Quantifizierung und zeitliche Entwicklung der Schneeschmelze im alpinen Raum

Abstract

Als Schnee akkumuliertes Wasser und die anschließende Schneeschmelze sind wichtige Bestandteile des Wasserkreislaufs, insbesondere in alpinen Regionen. Die Überwachung und Modellierung dieser Prozesse liefert wichtige Informationen für die betriebliche Hochwasservorhersage, bautechnischen Maßnahmen und das Wasserressourcenmanagement. Langzeitbeobachtungen von Prozessen, die zur Ansammlung und Schmelze von Schneedecken führen, sind auch im Zusammenhang mit dem jüngsten Klimawandel erforderlich, um die Prozesse und Faktoren besser zu verstehen, die die Variabilität der Erzeugung von Abflüssen im Zuge der Schneeschmelze in alpinen Regionen steuern, insbesondere bei extremen Ereignissen. Repräsentative Beobachtungen von Schneeschmelzprozessen sind jedoch sehr spärlich, hauptsächlich aufgrund der immensen räumlichen Variabilität von Schneeprozessen und der Schwierigkeit, repräsentative Schneedaten in den Bergen zu sammeln. Das Hauptziel dieser Diplomarbeit ist es, langfristige Veränderungen der Schneeakkumulierung und -schmelze an der Beobachtungsstation Kühtai zu untersuchen und zu quantifizieren. Dieser Standort befindet sich in Tirol (Österreich) und repräsentiert die typischen Bedingungen des alpinen Klimas. Sie bietet Langzeitbeobachtungen des Schneewasseräquivalents und des Schmelzwasserabflusses mittels eines 10 m2 großen Schneekissens bzw. Lysimeters sowie meteorologische Daten (Niederschlag, einfallende und reflektierte kurzwellige Strahlung, Lufttemperatur, relative Luftfeuchtigkeit und Windgeschwindigkeit) und andere schneebezogene Daten (Schneehöhen, Schneetemperaturen in sieben Höhen) aus dem Zeitraum Oktober 1990 bis Juni 2019. Die Beobachtungen sind insofern einzigartig, als sie durchgehend mit einer zeitlichen Auflösung von 15 Minuten über einen Zeitraum von fast 30 Jahren mit minimalen Änderungen im Versuchsaufbau verfügbar sind. Ziel der Arbeit ist es, Schmelzprozesse in einem alpinen Klima über einen langen Zeitraum zu analysieren, einschließlich ihrer Extreme und langfristigen Veränderungen. Die Schmelze wird durch einen Schneeschmelzfaktor (Gradtagfaktor) quantifiziert, der mit Beobachtungen vom Schneelysimeter verglichen wird. Analysen der jährlichen, saisonalen und kurzfristigen Änderungen des Schneeschmelzfaktors profitieren von der kombinierten Messung des Schneewasseräquivalents, des Lysimeterabflusses und des Niederschlags an einem windgeschützten alpinen Standort. Die langfristige Betrachtung der Entwicklung des Schneeschmelzfaktors zeigt über das gesamte Jahr (Jänner bis Dezember) bzw. über die Winterphase (September bis Juni) im Durchschnitt einen rückläufigen Trend. Eine auf die charakteristischen Schmelzmonate (März bis Mai) beschränkte Analyse zeigt hingegen, dass der Gradtagfaktor in diesem Zeitraum deutlich zunimmt. Die Ergebnisse weisen auf deutliche saisonale Unterschiede hin. Der Median des Faktors steigt dabei von 0,1 mm°C-1d-1 (Wintermonate Dezember bis Februar) auf 3,9 mm°C-1d-1 (Schmelzphase März bis Mai). Eine Betrachtung der Entwicklung des Schmelzfaktors im Tagesverlauf zeigt einen deutlichen Anstieg der Intensität am Nachmittag. Der mittlere Schmelzfaktor reicht dabei von 0,1 mm°C-1h-1 in der Nachtbis 5,9 mm°C-1h-1 um 14 Uhr. In der langfristigen Trendentwicklung ist eine Verschiebung der Hauptschmelzphase von April auf März erkennbar. Dies hängt mit Änderungen der Lufttemperatur, der Höhe des Schneewasseräquivalents und der Schneehöhe zusammen.

Water accumulated as snow and subsequent snow melt are important components of the hydrological cycle, particularly in alpine regions. Monitoring and modelling of those processes provide important information for operational flood forecasting, engineering design and water resources management. Long-term observations of processes leading to snow pack accumulation and melt are also needed in the context of recent climate change to better understand the processes and factors that control the variability in snow melt runoff generation, particularly during extreme events in alpine regions. Representative observations of snow melt processes are however very sparse mainly because of the immense spatial variability of snow processes and difficulty to collect representative snow data in the mountains. The main aim of this diploma thesis is to examine and quantify long term changes in snow accumulation and melt at KÃ1⁄4htai observation station. This site is situated in Tyrol (Austria) and represents a typical condition of Alpine climate. The stations provides longterm observations of snow water equivalent from a 10 mÂ2 snow pillow, snow melt outflow from a 10 mÂ2 snow lysimeter placed at the same location as the pillow, meteorological data (precipitation, incoming short wave radiation, reflected short wave radiation, air temperature, relative air humidity and wind speed), and other snow related data (snow depths, snow temperatures at seven heights) from the period October, 1990 to June, 2019. The observations are unique in that all observations are available at a temporal resolution of 15 minutes over a period of almost 30 years with minimal changes in the experimental setup. The objective of the thesis is to analyze snow melt processes in an Alpine climate over a long time period, including their extremes and long-term changes. Snow melt is quantified by a snowmelt (degree-day) factor which is compared to observations from snow lysimeter. Analyses of annual, seasonal and short-term changes in the snowmelt factor benefit from the combined measurement of snow water equivalent, lysimeter outflow and precipitation at a wind-sheltered alpine site. The long-term observation of the development of snow melting factor shows an average downward trend over the entire year (January to December) or over the winter phase (September to June). An analysis of the characteristic months of snowmelt (March to May), on the other hand, shows that the degree-day factor increases significantly. The results show a significant seasonal difference in snowmelt. The median of the melting factor increases from 0.1 mm°C-1d-1 (winter months from December to February) to 3.9 mm°C-1d-1 (main phase of snowmelt from March to May). A look at the development of the melting factor over the course of a day shows a clear increase in the intensity during the afternoon. The average melting factor ranges from 0.1 mm°C-1h-1 at night to 5.9 mm°C-1h-1 at 2 p.m. The long-term trend development shows a shift in the main melting phase from April to March. This is related to changes in air temperature, snow water equivalent and snow depth.