Winterschneedecke und Gebietsniederschlag 1957/58 und 1958/59 im Bereich des Hintereis- und Kesselwandferners (Ötztaler Alpen)

Zusammenfassung Während des Internationalen Geophysikalischen Jahres und der Internationalen Geophysikalischen Kooperation wurde im Bereich des Hintereis- und Kesselwandferners (Ötztaler Alpen) ein glazialmeteorologisches Forschungsprogramm in vermehrtem Umfang weitergeführt. Der vorliegende Bericht befaßt sich vorwiegend mit dem Problem der Bestimmung des Gebietsniederschlages für das teilweise vergletscherte Einzugsgebiet in den hydrologischen Jahren 1957/58 und 1958/59. Die Ergebnisse der Niederschlagsmessungen mit Totalisatoren für die Periode 1948/49 bis 1960/61 werden kurz dikutiert, wobei besonders eine Zunahme der Winterniederschläge im Gebiet des Hintereisferners während der letzten Jahre bemerkenswert erscheint. Zur Festigung dieses Ergebnisses werden die Untersuchungen der Winterschneedecke besprochen, die seit 1954 systematisch durchgeführt worden sind. Während am Ende des hydrologischen Winterhalbjahres der Inhalt der im unvergletscherten Gelände aufgestellten Totalisatoren mit dem Wasserwert der Schneedecke in der Umgebung im Mittel übereinstimmt, liegt auf den Gletschern ausnahmslos wesentlich mehr Schnee, als von den Totalisatoren in gleicher Höhe gesammelt wurde. Die Großmulden des Geländes, in denen die Gletscher liegen, sind Ablagerungsgebiete für den vom Wind während des Schneefalls und danch umgelagerten Schnee; was den Hängen an Schnee fehlt, liegt auf den Gletschern zuviel. Der kritische Gebietsniederschlag des Winterhalbjahres sollte dem Wasserwert der mittleren Schneedecke des Winterhalbjahres entsprechen. Der Gebietsniederschlag wird für beide untersuchten Jahre nach fünf Methoden berechnet, wobei Methode III und IV die bei den Untersuchungen der Schneedecke gewonnenen Erfahrungen anwendet. Der Gebietsniederschlag für das hydrologische Winterhalbjahr wird für 100-Meter-Stufen zusammengesetzt aus dem von den Totalisatoren gemessenen Wert mit dem Flächenanteil des unvergletscherten Gebiets als Gewicht und dem Wassergehalt der Schneedecke für die vergletscherten Areale des Einzugsgebietes. Für das hydrologische Sommerhalbjahr werden die unkorrigierten Meßwerte der Totalisatoren verwendet. Wegen des Überwiegens von Niederschlag in fester Form im April und Mai dürfte auch im Sommerhalbjahr ein Zuschlag von etwa 5% zu den Meßwerten der Totalisatoren gerechtfertigt sein. Das Ergebnis wird durch direkte Registrierungen des Abflusses und Beobachtungen des Massenhaushaltes der Gletscher (Methode V) überprüft; die Übereinstimmung ist befriedigend. Die mittlere Gebietsverdunstung des Einzugsgebietes (26,6 km², 2981 m mittlere Höhe, –5°C mittlere Jahres-temperatur) dürfte mit 200 mm sehr nahe ihrem oberen Grenzwert sein. Die Meßwerte der Totalisatoren in Höhenlagen oberhalb 2500 m müssen um etwa 20% der Jahressummen erhöht werden, um Übereinstimmung mit Abfluß und Massenhaushalt zu erzielen. Bei etwa 3300 m Höhe kann im Bereich des Hintereisferners mit einem Jahresniederschlag von 2000 mm gerechnet werden.

