ein nahezu klassisches synoptisches Föhnmuster. Auf der ECMWF 3 hpa-karte (Abb..a) erkennt man ein Höhentief über dem Golf von Biskaya, auf dessen Vorderseite subtropische Warmluft nordostwärts advehiert wird. Diese stützt stromabwärts einen Keil mit niedriger Amplitude über Südosteuropa. Durch differentielle zyklonale Vorticityadvektion wird stromabwärts ein Bodentief induziert, das in der 7 hpa-analyse (Abb..b) mit seinem Zentrum über Nordfrankreich liegt. In 5 hpa (Abb..a) wird das Tief bereits als fortgeschritten charakterisiert mit einem okkludierten Teil über dem Norden Frankreichs. Seine Warmfront ist bereits über die Alpen hinweggezogen und wurde bereits in den flachen Keil integriert. Die Kaltfront schmiegt sich an die Westalpen. Dieses Tief hat aber noch Entwicklungspotenzial, da sich von Südwesten her ein Jetstreak nähert und das Tief im linken Auszugsbereich des Jetdeltas im Bereich einer oberen Divergenz positioniert ist. Weiterer Druckfall und damit eine Erhöhung der Druckdifferenz zwischen Alpennord- und Alpensüdseite ist in den kommenden Stunden zu erwarten. Die VERA-Bodenanalyse (Abb..b) zeigt um UTC eine Differenz von 5 hpa, ein Wert, der im Winter aufgrund der Stabilität nur schwer für einen Föhndurchbruch bis ins Inntal reichen würde. Im Sommer dagegen kann bereits diese Differenz ausreichen, um Föhn im Inntal durchbrechen zu lassen, da hier aufgrund der hohen Einstrahlung rasch Durchmischung auftritt.

86 7 Föhnklassifikation Abbildung.: ECMWF Analysen; linke Spalte: Geopotentielle Höhe [ m], Isotachen [m/s] in 3 hpa (schattiert); rechte Spalte: Geopotentielle Höhe [ m], Temperatur [ C] in 7 hpa; a)-b). Juli, UTC; c)-d). Juli, 1 UTC; e). Juli, 1 UTC

87 .3 Anwendung der objektiven Föhnklassifikation auf Föhnströmungen im Inn- und Wipptal 73 Abbildung.5: ECMWF Analysen; linke Spalte: Geopotentielle Höhe [ m], Isotachen [m/s] in 3 hpa (schattiert); rechte Spalte: Geopotentielle Höhe [ m], Temperatur [ C] in 7 hpa; f)-g) 5. Juli, UTC; h)-i) 5. Juli, 1 UTC; j) 5. Juli, 1 UTC

88 7 Fo hnklassifikation Abbildung.: ECMWF Analyse linke Spalte: θe [ C] in 5 hpa; VERA-Analyse rechte Spalte: Auf Meeresniveau reduzierter Bodendruck [1 hpa], m-horizontalwinde [m/s]; a)-b). Juli, UTC; c). Juli, 9 UTC; d)-e). Juli, 1 UTC

89 .3 Anwendung der objektiven Fo hnklassifikation auf Fo hnstro mungen im Inn- und Wipptal 75 Abbildung.7: ECMWF Analyse linke Spalte: θe [ C] in 5 hpa; ECMWF Analyse (g und m) VERA-Analyse (i und k) rechte Spalte: Auf Meeresniveau reduzierter Bodendruck [1 hpa], m-horizontalwinde [m/s]; f)-g). Juli, 1 UTC; h)-i) 5. Juli, UTC; j)-k) 5. Juli, 1 UTC; l)-m) 5. Juli, 1 UTC

90 7 Föhnklassifikation In den nächsten Stunden ändert sich an der großräumigen Lage zunächst wenig: Die Abbildungen.c und d zeigen nur marginale progressive Verlagerungen der Höhentiefs; die Alpen bleiben nach wie vor in einer recht lebhaften Südwestanströmung. Die Kaltfront an den Westalpen (Abb..d) ist quasistationär, die potentielle Temperatur hat über den Alpen zugenommen. Im Bodendruckfeld hat sich der Gradient am. Juli zwischen 9 UTC (Abb..c) und 1 UTC (Abb..e) zwischen Nord- und Südtirol nicht verstärkt, was auch Abbildung. zu diesem Zeitpunkt anzeigt. Die ECMWF 5 hpa-analyse in Abbildung.7f zeigt um 1 UTC eine Abnahme der potentiellen Temperatur in Südtirol, so dass hydrostatisch dort der Druck wieder angestiegen ist. Gleichzeitig ist auch synoptischskalig Bewegung aufgekommen. In der 7 hpa-analyse (Abb..e) hat sich das Tief im Tagesverlauf leicht verstärkt und sich progressiv nach Nordosten verlagert. Sein Kern liegt nun über den BeNeLux-Staaten. Die korrespondierende Kaltfront hat sich ebenfalls leicht ostwärts verlagert und steht nun unmittelbar vor den Toren Nordtirols. Im Vorfeld dieser Kaltfront hat nun nördlich des Alpenhauptkammes wieder Druckfall eingesetzt, so dass sich die Druckdifferenz zwischen Innsbruck und Verona regenerieren kann. Da zu diesem Termin keine VERA-Analyse vorhanden ist, sei als Ersatz auf die gröber aufgelöste ECMWF Bodendruckanalyse in Abbildung.7g verwiesen, welche die stärkste Druckdifferenz über Tirol rechnet. Am 5. Juli UTC ist auf der ECMWF 3 hpa-analysekarte in Abbildung.5f ist ein im Langwellentrog integrierter Kurzwellentrog zu erkennen, dessen Achse von der Schweiz bis zur oberen Adria reicht und kurz vor dem Durchschwenken über den Ostalpenraum steht. Das dazugehörige Tief ist weiter nach Osten gezogen (Abb..5g), so dass in 7 hpa nur noch schwache west-südwestliche Anströmung herrscht. Die θ e -Karte in 5 hpa (Abb..7h) verrät, dass die durch die Alpen stark deformierte Kaltfront Nordtirol bereits überquert hat und bis zum Alpenhauptkamm vorgedrungen ist. Die Kaltluft ist über das Alpenvorland vorgestoßen und ist Ursache für ein mesoskaliges Hoch in der Nähe des Reschenpasses im Dreiländereck Schweiz- Österreich-Italien (Abb..5i). Tagsüber baut sich wieder eine föhnverdächtige Lage auf: Nach der Passage des Kurzwellentroges, der nun über Osteuropa liegt, ist auf der ECMWF 3 hpa-analyse in Abbildung.5h weiterhin eine südwestliche Höhenströmung zu erkennen. Zwischen dem bereits erwähnten Kurzwellentrog über Osteuropa und einem weiteren, sehr markantem Trog über der Iberischen Halbinsel, befinden sich die Alpen unter schwachem antizyklonalem Einfluss. Im Gipfelniveau in 7 hpa (Abb..5i) hat sich die Strömung auf etwas südwestlichere Richtungen regeneriert. Die leichte antizyklonale Krümmung sorgt im Zuge von differentieller antizyklonaler Vorticityadvektion für Absinkprozesse, so dass Nordtirol ein Tag mit großer Sonneneinstrahlung ins

91 .3 Anwendung der objektiven Föhnklassifikation auf Föhnströmungen im Inn- und Wipptal 77 Haus steht. In der 5 hpa θ e -Analyse (Abb..7j) erkennt man, dass die Kaltfront nicht über die Alpen hinweggezogen ist, denn die niedrigen θ e -Werte sind im Norden geblieben. Die hydrostatische Druckverteilung wird durch die synoptischskalige aufgehoben, denn im Norden befindet sich immer noch das Tief, dessen Zentrum sich nun über Norddeutschland befindet. Diese Konstellation im Einklang mit der südwestlichen Anströmung der Alpen bewirkt nun wieder einen Druckfall auf der Mesoskala im Alpenvorland. Die VERA-Bodendruckanalyse (Abb..7k) zeigt eine Druckdifferenz zwischen Alpennord- und Alpensüdseite von hpa. Um 1 UTC bleibt nach der ECMWF 7 hpa-analyse in Abbildung.5j die südwestliche Anströmung im Gipfelniveau und auch ein Druckgradient im Bodenniveau nach Abbildung.7m erhalten, der sich jedoch durch den zunehmenden Abbau der Unterschiede in der potentiellen Temperatur zwischen Nord- und Südtirol (Abb..7l) allmählich abschwächt. Föhnereignisse an den Stationen Im Folgenden wird unter der Berücksichtigung der synoptischen Lage auf die Entwicklung des Föhns an den einzelnen Stationen eingegangen. In Ellbögen bläst der Föhn bereits am. Juli ab Mitternacht (Abb..). Dass es sich hierbei nicht um nächtliches Ausfließen handelt, wird an der θ-differenz deutlich, da Ellbögen fast durchlaufend potentiell wärmer als der Brenner, teils sogar als der Sattelberg ist. Damit ist sichergestellt, dass es sich um Föhnluft aus hohen Niveaus handelt und nicht um angekühlte Luftmassen, die aufgrund des nächtlichen Talwindsystems stromabwärts fließen. Innsbruck (Abb..9 und.3) ist noch von der Föhnluft entkoppelt: Ein nächtlicher Kaltluftsee hat sich im Inntal gebildet. Es ist nicht ganz auszumachen, ob es sich bei dem Westwind um vorföhnigen West oder um nächtliches Ausfließen handelt. Wahrscheinlich tritt der Föhn hier in Interaktion zu dem Talwindsystem und verstärkt das nächtliche Ausfließen aus dem Inntal. Nach Sonnenaufgang wird das geringe Luftvolumen der Talatmosphäre im Hochsommer rasch erwärmt, so dass der Kaltluftsee ausgeräumt wird und der Föhn sich bis ins Tal durchsetzen kann. Abbildung.c zeigt das sich bildende Leetief im Alpenvorland, das um UTC (vgl. Abb..b) noch nicht zu sehen ist. Am. Juli um 1 UTC hebt der Föhn in Innsbruck-Flughafen kurzzeitig ab. Dynamische Ursachen sind ausgeschlossen, denn die ECMWF 3 hpa-analyse in Abbildung.c zeigt immer noch eine südwestliche Anströmung der Alpen. Der Durchgang eines Kurzwellentroges kann es also nicht gewesen sein. Auch die Kaltfront in 5 hpa liegt noch, wie oben beschrieben, quasistationär an den Westalpen. In diesem Niveau, das auch gleichzeitig die Verhältnisse am Brenner widerspiegelt, ist beiderseits des Alpenhauptkammes ein massiver Anstieg der θ e -Werte erkennbar, der kurzfristig wieder für Stabilisierung sorgt und somit den Föhn aus dem Inn-

92 7 Föhnklassifikation SFK Perioden OFK Perioden 35 Θ [Grad C] 3 5 Windgeschw. [m/s] Windrichtung [Grad] : 1: : 1: : Jul 5 Jul Abbildung.: Subjektive (SFK) und objektive Föhnklassifikation (OFK), potentielle Temperatur [ C] für Ellbögen (rote, durchgezogene Kurve), Sattelberg (blaue, strichliertpunktierte Kurve) und Brenner (schwarze, strichlierte Kurve) sowie Windrichtung [Grad] und Windgeschwindigkeit [m/s] an der Station Ellbögen zwischen dem. Juli, UTC und. Juli, UTC tal abheben läßt. Dies wird auch in den Abbildungen. bis.3 deutlich, wenn man sich den Verlauf der potentiellen Temperatur am Brenner anschaut. Ferner nimmt die Druckdifferenz zwischen Innsbruck und Verona ab (vgl. Abb.). Lag sie um 9 UTC noch bei etwa 5 hpa, so liegt sie zu Mittag knapp unter hpa. Da synoptisch sich nicht allzuviel tut, muß die Ursache hydrostatischen Ursprungs sein. Leider fehlen Feuchtekarten, so dass nur Raum zu Spekulationen bleibt. Eine mögliche Erklärung wäre eine kurzzeitige Auflockerungsphase in Südtirol, bei der

93 .3 Anwendung der objektiven Föhnklassifikation auf Föhnströmungen im Inn- und Wipptal 79 SFK Perioden OFK Perioden 35 Θ [Grad C] 3 5 Windgeschw. [m/s] Windrichtung [Grad] : 1: : 1: : Jul 5 Jul Abbildung.9: Subjektive (SFK) und objektive Föhnklassifikation (OFK), potentielle Temperatur [ C] für Innsbruck-Flughafen (rote, durchgezogene Kurve), Patscherkofel (blaue, strichliert-punktierte Kurve) und Brenner (schwarze, strichlierte Kurve) sowie Windrichtung [Grad] und Windgeschwindigkeit [m/s] an der Station Innsbruck-Flughafen zwischen dem. Juli, UTC und. Juli, UTC thermisch bedingt Druckfall einsetzt und somit die Druckdifferenz zu Nordtirol abgebaut wird. Diese Theorie scheint bei dem vorliegenden Datenmaterial plausibel, da der Vergleich der Druckdaten zwischen 9 und 1 UTC in Verona einen stärkeren Druckfall als in Innsbruck hergibt. An den Innsbrucker Stationen äußert sich das Abheben des Föhns durch das Drehen des Windes auf vorföhnigen Westwind sowie durch einen leichten Rückgang der potentiellen Temperatur. In der OFK an der Station Innsbruck-Flughafen wird dieser

94 Föhnklassifikation SFK Perioden OFK Perioden 35 Θ [Grad C] 3 5 Windgeschw. [m/s] Windrichtung [Grad] : 1: : 1: : Jul 5 Jul Abbildung.3: Subjektive (SFK) und objektive Föhnklassifikation (OFK) mit nichtklassifizierbarer Periode (schwarzer Balken), potentielle Temperatur [ C] für Innsbruck- Universität (rote, durchgezogene Kurve), Patscherkofel (blaue, strichliert-punktierte Kurve) und Brenner (schwarze, strichlierte Kurve) sowie Windrichtung [Grad] und Windgeschwindigkeit [m/s] an der Station Innsbruck-Universität zwischen dem. Juli, UTC und. Juli, UTC Effekt erkannt, SFK und OFK stimmen recht gut überein. An der Universität ist vor 1 UTC kein Föhn klassifiziert worden, da bei der Mittelung der min-daten mehr als der Daten bei den Bergstationen in dem Zeitintervall zwischen 9 und 3 UTC nicht vorhanden waren. Gegen 1 UTC bricht der Föhn wieder ins Inntal durch, erkennbar an den typischen Föhnwindrichtungen, dem sprunghaften Ansteigen der Windgeschwindigkeit

