Stephan

Station in Hintergräppelen auf neuem Mast sowie mit Schneemessung

Knapp 6 Jahre nach ihrer Erstellung wurde der Mast der Station in Hintergräppelen ersetzt. Zudem wurde das Messprogramm mit einem Gerät zur Schneemessung ergänzt.

Im November 2016 wurde die Station auf einem Teleskopmast aus Aluminium, der mit einer Schraubbodenhülse im Boden verankert war und auf zwei Höhen mit Drahtseilen abgespannt war, errichtet:

Bau der Station Hintergräppelen im November 2016

Beraten und unterstützt von Turi Kunz und Michi Kopp, zwei ausgewiesenen Experten und Praktikern in Sachen Bau und Unterhalt von Wetterstationen, war die damalige Installation darauf ausgelegt, einen Datenlogger, einen Strahlungsschutz sowie ein Solarmodul zur Speisung der Ventilation zu tragen – und zwar zu einem vertretbaren Gesamtpreis.

Über die Zeit wurde die Station um weitere Geräte ergänzt, es folgten ein Gerät zur Messung und Übermittlung von Temperatur und Luftfeuchtigkeit in Echtzeit von Decentlab, dessen Sensor in einem sehr guten passiven Strahlungsschutz von Barani Design untergebracht wurde.

Juli 2019: Es wird eng am Mast – er trägt nun auch ein Gerät von Decentlab (Echtzeit-Messung und Übermittlung von Temperatur und Feuchte) sowie einen Strahlungsschutz von Barani.

Hinzu kamen die speziellen Bedingungen an diesem Standort. Der westliche Alpstein ist bekanntermassen schneereich – und eine Schneedecke „arbeitet“ mit der Zeit (Schneekriechen und Schneegleiten). Ein Teleskopmast aus Aluminium hat dem kaum etwas entgegenzusetzen:

Die Station steht am Hangfuss – die Bewegung der Schneedecke drückt auf den Mast.

Neben der Schrägstellung des Mastes ist auch der Winkel der Abspannseile auf den beiden Winterbildern im Vergleich mit der ersten Abbildung zu beachten: Was passiert hier?

In der Senke von Hintergräppelen liegt ein Flachmoor (keine Angst: die Position der Station ist so gewählt, dass sie auf der Weide und nicht im Schutzgebiet liegt) und dementsprechend gross ist die Vernässung des Bodens. Dies zeigt sich auch an den regelmässig stattfindenden Überflutungen der Senke bei starken Niederschlägen (ggf. in Kombination mit Schneeschmelze):

Tauflut im März 2020: Regen und Schneeschmelze liefern mehr Wasser, als das Schluckloch abzuführen vermag – es staut sich ein See auf.

Es gibt gute Gründe, weshalb der Logger eine hohe Schutzklasse aufweisen muss…

Auch wenn in Hintergräppelen die Lufttemperatur weit unter -30 °C liegen kann: durch die Isolationswirkung der Schneedecke liegt die basale Schneetemperatur bei 0 °C – der Boden ist also nicht gefroren.

Die Drahtseile der Abspannung frieren nun am Schnee fest und im Verlaufe des Winters wird der Teleskopmast einerseits zusammengeschoben und andererseits wird er 30 – 40 cm in den weichen und feuchten Boden getrieben. Nach der Schneeschmelze sieht das dann ungefähr so aus:

Die Abspannseile erfüllen ihren Zweck nicht mehr: weil der Mast gute 40 cm tiefer im Boden steckt als noch zu Beginn des Winters, hängen sie schlaff herunter.

Kurz zusammengefasst: An einem trockenen, weit herum ebenen Standort würde der Mast seinen Zweck einwandfrei erfüllen. Für Hintergräppelen musste jedoch eine andere Lösung gefunden werden.

Das Messen in bzw. die Erforschung von Kaltluftseen ist und bleibt ein Hobby, dementsprechend ist der Aufwand bezüglich Zeit und Ressourcen limitiert – und die Idee einer Masterneuerung blieb längere Zeit liegen.