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Summary During the IGY and the IGC a glacio-meteorological research program was continued on a larger scale in the region of the Hintereis- and Kesselwandferner (ferner=glacier), Oetztal Alps. This report deals mainly with the problem of determining the total precipitation for the partly icecovered drainage area in the hydrological years 1957/58 and 1958/59. The results of the precipitation measurements with totalizators for the period 1948/49 to 1960/61 are briefly discussed, noting particularly an increase of winter precipitation in the region of the Hintereisferner during the last years. In order to confirm this result investigations on the winter snow cover are referred, which were performed systematically since 1954. While at the end of the hydrological winter season the content of the totalizators in the icefree area agrees on an average quite well with the water equivalent of the surrounding snow cover, by far more snow is accumulated on the glaciers than was collected by the totalizators at corresponding levels. The large-scale basins of the terrain, where the glaciers are situated, are regions of accumulation of snow shifted by the wind during and after snowfall; what the slopes lack in snow the glaciers have too much. The critical total precipitation of the winter season should correspond to the water equivalent of the average snow cover of the winter season. The total precipitation is calculated for both years by five methods, whereby methods III and IV apply the experiences gained at investigating the snow cover. The total precipitation for the hydrological winter season is composed for 100 meter-steps of the precipitation measured by the totalizators weighted with the area of the ice-free region, and the water equivalent of the snow cover weighted with the area of the ice-covered region of the drainage area. For the hydrological summer season the uncorrected values of the totalizators are used. As in April and May snowfall predominates, an increase of the precipitation measured with the totalizators by about five per cent should be justified also in the summer season. The result is checked by recording the discharge from and measuring the mass balance of the glaciers (method V); the agreement is satisfying. The total evaporation of the drainage area (26,6 km², 2981 m average height, –5°C mean annual temperature) should not exceed 200 mm of water. The results of the totalizators above 2500 m have to be increased by roughly 20 per cent of the annual amount, if they should agree with discharge and mass balance. At the height of 3300 m an annual precipitation of 2000 mm can be expected in the region of the Hintereisferner.

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Résumé Durant l'Année et la Coopération géophysiques internationales on a mis à exécution un programme étendu de recherches glacio-météorologiques dans les régions du Hintereisferner et du Kesselwandferner (Oetztal, Autriche). Le présent mémoire est consacré essentiellement au problème de la détermination des précipitations régionales d'un bassin versant en partie recouvert de glaciers et cela pour les années hydrologiques 1957/58 et 1958/59. On discute brièvement le résultat des mesures faites au moyen de totalisateurs pour la période allant de 1948/49 à 1960/61. On remarque alors tout spécialement ces dernières années une augmentation des précipitations d'hiver dans le bassin du Hintereisferner. Pour étayer ces résultats, on discute les mesures de la couche de neige en hiver, mesures qui sont effectuées systématiquement depuis 1954. A la fin du semestre d'hiver de l'année hydrologique, le contenu des totalisateurs placés hors de la zone des glaciers correspond en moyenne à la valeur en eau de la couche de neige recouvrant les terrains avoisinants. On rencontre par contre notablement plus de neige sur les glaciers que les totalisateurs placés à la même altitude n'en ont recueilli et cela sans exception. Les grandes dépressions du terrain dans lesquelles se trouvent les glaciers, servent de réceptacles à la neige qui est chassée par le vent soit durant les chutes elles-mêmes soit après. La neige qui fait défaut sur les pentes se retrouve, en surplus, sur les glaciers. Les précipitations régionales critiques du semestre d'hiver devraient correspondre à la valeur en eau de la couche moyenne de neige du même semestre. Les précipitations régionales des deux années en cause sont calculées selon cinq méthodes différentes où les méthodes III et IV utilisent l'expérience acquise lors des recherches effectuées sur la couche de neige. Les précipitations régionales du semestre d'hiver sont obtenues par l'addition des résultats successifs de chaque tranche de 100 m; dans chacune de ces tranches, on a multiplié la surface libre de glace par le contenu correspondant des totalisateurs. On y a ajouté la valeur en eau de la couche de neige des parties de glaciers. Pour le semestre d'été, on utilise les valeurs non corrigées des totalisateurs. Cependant, vu que la plus grande partie des précipitations d'avril, et de mai tombe sous forme de neige, il semble qu'un supplément de 5% aux données des totalisateurs soit justifié pour le semestre d'été également. Les chiffres ainsi obtenus sont contrôlés tant par l'enregistrement du débit des rivières que par l'observation des fluctuations de la masse des glaciers (méthode V); la concordance est alors satisfaisante. L'évaporation annuelle régionale moyenne du bassin versant (26,6 km², altitude moyenne 2981 m, température annuelle moyenne –5°C) peut être estimée à 200 mm au maximum. Les quantités d'eau recueillies par les totalisateurs doivent être augmentées de 20% environ de leur valeur annuelle pour être en concordance avec les calculs de débits et des fluctuations de la masse des glaciers. On peut alors déterminer des précipitations annuelles de 2000 mm à environ 3300 m d'altitude dans le bassin du Hintereisferner.