95 .3 Anwendung der objektiven Föhnklassifikation auf Föhnströmungen im Inn- und Wipptal 1 und der potentiell wärmeren Luftmasse als am Brenner. Die potentielle Temperatur am Brenner ist um rund 3 K gesunken. Aus den Abbildungen.9 und.3 geht sowohl nach der SFK, als auch nach der OFK hervor, dass der Föhn gegen UTC in Innsbruck abgehoben ist. In Ellbögen (Abb..) gab es eine zeitliche Verzögerung von ca. 1.5 Stunden. In der ersten Nachthälfte ist, wie in synoptischen Analyse beschrieben, die Kaltluft über das Alpenvorland ins Inn- und mit zeitlicher Verzögerung auch ins Wipptal vorgestoßen. Damit sind die südföhntypischen Druckunterschiede zwischen Innsbruck und Verona abgebaut, und der Föhn ist somit abgehoben. Die Kaltfrontpassage ist an den einzelnen Stationen gut nachzuvollziehen. An den Innsbrucker Stationen fällt die potentielle Temperatur zuerst, danach kriecht die Kaltluft das Wipptal hinauf und erfasst die Station Ellbögen (Nordwind um Mitternacht!), etwas später auch den Patscherkofel. Die Westwinde an den Innsbrucker Stationen zeigen, dass die Kaltluft nicht über das Tiroler Unterland, sondern über den Seefelder Sattel hereingeschwappt kam. Diese Stationen werden noch deutlich vor Mitternacht von der Kaltluft geflutet. Um Mitternacht erreicht die Kaltfront auch den Brenner und mit einer kurzen zeitlichen Verspätung zieht die Front über den Sattelberg hinweg. Dies ist geradezu ein Paradebeispiel einer nicht hochreichenden Kaltfront, deren Kaltluft seicht in die Täler strömt und diese wie das Wasser in einer Badewanne mit kalter Luft auffüllt. Von Norden her sorgt sie für stabile Verhältnisse und drängt den Föhn immer weiter nach Süden bis er letztendlich in Nordtirol verschwunden ist. Oftmals werden sommerliche Föhnperioden durch eine aktive, hochreichende Kaltfront mit Gewittern abrupt beendet. In diesem Falle kommt die Kaltluft seicht und langsam daher, so dass man das Auffüllen der Täler mit Kaltluft und das zeitlich verzögerte Abheben des Föhns anhand der Verläufe der potentiellen Temperatur gut nachvollziehen kann. In der Nacht auf den 5. Juli dominieren die thermisch gesteuerten Talwindregime. In Ellbögen ist gegen UTC das Einfließen der Kaltluft in das Wipptal abgeschlossen und die Windrichtung dreht auf Südost zurück. Föhn wird aber keiner klassifiziert, da das θ-kriterium mit den Referenzstationen nicht erfüllt ist. In Innsbruck herrscht ebenfalls schwaches Ausfließen aus dem Mesohoch (Westwind). Während am. Juli die Föhndiskussion im Inntal wie gerade gesehen zu Gunsten des Föhns ausfiel, ist es einen Tag später bei ähnlicher synoptischer Lage (s.o.) nicht einfach, sowohl subjektiv als auch objektiv Föhn zu verifizieren. Im Detail äußert sich das wie folgt: In Abbildung. scheint die Sache an der Station Ellbögen klar. Ellbögen ist potentiell wärmer als der Brenner und durchmischt mit dem Sattelberg, d.h. die Luft kommt aus hohen Niveaus. Die Windrichtung bestätigt, dass es sich um Föhn handelt, die OFK klassifiziert also richtig. In Innsbruck ist die Sachlage dagegen äußerst komplex und zwingt die OFK an ihre Grenzen. Zwi-

96 Föhnklassifikation schen 15 und 1 UTC wird an beiden Stationen Föhn klassifiziert. Handelt es sich dabei aber wirklich um Föhn oder um thermisch gesteuerten Taleinwind? Nun hat Abschnitt.3. gezeigt, dass in Innsbruck zur Erfassung möglichst vieler Föhnfälle eine große Toleranz in der Windrichtung von Nöten ist. Um nicht irrtümlich Taleinwind als Föhn zu klassifizieren, wurde ja extra noch das Kriterium erstellt, dass in Ellbögen Südostwind herrschen muss. Ellbögen hat Südostwind, die Windrichtung im Inntal liegt innerhalb der für Innsbruck erlaubten Toleranz. Auch das θ-kriterium ist erfüllt. Zwischen 15 und 1 UTC sind beide Stationen zeitweise mit dem Brenner durchmischt und auch die θ-toleranz zum Patscherkofel ist erfüllt. Somit ist nach allen Kriterien für die OFK Föhn zu klassifizieren. Dennoch ist die Föhnfrage nicht eindeutig zu klären. An einem Strahlungstag im Sommer ist die Durchmischung mit dem Brenner häufig gegeben und bei dem Wind kann es sich wirklich um reinen thermischen Taleinwind handeln, zumal keine der beiden Inntalstationen Ausreißer in Richtung ihrer Hauptföhnwindrichtungen aufweisen. Auch die zunehmende Böigkeit des Windes kann tagesgangbedingt verursacht sein. Es stellt sich nun die Frage, welches Windregime in Innsbruck sich in diesem Zeitraum durchgesetzt hat. Den Daten nach ist es nicht eindeutig zu klären. Es ist keine Seltenheit im Sommer, dass sich das Föhnregime aus dem Wipptal nicht gegen das starke Taleinwindsystem durchsetzen kann und die Föhnströmung knapp über Innsbruck hinwegführt. In diesem Fall scheint es ein Kompromiss zwischen diesen beiden Windsystemen zu geben. Auf der einen Seite werden immer wieder Föhnluftpakete aus dem Wipptal in das Inntal eingemischt, was die kurzzeitigen, höheren Amplituden im Verlauf der potentiellen Temperatur in dem hochaufgelösten Datensatz am Flughafen auch zeigen, auf der anderen Seite werden kühlere Luftpakete aus dem Alpenvorland herantransportiert und die Durchmischung zum Brenner gestört, was in den relativen Minima endet. Hier ist das Adjektiv föhnig eine sehr gute Beschreibung der Verhältnisse in Innsbruck. Kein klassischer Föhn im eigentlichen Sinne wie beispielsweise am Vortag, dafür scheitert es an klaren Merkmalen, aber eben auch kein klassisches Talwindregime, da immer wieder Föhnluftpakete in die Talatmosphäre eingemischt werden. Für die OFK mit ihren klaren Richtlinien ist dies natürlich nur sehr schwer oder gar nicht zu erkennen und auch subjektiv kann die Angelegenheit nicht zu % aufgeklärt werden. Dies beweist, dass in manchen Fällen die OFK für Südföhn in einem West-Ost ausgerichteten Tal an ihre Grenzen stösst und ihre Anwendbarkeit aufgrund der physikalischen Komplexität in solchen Fällen in Frage gestellt werden kann. Um 1 UTC entwirrt sich das Chaos hinsichtlich der Frage: Föhn ja oder Föhn nein? Zwar bleibt nach der synoptischen Analyse die südwestliche Anströmung im Gipfelniveau und auch ein Druckgradient im Bodenniveau bestehen, dennoch kühlt es in der eingeflossenen Kaltluft nach Sonnenuntergang rasch ab, so dass die Durch-

97 .3 Anwendung der objektiven Föhnklassifikation auf Föhnströmungen im Inn- und Wipptal 3 mischung zum Brenner im Inntal zusammenbricht und sich im Tiroler Oberland neuerlich ein Mesohoch ausbildet, welches das nächtliche Ausfließen einleitet. In den Abbildungen.9 und.3 zeigt sich dies durch das Drehen des Windes von Ost (=Einfließen) auf West (=Ausfließen). Auch in Ellbögen (Abb..) hebt der Föhn ab, was sich im θ-kriterium widerspiegelt. Die Durchmischung mit dem Sattelberg ist nicht mehr gegeben und die Luft stammt nun vom Brennerpass. Dies und die schwache Windgeschwindigkeit gegen UTC passen sehr gut zum nächtlichen Talauswind, der von nun an die ganze Nacht wieder wirksam wird. Zusammenfassung Beide Fallstudien haben die Mannigfaltigkeit des Föhns, die Komplexität der Talwindsysteme und die Interaktion zwischen den Windregimen zum Ausdruck gebracht, sowie die Stärken und Schwächen einer automatischen Föhnklassifikation aufgezeigt. Die Schwierigkeiten einer automatischen Föhnklassifikation steigen mit zunehmender Entfernung zum Alpenhauptkamm. Im Nord-Süd ausgerichteten Wipptal unterscheidet die OFK durch die gegebenen Kriterien sehr gut zwischen Talauswind und Föhn und hat generell nur wenig Schwierigkeiten bei der Klassifikation. Lediglich bei Dimmerföhn (Föhn, bei dem gleichzeitig Niederschlag auftritt), gibt es Defizite, da hier die Durchmischung zum Sattelberg aufgrund der eingemischten Verdunstungskälte nicht mehr gegeben ist und dadurch das strenge θ-kriterium nicht mehr stimmt, obwohl alle anderen Indizien (Windrichtung, hohe Windgeschwindigkeit, Böigkeit des Windes) für Föhn sprechen. Auch im Sommer in Fallstudie reagiert die OFK zuverlässig auf Föhnströmungen. Anders verhält es sich im West- Ost ausgerichteten Inntal, das den Föhn nahezu rechtwinklig ablenkt. Klassische Föhnfälle wie in Fallstudie 1 oder in Fallstudie, Tag 1, werden erkannt und richtig klassifiziert und stimmen in der Regel gut mit der SFK überein. Schwächen gibt es zweifelsohne bei schwachen Föhnperioden und sommerlichen Föhnfällen wie in Fallstudie, Tag. Im Erstgenannten sind es häufig kältere Luftpakete, die aus der Inntalatmosphäre eingemischt werden (Fallstudie 1 und ), im Zweitgenannten ist trotz des zusätzlichen Ellbögen-Südostwind -Kriteriums in manchen (sommerlichen) Fällen kaum zwischen Föhn und thermischen Taleinwind zu unterscheiden. Trotz diverser Abstriche ist dennoch auch in einem West-Ost ausgerichteten Alpental die OFK anwendbar, wenngleich sie nicht die Qualität erbringen kann wie in einem Nord-Süd ausgerichteten Tal in der Nähe des Alpenhauptkammes.

98

99 Kapitel 5 Objektive Föhnklimatologie für das Inn- und Wipptal 5.1 Einleitung In diesem Kapitel wird anhand der in Kapitel erläuterten objektiven Föhnklassifikation eine Föhnklimatologie für das Inn- und Wipptal erstellt und analysiert. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der Analyse der relativen Föhnhäufigkeit, die in Zusammenhang mit der klimatologischen, synoptischskaligen Strömung gebracht wird. Dabei fließen sowohl Modellrechnungen auf Basis des T511-Modells vom ECMWF, als auch klimatologische Auswertungen der Windrichtungen von einigen Bergstationen ein. Die relativen Föhnhäufigkeiten wurden im Verhältnis zu fehlerfreien Datenwerten errechnet, d.h. dass die fehlerbehafteten Daten aus der Qualitätskontrolle nicht berücksichtigt wurde, da sie die Klimatologie verfälschen würden. Gibt es beispielsweise in einem Monat 5% fehlerhafte Werte, so werden die relativen Föhnhäufigkeiten nur in Bezug auf die verbleibenden 95% gesetzt. Somit verbleiben einzig die im letzten Kapitel diskutierten Fehlerquellen durch die objektive Föhnklassifikation. Neben der relativen Föhnhäufigkeit und der mittleren Föhndauer im Untersuchungszeitraum, werden in diesem Kapitel die mittleren Föhndurchbruchs- und Abhebezeiten diskutiert. Abgeschlossen wird das Kapitel mit einer Analyse der Windparameter bei Föhn an den Talstationen. 5. Relative Föhnhäufigkeit Relative Föhnhäufigkeiten dienen dazu, einen Überblick über den Föhnanteil in einem Untersuchungszeitraum zu bekommen. Die Isoplethendarstellungen Abb. 5.1 bis 5. liefern dabei eine Übersicht der relativen Föhnhäufigkeiten in Bezug zur Tageszeit nach Monaten. Somit sind auf der Abszisse zum einen die jahreszeitliche, 5

100 1 Objektive Föhnklimatologie für das Inn- und Wipptal zum anderen auf der Ordinate auch die tageszeitliche Verteilung abgebildet. Auch enthalten die Abbildungen Informationen über synoptische und stabilitätsbedingte Föhnhäufigkeiten Föhnhäufigkeitsverteilung Jahreszeitlicher Gang des Föhns In Ellbögen (Abb. 5.1) sind zwei jahreszeitliche Föhnmaxima erkennbar. Das primäre Maximum liegt im Frühjahr in den Monaten April und Mai, ein sekundäres, schwächeres Maximum im Herbst mit Schwerpunkt im Oktober und November. Dabei werden relative Föhnhäufigkeiten bis zu 3% an Nachmittagen im Frühjahr und bis zu 3% im Herbst erreicht. Das sommerliche Minimum beginnt mit dem abruptem Abfall der Föhnhäufigkeit im Juni und endet ebenso abrupt mit dem steilen Anstieg der Isoplethen im September. Föhnärmste Monate sind dabei der Juni und der August mit < % in den frühen Morgenstunden. Das sekundäre Minimum in den Wintermonaten fällt längst nicht so markant aus wie jenes im Sommer. Selbst im Januar werden noch Föhnhäufigkeiten bis % erreicht. Abbildung 5.7 zeigt, dass in rund 1 (!) der Monate April und Mai Föhn in Ellbögen herrscht. Zwischen Mai 3 und Juni sinkt die relative Häufigkeit um 1 Prozentpunkte auf 13%, was einen Rückgang von 5% bedeutet(!). Um fast denselben Betrag steigt die Häufigkeit von August auf Oktober an. Im Winter ist die Föhnhäufigkeit mehr als doppelt so hoch wie im Sommer. Stunde [UTC] Monat % Abbildung 5.1: Isoplethendiagramm der relativen Föhnhäufigkeit [%] an der Station Ellbögen basierend auf min-daten im Zeitraum 1. September 1999 bis 1.April

101 5. Relative Föhnhäufigkeit 7 Stunde [UTC] Monat % Abbildung 5.: Isoplethendiagramm der relativen Föhnhäufigkeit [%] an der Station Innsbruck-Flughafen mit Referenzstation Patscherkofel basierend auf min-daten im Zeitraum 1. September 1999 bis 1.April Stunde [UTC] Monat % Abbildung 5.3: Isoplethendiagramm der relativen Föhnhäufigkeit [%] an der Station Innsbruck-Flughafen mit Referenzstation Sattelberg basierend auf min-daten im Zeitraum 1. September 1999 bis 1.April

102 1 Objektive Föhnklimatologie für das Inn- und Wipptal Stunde [UTC] Monat % Abbildung 5.: Isoplethendiagramm der relativen Föhnhäufigkeit [%] an der Station Innsbruck-Universität mit Referenzstation Patscherkofel basierend auf min-daten im Zeitraum 1. September 1999 bis 1.April Stunde [UTC] Monat % Abbildung 5.5: Isoplethendiagramm der relativen Föhnhäufigkeit [%] an der Station Innsbruck-Universität mit Referenzstation Sattelberg basierend auf min-daten im Zeitraum 1. September 1999 bis 1.April

