Alpines Pumpen im Inntal

Alpines Pumpen ist ein tagesperiodisches alpinmeteorologisches Windsystem, welches eine Einströmphase untertags und eine Ausströmphase in der Nacht bewirkt. Dieses Phänomen ist an gradientschwachen (nur schwacher Wind aufgrund synoptischer Tief- und Hochdruckgebiete) und wolkenarmen Tagen und Nächten am intensivsten zu beobachten.

Fallbeispiel aus dem Inntal

Dieser erste Abschnitt zeigt ein Fallbeispiel für Alpines Pumpen aus dem Inntal. Hierfür wurde der 30.03.2021 ausgewählt. Er hat sich bei Durchsicht aktueller Wetterkarten als potentieller Kandidat für einen Tag mit Alpinen Pumpen erwiesen.

In der Höhe dominiert an diesem Montag ein Keil über Zentraleuropa, was Absinkbewegungen mit sich bringt wodurch nur eine geringe Bewölkung zu erwarten ist. Der Hochdruckeinfluss setzt sich auch am Boden durch und weißt kaum einen Druckgradienten auf. Die zwei Voraussetzungen für Alpines Pumpen, 1) gradientschwach und 2) wolkenarm, sollten somit erfüllt sein. Messwerte bestätigen diese Annahme: Am Patscherkofel (2251 m) betrug die stärkste Windböe gerade einmal 22 km/h, und die Sonnenscheindauer in Innsbruck lag bei rund 11,5 h.

Die nachstehende Abbildung 1.1 zeigt Windrichtung und –geschwindigkeit für den 30.03.2021 an der Station Kufstein, die im unteren Inntal liegt. Das Inntal ist dort SW-NE ausgerichtet, wodurch nach dem Konzept des Alpinen Pumpens dies auch die Windrichtungen der Ein- und Ausströmphase sein sollten. Die Auswertung zeigt dieses Verhalten beispielhaft, da nachts und in den frühen Vormittagsstunden das Ausfließen der inneralpinen Luftmassen mit Windrichtung aus SW bis W gekennzeichnet ist. Gegen 11 Uhr dreht dann der Wind schlagartig um nahezu 180 ° auf Nordost – Die Einströmphase hat begonnen. Sie dauert bis zu einem erneuten sprunghaften Windrichtungswechsel um ca. 19 Uhr an, ab dem der Wind erneut aus Süd bis West kommt. Zu den Umschlagpunkten nimmt die Windgeschwindigkeit deutlich ab. Im Mittel wehte der Wind während der Ausströmphase schwächer als während der Einströmphase.

Verwendete Daten und Auswertungssoftware

Für die eben vorgestellte Auswertung wurden die 10-minütigen Messdaten verwendet. Diese wurden als .csv-Datei heruntergeladen und mithilfe der Programmiersprache Python 3 ausgewertet und dargestellt. Eine analoge Auswertung ist auch mit anderen Programmen wie Microsoft Excel möglich.

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Mittelung des Windes

Von dem in Stufe 1 präsentieren Fallbeispiel soll nun zur Erstellung einer Statistik übergegangen werden. Hierfür werden die Daten der Jahre 2016 bis 2020 herangezogen. Da bei einer Auflösung von 10 Minuten und einer Dauer von 5 Jahren jedoch die Datenmenge zu groß werden würde, um diese gesammelt aus dem Datenportal herunterzuladen, wird die zeitliche Auflösung auf Stundendaten reduziert. Alternativ könnten die 10-Minutendaten auch portionsweise bezogen und dann händisch zusammengefügt werden.

