Schnee im Wald

Sowohl die Schneefallverteilung als auch die Schneeschmelzmuster sind in Wäldern deutlich vielfältiger und komplizierter als im offenen Gelände. Diese Variabilität wird in erster Linie durch die dreidimensionale Waldstruktur bestimmt, denn dichter und lichter Wald, Lücken und Ränder erzeugen grosse Unterschiede im Schneedeckenaufbau und den Schneeschmelzmustern. Um unsere Vorhersagen über die Entwicklung der Schneedecke in diesen Gebieten zu verbessern, müssen wir besser verstehen, wie die Waldstruktur die Schneeprozesse im Wald beeinflusst.

Wälder bedecken grosse Teile der nördlichen Hemisphäre, unter anderem rund 30% der Fläche der Schweiz. Die Schneeschmelze aus den Wäldern ist daher ein enorm wichtiger Beitrag zur Süsswasserversorgung. Schneebedeckte Wälder, mit und ohne Schnee in den Baumkronen, beeinflussen zudem das Reflexionsvermögen der Landoberfläche, was von grosser Bedeutung für unser Klima ist. Dunkle Bäume absorbieren mehr Sonnenenergie als heller, weisser Schnee, was die Energieabsorption der Landoberfläche erhöht und die Erwärmung im Vergleich zu offenem Grasland verstärkt. Prozesse, die die Entwicklung der Schneedecke in Wäldern steuern, spielen daher sowohl für die Hydrologie als auch für das Klima eine Schlüsselrolle.

Wald-Schnee-Prozesse

Wälder fangen den Schneefall auf, indem sie den Schnee in den Kronen der Bäume festhalten und die Schneemenge, die sich auf dem Waldboden absetzt, reduzieren. Während der Schneeschmelze absorbieren die Wälder einen Grossteil des Sonnenlichts, was die Schneedecke von der Sonneneinstrahlung abschirmt. Gleichzeitig wird jedoch der Wald erwärmt und gibt Wärmeenergie an die Schneedecke ab. Die Kombination dieser Prozesse führt zu stark variierenden Schneehöhen über kurze Distanzen innerhalb des Waldes und erzeugt "heisse" und "kalte" Stellen sehr nahe beieinander, was zu grossen räumlichen Unterschieden in der Schmelzrate führt.

Abb. 1: Luftbilder eines Waldgebietes bei Davos während drei Tagen in der Schneesaison, welche die starke räumliche und zeitliche Variabilität verschiedener relevanter Schneeeigenschaften und Prozesse zeigen.

Monitoring und Modellierung von Schnee in Wäldern

Die meisten Schneeschmelzmodelle können die räumlichen Unterschiede der Waldstruktur, sowie deren Auswirkung auf die Massen- und Energieflüsse nicht wiedergeben. Dies führt zu Fehlern bei der Abschätzung der Schneeschmelze, und wirkt sich ausserdem auf die flussabwärts gerichtete Wassernutzung aus. Die derzeitigen Schwierigkeiten bei der Modellierung von Wald-Schnee-Prozessen tragen auch zu den Unsicherheiten zukünftiger Klimaprojektionen bei. Um diese Modelle zu verbessern, haben wir innovative Fernerkundungsmethoden und bodengestützte Technologien entwickelt, um die Waldstruktur, die Schneeverteilung und die Muster der Sonnen- und Wärmestrahlung innerhalb und über den Wäldern zu messen. Unsere Messungen helfen bei der Modellentwicklung für hydrologische Anwendungen wie dem Operationellen Schneehydrologischen Dienst sowie für Klimamodellierungsanwendungen.

Abb. 2: Seilbahnsystem (links) und Drohne (rechts) ausgestattet mit Strahlungssensoren, die zur Messung der Sonnen- und Wärmestrahlung unterhalb und oberhalb des Waldes entwickelt wurden. Der Strahlungstransfer durch den Wald auf die Schneedecke ist ein besonders wichtiger Treiber von Schneeschmelzmustern.

Abb. 3: Konzeptskizze der Massen- und Energiebilanz von Schnee im Wald. Schneemodelle, die in bewaldeten Gebieten angewendet werden sollen, müssen diese Prozesse adäquat erfassen.

Themen

Messungen innerhalb des Waldes

Die Menge der Sonnen- und Wärmestrahlung, welche die Schneeoberfläche erreicht, ist der wichtigste Faktor für die Schneeschmelze in Wäldern. Die Waldstruktur erzeugt "heisse" und "kalte" Strahlungsflecken, die durch Abschattung der Schneedecke und Erwärmung des Waldes räumlich sehr nahe beieinander liegen.

Drohnen- und flugzeuggestützte Beobachtungen

Luftbeobachtungen erlauben uns, Bäume und Schnee aus neuen Perspektiven zu beobachten. Ausserdem können wir damit viel größere Flächen sehen als stationäre Instrumente auf Messtürmen.

Modellierung von Strahlung und Schnee in Wäldern

Detaillierte Kenntnisse über die Entwicklung der Schneedecke in Wäldern sind wichtig für ökologische, hydrologische und klimatologische Modellierungen. Die komplexe Waldstruktur und ihr Einfluss auf Schneeakkumulations- und Schneeschmelzmuster machen die Schneemodellierung in Wäldern zu einer besonderen Herausforderung.

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