103 5. Relative Föhnhäufigkeit 9 Stunde [UTC] Monat % Abbildung 5.: Isoplethendiagramm der relativen Föhnhäufigkeit [%] an der Station Meran/Südtirol (nach Verant ) basierend auf min-daten im Zeitraum 1. Dezember bis 3. November 5 [%] Monat Abbildung 5.7: Relative Föhnhäufigkeit [%] nach Monaten für die Stationen Ellbögen (blau, Kreuze), Innsbruck-Flughafen (grün, Kreise) und Innsbruck-Universität (rot, Sterne) im Zeitraum 1. September 1999 bis 1.April

104 9 Objektive Föhnklimatologie für das Inn- und Wipptal [%] Stunde [UTC] Abbildung 5.: Relative Föhnhäufigkeit [%] nach Stunden für die Stationen Ellbögen (blau, Kreuze), Innsbruck-Flughafen (grün, Kreise) und Innsbruck-Universität (rot, Sterne) im Zeitraum 1. September 1999 bis 1.April Vergleicht man dieses jahreszeitliche Föhnmuster von Ellbögen in Abb. 5.1 bzw. Abb. 5.7 mit denen der Innsbrucker Stationen (Abb. 5. bis 5.5), so fällt auf, dass auch in Innsbruck zwei jahreszeitabhängige Maxima anzutreffen sind. Das Maximum im Frühjahr fällt dabei mit % (Flughafen) bis zu 3% (Universität) am Nachmittag schwächer aus als in Ellbögen, das Herbstmaximum ist mit 1% nicht nur in der Relativität schwächer ausgeprägt, es fällt auch rasch wieder ab und das bereits im November. Besonders föhnarm zeigen sich die Wintermonate Dezember und Januar mit lediglich % bis % relativer Föhnhäufigkeit in den Nachmittagsstunden. Auch die Monate Juni bis August sind mit maximal % bis % (Flughafen) bzw. % bis 1% (Universität) relativ föhnarm. In Abbildung 5.7 zeigt sich, dass Ellbögen über das Jahr mit Ausnahme des Sommers um 15 bis 5 Prozentpunkte höhere Häufigkeiten aufweist als Innsbruck. Föhnstärkster Monat in Innsbruck ist der April mit 1% (Flughafen) bzw. 15% (Universität) relativer Häufigkeit. Auffällig ist auch, dass im Gegensatz zu Ellbögen nicht der Sommer die föhnärmste Jahreszeit ist, sondern der Winter. Vergleicht man die Innsbrucker Stationen untereinander, so weist die Station Innsbruck-Universität über das Jahr gesehen eine um 1 bis Prozentpunkte höhere Föhnhäufigkeit auf als der Flughafen. Gleichzeitig wird deutlich, dass die Wahl der Referenzstation für das Inntal hinsichtlich der Föhnhäufigkeit nicht ausschlaggebend für die Statistik ist. Sowohl mit der Referenz Patscherkofel, als auch mit der Referenz Sattelberg werden fast identische

105 5. Relative Föhnhäufigkeit 91 Ergebnisse für das Inntal erzielt, was eine zusätzliche Bestätigung für die objektive Ermittelung der Toleranzgrenzen hinsichtlich der Föhnkriterien (vgl. mit Abschnitt.3. und.3.3) ist. Die folgenden Abbildungen der Klimatologie für die Innsbrucker Stationen beziehen sich allesamt auf die Referenzstation Patscherkofel, da diese Station den Vorteil einer längeren Datenreihe aufweist. Die Isoplethendarstellungen für die Innsbrucker Stationen sind in Bezug auf das Muster identisch mit dem Ergebnis, das Seibert 195 für die Jahre aufgestellt hat. Tageszeitlicher Gang des Föhns Während es bei dem jahreszeitlichen Muster noch Übereinstimmungen zwischen Ellbögen und Innsbruck gibt (Abb. 5.1 bis 5.5), verschwinden diese gemeinsamen Extreme fast vollständig bei der Analyse des tageszeitlichen Ganges. In Ellbögen sinken die tageszeitlichen Föhnhäufigkeiten im Frühjahr (Monate März, April, Mai) auch nachts nie unter %! Die %-Isoplethe erstreckt sich von UTC, den ganzen Tag und die ganze Nacht hindurch bis um UTC am frühen Morgen. Dennoch ist in den Monaten April und Mai ein nachmittägliches Maximum mit 3% relativer Föhnhäufigkeit auszumachen, das sich ab 13 UTC aufbaut und gegen UTC wieder abflacht, mit einem Spitzenwert von 3% zwischen 1.3 und UTC. Beim zweiten jahreszeitlichen Maximum im Herbst ist ein tageszeitliches Extremum kaum noch ausfindig zu machen. Zwar erstreckt sich das zeitlich längste relative Maximum von 15.3 bis 1 UTC auch am Nachmittag (3%-Isoplethe), weitere, zeitlich begrenztere relative Maxima sind aber ebenfalls mit 3% nachts von bis UTC und von bis 7.3 UTC zu finden. Im Gegensatz zum Frühling ist der Föhn im Herbst insgesamt weniger präsent, dafür aber tageszeitlich gesehen gleichmäßiger verteilt. Als föhnärmste Tageszeit kristallisiert sich die Zeit zwischen und UTC heraus mit Ausnahme des Herbstes, wo die föhnärmste Zeit zwischen 9 und 11 UTC anzutreffen ist. Ob das relative Minimum im Januar zur Mittagszeit klimatologisch repräsentativ ist oder ob es sich hierbei lediglich um nur wenige Föhnfälle aufgrund der kurzen Datenreihe handelt, kann nicht geklärt werden. Die Erwartungshaltung ist, dass gerade zur Mittagszeit im Winter ein Anstieg der Föhnereignisse zu verzeichnen wäre und nicht erst ab den späten Nachmittagsstunden, wenn aufgrund der thermischen Ausstrahlung die Chancen für Föhn bereits wieder im Sinken inbegriffen sind. An den Innsbrucker Stationen ergibt sich ein weniger komplexes Bild als in Ellbögen. Im April und im Mai steigt die Wahrscheinlichkeit für Föhn im Allgemeinen am späten Vormittag an und sinkt ab 1 UTC wieder rapide ab. Im Gegensatz zum sekundären Maximum im Herbst setzt der Föhn früher ein und hebt auch später erst ab, was auf längere Föhnperioden hindeutet. Das Maximum (%-Isoplethe) am Flughafen ist zwischen 13.3 und 1.3 UTC, an der Universität zwischen 1.3 und 1 UTC, im Herbst tritt das absolute Maximum (1%-Isoplethe) an beiden Stationen etwa eine

106 9 Objektive Föhnklimatologie für das Inn- und Wipptal Stunde früher im Vergleich zum Frühjahr ein. Generell föhnarm sind die Nächte; nur im April/Mai gibt es mit leicht erhöhter Häufigkeit Föhn bis in die Nacht hinein. In Abbildung 5. ist die relativ schwach ausgeprägte Tagesgangabhängigkeit in Ellbögen deutlich zu erkennen. Lediglich in den Vormittagsstunden sinkt die Häufigkeit auf %, während in der Nacht eine an den Tagesgang gekoppelte Abhängigkeit nicht zu sehen ist. Auffällig ist das nächtliche Maximum um UTC. Hierbei kann es sich zusätzlich zum Föhn verstärkt um nächtliches Ausfließen bei Durchmischung insbesondere im Sommer (vgl. auch Fallstudie in Abschnitt.3.) handeln. Dagegen ist an den Innsbrucker Stationen der Tagesgang deutlich ausgeprägt mit einem Maximum zwischen 1 und 1 UTC. Hervorzuheben ist auch, dass an der Station Innsbruck-Universität die relative Häufigkeit ab 1 UTC über jener des Flughafens liegt und sich die Kurven erst in den frühen Vormittagsstunden wieder angleichen. Das läßt die Hypothese zu, dass der Föhn an der Universität früher durchbricht als am Flughafen und auch später wieder abhebt. Explizit wird darauf noch in Unterkapitel 5.3 eingegangen. Im nächsten Abschnitt werden auf die Ursachen der unterschiedlichen Jahres- und Tagesgangabhängigkeiten auf Basis von Druck- und Windverhältnissen im Alpenraum eingegangen. Vergleich mit den Klimatologien von Seibert und Ekhart Die Ergebnisse der Station Innsbruck-Universität sollen kurz mit vorherigen Klimatologien verglichen werden. Seibert (195) stellte für den Zeitraum 197- eine Südföhnklimatologie für die Station Innsbruck-Meteorologisches Institut auf. Zur Föhnklassifikation verwendete Seibert die bereits in Kapitel erläuterte 3-Kriterien- Methode, bestehend aus Beobachtungen bei Temperatur, relativer Feuchte und Wind. Auf dieser Grundlage erarbeitete sie für Südföhn in Innsbruck einen Entscheidungsbaum. Die Südföhnklimatologie ist in dem Isoplethendiagramm in Abbildung 5.9 zu sehen ist. Der Vergleich zu Abbildung 5. zeigt ein einheitliches Muster hinsichtlich der maximalen Föhnhäufigkeiten im Frühjahr und im Herbst sowie der tageszeitlichen Verteilung mit Ausnahme des Herbstes, bei dem in Abb. 5. das tageszeitliche Maximum schon eine Stunde eher auftritt. Abweichungen gibt es allerdings hinsichtlich der Absolutwerte: Im Frühjahrsmaximum beträgt der Unterschied 1, im Herbstmaximum Prozentpunkte; im Sommer gibt es eine um Prozentpunkte höhere Föhnhäufigkeit in Abb. 5.. Hauptursache dafür könnten die unterschiedlichen Stationsorte sein, denn Seibert verwendete Daten des Meteorologischen Instituts, das damals ca. 1 km südlich des heutigen Institutes liegt. Seibert s Hauptwindrichtung bei Föhn liegt bei Südsüdost bis Südost; die für die Station an der Universität ermittelte Hauptföhnwindrichtung liegt jedoch zwischen Süd und Südsüdwest. Ein weiterer Grund für die Abweichungen sind die verschiedenen Windrichtungskrite-

107 5. Relative Fo hnha ufigkeit 93 Abbildung 5.9: Isoplethendiagramm der relativen Fo hnha ufigkeit [%] an der Station Innsbruck-Meteorologisches Institut 197-, adaptiert nach Seibert 195 Abbildung 5.: Relative Fo hnha ufigkeit [%] nach Stunden fu r die Station InnsbruckMeteorologisches Institut (nach Seibert 195): a) Periode 197- nach Seibert; b) Periode 19-3 nach Ekhart

108 9 Objektive Föhnklimatologie für das Inn- und Wipptal rien. Seibert nahm die Windrichtungen Süd bis Südost, während das in dieser Diplomarbeit verwendete Windrichtungskriterium auch die Richtungen Südwest sowie Ost bis Nordost berücksichtigt. Damit werden unbeabsichtigt einige Taleinwindfälle bei trockenadiabatischer Durchmischung als Föhn klassifiziert, obwohl für Innsbruck zusätzlich das Ellbögen-Kriterium eingebaut wurde (vgl. Abschnitt.3.), um solche Fälle auszuschließen. Auswertungen ergaben, dass bei Ausschließen der Windrichtungen Nordost bis Ost die relative Föhnhäufigkeit in Abb. 5. im Frühjahr, Sommer und Herbst lediglich um je Prozentpunkte abnimmt. Im Vergleich des Tagesganges der Föhnhäufigkeit zwischen Abb. 5. und 5. (Innsbruck-Universität: rote Kurve mit Sternen) zeigt sich zunächst wieder ein einheitliches Muster hinsichtlich des Maximums zwischen 15 und 1 UTC, insbesondere beim Vergleich mit Seibert (Kurve a). Das Maximum von Ekhart (Kurve b), der die Periode 191 bis 193 untersucht hat, ist um 1 Stunde gegenüber Abb. 5. vorverlagert. Dafür stimmen die Absolutwerte von Ekhart bis auf ±1% mit jenen in Abb. 5. überein. Ebenfalls Übereinstimmung mit Ekhart zeigt sich in den absoluten Zahlen der Föhnstatistik: Im Hauptföhnmonat April errechnete Ekhart in seinem Untersuchungszeitraum durchschnittlich, Föhntage, ein Wert, der in Abb. 5. auch in dieser Diplomarbeit ersichtlich wird. Seibert ermittelte in ihrem Untersuchungszeitraum dagegen nur.3 Föhntage im April, was aber u.a. auch auf relative Föhnarmut in dem Zeitraum 197 bis 19 zurückzuführen sein könnte. 5.. Abhängigkeit der relativen Föhnhäufigkeit von der nordhemisphärischen Zirkulation im Synoptik- und Mesoscale An allen drei Talstationen in Nordtirol gibt es zwei Föhnhauptzeiten: Eine im Frühjahr und eine weitere, schwächere, im Herbst. Im Mittel greift der Polarjet zwischen Februar und April sehr weit nach Süden aus, so dass der Alpenraum häufig im Bereich markanter Tröge über West- und Mitteleuropa liegt. Gleichzeitig sind in diesem Zeitraum die Temperaturunterschiede zwischen dem Nordpol und den äquatorialen Breiten am stärksten ausgeprägt, was eine hohe Dynamik der nordhemisphärischen Zirkulationsprozesse hervorruft. Im Herbst herrscht eine ähnliche Konstellation mit dem Unterschied, dass der europäische Kontinent die Wärme des Sommers gespeichert hat und somit die Temperaturunterschiede zwischen der Polarregion und dem Äquator weniger stark ausgeprägt sind als im Frühjahr und dies sich gleich auf die Dynamik der nordatlantischen Tiefs auswirkt. Auf der Vorderseite der Tiefs geraten die Alpen in eine südwestliche Anströmung und somit ist ein Durchbrechen des Föhns im Frühjahr und im Herbst wahrscheinlicher als im Sommer, wie an der

109 5. Relative Föhnhäufigkeit 95 relativen Häufigkeit zu erkennen ist. Zudem ist die Talatmosphäre im Frühjahr weniger stabil geschichtet, was es dem Föhn natürlich leichter macht, bis in die Täler abzusteigen. Auf diesen Sachverhalt wird später noch detaillierter eingegangen. Im Sommer, wenn die Frontalzone sehr weit im Norden liegt und die Dynamik der Atmosphäre über Mitteleuropa eher schwach ausgeprägt ist, sind an allen Stationen relative Minima zu verzeichnen. Interessanterweise gibt es gleichzeitig ein Maximum an Nordföhn in Südtirol zu dieser Jahreszeit (Abb. 5. nach Verant ). Verant begründet dies zum einen dynamisch mit Kaltlufteinbrüchen auf der Rückseite nordeuropäischer Tröge, zum anderen aber auch hydrostatisch, wenn aufgrund der Strahlungsbilanz potentiell kältere Luft im Alpenvorland als in der Poebene lagert. Auch das Azorenhoch führt zu einer leichten nordwestlichen Anströmung des Alpenraumes, zudem bringt es nördlich des Alpenhauptkammes seichte Kaltluft mit sich, die den Südalpenraum nicht erreicht und somit hydrostatisch eine Druckdifferenz zwischen Alpennord- und -südseite aufbaut. Abbildung 5.11: Modellorographie des ECMWF T511-Modells im Tirolausschnitt: Schattierte Höhenkonturen in m-schritten mit gekennzeichneten Isohypsen alle 5 m; Eingezeichnet sich Innsbruck (IBK), und die für die Höhenströmung ausgewählten Stationen Zugspitze, Paganella und der ausgewählte Gitterpunkt Auf dieser Basis lassen sich auf der anderen Seite auch die sommerlichen Minima von Südföhn in Nordtirol erklären. Die Tröge greifen weniger stark nach Süden aus.

