Beobachten – Verstehen – Prognostizieren

VAO-II: Ausbau und Internationalisierung des Virtuellen Alpenobservatoriums

Umweltforschungsstation Schneefernerhaus

Schwerpunktthema III

Alpiner Wasserhaushalt

Alpine Räume sind von hoher hydrologischer Bedeutung. Mehr als 40 Prozent der Weltbevölkerung lebt an Flüssen mit hohen Gebirgsanteilen in den Flusseinzugsgebieten. Klimabedingte Änderungen des Wasserhaushaltes in den Gebirgen haben daher große Auswirkungen auf die Wasserversorgung. Doch auch die Energiesicherheit durch Wasserkraftwerke, der Hochwasserschutz und der Wintertourismus sind davon betroffen. Dennoch sind hydrologisch relevante Themenfelder für Hochgebirgsräume kaum erforscht. Dies liegt sowohl an der Heterogenität dieser Räume als auch an den widrigen Messbedingungen aufgrund der meist schlechten Zugänglichkeit. Zudem ist der Wasserhaushalt alpiner Räume aufgrund der Art und Menge des Niederschlags, des Wasseraustauschs, der Abflüsse sowie der Grundwasserneubildung nur schwer zu erfassen. Ziel dieses Schwerpunktthemas ist es, verbesserte Kenntnisse des alpinen Wasserhaushalts zu erarbeiten, um anschließend Abschätzungen der zukünftigen Wasserverfügbarkeit geben zu können. Einen wichtigen Schwerpunkt bildet dabei auch die Untersuchung der Umweltradioaktivität im Alpenraum.

Teilprojekte

TP III/01: Klimawandel und Wasserbilanz in Hochgebirgsregionen - Änderungen in lokalem Niederschlag, Schneerücklagen und Gletschervolumen, Schmelzprozessen sowie Abflussanteilen im nordalpinen Zugspitzgebiet und im zentralalpinen Sonnblickbereich

TP III/02: Einfluss von Turbulenz auf Mischwolken im Alpenraum

TP III/03: Umweltradioaktivität und kosmische Strahlung im Alpenraum: Auswirkung des Klimawandels auf den alpinen Wasserhaushalt und die Umweltradioaktivität

 

TP III/01: Klimawandel und Wasserbilanz in Hochgebirgsregionen - Änderungen in lokalem Niederschlag, Schneerücklagen und Gletschervolumen, Schmelzprozessen sowie Abflussanteilen im nordalpinen Zugspitzgebiet und im zentralalpinen Sonnblickbereich

Die Alpen sind ein klimasensitives System, dem eine beachtliche hydrologische Bedeutung zukommt. Es ist somit zu erwarten, dass der Klimawandel im Bereich der Hydrosphäre erhebliche Auswirkungen haben wird. Um der wichtigen Rolle der Alpen als Wasserlieferant gerecht zu werden, ist es zunächst erforderlich, Veränderungen des Wasserhaushalts in Hochgebirgsregionen kontinuierlich zu beobachten. Darüber hinaus ist es Ziel dieses Teilprojekts, prozessbasierte schneehydrologische Modelle anzuwenden, diese anhand von Messergebnissen zu validieren und weiterzuentwickeln, um die hydrologischen Folgen des Klimawandels abschätzen zu können. Dies impliziert auch isotopenhydrologische Analysen zur Quantifizierung unterschiedlicher Abflussanteile (Niederschlag, Schnee- und Gletscherschmelze, Karstwasser) sowie das Downscaling lokaler meteorologischer Größen aus großskaligen atmosphärischen Datenfeldern.

Zugspitz- und Sonnblickgebiet sind ideale hydrologische Untersuchungsregionen

Die Umweltforschungsstation (UFS) liegt im Einzugsgebiet des Partnach-Ursprungs, dem einzigen Abfluss für das Schmelzwasser des Zugspitzgebiets. Daher eignet sich der Ort ideal für Untersuchungen zum Wasserhaushalt. Zudem befinden sich in dieser Region verschiedene hydrologische und klimatologische Messstationen, die kontinuierlich ausgebaut und auf den neuesten Stand gebracht werden. Dies ermöglicht den Wissenschaftlern, auf vielfältiges Datenmaterial zurückzugreifen. Außerdem ist das Gelände ganzjährig und bei nahezu jeder Witterung gut zu erreichen. Da das Sonnblickgebiet in Österreich ebenso hervorragende Voraussetzungen mit sich bringt, arbeiten die UFS-Partner eng mit dem dortigen Observatorium Sonnblick zusammen, um Defizite in der hydrologischen Hochgebirgsforschung aufzuarbeiten.