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Mit 8 Textabbildungen     

Frontenanalyse mit Hilfe von Bergbeobachtungen

Zusammenfassung Mit Hilfe einer großen Zahl von Registrierungen und Beobachtungen aus dem Alpengebiet und mit Sondierungen der freien Atmosphäre über Mitteleuropa werden die Kaltfronten vom 28. September 1940 analysiert. Es wird gezeigt, daß die mT-Masse, in der die Alpen am 28. September 06 Uhr liegen, zunächst von einer mP_T-Masse und dann von einer mP-Masse abgelöst wird. Die Konstruktion der Frontflächen ergibt das mehrfach belegte Ergebnis, daß die mP_T-Masse mit einer stumpfen Spitze in 1200 bis 2000 m Höhe ihrer Bodenfront weit vorauseilt, während die mP-Masse bis 3200 m Höhe mit fast senkrechter Front vordringt. Die Frontflächen verformen sich beim Überschreiten des Alpenhauptkammes. Die auf der Nordseite der Alpen in der freien Atmosphäre voreilende mP_T-Spitze berührt schließlich den Boden, während die zunächst senkrechte mP-Frontfläche sich südlich des Alpenhauptkammes zwischen 1300 und 2500 m Höhe weit vorneigt. An einzelnen Beispielen wird gezeigt, daß auch eng benachbarte Stationen ein verschiedenes Bild vom Mechanismus des Luftmassenwechsels ergeben können. Starke Abweichungen der Temperatur von der Zustandskurve an einzelnen Stationen sind durch die örtlich verschieden starke Föhnwirkung zu erklären.

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Summary The cold fronts of September 28, 1940 are analysed by means of a great number of records and observations from the Alpine area and by measurements in the free atmosphere above Central Europe. It is shown that the mT-mass covering the Alps on September 28, 06 a. m., is followed first by a mP_T-mass and then by a mP-mass. The construction of the frontal surfaces leads to the result proved in several cases that the mP_T-mass in form of an obtuse wedge in 1200–2000 m height runs far ahead its front on the ground, while the mP-mass advances, up to 3200 m, with an approximately vertical frontal surface. When passing the main crest of the Alps the frontal surfaces are being deformed. The mP_T-wedge advancing aloft on the northern side of the Alps at last comes down to ground. The previously nearly vertical surface of the mP-front shows a strong forward inclination between 1300 and 2500 m height in the south of the main crest. It is shown by examples that even adjacent stations may yield a different image of the mechanism of passing air masses. Strong temperature departures from the thermal state curve at certain stations can be accounted for by the locally varying foehn-effect.

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Résumé On a analysé les fronts froids du 28 septembre 1940 à l'aide d'un grand nombre d'enregistrements et d'observations de la région des Alpes et de sondages aérologiques de l'atmosphère libre de l'Europe centrale. On montre que la masse d'air mT dans laquelle baignaient les Alpes à 6 h. le 28 septembre a été remplacée d'abord par une masse mP_T, puis par une masse mP. La construction des nappes frontales conduit au résultat déjà connu selon lequel la masse mP_T dépasse largement sous forme de coin arrondi à 1200–2000 m. son front au sol, tandis que la masse mP pénètre avec un front quasi-vertical jusqu'à 3200 m. Les surfaces frontales se déforment au passage de la crête principale des Alpes. Le coin frontal mP_T qui pénètre dans l'atmosphère libre au Nord des Alpes atteint finalement le sol, tandis que le front au commencement quasi-vertical mP s'avance au Sud des Alpes en s'inclinant en avant entre 1300 et 2500 m. Des exemples particuliers montrent que même des stations très voisines peuvent donner une image différente du mécanisme de changement de masse d'air. On explique de forts écarts de température observés en quelques stations par rapport à la courbe aérologique par l'effet de foehn variable d'un point à un autre.

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Mit 20 Textabbildungen.     

Probleme der alpinen Synoptik

Zusammenfassung Ein Überblick über die Probleme der synoptischen Arbeit in den Alpen wird gegeben. Ausgehend von der Betonung der Notwendigkeit besonders sorgfältiger Materialkritik werden zunächst die kleinräumigen Erscheinungen mit ihren Konsequenzen für den lokalen Wetterablauf besprochen. Darunter sind zu nennen: die Neigung zur Ausbildung antizyklonaler Zirkulationen über den Alpen, die tagesperiodischen Windsysteme mit ihren quasistationären Stromfeldsingularitäten, die Häufung von Frontdurchgängen zu bestimmten Tagesstunden usw. Folgende Modifikationen der großräumigen atmosphärischen Zirkulationen werden ferner diskutiert: der Südföhn und die Schwierigkeiten seiner Prognose, die Überschreitung der Alpen durch Kaltluftmassen, die dabei auftretenden Keile hohen Druckes am Nordrand der Alpen, sowie die Tiefdruckgebiete des oberitalienischen Raumes und ihre Entwicklung zu V_b-Zyklonen. Die besonders bedeutungsvolle rechtzeitige Vorhersage starker Niederschläge wird in ihren Schwierigkeiten besprochen, die vor allem darauf zurückzuführen sind, daß oft keine erkennbaren Bindungen an Luftmassengrenzen vorhanden sind und daß es sich dabei um ausgesprochen kleinräumige Vorgänge handelt. Diese Schwierigkeiten erreichen das größte Ausmaß bei der Gewitter- und Hagelprognose. Zum Schluß wird die Einführung einer Wetterkarte des Alpenraumes in größerem Maßstab vorgeschlagen, die als Grundlage für die in den Alpen unerläßliche synoptische Kleinarbeit dienen und die Ausschöpfung des reichen Beobachtungsmaterials ermöglichen soll.