110 9 Objektive Föhnklimatologie für das Inn- und Wipptal Hydrostatisch gesehen liegt der höhere Druck häufig im Norden der Alpen und auch die Talatmosphäre ist im Inntal im Sommer stabiler geschichtet als im Frühjahr. Zusätzlich erschwert ein stark ausgeprägtes Talwindsystem dem Föhn, bis ins Tal durchzubrechen. Im Winter greifen die Tröge zwar verstärkt nach Süden aus, doch ist besonders im Inntal durch den hartnäckigen Kaltluftsee ein hohes Maß an Stabilität vorhanden, so dass der Föhn nur sehr selten bis zum Boden durchbrechen kann. Im Wipptal dagegen schafft er es wesentlich häufiger, da der Kaltluftsee in der Regel nur bis ins untere Wipptal reicht und die seichte Kaltluftschicht rascher ausgeräumt werden kann. Bemerkenswerte Details kommen bei einem Vergleich von relativer Häufigkeit von Nordföhn mit Südföhn ans Tageslicht (vgl. Abb. 5. mit Abb. 5.). Beide Seiten zeigen ein gemeinsames Maximum im Frühjahr, wobei das Südtiroler Maximum (Station Meran) bereits im März auftritt. Im Mai dagegen nimmt die Häufigkeit der Nordföhnfälle im Gegensatz zum Südföhn rapide ab. Das sekundäre Maximum im Herbst fehlt beim Nordföhn gänzlich! Der Oktober weist sogar beim Nordföhn ein relatives Minimum auf. Dafür kehren sich die Verhältnisse im Sommer wieder um: Südföhn ist selten, Nordföhn dagegen stark repräsentiert. Um die unterschiedlichen Verhaltensweisen des Südföhns und dessen Abhängigkeit zur nordhemisphärischen Zirkulation zu studieren, wurden anhand des ECMWF T511-Modells mit einer Gitterpunktsauflösung von. die Windverhältnisse im 7 hpa-niveau, das in guter Annäherung im Kammniveau der Alpen liegt, für den Gitterpunkt auf.35 n.b. und ö.l. berechnet (s.abb. 5.11). Die Abbildungen 5.1a bis d zeigen die relative Häufigkeit der Windrichtungsklassen für den Gitterpunkt auf der Alpensüdseite nach Jahreszeiten. Im Januar und Februar (Abb. 5.1d) dominieren westliche bis nordwestliche Winde; die Südkomponenten (9 bis 7 ) sind zusammen mit 5% bis 35% eher unterrepräsentiert. Ab April (Abb. 5.1a) leben die Südwinde stark auf und erleben mit 5% bis 55% relativer Häufigkeit einen ersten Höhepunkt und sind besonders im April häufiger anzutreffen als nördliche Winde. Im Sommer dominieren dann wieder nordwestliche Winde und die relative Häufigkeit der Südwinde ist rückläufig (Abb. 5.1b), wenngleich diese mit % bis 5% einen höheren Anteil besitzen als in den Wintermonaten. Ein sekundäres Maximum an Südwinden zeichnet sich im Oktober und November ab (Abb. 5.1c), in denen die Anteile des Südwindes zu- und die des Nordwindes abnehmen. Setzt man das Modell in Referenz zu der Bergstation Paganella (19 mnn, Abb. 5.13a-d) im Etschtal auf der Alpensüdseite, so findet man in einigen Monaten Ähnlichkeiten in der Struktur wieder. In den Wintermonaten Januar und Februar (Abb. 5.13d) überwiegen nördliche Winde, wobei die Ostkomponente aus der Kanalisierung in dem engen Tal resultiert. Im April und im Mai (Abb. 5.13a) nehmen die Südwindfälle zu und erreichen deutlich über % relative Häufigkeit, was mit der

111 5. Relative Föhnhäufigkeit 97 Tendenz der Modellrechnung übereinstimmt. In den Sommermonaten (Abb. 5.13b) nimmt die Südkomponente aber im Gegensatz zur Modellrechnung nicht ab, sondern nimmt sogar noch etwas zu auf fast 5% relativer Häufigkeit. Das ist aber nicht primär der synoptischen Strömungsskala zuzuordnen, sondern der Mesoskala. Die Station ist vermutlich beeinflusst vom Alpinen Pumpen zwischen der Poebene und den Alpen. [%] Maerz April Mai dd Klassen T511 [%] Juni Juli August dd Klassen T511 (a) (b) [%] September Oktober November dd Klassen T511 5 [%] Dezember Januar Februar dd Klassen T511 (c) (d) Abbildung 5.1: Relative Häufigkeiten [%] der Windrichtungsklassen von je 5 an dem Gitterpunkt auf.35 n.b. und ö.l. (s. Abb. 5.11) für die Jahreszeiten Frühling (a), Sommer (b), Herbst (c), Winter (d) im 7 hpa-niveau. Datengrundlage: -stündiger Direct Modell Output des ECMWF T511- Modells vom 1. Januar, UTC bis 1. Januar 5, UTC Dem Alpinen Pumpen kann offenbar ein großer Anteil an der relativen Häufigkeit der Südwinde, insbesondere im Sommer, zugeschrieben werden. Im Oktober (Abb.

112 9 Objektive Föhnklimatologie für das Inn- und Wipptal 5.13c) ist eine Zunahme der südlichen Windrichtungen zu verzeichnen, auch im November ist die relative Häufigkeit der Südkomponenten noch recht hoch, während sie im Dezember (Abb. 5.13d) wieder abnimmt. Da das Alpine Pumpen im Herbst allmählich seinen Einfluss verliert und sich die Talatmosphäre stabilisiert, geht diese Zunahme mit synoptischskaliger Südanströmung einher. [%] 3 Maerz April Mai dd Klassen Paganella [%] 3 Juni Juli August dd Klassen Paganella (a) (b) [%] 3 September Oktober November dd Klassen Paganella [%] 3 Dezember Januar Februar dd Klassen Paganella (c) (d) Abbildung 5.13: Relative Häufigkeiten [%] der Windrichtungsklassen von je 5 an der Station Paganella (19 m) (s. Abb. 5.11) für die Jahreszeiten Frühling (a), Sommer (b), Herbst (c), Winter (d). Datengrundlage: Stündliches min-mittel vom 1. Januar 1999, UTC bis 1. Januar 5, UTC Die Windverhältnisse auf der Paganella zeigen im Frühjahr und im Herbst ähnliche Windrichtungsmuster. Vergleicht man den Sommer mit dem Frühjahr, so fällt auf, dass die relative Häufigkeit der Südwindrichtungen auf der Paganella keine Abnahme aufweist. Ursache dafür ist die Beeinflussung des Alpinen Pumpens auf die Bergsta-

113 5. Relative Föhnhäufigkeit 99 tion, während im Vergleich dazu der höher gelegene Gitterpunkt im Modell diesen Einfluss nicht aufweist. Da es südlich des Alpenhauptkammes keine hochgelegene Bergstation gibt, deren Winddaten nicht vom Talwindregime abhängig sind, wurde zusätzlich die Station Zugspitze (9 mnn, Abb. 5.1a-d) hinzugezogen. [%] 3 Maerz April Mai dd Klassen Zugspitze [%] 3 Juni Juli August dd Klassen Zugspitze (a) (b) [%] 3 September Oktober November dd Klassen Zugspitze [%] 3 Dezember Januar Februar dd Klassen Zugspitze (c) (d) Abbildung 5.1: Relative Häufigkeiten [%] der Windrichtungsklassen von je 5 an der Station Zugspitze (9 m) (s. Abb. 5.11) für die Jahreszeiten Frühling (a), Sommer (b), Herbst (c), Winter (d). Datengrundlage: Stündliches min-mittel vom 1. Januar 1999, UTC bis 1. Januar 5, UTC Beginnend mit dem Nordtiroler Föhnmaximum im Mai, ist auf der Zugspitze mit rund 5% relativer Häufigkeit ebenfalls ein Maximum an Südwinden zu verzeichnen (Abb. 5.1a). Im Gegensatz zur Paganella setzt jedoch in den Sommermonaten Juni bis August (Abb. 5.1b) ein erheblicher Rückgang an Südwindfällen und eine Zunahme an Nordwindfällen ein. Zum einen ist dies synoptisch bedingt, zum ande-

114 Objektive Föhnklimatologie für das Inn- und Wipptal ren aber auch durch das Alpine Pumpen erklärbar, dass sich auf der Zugspitze mit Nordwind äußert. Erst im Herbst (Abb. 5.1c) beginnt ein neuerlicher Anstieg an Südwindfällen mit einem weiteren Maximum im Oktober. Die Wintermonate (Abb. 5.1d) zeichnen sich dann wieder mit einem Anstieg der relativen Häufigkeit von Nordwinden und einen Abfall an Südwinden aus. Diese von der Grundschicht entkoppelte und daher von hydrostatischen Effekten weitgehend unabhängige Station zeigt also reale, nicht thermisch gesteuerte Windverhältnisse in einem Niveau, das in etwa dem des Modells entspricht (7 hpa). Sowohl die T511-Modell- als auch die Zugspitzhäufigkeiten der Windrichtungen zeigen die dynamisch bedingten Anteile an den Föhnhäufigkeiten. Wie stark diese dynamischen Anteile sind, wird in Abbildung 5.15 deutlich. Hier sind die Windgeschwindigkeiten auf der Zugspitze nach Monaten im gesamten Südsektor (9 bis 7 ) aufgetragen. Betrachtet man den Median, so zeigt sich, dass im Mittel die höchsten Windgeschwindigkeiten in den Wintermonaten auftreten, während im Sommer die Windgeschwindigkeiten deutlich abnehmen. Auffällig ist die langsamere Abnahme des Medians im Frühjahr bis zum Minimum im Sommer gegenüber dem raschen Anstieg im Herbst. Von August bis November findet nahezu eine Verdopplung der Windgeschwindigkeit statt, was wiederum das herbstliche Südföhnmaximum stützt. 3 5 Windgeschw. [m/s] Monat Abbildung 5.15: Boxplot Dynamik im 7 hpa-niveau: Mittlere Windgeschwindigkeit [m/s] im Windrichtungssektor 9-7 Grad nach Monaten auf der Zugspitze. Datengrundlage: 3-stündiges min-mittel vom 1.Januar 199, UTC bis 1.Januar 5, UTC

115 5. Relative Föhnhäufigkeit 1 Boxplot: Eine Box enthält 5% aller Daten. Die obere Begrenzung stellt die 75%-Perzentile der Datenverteilung dar, die untere die 5%-Perzentile. Oberhalb der oberen bzw. unterhalb der unteren Begrenzung der Box befinden sich nochmals jeweils 5% der Daten. Die horizontale Linie innerhalb der Box ist der Median; ober- und unterhalb des Medians liegen genau 5% aller Werte. Besitzt der Median zwischen der 5%- und 75%-Perzentile nicht den gleichen Abstand, so ist die Datenverteilung asymmetrisch. Die vertikalen Linien, sog. Whiskers, zeigen die Verteilung der Datenwerte, die die Länge von 1.5 mal den Interquartielabstand (75%-Perzentile - 5%-Perzentile) nicht überschreiten. Werte außerhalb dieser Grenzen werden als Ausreißer in Form von Kreuzen dargestellt. Neben der Dynamik, die, wie gesehen, sehr gut mit den Föhnmaxima korrelliert, gibt es noch einen zweiten föhnfördernden Mechanismus, die Hydrostatik. Unterschiedlich temperierte Luftmassen nördlich und südlich des Alpenhauptkammes erzeugen eine Druckdifferenz, die Föhn fördert bzw. Föhn selbst verursacht. Abbildung 5.1 zeigt die Temperaturdifferenz der Luftmassen zwischen Alpennord- und Alpensüdseite in Abhängigkeit der Monate. Dabei werden anhand der Stationen München und Zugspitze für die Nordalpen bzw. Verona und Paganella für die Südalpen lineare Temperaturprofile der Schicht zwischen 5 mnn und 19 mnn berechnet. T mean [K] Monat Abbildung 5.1: Differenzen der Mitteltemperaturen [K] der Schicht 5 m und 19 m (Nordalpen-Südalpen) in Abhängigkeit der Monate Als unterstes Niveau dieser Schicht wird die Meereshöhe von München (5 mnn) und als oberstes Niveau jene der Paganella (19 mnn) gewählt. Danach wurde die Mitteltemperatur für die jeweilige Atmosphärenschicht berechnet und die Differenz

