Durchbruch und Zusammenbruch von Föhn (PIANO)

Sturmwinde im Gebirgslee stellen eine der größten Wettergefahren in Gebirgsregionen dar, abgesehen von Gewittern und Starkniederschlägen. Der alpine Föhn ist ein prominenter Vertreter dieser Sturmart. Im Laufe der letzten Dekaden hat sich die wissenschaftliche Gemeinde anhaltend bemüht, das Verständnis und die Vorhersage dieser heftigen Winde zu verbessern. Allerdings konzentrierte sich die bisherige Forschung hauptsächlich auf die voll entwickelte Phase und weniger auf die Anfangs- und Endphase von Föhn. Darum sind die Mechanismen des Eindringens von Föhn in Tälern und des Zusammenbrechens von Föhn immer noch wenig bekannt. Jedoch wirken sich gerade diese kurzlebigen Phasen am stärksten auf die Flugsicherheit und die Luftgüte im Tal aus. Durchbruch und Zusammenbruch von Föhn werden von verschiedenen atmosphärischen Prozessen kontrolliert. Einige der vorangehenden Studien lieferten widersprüchliche Aussagen darüber, welche dieser Prozesse dominieren. Zudem stellt Föhn eine große Herausforderung für numerische Wettervorhersagemodelle dar. Prognosefehlersind teilweiseauf unzureichende Erfassung dieserProzesse zurückzuführen. Darum zielt dieses Forschungsprojekt auf die Verbesserung des Verständnisses von atmosphärischen Prozessen ab, welche den Durchbruch und Zusammenbruch von Föhn bestimmen. Die Methodik basiert auf einer Kombination von raffinierten Messtechniken und Computersimulationen. Ein zentrales Element des Projektes ist ein Feldexperiment, das in Innsbruck (Inntal) undUmgebungdurchgeführt wird.Die wichtigsten atmosphärischenBeobachtungssystemesind drei kombinierte Laser-basierende Instrumente (sogenannte Lidars) zur distanzierten Erfassung des turbulenten Windfelds im Tal sowie ein Forschungsflugzeug zur Beobachtung des Strömungsfeldes im Flugniveau. Um die räumlichen Lücken der Messsysteme zu füllen, wird die Strömung mit einem Computermodell (Weather Research and Forecasting Model) simuliert. Beobachtungen und Simulationen dienen dazu, alle relevanten Atmosphärenprozesse zu quantifizieren. Das Computermodell wird nicht nur für reale Fallstudien verwendet, sondern auch als virtuelles Labor, um die Sensitivität des Durchbruchs und Zusammenbruchs von Föhn auf verschiedene Faktoren zu prüfen. Ziel des Projektes ist die Erstellung eines umfassenden Bildes von verschiedenen Prototypen der Föhnentwicklung. Das Projektergebnis dient unter anderem dazu, die Vorhersagegüte von numerischen Wettervorhersagemodellen über komplexem Gelände und somit auch die Warnungen vor gefährlichen Turbulenzen und Luftverschmutzung in Tälern zu verbessern.

Warum steigt der Föhn in die Täler herab? Diese Frage stellte sich der österreichische Meteorologe und Bergsteiger Heinrich von Ficker bereits vor 90 Jahren am Anfang seines wissenschaftlichen Aufsatzes über diesen stürmischen alpinen Wind. Im Forschungsprojekt PIANO ging es weniger um die Frage Warum? sondern viel mehr um die Frage Wie genau?. Bereits Heinrich von Ficker wusste, dass sich Föhnwinde am Talboden erst durchsetzen, wenn sich der Kaltluftsee im Tal abgebaut hat. Über die Rolle verschiedener Abbauprozesse herrschte allerdings bis vor Kurzem noch Uneinigkeit. Zudem ist die Darstellung dieser Prozesse in numerischen Wettervorhersagemodellen fehlerhaft und führt zu Fehlprognosen des Föhndurch- und zusammenbruchs. Im Forschungsprojekt PIANO wurden diese Prozesse in der Umgebung von Innsbruck im Inntal untersucht und quantifiziert, um damit die Grundlage für zukünftige Modellverbesserungen zu schaffen. Dazu wurden detaillierte Messdaten im Rahmen eines Feldexperimentes gesammelt, sowie hochauflösende Strömungssimulationen auf Hochleistungsrechnern durchgeführt. Es wurde festgestellt, dass der turbulente Abbau des Kaltluftsees von oben nach unten durch Vermischung von Föhn- und Kaltluft in Folge von turbulenten Wirbeln wichtiger ist, als in der Vergangenheit angenommen. Weiters wurde gezeigt, dass dieser Prozess in den Vorhersagemodellen nicht korrekt erfasst wird. Gleichzeitig wurde festgestellt, dass der Nachschub an bodennaher Kaltluft aus ungestörten Regionen des Kaltluftsees durch den sogenannten vorföhnigen Westwind den turbulenten Abbauprozess dämpft. Somit kann ein temporäres Gleichgewicht zwischen Kühlung durch horizontalen Transport und Erwärmung durch vertikale Durchmischung auftreten. Dieses Gleichgewicht wird sehr leicht gestört, wenn sich entweder eine der beiden Komponenten geringfügig ändert oder eine weitere Komponente hinzu kommt, wie z.B. Erwärmung infolge von Sonneneinstrahlung nach Sonnenaufgang. Die verschiedenen Erwärmungs- und Abkühlungsprozesse variieren im komplexen alpinen Gelände sehr stark. Diese Variabilität kann im Untersuchungsgebiet zu Föhndurchbruch im Osten der Stadt Innsbruck führen, während sich der Kaltluftsee im Westen hartnäckig hält. Die resultierenden kleinräumigen Luftmassenunterschiede äußern sich in starken Gradienten der Lufttemperatur, Windgeschwindigkeit, Turbulenzstärke und Luftschadstoffkonzentration. Im Projekt wurde gezeigt, dass der Zusammenbruch von Föhn nicht nur durch nächtliche Abkühlung der Talatmosphäre oder durch Kaltfrontdurchgang erfolgen kann, sondern auch durch Rückfluss von Kaltluftseeresten unmittelbar vor Frontdurchgang. Für Föhndurch- und zusammenbruch wurden somit mehrere unterschiedliche Muster identifiziert. Gleichzeitig wurde gezeigt, dass die Entwicklung des Föhns im Detail stark fallabhängig ist.