Auf Einladung des Vereins LoT (Lebenswertes obersters Toggenburg) durfte ich Ende April 2022 in Wildhaus einen Vortrag über den Kaltluftsee von Hintergräppelen halten.

Im Nachgang zu diesem Vortrag ergab sich der Kontakt zu Peter Diener, Vorsitzender der Lawinenfachkommission Wildhaus – Alt St. Johann. Der Lawinenfachkommission obliegt die Überwachung der Lawinensituation auf dem Gemeindegebiet. Sie kann die Sperrung/Öffnung von Strassen und Wegen anordnen und berät bei einer erhöhten Gefährdung den Gemeindeführungsstab bezüglich weitergehenden Massnahmen.

In der Diskussion mit Peter Diener zeigte sich, das wir gemeinsame Interessen haben:

Für mich war neben der Erneuerung des Mastes zusätzliche Informationen zur Schneehöhe ein lange gehegter Wunsch für die Beurteilung des Potentials für extrem tiefe Temperaturen.
Die Lawinenfachkommission war an Schneedaten aus dem Gräppelental interessiert, um die Grundlagen für die Beurteilung der Lawinensituation zu ergänzen.

Aus den gemeinsamen Bedürfnissen wurde schnell ein gemeinsames Projekt: Am 1. September fand eine gemeinsame Reko vor Ort statt und am 21. September errichteten Peter Diener und sein Stellvertreter Norbert Fischbacher unmittelbar neben der bestehenden Station einen solide verankerten und stabilen Mast aus einem Gerüstrohr und einem Führungsrohr mit Standfuss.

Errichtung des neuen Mastes unmittelbar neben der bestehenden Station. (© Bild: Peter Diener)

In der Zwischenzeit konnten ich erste Tests mit einem optischen Distanzmessgerät von Decentlab durchführen, welches als Sensor einen LIDAR von Garmin nutzt. Dazu wurde eine Versuchsanlage auf dem eigenen Gartensitzplatz errichtet:

Ein separater Beitrag wird sich den technischen Herausforderungen bei der automatischen Schneehöhenmessung widmen – die ersten Erkenntnisse zeigen jedoch, dass es eine Vielzahl von Faktoren gibt, welche die Güte der Messung beeinflussen:

Vibration des Mastes bei Wind.
unterschiedliches Reflektionsverhalten (Reflektivität) des Messobjektes (Erdoberfläche)
Hebung/Senkung des Bodens bei (flüssigem) Niederschlag und Temperaturänderungen (z.B. Frosthebung)

Diese Einflussfaktoren können nicht vollständig eliminiert werden, auch deren Reduktion ist mit sehr grossem Aufwand verbunden (z.B. Messobjekt starr mit Mast verbunden).

Am 13. Oktober konnte dann die Station vom alten auf den neuen Mast gezügelt werden. Hintergräppelen empfing mich standesgemäss mit einem Anblick, der zeigt, wie räumlich eng begrenzt das Phänomen „Kaltluftsee“ ist:

Oben grün, unten weiss – oben mild, unten kalt: Die Temperaturumkehr im Kaltluftsee wird durch den Reif im Gelände sichtbar.

Hier das letzte Bild der Station am alten Mast:

Alle Geräte werden mit Aluminiumprofilen und Bandschellen am Mast fixiert:

Die Kabel werden in Wellrohr untergebracht und mittels Kabelbindern am Mast fixiert:

Und dann steht sie endlich:

Der grüne Rasenteppich (mit Erdnägeln am Boden fixiert) dient dazu, dass während schneefreien Zeiten ein möglichst guter Nullpunkt für die Distanzmessung vorhanden ist.

Sobald Erfahrungen mit der Distanzmessung an diesem Standort vorhanden sind, werden die Daten auf dieser Seite verfügbar gemacht.