116 Objektive Föhnklimatologie für das Inn- und Wipptal Nordalpen - Südalpen ermittelt. Je negativer die Differenz ist, desto relativ wärmere Luftmassen lagern südlich der Alpen. Die Abb. 5.1 zeigt die Erwartungshaltung, dass südlich des Alpenhauptkammes über das Jahr gesehen die wärmere Luftmasse lagert. Besonders im Sommer ist die Differenz sehr groß, was beweist, dass die wenigen sommerlichen Föhnfälle eher dynamischen Ursprungs sind, obwohl die Dynamik, wie oben gezeigt, nur schwach ausgeprägt ist. Das wiederum demonstiert, dass im Sommer die hohe Sonneneinstrahlung ausschlaggebender Faktor für Südföhndurchbrüche in Nordtirol ist. Im Gegensatz dazu ist das sommerliche Nordföhnmaximum in Südtirol hauptsächlich hydrostatisch erklärbar, wenn man bedenkt, dass die kältere Luftmasse nördlich der Alpen einen höheren Druck und somit eine Nordströmung erzeugt. Genaueres dazu findet sich in der Diplomarbeit von Verant (). In Nordtirol findet sich der höchste hydrostatische Einfluss in den Wintermonaten Dezember bis Februar, jedoch hat sie keinerlei Auswirkungen auf das Föhnmaximum im Inntal, da hier in der Regel ein stabiler Kaltluftsee liegt. In Ellbögen hat die Hydrostatik schon einen größeren Einfluss, wenn man bedenkt, dass das jahreszeitliche Föhnminimum im Sommer anzutreffen ist, und nicht, wie in Innsbruck, im Winter. Hier kann zusätzlich zur dominierenden Dynamik auch die Hydrostatik zum föhnerzeugenden Mechanismus herangezogen werden. Bei den jahreszeitlichen Föhnmaxima im Frühjahr und im Herbst spielt die Hydrostatik an allen drei Talstationen eine eher untergeordnete Rolle. Zwar steigt der Median im April leicht an, doch liegt er mit -3.5 K noch relativ hoch im negativen Bereich. Ein ähnliches Bild zeigt sich im Herbst, wobei hier der hydrostatische Einfluss auf das Föhnmaximum im Oktober etwas höher erscheint. Der Median liegt etwas höher als jener des Aprils. Zwar muss man auch die höhere Dynamik im Herbst berücksichtigen (vgl. Abb. 5.15), doch bewirkt der Einfluss der Hydrostatik im Herbst eine höheres Maß an Unterstützung dafür, dass der Föhn sich bis in die Täler durchsetzen kann. Nachdem nun gesichert ist, dass die Föhnmaxima im Frühjahr und im Herbst, sowie die Minima im Sommer und Winter hauptsächlich mit der synoptischskaligen Strömung sowohl im Modell als auch mit den realen Windverhältnissen (Zugspitze) korrellieren, wird diese Korrelation mit den Druckverhältnissen zwischen München und Verona verglichen. Dabei wurden die Druckwerte auf ein mittleres Niveau zwischen München und Verona reduziert. In Abbildung 5.17 ist die Druckdifferenz München-Verona dargestellt auf Basis einer zwölfjährigen Datenreihe. Der Median zeigt eine schwache Doppelwelle mit sinkenden Differenzen in den Föhnhauptzeiten Frühling und Herbst. Das bedeutet, dass die Anzahl der Fälle, bei denen der reduzierte Bodendruck in München in diesen Jahreszeiten niedriger ist als in Verona, ansteigt. Berücksichtigt man, dass die Tröge zu diesen Jahreszeiten häufig im Westen Europas abtropfen und so die Alpen in eine

117 5. Relative Föhnhäufigkeit 3 Südwestanströmung geraten (s. Abb. 5.1 bis 5.1), dann werden diese Abnahmen ersichtlich und erklären die jahreszeitlichen Föhnmaxima. p [hpa] Muenchen Verona Monate Abbildung 5.17: Boxplot Unterschied des reduzierten Bodendrucks [hpa] München- Verona nach Monaten. Die Druckwerte sind auf ein mittleres Niveau zwischen München und Verona reduziert. Datengrundlage: 3-stündiges min-mittel vom 1.Januar 1993, UTC bis 1.Januar 5, UTC Interessant sind die Monate Mai und Oktober, bei denen das Föhnmaximum in Nordtirol auftritt hinsichtlich des Medians des Druckes: Hier weist der Median seinen geringsten Wert auf, was damit zu erklären ist, dass sich im Alpenvorland bei Föhn ein mesoskaliges Leetief bildet und der Druck somit klimatologisch eher niedriger ist. Im Sommer und im Winter dagegen steigt der Median an, d.h. die Fälle, bei denen in München der reduzierte Bodendruck höher ist als in Verona, nehmen zu und korrellieren positiv mit den jahreszeitlichen Föhnminima. Im Winter ist der Anstieg des Medians mit der hohen Dynamik zu erklären. Die Frontalzone liegt sehr weit im Süden, so dass häufige West- bis Nordwestlagen auftreten, die immer wieder auf ihrer Rückseite kalte Luft von Norden zu den Alpen führen. Auch die winterlichen Hochs bringen im Norden tiefere Temperaturen als im Süden, so dass der Druck im Mittel in München höher ist als in Verona. Die Trogvorderseiten und die damit verbundene Südwestanströmung der Alpen äußern sich in den 5%-Perzentilen, die im Winter stärker Richtung negativer Differenz ausgreift als im Sommer, was sich in Ellbögen in deutlich mehr Föhnhäufigkeiten in den Wintermonaten als in den Sommermonaten widerspiegelt (s.abb. 5.1). Im Sommer dagegen liegt die Frontalzone sehr weit im Norden. Die Südkomponenten

118 Objektive Föhnklimatologie für das Inn- und Wipptal im Modell und auf der Zugspitze nehmen deutlich ab, Azorenhoch und gelegentliche Trogrückseiten schaufeln kühlere Luft zu den Nordalpen als zu den Südalpen. Hinzu kommt der positivere Strahlungsinput im Süden. Der höhere Druck im Norden ist also mehr hydrostatisch als dynamisch zu erklären und erklärt auch gleichzeitig das sommerliche Föhnmaximum auf der Alpensüdseite, das in Nordtirol fehlt. Über das Jahr gesehen ist der Druck im Norden im Mittel höher als im Süden, was sehr gut zu Abb. 5.1 passt, wo über das Jahr gesehen die kälteren Luftmassen im Norden als im Süden lagern. Dies muss sich auch in der Froude-Zahl Fr äußern, die das Verhältnis zwischen Dynamik und Stabilität wie folgt definiert: F r = U g Θ Θ (5.1) wobei θ = θ(verona) - θ(zugspitze), θ =.15 K, g die Erdbeschleunigung und U die mittlere Windgeschwindigkeit ist Fr Monat Abbildung 5.1: Boxplot Froude-Zahl Fr [dimensionslos] in Abhängigkeit der Monate bezogen auf die Schicht Verona-Zugspitze und die Windgeschwindigkeiten auf der Zugspitze. Datengrundlage: 3-stündiges min-mittel vom 1.Januar 1993, UTC bis 1.Januar 5, UTC Die Froude-Zahl wurde für die Schicht zwischen Verona und Zugspitze für alle Südkomponenten auf der Zugspitze berechnet. Sie weist in den Monaten November bis Februar im Median ihre höchsten Werte auf, das bedeutet, dass die Dynamik an

119 5. Relative Föhnhäufigkeit 5 Einfluss gewinnt, während die Stabilität abnimmt (Abb. 5.1). Von März bis August kehren sich diese Verhältnisse um und erst in den Herbstmonaten ab September steigt mit zunehmender Dynamik die Froude-Zahl wieder an. Letztendlich ist auch die Froude-Zahl ein korrespondierendes Maß für die Föhnmaxima in Nordtirol: Das Frühjahrsmaximum ist demnach bei abnehmender Dynamik auf die weniger stabile Schichtung zurückzuführen, während beim Herbstmaximum bei zunehmender Stabilität dynamische Aspekte bei der Ursache der Föhnverteilung dominierend sind. Zusammenfassend zeigt sich also, dass sowohl die dynamischen Strömungsparameter Windrichtung und Windgeschwindigkeit im Kammniveau als auch die mittleren Temperatur- und Druckunterschiede zwischen Nord- und Südseite sowie die Froude- Zahl mit dem Föhnmuster in Nordtirol korrellieren. Doch die Dynamik, wie sie hier hinreichend erklärt wurde, ist nicht ausreichend für die Föhnargumentation. Die jahreszeitliche Stabilität der Talatmosphären im Inn- und Wipptal spielt ebenfalls eine entscheidene Rolle, da sie letztendlich mitverantwortlich ist, ob der Föhn durchbricht oder nicht. Liegt in den Tälern ein hartnäckiger Kaltluftsee, so kann der Föhn nicht bis ins Tal durchbrechen. Zu diesem Zwecke wurde als Stabilitätsindex die Differenz der potentiellen Temperatur θ zwischen Tal- und Bergstation in Abhängigkeit der Monate berechnet und als Box- und Linienplots dargestellt. Dieser Index gibt Aufschluss darüber, welche Monate durch ihre Stabilität oder Labilität föhnfördernd oder föhnhemmend sind. Negative Werte von θ zeigen hohe Stabilität an, höhere dagegen eine geringere Stabilität der Talatmosphäre. Die jahreszeitliche Stabilität ist in den Abbildungen 5.19 bei Föhn (b,d,f) und bei Nicht-Föhn (a,c,e) sowie in den Abbildungen 5. bis 5. dargestellt. An den Innsbrucker Stationen ist im Winter bei den Nicht-Föhn-Ereignissen ein hohes Maß an Stabilität erkennbar, was seine Ursache in den häufigen Inversionswetterlagen findet, bei denen sich hartnäckige Kaltluftseen im Inntal bilden, die der Föhn in der Regel nicht auszuräumen vermag und die Föhnströmung über diese Kaltluftschicht hinwegführt. Ein Indiz dafür ist der relativ hohe Föhnanteil in den Wintermonaten im Wipptal an der Station Ellbögen gegenüber den Innsbrucker Stationen. Vergleicht man den Median von Ellbögen mit jenem der Innsbrucker Stationen in den Wintermonaten (Abb. 5.19a,c,e), so ist dieser in Ellbögen um 1 bis K/km höher als im Inntal. Im Wipptal ist die Talatmosphäre im Winter also weniger stabil geschichtet und das Wipptal liegt schon meist über der Inversion, so dass der Föhn hier leichter durchbrechen kann als im Inntal. Im Frühjahr nimmt die Stabilität im Inntal durch den ansteigenden Strahlungsinput ab, steigt aber zum Sommer hin wieder leicht an, in Ellbögen ist dieser Verlauf in etwas abgeschwächter Form auch zu erkennen. Dieses Paradoxon ist damit zu erklä-

120 Objektive Föhnklimatologie für das Inn- und Wipptal Θ/ z (Ellboegen Sattelberg) [K/km] Monat Θ/ z (Ellboegen Sattelberg) [K/km] Monat (a) (b) Θ/ z (Innsbruck Sattelberg) [K/km] Monat Θ/ z (Innsbruck Sattelberg) [K/km] Monat (c) (d) Θ/ z (Innsbruck Sattelberg) [K/km] Monat Θ/ z (Innsbruck Sattelberg) [K/km] Monat (e) (f) Abbildung 5.19: Boxplot der monatlichen Stabilitätsverhältnisse [K/km] bei Nicht-Föhn für Ellbögen (a), Innsbruck-Flughafen (c) und Innsbruck-Universität (e) mit Sattelberg und bei Föhn für Ellbögen (b), Innsbruck-Flughafen (d) und Innsbruck-Universität (f) mit Sattelberg

121 5. Relative Föhnhäufigkeit 7 ren, dass an der Referenzstation am Berg (Sattelberg) im Frühjahr noch Schnee liegt, der die kurzwellige Strahlung reflektiert und eine viel höhere Albedo aufweist als die bereits schneefreien Täler, die wesentlich mehr kurzwellige Strahlung absorbieren, die dann zum Großteil als fühlbarer Wärmestrom in die Atmosphäre geht. Im Gegensatz zum Winter zeigt der Verlauf im Frühjahr, dass es der Föhn stabilitätsbedingt leichter hat, ins Inntal durchzubrechen. Im Sommer herrscht durch die hohe Sonneneinstrahlung häufig Durchmischung bis zum Kammniveau, so dass hier die geringsten θ - Differenzen an allen drei Talstationen anzutreffen sind. Ab den Herbstmonaten ist im Inntal ein kontinuierlicher Abfall des Medians zu erkennen; die Verhältnisse werden wieder stabiler, was sich in zahlreichen Inversionswetterlagen mit Hochnebel äußert. Im Wipptal dagegen ist der Abwärtstrend des Medians weniger stark ausgeprägt, was wieder die Theorie untermauert, dass durch das thermisch gesteuerte, nächtliche Ausfließen die Kaltluft ins Inntal abgeführt wird und die Obergrenze des Kaltluftsees im Inntal zwar bis ins untere Wipptal reicht, diese aber durch die Sonneneinstrahlung rasch abgebaut wird. Im Dezember nimmt die Stabilität im Wipptal sogar wieder leicht ab, während sie in Innsbruck weiter zunimmt, was zu einer relativ hohen Föhnhäufigkeit in Ellbögen gegenüber Innsbruck in diesem Monat führt. Bei den Föhnfällen (Abb. 5.19b,d,f, Abb. 5. bis 5.) ergibt sich ein Doppelwellenmuster mit einem Maximum an geringer Stabilität in den Monaten März, April und Mai und einem zweiten, schwächeren Maximum in den Monaten September und Θ/ z (Ellboegen Sattelberg) [K/km] Foehn Nicht Foehn Standardabw. Foehn Standardabw. Nicht Foehn Monat Abbildung 5.: Mittelwerte und Standardabweichungen der monatlichen Stabilitätsverhältnisse [K/km] zwischen Ellbögen und Sattelberg bei Föhn und Nicht-Föhn

122 Objektive Föhnklimatologie für das Inn- und Wipptal Θ/ z (Innsbruck Sattelberg) [K/km] Foehn Nicht Foehn Standardabw. Foehn Standardabw. Nicht Foehn Monat Abbildung 5.1: Mittelwerte und Standardabweichungen der monatlichen Stabilitätsverhältnisse [K/km] zwischen Innsbruck-Flughafen und Sattelberg bei Föhn und Nicht-Föhn Θ/ z (Innsbruck Sattelberg) [K/km] Foehn Nicht Foehn Standardabw. Foehn Standardabw. Nicht Foehn Monat Abbildung 5.: Mittelwerte und Standardabweichungen der monatlichen Stabilitätsverhältnisse [K/km] zwischen Innsbruck-Universität und Sattelberg bei Föhn und Nicht-Föhn Oktober an allen drei Talorten. In Innsbruck liegt der Median bzw. der Mittelwert im Frühjahr höher als jener von Ellbögen, was zeigt, dass die Föhnluft, die Innsbruck erreicht, im Mittel aus höheren Niveaus stammt als jene, die Ellbögen erfasst. Das Niveau, aus dem die Föhnluft stammt, kommt dabei im Mittel über Sattelbergniveau ( m). Im Sommer herrschen bei Föhn nur geringe Theta-Gegensätze zwischen

123 5. Relative Föhnhäufigkeit 9 dem Sattelberg und den Talstationen, was auf eine weniger stabile Anströmung als im Frühjahr und im Herbst schließen läßt. Das turbulente Reinmischen von Luft aus höheren Niveaus führt im Sommer im Gegensatz zum Frühjahr und zum Herbst zu einer geringeren Erhöhung der potentiellen Temperatur an den Talstationen. Mit dem Eintreffen des Herbstes steigt der Median an allen Stationen erneut an, diesmal aber weniger stark als im Frühjahr, d.h. die Föhnluft stammt im Mittel aus einer Höhe knapp oberhalb des Sattelbergniveaus. Korrelierend zu dem Anstieg des Medians bei Nicht-Föhnfällen im Dezember, steigt auch der Median an der Station Ellbögen hinsichtlich der Theta-Differenz an, was die hohe relative Föhnhäufigkeit im Winter stützt. Gegensätzliche Bewegungen werden hierbei an den Innsbrucker Stationen registriert, was zeigt, wie hoch der Einfluss der stabilen Talatmosphäre im Inntal ist. Zusammenfassend wird noch einmal auf die wesentlichen Punkte des Zusammenhangs zwischen Anströmung im 7 hpa-niveau, Hydrostatik, Stabilität der Talatmosphäre und die Auswirkungen auf die Häufigkeit des Südföhns im Inn- und Wipptal eingegangen: Januar: Im 7 hpa-niveau überwiegen im Durchschnitt nordwestliche Winde, zudem herrscht besonders im Inntal eine stabile Schichtung (Stabilitätsmaximum!) infolge zahlreicher Inversionswetterlagen. Die Stabilität ist im Inntal größer als im Wipptal, so dass im Wipptal Föhn im Januar wahrscheinlicher ist als im Inntal. Der durch häufig kältere Luftmassen in der Poebene hervorgerufene Druckgradient zwischen Alpennord- und -südseite wirkt sich nur im Wipptal föhnfördernd aus. Stabilitätsbedingtes Föhnminimum im Inn- und Wipptal, bei letzterem durch den Anteil an starken Südwindgeschwindigkeiten und hydrostatische Effekte aber deutlich höheres Minimum als im Sommer. Februar: Die südliche Anströmung der Alpen nimmt nur um wenige Prozentpunkte zu, die Stabilität der Talatmosphäre nimmt aber etwas ab, so dass bei der zu dieser Jahreszeit hohen Dynamik die Föhnhäufigkeiten etwas zunehmen. Die Zunahme der Föhnhäufigkeiten sind weitgehend durch den Anteil an starken Südwindgeschwindigkeiten bedingt. März: Die Südkomponente des 7 hpa-windes nimmt kaum zu, gleichzeitig sinkt aber die Stabilität der Talatmosphäre gegenüber dem Vormonat durch den immer steigenden Strahlungsinput an allen drei Talorten um weitere 1.5 bis K.