Messung und Modellierung liefern wichtige Informationen zum Wasserhaushalt

Basierend auf Messdaten, statistischen Analysen und Modellsimulationen wollen die Wissenschaftler Änderungen im lokalen Niederschlag, in Schneerücklagen und Gletschervolumen sowie Schmelzprozessen und Abflussanteilen in den deutschen und österreichischen Alpen untersuchen. Auf Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse gilt es, Konzepte, Modelle und Verfahren zu erstellen, die auch in anderen Gebieten genutzt werden können. Zudem wollen die Forscher mit Hilfe der weiterentwickelten Methoden auch Abschätzungen über zukünftige Entwicklungen des Wasserhaushaltes liefern.

Unter der Leitung der Universität Augsburg werden an den verschiedenen Messstationen Niederschlag, Abfluss und Schneedeckenparameter erfasst. Darüber hinaus erfolgt auch Schneedecken- und Gletschervermessung mithilfe von Laserscanning und DGPS-Verfahren. Mit Computermodellen versuchen die Münchner Forschungspartner an der LMU die Prozesse in der Schneedecke wie Ablagerungen, Transport, Verdunstung und Schmelze möglichst realitätsnah zu simulieren. Messung und Modellierung laufen Hand in Hand und tragen gemeinsam zur Kenntniserweiterung bei.

Darüber hinaus sollen zur regionalen und lokalen Abschätzung zentraler Aspekte des Wasserhaushalts Techniken des statistischen Downscalings weiterentwickelt werden, um verlässlicher abschätzen zu können, wie sich der Klimawandel auf den regionalen Wasserkreislauf auswirken wird. Die Projektionen sind insbesondere für die Wasser- und Energiewirtschaft, die Tourismusbranche wie auch für planerische Prozesse in Behörden von großer Bedeutung.

TP III/02: Einfluss von Turbulenz auf Mischwolken im Alpenraum

Wolken gelten als eine der größten Unsicherheiten in globalen Klimasimulationen. Projektionen über zukünftige Niederschlagsverteilungen zeigen für viele Regionen Unklarheiten darüber, ob es in Zukunft mehr oder weniger Niederschlag geben wird. Dies gilt besonders für abgelegene Regionen wie den Alpenraum, der gleichzeitig vom Tourismus geprägt ist. Da sich der Tourismus vorwiegend auf Aktivitäten im Freien konzentriert, ist eine Verbesserung der Niederschlagsvorhersage von großer Bedeutung, um Freizeitaktivitäten besser zu steuern bzw. die Infrastruktur entsprechend anpassen zu können.

Auswirkung von turbulenten Strömungen auf Wolken

Um für den Alpenraum ein besseres Verständnis der Niederschlagsbildung zu erlangen, soll in diesem Teilprojekt der Einfluss von Wind und Turbulenz auf Wolken untersucht werden. Dabei werden Wolken näher betrachtet, in denen gleichzeitig die flüssige und feste Phase vorkommt, da es dort vermehrt zur Bildung von Eiskristallen oder Graupel kommt. Die Turbulenz der Luft hat hierbei einen entscheidenden Einfluss auf die Sammeleffizienz von fallenden Wolkenpartikeln und somit auf die Geschwindigkeit, mit der Niederschlagspartikel wachsen können. Unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation bearbeiten Wissenschaftler im Rahmen dieses Teilprojekts drei zentrale Fragen:

• Ist die Bildung von Regen und Schnee im Alpenraum von Wind und Turbulenz abhängig?
• Wie kann der Einfluss des Windes und der Turbulenz auf die Niederschlagseffizienz parametrisiert werden?
• Welche Auswirkungen hat ein verändertes Klima auf die Niederschlagseffizienz von Mischwolken?

Messungen zur Vorhersage der Niederschlagsbildung

Diese Prozesse werden an den Forschungsstationen Schneefernerhaus in Deutschland und Jungfraujoch in der Schweiz untersucht. Beide Stationen sind hoch genug gelegen, um Messungen in Mischwolken durchzuführen. In ihren exponierten Lagen liegt die Temperatur einige Monate im Jahr unterhalb des Gefrierpunkts, so dass Eiskristalle und Wolkentröpfchen direkt vor Ort beobachtet werden können. Zudem herrscht in diesen Höhen eine große Variabilität in der Turbulenzintensität.