Zum Schluss gibt es verschiedene Personen, welchen grosser Dank gebührt:

Peter Diener und Norbert Fischbacher für die Initiative und die Bereitstellung des Mastes, danke für die tolle Zusammenarbeit!
Der Gemeinde Wildhaus-Alt St. Johann für die Beteiligung am Mast und am Schneemessgerät,
Reinhard Bischoff und Jonas Biveroni von Decentlab für die Unterstützung bezüglich des Schneemessgerätes,
Michi Kopp und Turi Kunz für die Hilfe bei der Installation der ursprünglichen Messstation in Hintergräppelen und in der Folge für die zahlreichen Diskussionen, Tipps und Hilfestellungen. Im Feld liegt die Wahrheit – gelernt von den Besten ihres Faches: ohne das Know-How der Praktiker funktioniert kein Messsystem!

Eine längere Durststrecke findet ihr Ende

Der Winter hat in den Kaltluftseen des Alpsteins im letzten Novemberdrittel begonnen: Bis Ende Jahr konnten in Hintergräppelen 8 Kalendertage mit einem Minimum von unter -20 Grad verzeichnet werden. Aus Sicht des gemeinen Kälteliebhabers kann man das allenfalls als erste Lockerungsübungen bezeichnen – der Wohlfühlbereich beginnt ab einer Schwelle von -30 °C. Solche Werte blieben uns im gesamten Winter 2019/2020 verwehrt, es handelte sich um den wärmsten Winter seit Beginn systematischer Messungen in der Schweiz. Letztmals wurde diese Marke am 6. Februar 2019 unterschritten.

Der Januar begann mässig kalt mit einer Serie von Eistagen in Hintergräppelen, am Sämtisersee stieg die Temperatur nur während kurzen Föhnstössen über der Frostgrenze. Ab dem 9. Januar wurde mit einer Bisenströmung in den untersten 3 km der Atmosphäre verhältnismässig kalte Luft aus Nordosten in die Schweiz geführt. In der feuchten Grundschicht bildete sich Hochnebel über dem Mittelland und in den Voralpen. Wie üblich war dessen Obergrenze eng an die Stärke der Bise gekoppelt, sie lag aber meistens unterhalb des Niveaus des Gräppelentals und des Sämtisersees, und so herrschten bei ansonsten schwacher Bewölkung gute Bedingungen für die Ausbildung intensiver Kaltluftseen. Die Strahlungsbilanz blieb auch tagsüber negativ, dies führte zu einer nur geringfügigen tageszeitlichen Erwärmung.

https://kaltluftseen.decentlab.com/render/d-solo/000000008/home?orgId=2&from=1610060400000&to=1610449200000&panelId=28&width=1000&height=500&tz=Europe%2FZurich

Am Morgen des 10. Januars fiel die Temperatur in Hintergräppelen ein erstes Mal unter -30 °C. In der obigen Graphik fallen die starken Fluktuationen der Temperatur auf. Zoomen wir etwas herein:

Es fällt auf, dass die Schwankungen eine gewisse Regelmässigkeit aufweisen. Vermutlich schwappt der Kaltluftkörper, angetrieben durch die Bise, in den beiden Senken hin und her, analog zu Seiches in Seen. Die Schwingungsdauer am Sämtisersee ist etwa doppelt so gross wie in Hintergräppelen, ebenso die Amplitude. Grund für die Unterschiede sind die unterschiedliche Geometrie (Grösse&Tiefe) der Senken. Hätte es Nebel gehabt, so wäre die Bewegung sichtbar geworden.

Eine ältere Zeitraffersequenz der Webcambilder vom Hohen Kasten zeigt, wie das hätte aussehen können:

Am Abend des 10. Januars lebte die Bise nochmals auf, was zu einem Anstieg der Hochnebelgrenze führte.

