Untersuchung des Einflusses von Schnee auf die Energiebilanz eines Bodens

153 Pages·2009·21.98 MB·English

Untersuchung des Einflusses von
Schnee auf die Energiebilanz eines
Bodens (Messung und Simulation)
Diplomarbeit
eingereicht am
Institut fu¨r Meteorologie und Geophysik,
Universita¨t Innsbruck
zur Erlangung des akademischen Grades
Magister der Naturwissenschaften
von
Florian Karner
Oktober 2009

Wer sich Steine zurechtlegen kann, u¨ber die er stolpert, hat Erfolg in
den Naturwissenschaften. Erwin Chargaff (*1905- +2002)
fu¨r Hubert
i
ii
Abstract
Every winter differs in the subjective perception. In the meteorological and scientific sense,
we are interested in the associated processes. This is enough motivation to study two
completely different winter periods with respect to the water and energy budget.
Both winter periods in 2005/06 and 2007/08 reveal strikingly different characteristics
in respect of snow coverage and meteorology. Energy balance data were collected during
these winters at a measurement site near to Schwaz in the Inn valley (Tyrol, Austria).
This study also employs meteorological data at the station Jenbach, which were prepaired
preliminary for a sensitivity study.
The meteorological data were quality controlled in order to perform basic statistical
analysis and to prepare input data for the SHAW model. This step also considered additional
data about the surface and soil conditions including vegetation. In this research the SHAW
model Flerchinger and Saxton (1989a) was used, which was developed for agrometeorological
applications. The model is a one dimensional Soil-Vegetation-Atmosphere-Transfer (SVAT)
model. It provides a physical basis to investigate the influence of thus distinct atmospheric
winterregimesontheunderlyingsoilwithparticularemphasisontheinherentsnow/soilmass
and energy balances. The verification of the model results was performed by independently
measured parameters which were overall satisfactorily reproduced.
Discussion of the simulation results reveals significant differences between the two
winters concerning temperature and wind, as well as radiation and energy balance terms.
Although the air temperatures during the winter period 2005/06 were very low, the extensive
snow coverage and the thereby connected isolating effect caused weak vertical temperature
gradients within the snowpack and the underlying soil. This resulted in comparatively small
exchanges of energy due to small turbulent fluxes over the snow covered surface. The same
holds true for the ground heat flux. In combination with snow cover, the frost penetration
depth decreases.
There is a strong contrast of the winter period 2005/06 compared to the winter peri-
od 2007/08 which was characterised by a lack in snow cover. Due to the low albedo, the
winter period 2007/08 was characterized by enhanced energy exchanges due to radiation
processes. Moreover, the turbulent and ground heat fluxes were more effective because of the
iii
iv
more pronounced temperature gradients.
Sensitivity studies showed that the energy and water balance components in the win-
ter periods react quite insensitive to variable magnitudes of the wind speed. However, the
modification of temperature as well as of atmospheric longwave radiation has a surprisingly
large influence on the snow cover and the linked parameters. The global radiation has a
relative low influence on the energy and water budget. However, this significantly changes
as soon as the radiation balance exceeds a certain value the surface becomes snow- free,
respectively.
In order to perform similar studies over an extended period of time, a sensitivity stu-
dy was done using meteorological data, which were collected at Jenbach near Schwaz. The
dataset covers four years and was first tested on its reliability. The sensitivity studies were
mainly based on systematic variation of temperature and precipitation and confirm a strong
impact of snow cover on the soil energy and water balance.
Zusammenfassung
Jeder Winter unterscheidet sich in der subjektiven Wahrnehmung vom vergangenen
oder noch folgenden. Im meteorologischen bzw. wissenschaftlichen Sinne sind jedoch
auch die dahinter stehenden Prozesse interessant. Dies ist Motivation genug, um zwei v¨ollig
unterschiedlicheWinterperiodenbezu¨glichdesWasser-undEnergiehaushaltszuuntersuchen.
Die beiden Winterperioden 2005/06 und 2007/08 wiesen eine sehr unterschiedliche
Charakteristik bezu¨glich Schneedecke und Meteorologie auf. Aus diesen beiden Winter-
perioden stammen meteorologische Daten, die in der N¨ahe von Schwaz im Inntal (Tirol,
O¨sterreich) in beiden Jahren am selben Standort gemessen wurden. Ebenfalls Verwendung
finden meteorologische Daten der Station Jenbach, welche jedoch prim¨ar fu¨r eine Sensiti-
vit¨atsstudie aufbereitet wurden.
Nach abgeschlossener Datenkontrolle wurden daraus und anhand von zus¨atzlichen In-
formationen u¨ber Boden und Vegetation Eingangsdateien fu¨r ein Boden- Vegetation- und
Atmosph¨arenmodell erstellt. In dieser Untersuchung kam das SHAW Modell zum Einsatz,
welches urspru¨nglich aus der Agrarmeteorologie stammt und auf deren Einsatzzwecke
optimiert wurde. Die Funktionen des Modells umfassen die wichtigsten Bodenprozesse, die
Energie- und Wassertransporte sowie die Gefrier- und Tauprozesse. Die Verifikation der
Modellergebnisse erfolgte anhand von gemessenen Gr¨oßen, die zur Zufriedenheit reproduziert
werden konnten, was eine weitere Diskussion zuließ.
◦
Die Mitteltemperatur der Wintermonate DJF 2005/06 lag um 1.5 C unter der des
langj¨ahrigen klimatologischen Mittels. In Verbindung mit einer lang andauernden und gut
ausgepr¨agten Schneedecke traten hohe Werte der Albedo (0.73) und die damit verbundenen,
geringen Ums¨atze der Strahlungsbilanz auf. Damit einher gingen die immer positiven, aber
kleinen fu¨hlbaren W¨armeflu¨sse. Obwohl die Lufttemperaturen sehr ku¨hl waren, unterband
die Schneedecke aufgrund ihrer guten Isolation das Eindringen tiefer Temperaturen in den
Boden. Im direkten Zusammenhang mit dem Auftreten der Schneedecke stehen die ge-
ringenEindringtiefendesBodenfrostsunddasAusmaßdesauftretendenBodenw¨armestroms.
Sehr gegens¨atzlich dazu verhielt sich die Winterperiode 2007/08, die aufgrund der