124 1 Objektive Föhnklimatologie für das Inn- und Wipptal Die steigende Anzahl der Föhnhäufigkeiten in Richtung Föhnmaximum hat seine Ursache in den günstigen dynamischen, zunehmend aber auch stabilitätsbedingten Faktoren. April: Die Stabilität der Talatmosphäre ist auf einem Minimum angelangt. Die relative Häufigkeit der Windrichtungen nähert sich zwischen Nord- und Südkomponenten immer mehr an. Förderlich wirkt sich zudem die noch recht kräftige Dynamik der nordhemisphärischen Zirkulation aus. Der hydrostatische Effekt ist leicht erhöht, auch die Sonneneinstrahlung wirkt sich zu dieser Jahreszeit schon förderlich auf den Föhn aus. Das Föhnmaximum wird maßgeblich durch die geringe Stabilität und den relativ hohen Anteil der Südanströmung erreicht. Mai: Immer noch legen die dynamisch induzierten Südwinde zu und besitzen einen relativen Anteil zwischen 5% und 55% (Zugspitze, T511-Modell) der Gesamtwindrichtungen; die Talatmosphäre bleibt gering stabil und die Hydrostatik ist der hohen Dynamik unterlegen. Das leicht abschwächende Föhnmaximum ist zum einen durch den hohen Anteil der Südanströmung der Alpen dynamisch, zum anderen aber auch durch die hohe Sonneneinstrahlung thermisch bedingt. Juni: Die Dynamik der nordhemisphärischen Zirkulation schwächt sich ab, die geringe Stabilität der Talatmosphäre bleibt erhalten. Die Nordwinde sind gegenüber den Südwinden mit einer Häufigkeit von etwa 5% (Zugspitze) deutlich im Plus, zusätzlich wirkt der hydrostatische Druckgradient in Richtung Süden, was zu einer deutlichen Zunahme der relativen Föhnhäufigkeit in Südtirol führt (Verant ). Die relative Föhnhäufigkeit nimmt aufgrund der zunehmenden nördlichen Anströmung der Alpen ab. Juli: Die südlichen Windkomponenten haben mit rund 3% relativer Häufigkeit (Zugspitze) weiterhin nur einen geringen Anteil, nördliche Wind bleiben also im 7 hpa-niveau weiterhin vorherrschend. Die Stabilität bleibt an allen drei Stationen nahezu konstant. Die Dynamik ist durch die im Mittel weit nördlich der Alpen befindliche Frontalzone eher schwach, reicht aber meist aus, um den Föhn mit thermischer Unterstützung durchbrechen zu lassen. Der Föhndurchbruch ist also eher thermisch als dynamisch bedingt. Die Föhnhäufigkeit hat im Vergleich zum Vormonat mit Ausnahme der Universität durch die abnehmende Windgeschwindigkeit

125 5. Relative Föhnhäufigkeit 111 in 7 hpa und der geringen relativen Häufigkeit an Südanströmung weiterhin abgenommen. August: Die Nordkomponente hat im T511-Modell sowie auf der Zugspitze um 5 Prozentpunkte zugunsten der Südkomponente verloren, ist aber immer noch dominant. Die Stabilität hat an allen drei Talorten leicht zugenommen: Die θ - Differenz ist um.5 K im Vergleich zum Juli gefallen. Da die Dynamik fehlt, sorgt in erster Linie die Hydrostatik weiterhin für föhnhemmende Konditionen. Dynamisch und hydrostatisch erzeugtes sommerliches Föhnminimum. September: Die relative Häufigkeit an südlichen Winden legt kaum zu und liegt vorerst nur um 3% (Zugspitze, T511-Modell), dafür nimmt deren Stärke wieder leicht zu. Die Talatmosphäre ändert sich hinsichtlich ihrer Stabilität kaum. Der Anteil an hohen Südwindgeschwindigkeiten gewinnt leicht an Einfluss, was zusammen mit der noch recht hohen Sonneneinstrahlung bei nahezu konstanten Stabilitätsverhältnissen zu einer Zunahme an Föhnfällen führt. Oktober: Die Südanströmung erfährt ein zweites Maximum und überwiegt mit % Anteil (Zugspitze) klar. Da auch gleichzeitig die Windgeschwindigkeit in 7 hpa zunimmt, kann die Zunahme der Stabilität der Talatmosphäre nur bedingt Föhn hemmen. Auch die Hydrostatik gewinnt leicht an Einfluss. Das zweite saisonale Föhnmaximum in Innsbruck ist größtenteils dynamischen Ursprungs. Das Maximum ist aufgrund der deutlich höheren Stabilität im Herbst als im Frühjahr herabgesetzt. November: Die Südkomponente verliert im Vergleich zum Vormonat rund Prozentpunkte und sinkt auf rund 5% relative Häufigkeit (Zugspitze) ab. Die Stabilität in den Tälern nimmt weiterhin zu. Die Zunahme ist im Inntal etwas höher als im Wipptal. In Ellbögen ist der November der zweitstärkste Monat mit Föhn. Die sich südlich verlagernde Frontalzone bringt häufig markante Trogvorderseiten mit sich. In Innsbruck werden die Kaltluftseen allmählich hartnäckiger und die relative Föhnhäufigkeit nimmt im Vergleich zum Vormonat ab. In Ellbögen ist das zweite Maximum durch den noch relativ hohen Anteil an starker Südanströmung bedingt, in Innsbruck nehmen die Föhnfälle aufgrund zunehmender Stabilität wieder ab.

126 11 Objektive Föhnklimatologie für das Inn- und Wipptal Dezember: Die nördlichen Windkomponenten erhöhen ihren Anteil gegenüber dem Vormonat um wenige Prozentpunkte (Zugspitze, T511-Modell), die Dynamik ist ebenfalls im Vergleich zum Vormonat deutlich gestiegen. Die Stabilität der Talatmosphäre im Inntal nähert sich ihrem Maximum, im Wipptal wird sie dagegen im Vergleich zum November sogar wieder geringer. Im Inntal ist der Dezember stabilitätsbedingt der zweitärmste Föhnmonat, während der Dezember im Wipptal noch relativ viel Föhn aufweist. Zum einen sind stabilitätsbedingte Faktoren dafür verantwortlich, zum anderen aber auch die Dynamik durch markante südliche Anströmung der Alpen.

127 5.3 Föhnbeginn- und -abhebezeiten Föhnbeginn- und -abhebezeiten Die Föhnbeginn- und Föhnabhebezeiten sind von einigen Faktoren abhängig. Dies ist in erster Linie im Inntal die Stabilität der Talatmosphäre, denn hier bilden sich gerne hartnäckige Kaltluftseen aus, über denen die leichtere Föhnluft hinwegstreicht. Im Wipptal dagegen reichen oft schon geringe Druckgegensätze zwischen Alpennordund -südseite aus, damit der Föhn bläst. Ob es der Föhn schafft, bis ins Tal herabzusteigen, hängt von folgenden Faktoren ab: Dynamik des Föhns: Ist die Druckdifferenz zwischen Alpennord- und -südseite groß genug, so kann der stürmische Föhnwind durch turbulente Erosion die stabile Kaltluft im Tal von oben her abbauen (Rakovec et al, 1, Petkovsek, 199). Dieser Effekt wirkt im Inntal eher verstärkend auf weitere Faktoren und ist nicht allein verantwortlich für das Durchbrechen des Föhns. Durch die Anströmung des Patscherkofels im Wipptal entsteht knapp östlich von Innsbruck ein mesoskaliges Leetief, das die kalte Luft absaugt und somit die Inversion absenkt, was den Föhndurchbruch erleichtert (Zängl 3). Durch den turbulenten, vorföhnigen Talauswind wird zudem die Inversion auch vom Tal aus ausgeräumt. Im höher gelegenen Wipptal wird die wesentlich flachere Kaltluftschicht rascher abgebaut. Thermische Faktoren: Besonders vom späten Frühjahr bis weit in den Herbst hinein wird der Föhndurchbruch thermisch unterstützt. Dabei wird die Kaltluftschicht durch den fühlbaren Wärmefluss vom Boden und von den Hängen her abgebaut. Da die Föhnluft schon in den höheren Niveaus vorhanden ist und die Inversion von oben her abbaut, kommt die thermische Durchmischung vom Boden aus unterstützend hinzu. Gerade in den Sommermonaten wird die Atmosphäre bis weit über Kammniveau allein thermisch trockenadiabatisch durchmischt. Vom Spätherbst bis in das Frühjahr hinein ist dieser Effekt durch den geringen Sonnenstand so schwach, dass die thermische Durchmischung kaum stattfindet und so die Inversion vom Boden aus kaum aufzulösen ist. Vergleich Ellbögen und Innsbruck-Flughafen (min-auflösung) Die aufgezählten Faktoren für die Begünstigung oder Hemmung von Föhndurchbrüchen findet man auch in den Abbildungen 5.3a-d und 5.a-d wieder. Dargestellt sind die relativen Häufigkeiten der Föhndurchbruchs- und Föhnabhebezeiten für die beiden Talstationen Ellbögen und Innsbruck-Flughafen auf Basis der min-daten. Zwischen Wipp- und Inntal zeigt sich besonders in den Föhnbeginnzeiten (Abb. 5.3a,c) ein unterschiedliches Bild. In Ellbögen liegt eine recht gleichmäßige Ver-

128 11 Objektive Föhnklimatologie für das Inn- und Wipptal teilung vor mit einem relativen Minimum zwischen 3 und UTC und mehreren kleineren Maxima zwischen und UTC, um 7 UTC und ein weiteres zwischen 1 und 19 UTC, während am Flughafen ein breiteres Minimum zwischen 17 und UTC, bzw. ein ausgeprägtes Maximum zwischen 9 und 13 UTC existiert. In Innsbruck ist die relative Häufigkeit zwischen und 1 UTC um den Faktor 3 bis höher als in Ellbögen, wo die Häufigkeit zwischen 3% und % pendelt. Das Pendel schlägt in die andere Richtung, wenn man sich die nächtlichen Häufigkeiten ansieht. Zwischen 17 und 5 UTC ist in Ellbögen der Föhnbeginn 3-5 mal häufiger als in Innsbruck. [%] Stunde [UTC] [%] Stunde [UTC] (a) (b) [%] Stunde [UTC] [%] Stunde [UTC] (c) (d) Abbildung 5.3: Relative Häufigkeit [%] des Föhnbeginns für Ellbögen (a) und Innsbruck-Flughafen (c) und des Föhnendes für Ellbögen (b) und Innsbruck-Flughafen (d)

129 5.3 Föhnbeginn- und -abhebezeiten 115 Das bestätigt die Schlussfolgerung aus Abschnitt 5.., dass der Föhndurchbruch im Wipptal hauptsächlich dynamische Ursachen hat und weniger thermische und somit kaum an den Tagesgang gekoppelt ist. Im Gegensatz dazu steht das Inntal, wo der Tagesgang der Sonne mit den Föhndurchbruchszeiten sehr gut korrelliert. In Innsbruck wird der Föhndurchbruch also vielmehr thermisch als dynamisch ausgelöst. Das beweist auch der starke Abfall der Durchbruchszeiten nach 1 UTC: Um 19 UTC ist der Föhndurchbruch nur noch zu 1.5% wahrscheinlich, während Ellbögen zum gleichen Zeitpunkt mit knapp % ein relatives Maximum aufweist. Das längste relative Maximum in Ellbögen liegt zwischen und UTC mitten in der Nacht! In Innsbruck ist zur gleichen Zeit ein Föhndurchbruch sehr unwahrscheinlich. Das Muster zeigt, dass in Ellbögen thermische Faktoren, die an den Tagesgang der Sonne gekoppelt sind, kaum ausschlaggebend sind für den Beginn des Föhns, sondern vielmehr dynamische Aspekte überwiegen, die von der Tageszeit unabhängig sind. Das zeigt auch die wesentlich flachere Amplitude des Diagramms. In Innsbruck kristallisiert sich dagegen eine starke Abhängigkeit an den Tagesgang heraus. Die dynamischen Faktoren, die am besten in der Nacht zu sehen sind, sind stark unterrepräsentiert. Der Föhndurchbruch wird hier also maßgeblich thermisch gesteuert. Bei den Föhnabhebezeiten ergibt sich in Ellbögen (Abb. 5.3b) ein ähnliches Muster wie bei den Föhndurchbruchszeiten. Insgesamt gibt es eine flache Amplitude mit Minimum zwischen und 1 UTC und nächtlichem Maximum, wobei das Maximum um UTC das Minimum um 1 UTC nur um knapp 5% überrragt. Dennoch zeigt sich hier eine leichte thermische Abhängigkeit mit der Steigerung der relativen Häufigkeit nach Sonnenuntergang in den Abendstunden sowie in der Nacht. Aber auch die dynamischen Faktoren sind wieder deutlich zu erkennen. Die höchsten Häufigkeiten liegen in den frühen Morgen- bzw. in den Vormittagsstunden zwischen 1 und 9 UTC. In dieser Zeit bildet sich zwar durch die nächtliche Auskühlung im Wipptal eine Inversion, die den Föhn abheben läßt und das Maximum der relativen Häufigkeit von 7% liegt im Bereich der stärksten Auskühlung um UTC, dennoch scheint die Dynamik in den meisten Fällen so stark zu sein, dass der Föhn bis weit in die Nacht hinein blasen kann und nicht gleich nach Sonnenuntergang abhebt. Erst in der zweiten Nachthälfte wird die thermische Komponente stärker und entkoppelt Ellbögen häufiger von der Föhnluft. Insgesamt zeigen die Diagramme sowohl die thermische als auch die dynamische Abhängigkeit der Föhnbeginn- und -abhebezeiten. In Ellbögen stellt sich dabei eine weitaus geringere Abhängigkeit an die tagesganggekoppelte, thermische Durchmischung heraus als in Innsbruck. Im Wipptal überwiegen eindeutig dynamische Faktoren, die von den thermischen unterstützt werden. Besonders das nächtliche Ausfließen aus dem Wipptal ist häufig der Beginn einer Föhnperiode! Im Inntal ist eher das Gegenteil der Fall. Die thermische Durchmischung ist ausschlaggeben-