An den beiden Forschungsstationen werden jeweils zwei mehrwöchige Messkampagnen durchgeführt. Im Anschluss daran findet eine Auswertphase mit Parametrisierung statt. Diese Parametrisierung kann verwendet werden, um mit Klimamodellen zu testen, ob sich bei einem veränderten Klima auch die Niederschlagseffizienz ändert.

TP III/03: Umweltradioaktivität und kosmische Strahlung im Alpenraum: Auswirkung des Klimawandels auf den alpinen Wasserhaushalt und die Umweltradioaktivität

Regionen über 2.000 m NN sind vom Klimawandel in besonderer Weise betroffen. Forscher prognostizieren für die Zukunft mildere Winter, höhere Niederschlagsraten sowie eine Verschiebung der Vegetationsperioden. Je nach Niederschlagsart geht mit dem Regen eine unterschiedlich große Menge radioaktiver Stoffe, sogenannte Radionuklide, nieder. Mit Hilfe von Modellen können Wissenschaftler den Transport und die Freisetzung der Radionuklide bestimmen und Prognosen über die eine mögliche radioaktive Kontamination in Oberflächen-, Grund- und Trinkwässern machen.

Radioökologische Prozesse bei Schnee kaum erforscht

Neben Regen kann insbesondere Schnee sehr viele Radionuklide aus der Atmosphäre auswaschen und an den Boden abgeben. Wie der Boden stellt auch die Schneedecke eine Senke für radioaktive Stoffe dar, mit dem Unterschied, dass die für den Boden typischen Schadstofffiltereigenschaften im Schnee fehlen. Zudem werden Radionuklide in der Schneedecke durch Schmelze und Sublimation konzentriert. Wenn im Frühjahr der Schnee schmilzt, können sie in großen Mengen freigesetzt werden und Oberflächen- sowie Grundwasser und damit auch Trinkwasser kontaminieren. Dies birgt auch eine Gefahr für den Menschen, da er einer erhöhten Strahlenexposition ausgesetzt ist.

Radioökologische Prozesse, die mit Schnee einhergehen, sind bisher kaum erforscht und über die damit verbundenen Auswirkungen der ionisierenden Strahlung auf den Menschen ist bis jetzt wenig bekannt. Daher ist das Ziel dieses Teilprojekts die Auswirkungen des Klimawandels auf den alpinen Wasserhaushalt und die Umweltradioaktivität sowie deren Folgen für den Menschen zu untersuchen. Mit Hilfe der Forschungsergebnisse sollen verlässliche Prognosen zu radioaktiven Kontaminationen gemacht und Strategien entwickelt werden, um diese zu vermindern.

Messungen zur Umweltradioaktivität

Unter der Leitung des Instituts für Strahlenschutz des Helmholtz Zentrums München erheben die Wissenschaftler zuerst den Ist-Zustand der Umweltradioaktivität. Dazu wird die Ablagerung von natürlichen und künstlichen Radionukliden im Schnee am Zugspitzplatt monatlich sowie in Gesamtjahresschneeprofilen erfasst. Ergänzt werden die Ergebnisse durch Daten zur Freisetzung der in der Schneedecke akkumulierten Umweltradionuklide, indem Schmelzwasserproben an der Partnach-Quelle genommen werden. Schließlich werden verschiedene Winterszenarien entwickelt, die mögliche Auswirkungen der Klimaänderung im Alpenraum auf Niederschlag, Schneebedeckung und Schneeschmelze widerspiegeln und deren Einfluss auf Eintrag und Verbleib der Radionuklide berücksichtigen.

Um eine größerer Fläche innerhalb des Alpenraums zu erfassen, werden parallel dazu auch Daten auf der österreichischen Höhenforschungsstation Sonnblick Observatorium und der schweizerischen Höhenforschungsstation Jungfraujoch erhoben.

Ansprechpartner TP III / 01
Prof. Dr. Jucundus Jacobeit
Uni Augsburg-IGUA
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Tel. +49 821 598-2662
Fax +49 821 598-2264

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Ansprechpartner TP III / 02
Prof. Dr. Eberhard Bodenschatz
MPG - DS
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Tel. +49 551 5176-300
Fax +49 551 5176-702

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Ansprechpartner TP III / 03
Dr. Kerstin Hürkamp
Helmholtz Zentrum München
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Tel. +49 89 3187 2203
Fax +49 89 3187 3323

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Dr. Jochen Tschiersch
Helmholtz Zentrum München
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Tel. +49 89 3187-2763


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