deutlich h¨oheren Lufttemperaturen keine geschlossene Schneedecke aufwies. Aufgrund der
geringen Albedo (0.27) waren die Energieums¨atze der Strahlungsbilanz deutlich gr¨oßer als
v
vi
im schneereichen Winter. Auch deshalb waren die Ums¨atze der einzelnen Energiebilanzkom-
ponenten gr¨oßer. Ebenfalls unterscheidet sich die deutlich w¨armere zweite Winterperiode
im Bodenregime, welches sich durch sehr große Eindringtiefen des Frosts und gr¨oßere
Bodenw¨armestr¨ome charakterisiert.
Umfassende Sensitivit¨atstests fu¨r den Standort Schwaz haben gezeigt, dass das win-
terliche Bodenregime relativ unempfindlich auf ver¨anderte Gr¨oßenordnungen des Windes
reagieren. Sehr empfindlich reagiert es hingegen auf die langwellige Gegenstrahlung. Die
Globalstrahlung hat auf die Energie- und Wasserbilanz des Bodens relativ gesehen geringe
Auswirkungen, es sei denn, die Strahlungsbilanz wird so stark positiv, dass der Boden
ausapert.
A¨hnliche Untersuchungen wurden fu¨r den Standort Jenbach erstellt. Obwohl das Ziel
in einer Sensitivit¨atsstudie lag, wurde auch dieser vier Jahre umfassende Modelllauf auf
Sinnhaftigkeit gepru¨ft.
Die Ergebnisse der Sensitivit¨atsstudie zeigen, dass sich positive Temperaturen in Verbin-
dung mit geringeren Niederschlagswerten, verglichen zum Referenzlauf, nachteilig auf die
Ausbildung einer Winterschneedecke auswirken. Damit verbunden sind die sich ¨andernden
Parameter der gesamten Energie- und Wasserbilanzkomponenten.
Inhaltsverzeichnis
Abstract iii
Zusammenfassung v
Inhaltsverzeichnis vii
1 Einleitung 7
1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2 Literaturu¨berblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3 Zielsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.4 Methodik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.5 Aufbau der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.6 Anmerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2 Messungen 13
2.1 Der Messstandort Schwaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.1 Die Messumgebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.2 Messinstrumente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.3 Anmerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2 Der Messstandort Jenbach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.1 Die Messumgebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.2 Die Messinstrumente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3 Datenaufbereitung 21
3.1 Qualit¨atskontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2 Die Meteorologie am Standort Schwaz im U¨berblick . . . . . . . . . . . . . . 23
3.3 Die Meteorologie am Standort Jenbach im U¨berblick . . . . . . . . . . . . . . 28
3.4 Initialisierung des Modells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.4.1 Kommunikationsdatei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.4.2 Meteorologische Eingangsdaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.4.3 Standorteigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.4.4 Anfangsprofile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.5 Output des Modells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
vii
viii INHALTSVERZEICHNIS
4 Das SHAW Modell 37
4.1 Allgemeine Modellbeschreibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.2 Energiebilanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.2.1 Strahlungsbilanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.2.2 Fu¨hlbarer W¨armestrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.2.3 Latenter W¨armestrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.2.4 Bodenw¨armestrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.3 Energieflu¨sse im System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.3.1 W¨armetransport im Bewuchs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.3.2 W¨armetransport im Schnee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.3.3 W¨armetransport in der Zwischenschicht . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.3.4 W¨armetransport im Boden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.4 Niederschlag. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.5 Wassertransporte im System. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.5.1 Wasserfluss im Bewuchs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.5.2 Massenbilanz und Setzung von Schnee . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.5.3 Wasserdampftransport in der Zwischenschicht . . . . . . . . . . . . . . 53
4.5.4 Wasserfluss im Boden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.5.5 Eisgehalt des Bodens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.6 Randbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.7 Numerische Umsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.8 A¨nderungen im Quellcode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.8.1 Parametrisierung der langwellige Strahlung . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.8.2 Parametrisierung der Albedo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5 Ergebnisse: Vergleich der beiden Winter 59
5.1 Einstellungen der Referenzl¨aufe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.2 Einfu¨hrung statistischer Gr¨oßen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.3 Verifikation - Oberfl¨achen- und Bodentemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.3.1 Ober߬achentemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.3.2 Bodentemperaturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.3.3 Statistik - Ober߬achen- und Bodentemperatur . . . . . . . . . . . . . 65
5.4 Energiebilanz der Ober߬ache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.5 Energie- und Strahlungsbilanz an einzelnen besonderen Tagen . . . . . . . . . 72
5.6 Boden- und Schneetemperaturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.7 Eigenschaften der Schneedecke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.8 Bodenfeuchtegehalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.9 Wasserfluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.10 Wasserbilanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6 Sensitivit¨atstests am Standort Schwaz 85
6.1 A¨nderung der Lufttemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86