130 11 Objektive Föhnklimatologie für das Inn- und Wipptal der Faktor für den Föhndurchbruch; die Dynamik des Föhns leistet aber wichtige Hilfestellung für den Föhndurchbruch. Vergleich Innsbruck-Universität und Innsbruck-Flughafen (min- Auflösung) Um einen objektiven Vergleich der Innsbrucker Stationen untereinander zu gewährleisten, wurden einheitlich min-daten ausgewertet. Beim Vergleich der Muster der Abbildungen 5.3c und d mit den Abbildungen 5.c und d zeigt sich, dass sich das Muster der min-auflösung kaum von jenem der min-auflösung unterscheidet. [%] Stunde [UTC] [%] Stunde [UTC] (a) (b) [%] Stunde [UTC] [%] Stunde [UTC] (c) (d) Abbildung 5.: Relative Häufigkeit [%] des Föhnbeginns für Innsbruck-Universität (a) und Innsbruck-Flughafen (c) und des Föhnendes für Innsbruck-Universität (b) und Innsbruck-Flughafen (d)

131 5.3 Föhnbeginn- und -abhebezeiten 117 An den Innsbrucker Stationen gibt es vom groben Muster her kaum Unterschiede: Beide weisen bei den Föhndurchbruchszeiten ein tageszeitabhängiges Maximum um die Mittagszeit und bei den Föhnabhebezeiten eines in den Abendstunden auf. Doch geht man ins Detail, offenbaren sich Unterschiede: Dabei fällt die höhere Häufigkeit zwischen 1 und 5 UTC (mit Ausnahme um 3 UTC) in der Nacht an der Universität gegenüber dem Flughafen auf. Diese höhere Korrelation der Universität mit dem nächtlichen Ellbögen-Maxima im Vergleich zum Flughafen zeigt, dass die Nähe der Universität zum föhnreichen Wipptal hier ausschlaggebend ist. Die Universität weist zwischen und 13 UTC geringere Häufigkeiten auf als der Flughafen. Das ist aber kein Indiz dafür, dass der Föhn an der Universität später durchbricht als am Flughafen, denn durch die höheren Häufigkeiten in den frühen Morgenstunden kann der Föhn bereits an der Universität da sein, während er erst später am Flughafen durchbricht! Interessant sind auch die Häufigkeiten am Nachmittag. Um 1 und 15 UTC sind die Häufigkeiten an der Universität höher, um 1 und 17 UTC am Flughafen, danach fällt die Amplitude am Flughafen abrupt ab, während an der Universität der Rückgang gleichmäßiger von statten geht. Insgesamt ergibt sich ein leicht verzerrtes Bild, bei dem nicht eindeutig geklärt werden kann, welche Station jetzt in der Regel zuerst Föhn bekommt, da der Föhn an der einen Station ja bereits schon vorhanden sein kann. Foehnbeginn [h] Uni Flughafen Monat Abbildung 5.5: Boxplot Differenz der Föhndurchbruchszeiten [h] Universität - Flughafen nach Monaten Abhilfe schafft da Abbildung 5.5, in der die Differenz der jeweiligen Föhnbeginne nach Monaten aufgetragen wurde. Hier gehen jetzt nur die Tage ein, an der beide Stationen Föhn hatten. Gibt es mehrere Föhndurchbrüche an diesem Tag, so wur-

132 11 Objektive Föhnklimatologie für das Inn- und Wipptal de jeweils der erste Termin genommen. Nach Monaten aufgetragen, ergibt sich ein entzerrteres Bild: In den Monaten Januar, März, April, Mai, August und Dezember bricht der Föhn an der Universität früher durch als am Flughafen. Im Juni und Juli ist er etwas früher am Flughafen, im Februar, Oktober und November hebt sich keine Station heraus. Bei den erstgenannten Monaten liegt die Differenz bis auf den Dezember in 5% der Fälle zwischen 1 und Stunden (s. 5%-Perzentile), der Median und die 75%-Perzentile fallen bis auf den März zusammen, so dass es auch in diesen Monaten in 75% aller Fälle keinen Unterschied gibt. Dennoch ist hiermit gezeigt, dass der Föhn mit größerer Wahrscheinlichkeit zuerst an der Universität und danach erst am Flughafen durchbricht. Foehnende [h] Flughafen Uni Monat Abbildung 5.: Boxplot Differenz der Föhnabhebezeiten [h] Flughafen - Universität nach Monaten Bei den Föhnabhebezeiten (Abb. 5.b und d) zeigt sich im Groben ein einheitliches Muster: Die jeweiligen Maxima liegen tagesgangabhängig in den Abendstunden. Wiederum ergeben sich aber im Detail Unterschiede: Am Flughafen sind die Häufigkeiten zwischen 15 und 1 UTC um bis zu 3% höher als an der Universität. Dafür ist die Amplitude der Universität zwischen 1 und UTC wesentlich spitzer ausgeprägt als am Flughafen. Hier ist die Häufigkeit mit 11% bis 1% deutlich höher als jene des Flughafens, wo die Abhebezeiten etwas gleichmäßiger verteilt sind. Von 15 bis 1 UTC sind die Häufigkeiten des Flughafens über denen der Universität, um 19 und UTC dreht sich das Blatt zugunsten der Universität um. Das ließe die These zu, dass am Flughafen der Föhn demnach etwas zeitiger abhebt als an der Universität. Auch sind wiederum die häufigeren Nachtföhnfälle an der Universität zu sehen: Hier sind die Häufigkeiten zwischen 1 und UTC in der Regel höher als

133 5. Föhndauer 119 am Flughafen. Die These, dass der Föhn an der Universität später abhebt als am Flughafen bestätigt sich in Abbildung 5.. Dabei wurde genauso verfahren wie bei den Föhndurchbruchsdifferenzen in Abb. 5.5: Das Föhnende tritt mit Ausnahme von April, Mai, September und November am Flughafen früher ein als an der Universität. Bis auf den April ist in den letztgenannten Monaten kein wesentlicher Unterschied auszumachen, da der Median bei liegt. In den anderen Monaten liegt sogar der Median, das sind 5% aller Fälle, zwischen -1 und - Stunden, d.h., dass der Föhn in diesen Monaten in der Hälfte aller Fälle am Flughafen 1 bis Stunden früher abhebt. Auch die 75%-Perzentile liegt noch zwischen -1 und Stunden. Im Mai und November ist kein Unterschied auszumachen, im April endet der Föhn an der Universität sogar etwas früher als am Flughafen. Demnach lässt sich also festhalten, dass die früheren Föhndurchbruchszeiten in den meisten Monaten zu 5% häufiger an der Universität zu finden sind, während die früheren Föhnabhebezeiten zu 5% häufiger am Flughafen registriert werden. Das läßt die Schlussfolgerung zu, dass der Föhn bei Durchbruch in 3 von Fällen auch gleich am Flughafen ist, während nur jeder.fall auch ein gleichzeitges Abheben darstellt. Offenbar braucht der Kaltluftsee, der sich mit Westwind aus dem Oberland nach Osten ausbreitet, eine ganze Weile, bis er auch an der Universität den Föhn abheben läßt. 5. Föhndauer 5..1 Mittlere Föhndauer in Bezug auf die relative Föhnhäufigkeit Hinsichtlich des Gesamtzeitraumes (September 1999 bis April ) ist der Anteil an Föhn mit %(!) in Ellbögen am stärksten, in Innsbruck sind es 5.% (Flughafen) bzw..1% (Universität) (Tabelle 5.1). Auch bei Wechsel der Referenzstation auf den Sattelberg ergibt sich für Innsbruck keine wesentliche Änderung. An der Universität bleiben die Werte der relativen Föhnhäufigkeit und der Föhndauer nahezu gleich. Die Föhndauer beträgt im Mittel knapp 13 Stunden in Ellbögen und 7 (Flughafen) bzw. Stunden (Universität) in Innsbruck. Hier ergibt sich bei genauerer Betrachtung ein Widerspruch zu den in Unterkapitel 5.3 dargestellten Föhndurchbruchs- und -abhebezeiten bei den Innsbrucker Stationen: Auf der einen Seite bricht der Föhn an der Universität früher durch und hebt auch später wieder ab, auf der anderen Seite ist aber die mittlere Föhndauer an der Universität gegenüber dem Flughafen herabgesetzt. Diese Beobachtung führte zu einem weiteren Phänomen, das anhand einer Fallstudie in Abschnitt 5.. näher erläutert wird.

134 1 Objektive Föhnklimatologie für das Inn- und Wipptal bis mittlere relative 1.. Föhndauer [h] Föhnhäufigkeit [%] Ellbögen Innsbruck Flughafen Ref. Sattelberg Innsbruck-..1 Universität Ref. Sattelberg. 5.9 Tabelle 5.1: Mittlere Föhndauer und relative Föhnhäufigkeit für die Talstationen im gesamten Untersuchungszeitraum, zum Vergleich bei Wechsel der Referenzstation wurde für die Innsbrucker Stationen auch der Sattelberg mitangegeben In den folgenden Tabellen 5. bis 5. werden die Jahre im Untersuchungszeitraum einzeln betrachtet. Das Jahr war besonders föhnreich. In Ellbögen machte der Föhn 5% am Gesamtjahr aus! Somit liegt dieses Jahr deutlich über der relativen Föhnhäufigkeit im Gesamtzeitraum. Auch an den Innsbrucker wurden überdurchschnittlich hohe Föhnhäufigkeiten registriert. Das darauffolgende Jahr 1 war das föhnärmste im Untersuchungszeitraum. An allen Stationen ist die relative Föhnhäufigkeit unterdurchschnittlich. Es ist auffällig, dass trotz weniger Föhn die mittlere Föhndauer an allen drei Talstationen nahe beim Durchschnittswert liegt. Im Jahr wurden wieder höhere Häufigkeiten registriert. Insgesamt entsprach das Jahr den Durchschnittswerten im Gesamtzeitraum. Das Jahr 3 zeichnet sich wieder durch leicht unterdurschnittlich viel Föhn an den Stationen aus. Vergleicht man die Durchschnittswerte der Jahre bis 3 mit jenen des Gesamtzeitraumes, so fällt auf, dass an allen drei Talstationen die durchschnittlichen relativen Föhnhäufigkeiten im Gesamtzeitraum höher liegen. Das hat seine Ursache darin, dass die föhnreiche MAP-SOP-Phase von September bis November 1999 nicht in die Bilanz der Jahre bis 3 eingeht. Insgesamt ist bei dieser.5-jährigen Reihe zu sehen, in welchen Größenordnungen die mittlere Föhndauer und die relativen Föhnhäufigkeiten liegen, und die Analyse dieser Statistik führt zu wesentlichen Kernaussagen. Dennoch ist eine weitaus längere Reihe von Nöten, um genauere statistische Werte zu bekommen.

135 5. Föhndauer 11 Ellbögen mittlere Föhndauer [h] relative Föhnhäufigkeit [%] Durchschnitt Tabelle 5.: Mittlere Föhndauer und relative Föhnhäufigkeit für Ellbögen, ganze Jahre Innsbruck- Flughafen mittlere Föhndauer [h] relative Föhnhäufigkeit [%] Durchschnitt Tabelle 5.3: Mittlere Föhndauer und relative Föhnhäufigkeit für Innsbruck-Flughafen, ganze Jahre Innsbruck- Universität mittlere Föhndauer [h] relative Föhnhäufigkeit [%] Durchschnitt.1. Tabelle 5.: Mittlere Föhndauer und relative Föhnhäufigkeit für Innsbruck-Universität, ganze Jahre

136 1 Objektive Föhnklimatologie für das Inn- und Wipptal 5.. Föhndauerklassen Die jeweiligen klimatologischen Föhnmaxima im Frühjahr und im Herbst äußern sich auch in der Föhndauer, die für Ellbögen in Abb. 5.7 und für den Flughafen in Abb. 5. dargestellt ist. Vergleich Ellbögen und Innsbruck-Flughafen (min-auflösung) An beiden Stationen ragen besonders die Frühjahrsmaxima heraus. Im April reicht die 75%-Perzentile in Ellbögen gar bis 33 Stunden Föhndauer herauf! Nach dem relativen Minimum im Sommer mit lediglich 3 bis 5 Föhnstunden im Mittel, steigt die Dauer im Herbst auf 7 bis Stunden an und weist auch noch in den Wintermonaten Dezember und Januar eine beachtliche Föhndauer auf. So reicht die 75%-Perzentile im Januar noch bis zur 15 Stunden-Marke herauf. Am Flughafen (Abb. 5.) ist im Januar dagegen korrellierend zu den relativen Föhnhäufigkeiten im Januar das Minimum auch in der Föhndauer erreicht. Das erste klimatologische Maximum im April und Mai äußert sich dann auch in einem raschen Anstieg der Föhndauer auf Stunden im Mittel im April. Auch der Herbst wartet wieder mit einem Anstieg des Medians von 3- Stunden im Sommer auf 7- Stunden zwischen September und November auf. Foehndauer [h] Monat Abbildung 5.7: Boxplot Föhndauer [h] in Ellbögen nach Monaten

137 5. Föhndauer 13 Foehndauer [h] Monat Abbildung 5.: Boxplot Föhndauer [h] in Innsbruck-Flughafen nach Monaten Die Föhndauerklassen (wie z.b. Abb. 5.9 und 5.3) stellen zeitlich begrenzte Klassen dar, deren relative Häufigkeit geplottet wurde. Die Klassen 1- sind jeweils als Einzelklassen in 1h-Intervallen zu verstehen, die nächstfolgende Klasse 3 umfasst Föhnfälle von 5-3 Stunden (h-intervall), Klasse von 31 bis Stunden, Klasse 5 von 1-5 Stunden usw., Klasse von 71 bis Stunden und die letzte Klasse beihnhaltet alle Föhnfälle zwischen 1 und 15 Stunden Dauer. Beim Vergleich der relativen Häufigkeit der Föhnereignisse zwischen Ellbögen und Innsbruck-Flughafen (Abb. 5.9 und 5.3) fällt auf, dass im Bereich zwischen 3 und 17 Stunden Föhndauer die relativen Häufigkeiten am Flughafen höher sind als jene in Ellbögen. Das Blatt wendet sich dann in den darauffolgenden Föhndauerklassen, bei denen der Flughafen nur noch wenige Prozente aufweist. Das Ellbögenspektrum zeichnet sich anfangs durch viele kurze Föhnperioden (1- Stunden) sowie durch einen Anstieg in den Klassen oberhalb von 3 Stunden Föhndauer aus. Im Inntal ist dagegen ein stetiger Rückgang zu verzeichnen, je höher man in den Föhndauerklassen voranschreitet. Das Wipptal ist also prädestiniert für viele kurze Föhnphasen, bei denen der Föhn gar nicht bis ins Inntal herabsteigt und für lange Föhnphasen, die sich im Inntal im Bereich zwischen 3 und 17 Stunden äußern, da hier der Föhn erst später durchbricht.