10. Januar, 18:00 Uhr: Beste Abstrahlungsbedingungen im Obertoggenburg (c) saentis.roundshot.com

10. Januar, 23:00 Uhr: Der Hochnebel vermag das Gräppelental (Bildmitte, rechts unterhalb der drei Hügelzüge) ganz knapp zu fluten. (c) saentis.roundshot.com

11. Januar, 03:00 Uhr: Der Hochnebel hat sich aus dem Obertoggenburg zurückgezogen. (c) saentis.roundshot.com

Die Auswirkungen dieses Vorstosses des Hochnebels sind eindrücklich:

https://kaltluftseen.decentlab.com/render/d-solo/000000008/home?orgId=2&from=1610276400000&to=1610362800000&panelId=25&width=1000&height=500&tz=Europe%2FZurich

Mitten in der Nacht stieg die Temperatur innerhalb von 4 Stunden von -31.8 °C auf -21 °C an. Nach dem Rückzug war das verloren gegangene Terrain rasch wieder aufgeholt und um 04 Uhr morgens konnte der Pfad wieder aufgenommen werden, der um 21:30 Uhr verlassen wurde. Das Minimum wurde kurz vor Sonnenaufgang mit -33.1 °C erreicht.

Schlussendlich kann man nur darüber spekulieren, wie weit die Temperatur ohne diesen Störfaktor abgesunken wäre: Ein Wert im Bereich zwischen -35 und -36 °C erscheint plausibel.

Nachfolgend eine Einordnung dieses Minimums von -33.1 °C unter drei Blickwinkeln:

– Timothy Wright aus Utah (er beschäftigt sich ebenfalls mit der Suche nach Kaltluftseen und kennt u.a. Peter Sinks (der Ort, an dem die tiefste Temperatur in den Lower 48 gemessen wurde) wie seine Westentasche) hat verdankenswerter Weise ein Landsat 8-Bild vom 11. Januar, 11:11 Lokalzeit analysiert:

Dargestellt ist die Landoberflächentemperatur, rote Farben zeigen verhältnismässig warme Flächen, je gelber und vor allem grüner, desto kälter. Der Walensee sticht hervor, aber auch südexponierte Hänge. Grün zeichnen sich die Kaltluftseen ab, die kältesten sind mit der jeweils tiefsten Temperatur gekennzeichnet. Die Lufttemperatur betrug zu diesem Zeitpunkt in Hintergräppelen -29.5, am Sämtisersee -24.6 °C. Es bestätigt sich, dass Hintergräppelen auch an diesem Tag der kälteste Ort der Nordostschweiz war.

Neben dem Sämtisersee (-24.6 °C) weisen auch der Voralpsee (-24.8 °C), der Ochsenboden (-24.6 °C), der Spannegsee (-23.6 °C) sowie der Schwendisee (-23.2) tiefe Werte auf. Diese Minima sind erwartungsgemäss allesamt in konkaven Geländeformen aufgetreten, welche eine hohe Disposition zum Aufstau von Kaltluft haben.

– Gemessen wird in Hintergräppelen seit November 2021. Tiefere Werte sind im Januar 2017 und im Februar 2018 aufgetreten. Bild

– Im Vergleich mit anderen Messstationen in der Schweiz wurde Hintergräppelen nur noch durch die EBS-Station auf der Glattalp unterboten:

Die Messungen der EBS Energie auf der Glattalp werden seit dem Winter 1983/1984 durchgeführt, gehen also in die 38. Saison. Bliebe es bei diesem Minimum von -34.7 °C so, wäre es das fünftwärmste der gesamten Messperiode.

Fazit: Die kleine Kältewelle ist wohltuend nach dem Nicht-Winter 2019/2020, mehr aber auch nicht. Die Werte an den beiden kältesten Messorten (Glattalp und Hintergräppelen) sind definitiv keine ausserordentlichen Ereignisse.

