Erforschung der Zirkulation auf einer Hochebene

Luftströmungen im Alpenraum sind komplex und schwierig erklärbar. Oft wirken mehrere Effekte zusammen. Meteorologen der Universität München erforschten die Zirkulation auf dem Zugspitzplatt und fanden interessante Phänomene.

Martin Gassner

Woher nur kommt plötzlich dieser Gegenwind? Diese Frage musste sich schon mancher Pilot während eines Fluges stellen. Auch die nachträgliche Analyse lieferte keine schlüssigen Erklärungen. Im Alpenraum sind die Luftströmungen komplex und oft nur schwierig erklärbar. Welchen Einfluss hat zum Beispiel das Gelände auf das Talwindsystem? Selbst unter den Wissenschaftlern sind diesbezüglich viele Fragen offen. So untersuchte ein Forscherteam der Universität München den Tagesgang der Windzirkulation auf dem Zugspitzplatt, einer Hochebene, welche sich südlich der Zugspitze erstreckt. Zum Zugspitzplatt führt ein enges Tal von Garmisch-Partenkirchen her hinauf. Solche Paarungen von Hochebenen und engen Zugangstälern sind in den Alpen häufig anzutreffen. Man denke nur an die Greina-Ebene, zu der das enge Val Sumvitg hinauf führt.

Beitrag Global Atmosphere Watch. Auf dem Zugspitzplatt befindet sich eine Messstation des Global Atmosphere Watch-Programmes (http://www.wmo.ch/web/arep/gaw/gaw_home.html), das von der World Meteorological Organisation (WMO) lanciert wurde. Dieses Programm hat zum Ziel, einen globalen Datensatz von ausgewählten meteorologischen Grössen zu erstellen und diesen für weitere Studien bereit zu stellen. Ein Themengebiet dieser Forschungen bildet zum Beispiel der Klimawandel. Nicht nur präzise Messwerte sind wichtig, um diese Daten interpretieren zu können, sondern auch die meteorologischen Effekte, die sich dahinter verbergen, müssen verstanden sein. Auf dem Zugspitzplatt entwickelt sich an sonnigen Tagen gewöhnlich ein ausgeprägtes Windsystem. Für die Qualität der Luft ist entscheidend, woher sie stammt. So interessierte die Forscher, ob die Luft aus der umliegenden Atmosphäre angesogen wird, oder ob sie durch das enge Tal herauf strömt. Ausgangspunkt für diese Fragestellung waren meteorologische Effekte, wie sie andernorts einerseits über Hochebenen und andererseits in Bergtälern auftreten. Im kombinierten System, wo eine Hochebene und ein steiles Zugangstal zusammenwirken, war unklar, welcher Effekt dominieren würde.

Eigene Zirkulation auf Hochebenen. Hochebenen können eine eigene, thermisch induzierte Zirkulation entwickeln. Während des Tages wirken sie als lokale, hochgelegene Wärmequellen und heizen die darüber liegende Luft auf. In der Luft hingegen, welche in einigem Abstand ausserhalb der Hochebene liegt, treten nur geringe tageszeitliche Schwankungen auf. Mit den steigenden Temperaturen sinkt der Luftdruck über der Hochebene, während er in der freien Atmosphäre ausserhalb unverändert bleibt. Diese entstehende Druckdifferenz ruft eine zum Plateau hin gerichtete Strömung hervor. Wie Beobachtungen an verschiedenen Orten zeigten, können solche Strömungen recht kräftig werden, insbesondere wenn sie noch durch Bergpässe kanalisiert werden.

Googles Sicht von Südwesten auf das Zugspitzplatt.

Volumeneffekt: Im engen Tal wird die Luft stärker aufgewärmt als in einem weiten Tal oder als über dem Flachland, weil dort weniger Luft liegt. .

Zirkulation auf einer Hochebene: Die Luft über der Hochebene wird stärker erwärmt als ausserhalb in der freien Atmosphäre. .

