Wie viel Wasser für Kraftwerke und Landwirtschaft zur Verfügung steht, hängt davon ab, wie viel Schnee im Hochgebirge liegt. Ein Forschungsprojekt im Davoser Dischmatal liefert neue Erkenntnisse über die Prozesse, die bei der Ablagerung und Schmelze von Schnee eine entscheidende Rolle spielen.

Prof. Michael Lehning und Rebecca Mott vom SLF im Feldeinsatz bei der Wetterstation im Davoser Dischmatal.

Erlaubt es das Wetter, fährt eine Gruppe von Forschenden von April bis Juni frühmorgens oft mit einem Quad ins Davoser Dischmatal. Am Vorabend haben sie mit dem zuständigen Sicherheitsbeauftragten den Wetterbericht, die Angaben der lokalen Wetterstationen und die Schneelage genau studiert. Zusätzlich haben sie sich beim Lawinenwarndienst vergewissert, dass die Lawinengefahr einen Feldeinsatz im Dischmatal erlaubt. Trotzdem fährt ein Forscher nie allein. Zu der Projektgruppe Dischmaexperiment, einem Projekt des WSL-Instituts für Schnee und Lawinenforschung SLF und der EPFL, das zum Teil vom Schweizerischen Nationalfonds (SNF) unterstützt wird, gehören eine wissenschaftliche Mitarbeiterin, ein Postdoc, vier Doktoranden sowie Masterstudenten, die sich an der Feldarbeit beteiligen.

Versuchsgelände ist ein Hügel im Hochtal, das von Davos aus nach Südosten Richtung Engadin verläuft. «Hier gibt es viel weniger Betrieb als beispielsweise im benachbarten Flüelatal», erklärt Rebecca Mott, wissenschaftliche Mitarbeiterin am SLF, die Wahl des Dischmatals als Experimentierfeld. Zudem hat das Tal eine einfache, fast perfekte U-Form, was für einen Modellstandort ideal ist. Zusammen mit den Kollegen stellt die Wissenschaftlerin ihre Messinstrumente auf. Auf einem Kamerastativ wird der Messkopf eines Laserscanners montiert. Damit lässt sich die Schneeverteilung an den umliegenden Berghängen genau erfassen.

Die Laserscanner-Messungen sind Teil eines Forschungsprojekts, das untersucht, wie Wechselwirkungen mit der Atmosphäre die Ablagerung und Schmelze von Schnee im Alpenraum steuern. «Wir wollen wissen, wo der Schnee im Winter abgelagert wird und wo er zur Schmelze beiträgt», erklärt Michael Lehning, der Leiter der SLF-Forschungseinheit «Schnee und Permafrost» und Professor für Kryosphärenforschung an der EPFL. Im Hochgebirge gibt es nur wenige Schneemessstationen, die zudem nicht besonders aussagekräftige Werte liefern. Und Studien haben in den vergangenen Jahren beispielsweise gezeigt, dass in Gipfellagen eher weniger Schnee liegt als erwartet. «Das ist eine entscheidende Verständnislücke, will man die Wasserressourcen insgesamt im Hochgebirge abschätzen», sagt der Wissenschaftler.

Zuverlässige Aussagen über die alpinen Wasserressourcen sind wichtig für die Stromproduktion der Wasserkraftwerke, die Bewässerung in der Landwirtschaft und die Vorhersage von Hochwassern. Denn vor allem im Frühling und Sommer liefert das Hochgebirge einen überproportional grossen Anteil zur gesamten Wassermenge. Aber auch die Folgen des Klimawandels lassen sich nur abschätzen, wenn man weiss, wie viel Schnee heute im Gebirge lagert. Die Experten rechnen damit, dass die Schneelage in Davos auf gut 1500 Meter Höhe Ende dieses Jahrhunderts etwa derjenigen entspricht, die jetzt im 700 Meter tiefer gelegenen Küblis vorherrscht. Doch was die Erwärmung für die Hochgebirge tatsächlich bedeuten wird, weiss heute niemand. «Unser Projekt soll zur Beantwortung dieser Frage beitragen», sagt Michael Lehning.

Niederschlags- und Schneeverteilung: extreme Unterschiede

Bis auf Zentimeter genau können die Forschenden dank dem Laserstrahl die Veränderung der Schneeverteilung bestimmen.

Der Laserstrahl im Davoser Versuchsgelände misst die Distanz zum Zielort. Aus den Werten vor und nach einem Schneefall können die Forschenden auf ein paar Zentimeter genau bestimmen, wie sich die Schneeverteilung verändert hat. Auf einer Karte ist die Schneeerosion in Blau eingezeichnet, die Aufhäufungen in Rot. «Es gibt zum Teil extreme Unterschiede zwischen anderthalb Metern mehr oder einem halben Meter weniger Schnee», erklärt die Expertin Rebecca Mott, und man sieht auch, ob ein Teil wie bei einem Lawinenabgang abgerutscht ist. Ein Phänomen interessiert die Forschenden dabei besonders, welches sie «präferenzielle Ablagerung» nennen. Dafür vergleichen sie die Daten des Laser scanners mit den Niederschlagswerten, die ein hochauflösender Wetterradar im letzten Jahr geliefert hat. Diese Anlage blickt von Davos Parsenn aus ins Versuchsgebiet und misst die Niederschlagskonzentration in der Luft. Die Forschenden stellten fest, dass die Verteilung des Niederschlags über dem Dischmatal ziemlich gleichmässig war, nicht so die Schneeverteilung am Boden. «Da stellen wir eine relativ grosse Abweichung fest, und wir wollen herausfinden, was dazwischen passiert», sagt Michael Lehning.