138 1 Objektive Föhnklimatologie für das Inn- und Wipptal Foehndauerklassen [h] Relative Haeufigkeit der Foehnereignisse [%] Abbildung 5.9: Relative Häufigkeit [%] der Föhndauer [h] nach Klassen in Ellbögen Foehndauerklassen [h] Relative Haeufigkeit der Foehnereignisse [%] Abbildung 5.3: Relative Häufigkeit [%] der Föhndauer [h] nach Klassen in Innsbruck- Flughafen Dieser Sachverhalt zeigt sich übersichtlicher bei den kumulativen Häufigkeiten der Föhndauer (Abb. 5.31). Zunächst ist der Anstieg der Kurve zu Beginn in Ellbögen etwas steiler, d.h. hier werden mehr Fälle von geringerer Dauer registriert. Der Wert x = 5 Stunden beinhaltet in Ellbögen bereits 3% aller Fälle, während es in Innsbruck nur % sind.

139 5. Föhndauer 15 CDF [h] Abbildung 5.31: Kumulative Häufigkeiten (CDF) der Föhndauer [h] an den Stationen Ellbögen (dick, grün) und Innsbruck-Flughafen (rot, mitteldick) Danach drehen sich die Verhältnisse um: In Innsbruck wird der Anstieg oberhalb von 5 Stunden steiler als in Ellbögen, wo die Kurve merklich abflacht. Bereits bei 1 Stunden sind in Innsbruck 9% aller Fälle untergebracht; dieser Wert wird in Ellbögen erst bei 37 Stunden Föhndauer erreicht!

140 1 Objektive Föhnklimatologie für das Inn- und Wipptal Vergleich Innsbruck-Universität und Innsbruck-Flughafen (min- Auflösung) Um die Innsbrucker Stationen objektiv miteinander vergleichen zu können, wurden wiederum Daten in min-auflösung verwendet. Foehndauer [h] Monat Abbildung 5.3: Boxplot Föhndauer [h] in Innsbruck-Universität nach Monaten Foehndauer [h] Monat Abbildung 5.33: Boxplot Föhndauer [h] in Innsbruck-Flughafen nach Monaten Der Föhndauerboxplot der Universität (Abb. 5.3) zeigt das gleiche Muster wie

141 5. Föhndauer 17 der Flughafen (Abb. 5.33) mit einem Maximum der Föhndauer im Frühjahr und einem sekundären, schwächeren Maximum im Herbst. Betrachtet man allerdings die Mediane untereinander, so fällt auf, dass mit Ausnahme der Monate Januar, August, November und Dezember die Mediane des Flughafens um 1 bis Stunden über jenen Foehndauerklassen [h] Relative Haeufigkeit der Foehnereignisse [%] Abbildung 5.3: Relative Häufigkeit [%] der Föhndauer [h] nach Klassen in Innsbruck- Universität Foehndauerklassen [h] Relative Haeufigkeit der Foehnereignisse [%] Abbildung 5.35: Relative Häufigkeit [%] der Föhndauer [h] nach Klassen in Innsbruck- Flughafen

142 1 Objektive Föhnklimatologie für das Inn- und Wipptal der Universität liegen. Lediglich im November weist die Universität im Mittel eine längere Föhndauer auf. Im Februar, Juni, August und Dezember sind die 75%- Perzentilen am Flughafen 3 bis Stunden höher angesetzt, im Frühjahrsmaximum immer noch um rund Stunden. Die längeren monatlichen Föhndauern zeigen sich auch in der relativen Häufigkeitsverteilung der Föhndauerklassen (Abb. 5.3 und 5.35). CDF [h] Abbildung 5.3: Kumulative Häufigkeiten (CDF) der Föhndauer [h] an den Stationen Innsbruck-Universität (blau, mitteldick) und Innsbruck-Flughafen (rot, dick) Besonders die Bereiche oberhalb der 5 Stunden-Marke sind am Flughafen meistens prozentuell höher als an der Universität und hier besonders die Klassen ab 3 Stunden Föhndauer. Die Klassen mit 5 bzw. Stunden Föhndauer fehlen an der Universität komplett. Dafür sind die niedrigen Föhndauerklassen 1 und Stunden an der Universität mit zusammen 3% gegenüber % am Flughafen deutlich präsenter. Die kumulative Häufigkeit der Föhndauer (Abb. 5.3) zeigt an der Universität gegenüber jener des Flughafens einen steileren Anstieg bis zur Stunden-Klasse, bei der schon rund % aller Fälle integriert sind. Die 9%-Schwelle ist an der Universität bei 13 Stunden, am Flughafen erst bei 1 Stunden erreicht. Es könnte nun die Behauptung aufgestellt werden, dass in der Tat der Flughafen längere Föhnperioden aufweist als die Universität.

143 5. Föhndauer Das Rotorproblem über Innsbruck Nun stellt sich aber die Frage, wie die Ergebnisse der klimatologischen Föhnbeginnbzw. Föhnendezeiten mit der Föhndauer zusammenpassen. Hier baut sich die bereits o.a. Diskrepanz zwischen den beiden Innsbrucker Stationen auf: Einerseits bricht der Föhn, wie oben erläutert, an der Universität klimatologisch früher durch und hebt auch später ab, auf der anderen Seite ist die Föhndauer klimatologisch gesehen am Flughafen länger als an der Universität. Wie passt das zusammen? 5 Θ [Grad C] 15 5 Innsbruck Flughafen Brenner Patscherkofel Windgeschw. [m/s] 1 Foehn 1 Windrichtung [Grad] : 1: : 1: : 19 Apr 3 Apr 3 Abbildung 5.37: Potentielle Temperatur an den Stationen Patscherkofel, Brenner und Innsbruck-Flughafen, Windgeschwindigkeit und Windrichtung an der Station Innsbruck- Flughafen zwischen dem 19. April 3, UTC und 1. April 3, UTC, schwarze Linie: Föhnbeginn, blaue Linie: Föhnende Die Ursache dafür liegt in einer Föhnunterbrechung an der Universität. Dazu sei ein

144 13 Objektive Föhnklimatologie für das Inn- und Wipptal Fallbeispiel angeführt. Die Abbildungen 5.37 und 5.3 zeigen die Verläufe von potentieller Temperatur der Referenz- und Talstationen sowie die Windverhältnisse an der Universität und am Flughafen für den gleichen Termin. 5 Θ [Grad C] 15 Innsbruck Universitaet Brenner Patscherkofel Windgeschw. [m/s] 1 Foehn 1 Foehn Windrichtung [Grad] : 1: : 1: : 19 Apr 3 Apr 3 Abbildung 5.3: Potentielle Temperatur an den Stationen Patscherkofel, Brenner und Innsbruck-Universität, Windgeschwindigkeit und Windrichtung an der Station Innsbruck- Universität zwischen dem 19. April 3, UTC und 1. April 3, UTC, schwarze Linie: Föhnbeginn, blaue Linie: Föhnende Am Flughafen (Abb. 5.37) klassifiziert das Programm am 19. April um 13 UTC den Beginn einer länger andauernden Föhnphase, die bis zum. April, 3 UTC andauert. Der Verlauf der potentiellen Temperatur liegt in dieser Phase immer über jenem des Brenners, so dass das θ-kriterium erfüllt ist. Schaut man sich die Windverhält-

145 5. Föhndauer 131 nisse an, so erkennt man, dass der Wind nach Föhndurchbruch von Nordost auf die typische Windrichtung bei Föhn am Flughafen, nämlich auf Südost drehte. Doch ab 1 UTC nimmt zum einen die Windgeschwindigkeit ab, zum anderen dreht der Wind wieder auf Nordost zurück. Erst kurz vor Mitternacht legt der Föhn wieder an Stärke zu und dreht auch auf Südost zurück. Zwischen 19 bis 1 UTC gab es also eine Schwächephase des Föhns; die Windrichtung und die Windgeschwindigkeit lagen aber noch im Toleranzbereich des Windkriteriums, so dass richtigerweise vom Föhnprogramm Föhn klassifiziert worden ist. Vergleichen wir nun dies mit den Parametern an der Universität. Der Föhndurchbruch geschieht etwas später, was, wie oben bereits erläutert, klimatologisch eher selten ist. Der Wind dreht auf Südost und die Windgeschwindigkeit nimmt erwartungsgemäß zu. Danach läßt, wie am Flughafen, der Föhn nach; die Windrichtung dreht auf Ost. Da die Luft aber noch gut durchmischt ist (θ- Kriterium erfüllt) wird noch Föhn klassifiziert. Um 1 UTC dreht der Wind plötzlich auf Nordwest, eine Windrichtung bei Südföhn, die aus dem Toleranzbereich herausfällt. Dementsprechend klassifiziert das Föhnprogramm das Ende des Föhns. Schaut man allerdings auf die potentielle Temperatur, so sieht man, dass die gut durchmischte Föhnluft nach wie vor vorhanden ist und die Universität potentiell wärmere Luft hat als der Brenner. Um 3 UTC läutet das Föhnprogramm Föhnphase ein, und der Wind dreht auf die typische Föhnwindrichtung an der Universität, Süd, zurück. Die Föhnphase dauert anschließend noch länger an als am Flughafen. Die Schwächephase des Föhns zeigt sich an der Universität zum einen an der Windrichtung, die nicht die typische Föhnwindrichtung wie in Föhnphase erreicht sowie an den abnehmenden Windgeschwindigkeiten. Bei Schwächephasen des Föhns stößt das Windkriterium an seine Grenzen. Während am Flughafen die nordöstliche Windrichtung noch innerhalb der Toleranz liegt, fällt die Nordwest-Windrichtung an der Universität heraus (vgl. Tabelle.1). Wird der Föhn anschließend wieder stärker, so wird am Flughafen eine durchgehende, lange andauernde Föhnphase klassifiziert, während an der Universität durch zwei oder, bei mehreren Schwächephasen des Föhns, auch mehrere Unterbrechungen registriert werden. Dadurch fallen zwar kaum Föhnstunden an der Universität heraus, die Unterbrechungen wirken sich aber auf die Föhndauerhäufigkeit aus. Lange Föhnphasen werden somit in mehrere, kürzere Phasen gesplittet, wodurch, im Gegensatz zum Flughafen, nur wenige lange Föhnphasen und stattdessen mehrere kurze zu verzeichnen sind. Die Ursache des Nordwestwindes an der Universität ist ein Rotor, der sich kurz vor dem Abheben des Föhns sowie in Schwächephasen über Innsbruck bildet. Dieser Wirbel über Innsbruck wird in solchen Phasen bereits bei Seibert (195) erwähnt. Simuliert wurden solche Fälle von Zängl (3), der bei unterkritischer Strömung im

146 13 Objektive Föhnklimatologie für das Inn- und Wipptal Wipptal, wie sie bei schwachen Föhnereignissen der Fall ist, eine Nordkomponente im Bodenwindfeld über der Mitte Innsbrucks feststellte (Abb. 5.39). Abbildung 5.39: Numerische Simulation eines seichten Föhns mit dem Modell MM5 und einer horizontalen Maschenweite von m (nach Zängl 3): Vertikalschnitt S (SE nach NW) durch das Inntal ohne Patscherkofel, aber mit dem südlich von Innsbruck (IBK) angrenzenden Mittelgebirge (MG) und der Nordkette (NK), Stunden nach Beginn der Simulation: Isentropen [ K] (durchgezogene Linien)- und Windverlauf (Pfeile) sowie Windgeschwindigkeit (schattiert) m/s, Konturschritte alle 5 m/s Dabei kommt es zu einer Ablösung der Strömung von den Hängen des Mittelgebirges am Wipptalausgang, wobei die Strömung über das Inntal auf die Nordkette trifft, wo sie gespalten wird: Ein Ast steigt über das Gebirge hinweg, ein weiterer führt abwärts in das Inntal zurück und verursacht die Nordwestkomponente an der Universität. Weiter westlich weist dieser Ast durch die Ablenkung am Gebirge eine nordöstliche Komponente am Flughafen auf. Stark vereinfacht ist dies in Abbildung 5. zu sehen. Eine Ablösung der Strömung an solchen Gebirgsstufen untersuchten Farmer und Armi (1) an ähnlich konzipierten Hindernissen am Meeresgrund. Abschließend ist die maximale Föhndauer im.5-jährigen Gesamtzeitraum aufgelistet (Tabelle 5.5). In Ellbögen gab es demnach im Frühjahr 1 einen Fall mit fast 5 Tagen (!) durchgehendem Föhn. Ebenfalls im Frühjahr ereigneten sich die längsten Föhnereignisse in Innsbruck mit Stunden am Flughafen und 3 Stunden an der Universität zur gleichen Zeit. Diese Föhnperioden tauchen weder in den Abbildungen der Föhndauer noch in den Tabellen der Statistik auf. Sie wurden entdeckt, bevor für Innsbruck das Ellbögen-Windkriterium eingeführt wurde, um die Taleinwindfälle vom Föhn zu isolieren.

147 5. Föhndauer 133 Abbildung 5.: Stark vereinfachte Skizze des Rotors über Innsbruck bei Südföhn, Blickrichtung vom westlichen Ende des Flughafenrollfeldes nach Osten: dunkelrote Pfeile stellen den Rotor dar, der hellblaue Pfeil die Strömung am Flughafen Station max. Föhndauer Datum [h] Ellbögen ,. UTC bis 3.5.1, 1.5 UTC Innsbruck-Flughafen. 1.5.,. UTC bis 3.5.,. UTC Innsbruck-Universität , 9. UTC bis.5.,. UTC Tabelle 5.5: Maximale Föhndauer der Talstationen im Gesamtzeitraum September 1999 bis April Leider gab es zu diesem Zeitpunkt an der Station Ellbögen Datenausfall. Da das Föhnprogramm darauf ausgelegt ist, bei Datenausfall in Ellbögen keinen Föhn in Innsbruck zu klassifizieren, ist diese Periode leider verworfen worden. Nachforschungen ergaben, dass es lediglich nur noch eine weitere, erheblich kürzere Periode gab, in der in Innsbruck aufgrund von Datenausfall in Ellbögen eine Föhnperiode verworfen werden musste. Diese fehlenden Perioden schlagen sich aber lediglich mit -.1% in