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Summary A survey is given of the problems concerning synoptic work in the Alps. Starting from the statement that observations can be used only after very critical examination the Author discusses at first the regional phenomena and their consequences for the local development of weather, such as the tendency to form anticyclonic circulations over the Alps, the daily-periodic wind systems with their singularities of quasistationary fields of currents, the increase in frequency of front passages at certain hours of the day, etc. Furthermore, the following modifications of far-reaching atmospheric circulations are discussed: the southern foehn and the difficulties of its forecast, the passage of cold air masses across the Alps associated with wedges of high pressure on the northern side of the Alps, the low pressure regions in northern Italy and their development to V_b-cyclones. The very important timely forecast of strong precipitations is dealt with the difficulties of which are mostly due to the fact that, frequently, no relation to borders of air masses can be established, the precipitation being caused by processes of definitely local origin. Most difficulties arise in forecasting thunderstorms and hail. At last a weather map of larger scale including the Alpine region is proposed to serve as a basis for the detailed synoptic work necessary in the Alps and to make possible the evaluation of the rich material of observations.

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Résumé L'auteur présente un coup d'oeil d'ensemble sur les problèmes du travail synoptique dans les Alpes. Après avoir souligné la nécessité de soumettre les observations à une critique serrée, on s'occupe d'abord des phénomènes régionaux et de leur rôle dans l'évolution locale du temps; parmi ceux-ci il faut mentionner la tendance à la formation de circulations anticycloniques sur les Alpes, les systèmes de vents à période diurne avec les singularités quasi stationnaires de leurs champs de courant, la prédominance particulière des passages frontaux à certaines heures de la journée, etc. Suit une discussion des modifications suivantes de la circulation atmosphérique générale: le foehn du Sud et la difficulté de sa prévision, le franchissement des Alpes par les masses froides avec les coins de haute pression au Nord de la chaîne ainsis que les dépressions de l'Italie du Nord et leur évolution en dépressions V_b. L'auteur expose le cas des précipitations abondantes, difficiles à prévoir à temps parce que souvent non liées à des limites de masses d'air et parce que ce sont en général des phénomènes géographiquement très limités. Ces difficultés sont les plus grandes lorsqu'il s'agit de prévoir les orages et la grêle. Enfin il propose de dresser une carte du temps de la région alpine à grande échelle, destinée à servir de base au travail synoptique de détail et à permettre la mise en valeur du matériel d'observations à disposition.

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Mit 2 Textabbildungen.     

Acid-base properties of a goethite surface model: A theoretical view

Density functional theory is used to compute the effect of protonation, deprotonation, and dehydroxylation of different reactive sites of a goethite surface modeled as a cluster containing six iron atoms constructed from a slab model of the (1 1 0) goethite surface. Solvent effects were treated at two different levels: (i) by inclusion of up to six water molecules explicitly into the quantum chemical calculation and (ii) by using additionally a continuum solvation model for the long-range interactions. Systematic studies were made in order to test the limit of the fully hydrated cluster surfaces by a monomolecular water layer. The main finding is that from the three different types of surface hydroxyl groups (hydroxo, μ-hydroxo, and μ₃-hydroxo), the hydroxo group is most active for protonation whereas μ- and μ₃-hydroxo sites undergo deprotonation more easily. Proton affinity constants (pK_a values) were computed from appropriate protonation/deprotonation reactions for all sites investigated and compared to results obtained from the multisite complexation model (MUSIC). The approach used was validated for the consecutive deprotonation reactions of the [Fe(H₂O)₆]³⁺ complex in solution and good agreement between calculated and experimental pK_a values was found. The computed pK_a for all sites of the modeled goethite surface were used in the prediction of the pristine point of zero charge, pH_PPZN. The obtained value of 9.1 fits well with published experimental values of 7.0-9.5.     

