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Modellieren der Wärmestrahlung im Innern eines Waldbestandes

Aktuell

Schlaglicht auf SLF-Forschung

Einfluss der Waldstruktur auf die Schneeschmelze

Eine neue Publikation zu diesem Projekt ist im September 2017 im „Journal of Geophysical Research“ erschienen. Die American Geophysical Union hat den Artikel ausgewählt, um ihn als «Research Spotlight» auf ihrer Webseite vorzustellen. Sie wählt dafür jeweils die besten Beiträge aus den aktuellen Ausgaben ihrer Fachjournale aus und fasst sie für eine breite Öffentlichkeit zusammen.

Wenn im Frühjahr die Tage länger und wärmer werden, beginnt der Schnee auch in den Bergen wegzuschmelzen. Ein recht grosser Teil des Schmelzwassers stammt aus Gebieten, die bewaldet sind, bedecken doch Wälder rund 30% unserer Landesfläche. Wo, wann und wie schnell der Schnee in den Wäldern schmilzt, ist mitentscheidend, ob im Frühling Hochwasser entstehen können.

Ein wichtiger Faktor für die Schneeschmelze im Wald ist die langwellige Strahlung, die auf die Schneeoberfläche gelangt - also Wärme, die der Himmel oder die Oberfläche der Bäume abstrahlen. Bisherige Computermodelle simulieren die langwellige Wärmestrahlung im Waldesinnern anhand der Lufttemperatur.

Wald als Kältesenke

Clare Webster, Doktorandin aus der Forschungsgruppe Schneehydrologie, setzte sich zum Ziel, zu überprüfen, wie zuverlässig solche Modelle die Wärmestrahlung berechnen. Sie konnte dabei auf einen grossen Datensatz zugreifen: Das Team Schneehydrologie erfasste während rund 10 Jahren an drei verschiedenen Nadelwaldstandorten in den Schweizer Alpen, wie viel lang- und kurzwellige Strahlung auf die Schneeoberfläche auftraf. Ausserdem massen die Forschenden die Lufttemperatur sowohl oberhalb des Kronendachs auf 35 m, als auch im Innern des Waldes auf 10 m und 2 m.

Wärmebildkameraaufnahme
Abb. 1: Messgeräte messen langwellige und kurzwellige Strahlung, die unmittelbar neben einem Stamm auf die Schneeoberfläche treffen.

Webster fand heraus, dass gewisse Mängel der Modelle darin begründet sind, dass die gemessene Lufttemperatur oberhalb des Kronendachs höher war als unterhalb - der Wald agierte also gewissermassen als Kältesenke. Ausserdem zeigte sich, dass bestehende Modelle vor allem dann ungenau sind, wenn durch den im Frühling steigenden Sonnenstand zunehmend kurzwellige Sonnenstrahlen in den Wald eindringen und dort die Baumstämme aufheizen.

Baumstämme viel wärmer als Umgebungsluft

Wie Wärmebilddaten zeigen, kann die Stammoberflächentemperatur bis zu 30 °C höher sein als die umgebende Lufttemperatur; entsprechend strahlen die Bäume mehr Wärme ab als bisher angenommen. Diesen Effekt konnte Webster in ein neues Model einbauen und damit deutlich verbesserte Resultate erzielen.

Wärmebildkameraaufnahme
Abb. 2: Diese Aufnahme mit einer Wärmebildkamera zeigt, dass der Baumstamm bis zu 30 °C wärmer ist als die Umgebungsluft.

Dazu entwickelte sie eine einfache Methode, wie sich die Stammtemperatur anhand der gemessenen Lufttemperatur und der kurzwelligen Sonneneinstrahlung vorhersagen lässt. Damit lässt sich das erweiterte Modell auch anwenden, wenn keine Wärmebilddaten über die Stammtemperatur vorhanden sind.

Panoramaaufnahme eines Waldbestandes mit Hilfe einer Wärmebildkamera
Abb. 3: Panoramaaufnahme des Waldbestandes rund um eine Bestandeslücke mit Hilfe einer Wärmebildkamera. Am meisten haben sich die Bäume am nordwestlichen Rand der Lücke aufgeheizt.

Publikationen

  • Clare Webster, Nick Rutter, Tobias Jonas; Improving representation of canopy temperatures for modeling sub-canopy incoming longwave radiation to the snow surface; 2017; Journal of Geophysical Research, doi: 10.1002/2017JD026581
  • Clare Webster, Nick Rutter, Franziska Zahner, Tobias Jonas; Modeling sub-canopy incoming longwave radiation to seasonal snow using air and tree trunk temperatures; 2016; Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 121, 1220–1235, doi:10.1002/2015JD024099
  • Clare Webster, Nick Rutter, Franziska Zahner, Tobias Jonas; Measurement of incoming radiation below forest canopies: A comparison of different radiometer configurations; 2016; Journal of Hydrometeorology, 17, 853–864, doi: 10.1175/JHM-D-15-0125.1
  • Isabelle Gouttevin, Michael Lehning, Tobias Jonas, David Gustafsson, Meelis Mölder; A two-layer canopy with thermal inertia for an improved snowpack energy balance below needleleaf forest (model SNOWPACK, version 3.2.1, revision 741); 2015; Geoscientific Model Development, 8, 2379–2398, 2015, doi:10.5194/gmd-8-2379-2015
  • Manfred Stähli, Tobias Jonas, David Gustafsson; The role of snow interception in winter-time radiation processes of a coniferous sub-alpine forest; 2009; Hydrological Processes, 23, 2498–2512, doi:10.1002/hyp.7180

Link zu anderen Projekten

In einem weiteren Projekt verwendeten SLF-Forschende Fernerkundungs-Daten, um die Waldstruktur detailliert beschreiben zu können. Damit konnten sie ein neues Wald-Schnee-Interzeptions Modell entwickeln, das 30% genauer ist als bisherige Berechnungen.

Dank der Erkenntnisse aus diesen beiden Projekten lässt sich besser beurteilen, wie viel Wasserressourcen in bewaldeten Gebieten im Schnee gebundenen sind. Diese Informationen fliessen direkt in das Monitoring im Rahmen des operationellen schneehydrologischen Dienstes am SLF ein.

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