Bodentemperaturmessungen und -simulationen im Lötschental (Schweizer Alpen)

Abstract

In der vorliegenden Dissertation geht es um die Messung und Simulation der Bodentemperatur im Hochgebirge. Die Aufgabenstellungen der Arbeit beinhalten zunächst die Auswertung und qualitative Analyse der im Rahmen dieser Studie erfassten, mehrjährigen Bodentemperaturmessreihen aus dem Untersuchungsgebiet in den Schweizer Alpen. Weiterhin sollte der Einsatz eines komplexen, eindimensionalen SVAT-Modells für die punktuelle Simulation der Bodentemperatur im Hinblick auf die speziellen Verhältnisse des Hochgebirges getestet werden. Schließlich sollte unter Berücksichtigung der Erkenntnisse aus den Messungen und den eindimensionalen Simulationen ein Ansatz zur flächenhaften Simulation der Bodentemperatur für den Untersuchungsraum entwickelt werden. <br /> Auf Grundlage der Messdaten konnten charakteristische Bodentemperatur-Standorttypen unterschieden und mit den jeweiligen Standortbedingungen in Beziehung gesetzt werden. So ließen sich vor allem an vegetationsfreien Standorten die Auswirkungen der reliefbedingten Strahlungsdifferenzierung erkennen, während diese Unterschiede im Wald nahezu nivelliert werden. Die absolut höchsten Temperaturen wurden an strahlungsbegünstigten, vegetationsfreien Standorten festgestellt. Der Einfluss der Vegetation auf den Bodentemperaturverlauf läßt sich mit einer proportional zur Mächtigkeit der Vegetationsschicht anwachsenden Dämpfung und einer vor allem im Wald wirksam werdenden Erniedrigung der Temperaturen gegenüber vegetationsfreien Flächen beschreiben. <br /> Das im Rahmen der vorliegenden Arbeit erstmals in einem Hochgebirgsraum eingesetzte SVAT-Modell BEKLIMA des Deutschen Wetterdienstes ermöglichte eine im Vergleich zu den Messdaten gute bis sehr gute Simulation der Bodentemperaturen an den Standorten der Klimastationen. Wichtig sind für gute Ergebnisse allerdings Stationsstandorte mit einer gewissen horizontalen Homogenität der Randbedingungen und ohne besondere Störeinflüsse. Die Untersuchung der Modellsensitivität bestätigte den großen und aufgrund der Literaturangaben sowie der eigenen Messungen zu erwartenden Einfluss der Vegetationsdecke in Form der bereits erwähnten Dämpfung und Absenkung der Bodentemperaturen. Von Bedeutung für die Simulationsergebnisse ist auch der Anteil organischer Substanz im Boden. Einen überraschend geringen Einfluss auf die Modellergebnisse haben dagegen Änderungen der Bodenart, was auf einen modellinternen Fehler hinweist. <br /> Um die flächenhafte Differenzierung der Bodentemperaturen im Bereich des Untersuchungsgebietes zu simulieren, wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit das physikalisch-empirische Modell BTEMP entwickelt, welches auf der räumlichen Verteilung der Lufttemperaturen, der Globalstrahlung und der Vegetation basiert. Mit BTEMP konnten allein auf Grundlage der Lufttemperaturen im Mittel zwischen 69 % und 79 % der täglichen Bodentemperaturvarianz an den untersuchten Standorten erklärt werden. Die zusätzliche Berücksichtigung der räumlichen Verteilung der (potenziellen) Globalstrahlung und der Vegetation führt zu einer deutlichen Erhöhung der Simulationsgüte. Trotz der unberücksichtigt bleibenden Einflussgrößen wie z.B. Bodenfeuchte und Bodenart ermöglicht dieser relativ einfache Modellansatz eine insgesamt befriedigende, flächenhafte Simulation der Bodentemperaturen mit einer zeitlichen Auflösung von einem Tag. <br /> Für eine Verbesserung der flächenhaften Simulationsergebnisse wären als Eingabegrößen insbesondere weitere Lufttemperaturdaten aus verschiedenen Höhenlagen, Bewölkungsdaten, thermale Fernerkundungsdaten und Angaben zur räumlich-zeitlichen Verteilung der Bodenfeuchte sinnvoll.

<strong>Soil temperature measurements and simulationsin the Lötschental valley (Swiss Alps) </strong><br /> This thesis is about measurement and simulation of soil temperatures in a high mountain environment. Aims of the study are first the evaluation and qualitative analysis of soil temperature measurements from different locations in the investigation area in the Swiss alps. Secondly, the application of a complex one-dimensional SVAT model for the local simulation of soil temperatures was evaluated under consideration of the particular environmental conditions of the high mountains. Finally, a new approach for the simulation of spatial soil temperature distribution was developed, taking into account the results from the measurements and the SVAT simulations. <br /> On the basis of the empirical data, characteristic soil temperature location types could be differentiated and be related to the specific local conditions. For instance, the effects of the landform-related solar radiation variation were dominant in vegetation-free locations, while these differences had almost no effect in the forest. The absolutely highest temperatures were determined in vegetation-free locations with an above-average radiation yield. Generally, the vegetation influence on the course of soil temperatures can be described as a dampening proportional to the depth of the vegetation layer and, particularly in the forest, a reduction of the average temperatures in relation to vegetation-free surfaces. <br /> On the basis of the empirical data, characteristic soil temperature location types could be differentiated and be related to the specific local conditions. For instance, the effects of the landform-related solar radiation variation were dominant in vegetation-free locations, while these differences had almost no effect in the forest. The absolutely highest temperatures were determined in vegetation-free locations with an above-average radiation yield. Generally, the vegetation influence on the course of soil temperatures can be described as a dampening proportional to the depth of the vegetation layer and, particularly in the forest, a reduction of the average temperatures in relation to vegetation-free surfaces. <br /> In order to simulate the spatial variation of soil temperatures within the investigation area, the physical-empirical model BTEMP was developed. This model is based on the spatial distribution of air temperatures, solar radiation and vegetation. Considering air temperatures alone, BTEMP explained between 69 % and 79 % of the daily soil temperature variance at the locations examined. The additional consideration of the spatial distribution of potential solar radiation and vegetation leads to a marked increase of the simulation quality. Despite other variables of importance like soil water content or soil type, which remain unconsidered, this relatively simple model allows a generally satisfactory simulation of spatial soil temperature distribution with a temporal resolution of one day. To enable an improvement of simulation results, further air temperature data from different altitudes, cloud cover data, thermal remote sensing data and soil water content data would be useful as additional input parameters to the model.