Volumeneffekt als Ursache für das Berg- und Talwindsystem. In Bergtälern entwickelt sich an sonnigen Tagen ein ausgeprägtes Berg- und Talwindsystem. Hauptsächliche Ursache ist der Volumeneffekt: In einem V-Tal liegt nur die Hälfte des Luftvolumens als über einer Ebene mit gleicher Grundfläche im Flachland mit gleicher Höhe. Für die Sonneneinstrahlung ist aber die horizontale Fläche massgebend. Für das V-Tal und auch das Gebiet im Flachland sind diese Flächen gleich gross, an beide Orte gelangt somit gleich viel Sonnenenergie. Da sich im V-Tal nur halb so viel Luft befindet, wird diese doppelt so stark erwärmt als jene im Flachland, womit im V-Tal der Luftdruck stärker sinkt als im Flachland. So wird Luft vom Flachland durch die Täler in die Berge gesogen: der Talwind setzt ein.
Je nach Form des Tales wird die Luft darin verschieden aufgeheizt, wobei auch die Ausrichtung zur Sonne wichtig ist. Nicht nur das Haupttal, sondern auch die Seitentäler müssen berücksichtigt werden. Der Talwind bläst bis zum Gebiet mit der stärksten Erwärmung. Das liegt nicht notwendigerweise auf Passhöhe. Im Engadin zum Beispiel bläst der Talwind vom Val Bregaglia über den Malojapass bis nach Samedan oder weiter. Im Goms bläst der Talwind über den Grimselpass oft bis nach Münster hinunter.

Beobachtungen. Welcher Effekt überwiegt nun im kombinierten System Hochplateau mit steilem Zugangstal? Würde der Hochplateau-Effekt überwiegen, wäre nur eine schwache Strömung in Bodennähe im Talgrund zu beobachten, während die Hauptströmung auf der Höhe des Plateaus zu finden wäre. Die Zirkulation der Hochebene würde ausserhalb der Hochebene eine Absinkbewegung hervorrufen. Überwöge hingegen der Talwind-Effekt, wäre die Hauptströmung immer in Bodennähe, sodass die Luft durch das enge Tal auf die Hochebene hinaufströmen würde.
Die Forscher führten die intensiven Messungen an Tagen mit einer mässig starken Westwindlage durch. Mehrmals täglich liessen sie Sondierballone steigen. Bei zwei Bodenstationen gewannen sie kontinuierliche Daten, eine auf dem Plateau und eine im Zugangstal. Weiter lieferte auch die Gipfelstation auf der Zugspitze wertvolle Werte. Die gemessenen Zahlen fütterten sie in ein numerisches Modell, das die Strömung recht genau simulierte.
Die Beobachtungen zeigten, dass sich im Zugangstal trotz Westwindlage das Berg- und Talwindsystem normal entwickelte. Der Talwind erreichte eine Mächtigkeit von 400 m bis 500 m. Kurz nachdem im Zugangstal der Talwind eingesetzt hatte, setzte auch auf der Hochebene der Wind vom Tal her ein. Innerhalb weniger Minuten war die Ebene mit Talluft überflutet. Die Computersimulation stützte die These, dass die Zirkulation auf dem Zugspitzplatt Teil des Berg- und Talwindsystems ist.

Talwindzirkulation ist kein geschlossenes System. Ein interessantes Phänomen trat wiederholt während den Nachtstunden auf. Plötzlich fiel der Taupunkt um mehrere Grade ab, um erst wieder beim Einsetzen des Talwindes anzusteigen. Dies lässt vermuten, dass die Luft, welche mit dem Bergwind zu Tale floss, aus grosser Höhe stammte, wo die grossräumige Subsidenz im Hochdruckgebiet die Luft ausgetrocknet hatte. Das bedeutet, dass nicht jene Luft, welche am Tag mit dem Talwind hinaufgeströmt war, wieder in tiefe Lagen herunterströmte. Der überregionale Wind hatte sie weggetragen. Die Talwindzirkulation ist somit kein geschlossenes System, sondern tauscht mit den höheren Schichten Luft aus.

Quelle: Erforschung der Zirkulation auf einer Hochebene,
Wissenschaftliche Publikation, Gantner, L., M. Hornsteiner,
J. Egger, G. Hartjenstein, 2003: The diurnal circulation of Zugspitzplatt: observations and modelling. – Meteorologische Zeitschrift, Vol. 12 No. 2, 95–102.

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