Modeling stalagmite growth by first principles of chemistry and physics of calcite precipitation

Growth rates and morphology of stalagmites are determined by the precipitation kinetics of calcite and the supply rates of water to their apex. Current modeling attempts are based on the assumption that precipitation rates decrease exponentially with distance along the surface. This, however, is an arbitrary assumption, because other functions for decrease could be used as well. Here we give a process-oriented model based on the hydrodynamics of a water sheet in laminar radial flow spreading outwards from the apex, and the well known precipitation rates F = α(c − c_eq); c is the actual calcium concentration at distance R from the growth axis, c_eq the equilibrium concentration of calcium with respect to calcite, and α is a kinetic constant. This enables us to calculate the concentration profile c(R) for any point of an actual surface of a stalagmite and consequently the deposition rates of calcite there. The numerical results show that under conditions constant in time the stalagmite grows into an equilibrium shape, which is established, when all points of its surface are shifting vertically by the same distance during a time interval. We also show this by strict mathematical proof. This new model is based entirely on first principles of physics and chemistry. The results show that the modeled precipitation rates can be approximated by a Gaussian decrease along the equilibrium surface. In general from the mathematical proof one finds a relation between the equilibrium radius of the stalagmite, Q the supply rate of water, and α the kinetic constant. This is also verified by numerical calculations. An interesting scaling law is found. Scaling all stalagmites by 1/R_eq and presenting them with the origin at their apex yields identical shapes of all. The shapes of the modeled stalagmites are compared to natural ones and show satisfactory agreement. Finally we explore the effect of varying water supply Q and kinetic constant α on the shape of a growing stalagmite, and estimate the minimum period of change that can be imprinted into the morphology of the stalagmite.     

δC profiles along growth layers of stalagmites: Comparing theoretical and experimental results

The isotopic carbon ratio of a calcite-precipitating solution flowing as a water film on the surface of a stalagmite is determined by Rayleigh distillation. It can be calculated, when the -concentration of the solution at each surface point of the stalagmite and the fractionation factors are known. A stalagmite growth model based entirely on the physics of laminar flow and the well-known precipitation rates of a supersaturated solution of calcite, without any further assumptions, is employed to obtain the spatial distribution of the -concentration, which contributes more than 95% to the dissolved inorganic carbon (DIC). The δ¹³C profiles are calculated along the growth surface of a stalagmite for three cases: (A) isotopic equilibrium of both CO₂ outgassing and calcite precipitation; (B) outgassing of CO₂ is irreversible but calcite precipitation is in isotopic equilibrium. (C) Both CO₂ outgassing and calcite precipitation are irreversible. In all cases the isotopic shift δ¹³C increases from the apex along the distance on a growth surface. In cases A and B, calcite deposited at the apex is in isotopic equilibrium with the solution of the drip water. The difference between δ¹³C at the apex and the end of the growth layer is independent of the stalagmite’s radius, but depends on temperature. For case A, it is about half the value obtained for cases B and C. In case C, the isotopic composition of calcite at the apex equals that of the drip water, but further out it becomes practically identical with that of case B. The growth model has been applied to field data of stalagmite growth, where the thickness and the δ¹³C of calcite precipitated to a glass plate located on the top of a stalagmite have been measured as function of the distance from the drip point. The calculated data are in good agreement to the observed ones and indicate that deposition occurred most likely under conditions B, eventually also C. A sensitivity analysis has been performed, which shows that within the limits of observed external parameters, such as drip rates and partial pressure of carbon dioxide P_CO2 in the cave, the results remain valid.     

Modeling the effects of environmental variables on short-term spatial changes in phytoplankton biomass in a large shallow lake,Lake Taihu

Understanding the short-term response of phytoplankton biomass on environmental variables is needed for issuing early warnings of harmful algal blooms in aquatic ecosystems. Predicting harmful algal blooms are particularly challenging in large shallow lakes due to their complex mixing patterns. This study used a two-dimensional hydrodynamic–phytoplankton model to evaluate the effects of environmental variables on short-term changes in the horizontal distribution of phytoplankton biomass in a large shallow lake, Lake Taihu, China. Two simulations were performed using daily and hourly average wind condition and water temperature data collected in 2009. Other model inputs were identical for these two simulations. The response of phytoplankton to wind conditions, light intensity, water temperature, and total dissolved phosphorus and nitrogen concentrations were examined based on a sensitivity analysis using the hourly data. Hourly simulation achieved a more realistic distribution of phytoplankton biomass than the daily simulation. This finding implies that data with a higher temporal resolution are more useful for short-term prediction of phytoplankton biomass in this lake. Sensitivity analysis indicated that water temperature and light intensity dominate short-term changes in phytoplankton biomass in this lake. Wind conditions also affect phytoplankton biomass distribution by causing advective water movement.