Wintereinbruch Anfang November 2016

Nach einem sehr warmen September und einem leicht zu kühlen Oktober stellte sich anfangs November erstmals ein winterlicher Witterungsabschnitt mit Dauerfrost und einer geschlossenen Schneedecke ein. In der Nacht vom 7. auf den 8. November ist die Temperatur am Sämtisersee auf unter -10 °C gefallen und der See ist zugefroren, was anhand der Bilder der Web-Cam auf dem Hohen Kasten nachvollziehbar ist:

Bild des zugefrorenen Sämtisersees. Strukturen auf bzw. über der Wasseroberfläche sind normalerweise auf den Einfluss des Windes, auf Schattenwurf oder auf Nebel bzw. Wolken zurückzuführen. Animiert man die 5-minütlich vorliegenden Bilder jedoch, erkennt man, dass die Strukturen ortsfest sind – ein klarer Hinweis auf die Bildung von Schwarzeis. © Bild: www.hoherkasten.ch / www.plattenboedeli.ch

Der winterliche Charakter blieb in den Folgetagen erhalten. Die Schweiz lag im Einflussbereich eines Hochdruckgebietes über Osteuropa, welches mit einer Bisenströmung kalte und feuchte Luft gegen die Schweiz führte . Die Animation der Webcambilder vom Hohen Kasten zeigt, dass die Hochnebelobergrenze am 14. November tagsüber bis gegen 1500 m angestiegen, nach Sonnenuntergang jedoch rasch abgesunken ist, was auf eine nachlassende Bise schliessen lässt.

Quelle: Berggasthaus Plattenbödeli, Hoher Kasten Drehrestaurant und Seilbahn AG

Somit stellten sich im Alpstein ideale Strahlungsverhältnisse ein und in der Nacht vom 14. auf den 15. November wurde am Sämtisersee mit -13.3 °C die bisher tiefste Temperatur des noch jungen Winters gemessen:

Temperaturverlauf am Sämtisersee am 14. und 15. November. Die blaue Kurve zeigt den Verlauf am Sämtisersee, die rote Kurve den Verlauf an einer Nebenstation, welche über dem voll ausgebildeten Kaltluftsee liegt.

Auf ungefähr 70 m Höhendifferenz hat sich eine Temperaturumkehr von 7 K ausgebildet, was bemerkenswert aber noch nicht ausserordentlich stark ist.

In der Senke von Hintergräppelen wurden noch tiefere Temperaturen gemessen: Mit einem Minimum von -19.9 °C am 15. November um 02:00 UTC wurde die -20 °C-Marke nur knapp verfehlt. Mit einiger Wahrscheinlichkeit hat die aufziehende Bewölkung und die dadurch erhöhte atmosphärische Gegenstrahlung noch tiefere Werte verhindert.

Dieser Tiefstwert liegt mehr als 15 K tiefer als die Temperatur der freien Atmosphäre auf gleicher Höhe. Im Vergleich zum Sämtisersee war die Tiefsttemperatur in der Senke von Hintergräppelen um 6 K tiefer:

Mit der Umstellung der Wetterlage ab dem 19. November hat eine intensive und enorm langandauernde Föhnströmung den Schnee bis in hohe Lagen abschmelzen lassen. Auch der Sämtisersee war ab dem 21. November wieder komplett eisfrei.

Literatur

Wintereinbruch von Ende April 2016

Am 28. April 2016 wurde um 04:00 Uhr MESZ mit -7.6 °C die tiefste Temperatur des Monats registriert:

Durch eine Troglage floss am Vortag polare Kaltluft in den Alpenraum ein. Diese kam unter den Einfluss eines Zwischenhochs, was zu einer weitgehenden Wolkenauflösung führte.

Im Flachland der Alpennordseite wurden für die Jahreszeit sehr tiefe Temperaturen gemessen ).

Auch in anderen Teilen von Europa setzte dieser Wintereinbruch den Schlusspunkt unter einen sehr milden Winter 2015/2106 (vgl. z.B. https://de.wikipedia.org/wiki/Wintereinbruch_in_Mitteleuropa_April_2016)

Am Sämtisersee war der Boden zwar schneebedeckt, der See war jedoch bereits seit Anfang April eisfrei. Das Potential für ausserordentliche tiefe Temperaturen war somit nicht mehr gegeben. Der gemessene Minimalwert liegt zwar höher als derjenige von La Brévine (-10.8 °C) oder Andermatt (-9.8 °C), korrigiert um die Höhenlage ist der Wert jedoch einer der tiefsten in der Schweiz.