Erste Resultate: Offenbar werden die Schneeflocken bereits vor dem Auftreffen auf dem Boden von Luftwirbeln erfasst und dadurch an bestimmten Orten eher abgelagert als anderswo. Zudem scheinen in der Schneewolke verschiedene Prozesse abzulaufen, die zu einer Konzentration von Niederschlag über einem Gipfel oder Grat führen. «Bisher hat man angenommen, dass der Schnee relativ gleichmässig fällt und dann vom Bergrücken ins Lee, also an die vom Wind abgewandte Seite, transportiert wird», erklärt Rebecca Mott. Das heisst: Neben den klassischen Prozessen, bei denen der bereits am Boden liegende Schnee weggeblasen und anderswohin verfrachtet wird, können Winde die feinen Partikel schon vorher so stark beeinflussen, dass diese präferenziell an bestimmten Orten abgelagert werden.

Der Wetterradar, den die EPFL zur Verfügung gestellt hatte, wurde inzwischen wieder abgebaut und für eine andere Messkampagne in die Antarktis entsandt. Doch 2016 will MeteoSchweiz eine neue Anlage auf dem Weissfluhgipfel in Betrieb nehmen, und die SLF-Forschenden hoffen, mit deren Daten ihre Hypothesen untermauern zu können.

Neben der Schneeablagerung untersucht das Team im Rahmen des Dischmaexperiments auch das Abschmelzen des Schnees. Dazu installieren Rebecca Mott und ihre Kollegen neben dem Laserscanner eine Infrarot-Kamera auf dem Hügel des Versuchsgeländes. Die Kamera blickt auf eine ausapernde Fläche hinunter, auf der sich Schneeflecken und schneefreie Stellen ablösen. Alle paar Sekunden schiesst sie ein Bild. Aus diesen lässt sich der Temperaturverlauf am Boden über mehrere Stunden hochauflösend ableiten. «Man sieht so die Dynamik über fleckenhaften Schneedecken», sagt die Forscherin.

Welche Rolle das Windsystem spielt

Über den aperen Flächen erwärmt sich die Luft stärker als über dem Schnee. Deshalb können sich dort Aufwinde bilden, während es über den Schneeflecken Fallwinde gibt. Dieses komplexe Windsystem beeinflusst wiederum stark den Wärmeausstauch zwischen Boden und Atmosphäre und damit das weitere Schmelzen der Schneedecke. «Mit Hilfe der Infrarot-Kamera sehen wir, wie sich Kaltluft- oder Kälteseen bilden können», erklärt Rebecca Mott.

Um die Windzirkulation noch genauer zu erfassen, transportierten die Forschenden im Herbst 2015 einen Doppler-Lidar (Light detection and ranging) ins Dischmatal und installierten die zwei Meter lange und anderthalb Meter breite Box, die ebenfalls der EPFL gehört, auf einem Container. Rebecca Mott begleitete und unterstützte den Lidar-Experten, der extra aus den USA angereist war, um während zweier Wochen die aufwendigen Messungen durchzuführen. Doppler-Lidars funktionieren ähnlich wie Radar-Geräte, nur werden Laserstrahlen statt Radiowellen ausgesandt. Die Strahlen werden von Teilchen in der Atmosphäre zurückgestreut und ermöglichen so die Bestimmung von Windgeschwindigkeiten und -richtungen entlang des Laserstrahls. Die Technik wird sonst vor allem bei der Standortsuche für Windanlagen eingesetzt.

«Mit dem Lidar bekommt man ein fast dreidimensionales Bild der Luftströmung», erklärt Michael Lehning. So lassen sich die lokalen thermischen Windsysteme erfassen, die durch die Topographie entstehen und die Ausaperung stark beeinflussen. Die Forschenden erhoffen sich von der Auswertung der Daten aber auch mehr Informationen über die Windströmungen, die dafür verantwortlich sind, dass sich der Schnee an bestimmten Orten bevorzugt auftürmt. «Um die präferenzielle Ablagerung zu verstehen, ist es wichtig, das Windfeld genau zu kennen», erläutert der Wissenschaftler. «Deshalb sind solche Messungen sehr nützlich.»

Ein dichtes Netz von automatischen Wetterstationen ergänzt die Messungen, welche die Forschenden mit Lidar, Laserscanner und Infrarot-Kamera im Versuchsgelände durchführen. Michael Lehning erinnert sich gern an jenen Tag zu Beginn des Projekts, an dem er sich mit Langlaufskiern ins Tal aufmachte, um selbst ein paar Löcher für Wetterstationen zu graben. Mulmiger wurde es den Forschenden im Winter 2015, als sie erfuhren, dass eine der Stationen unter einer Lawine begraben worden war. «Wir hatten den Standort als relativ sicher beurteilt, wurden aber eines Besseren belehrt», sagt der Experte.

Das vom SNF teilfinanzierte Dischmaexperiment läuft von 2014 bis 2017. Die gesammelten Daten sollen nun in Modelle einfliessen, mit denen die Forschenden die Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre und Schnee nachvollziehen wollen. Auch in dieser Phase arbeiten die Forschenden des SLF eng mit ihren Kollegen an der EPFL zusammen, um bessere Abschätzungen der alpinen Wasserressourcen zu ermöglichen.