Die Auswertung

Der Umschlagpunkt zwischen Ein- und Ausströmphase ist nicht jeden Tag zur selben Uhrzeit und hängt von vielen Faktoren wie der Jahreszeit (Sonnenstand) und lokalen Wettererscheinungen wie Nebel ab. Daher werden die Phasen nun so definiert, dass der Umschlagpunkt sehr wahrscheinlich nicht in die gewählte Zeitspanne fällt.
- Die nächtliche Ausströmphase: 21 UTC bis 05 UTC
- Die Einströmphase tagsüber: 10 UTC bis 18 UTC
Innerhalb dieser Zeiten, über die Dauer der genannten 5 Jahre, wird jeder stündliche Wert (Ränder der Intervalle inklusive) berücksichtigt.

Die Ergebnisse

Die so erhaltenen Messdaten für Windrichtung und Windstärke werden nun in einer Windrose dargestellt (Abbildung 2.1 und Abbildung 2.2). Abzüglich einiger herausgefilterter Fehlwerte wurden 16392 Zeitpunkte für die Einströmphase, und 16389 Messpunkte für die Ausströmphase herangezogen.

Zur Erklärung der Darstellungsart: Die Windrosen enthalten Informationen wie oft der Wind an der Station Kufstein im vorgefilterten Zeitintervall mit einer bestimmte Stärke aus einer bestimmten Richtung wehte. Jede Farbe steht für ein definiertes Geschwindigkeitsintervall. Acht zu geben ist hierbei bei einem Vergleich zweier Windrosen, da die Farbgebung nicht standardisiert ist, sondern sich an die jeweiligen Daten anpasst. Die Länge und Richtung eines jeden Segments gibt an wie oft der Wind aus/mit dieser Richtung/Geschwindigkeit wehte. Beginnt außerhalb einer Farbe ein Segment mit einer neuen Farbe, so zählt die Anzahl ab diesem Farbwechsel, nicht vom Mittelpunkt. Die im rechten oberen Quadranten angegebenen Zahlen stehen für die prozentuale Häufigkeit in diesem Abstand vom Mittelpunkt. Diese Abbildungen wurden ebenfalls mit Python 3 unter Zuhilfenahme des „windrose“ Paketes erstellt.

Interpretation der Ergebnisse

Die Windrosen zeigen was das eingangs erwähnte Fallbeispiel bereits vermuten ließ: In deutlich über der Hälfte der Fälle weht der Wind in der Ausström-/Einströmphase aus Südwesten/Nordosten. Obwohl die Farbskalen zwischen den zwei Windrosen nicht exakt gleich sind, lässt sich feststellen, dass der Wind während der Einströmphase im Mittel stärker weht als während der Ausströmphase. Außerdem wird deutlich klar, dass Wind, der normal zur Talsohle weht, eine Ausnahme darstellt. Zu den meisten Zeitpunkten weht der Wind in Kufstein entlang des Inntales.

Bei dieser Auswertung wurde von jedem Tag die eingangs bestimmten Stunden ausgewertet. In einem letzten Schritt sollen diese in Stufe 3 zusätzlich nach Tagen, an welchen Alpines Pumpen zu erwarten ist, gefiltert werden.

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Zusätzliche Filterung nach Bewölkung und Höhenwind

Anstatt jeden Wert aus 5 Jahren zu berücksichtigen, werden nun anhand des Höhenwindes und der Bewölkung jene Tage und Nächte herausgefiltert, welche ein hohes Potenzial für alpines Pumpen aufweisen. Die Filterung basiert auf folgenden Schwellwerten:
- Bewölkung: Im Mittel ≤ 4 Achtel
- Höhenwind: Nie stärker als 60 km/h am Patscherkofel
Erfüllt ein Zeitraum diese Bedingungen, wird er für diese Auswertung herangezogen. Für die Berechnung des mittleren Bewölkungswertes wird auf die SYNOP-Meldungen der Station Innsbruck-Flughafen zurückgegriffen, und von allen gemessenen Bedeckungsgraden innerhalb einer Ein- bzw. Ausströmphase das arithmetische Mittel gebildet. Nach dieser Filterung, und jener nach dem Höhenwind mithilfe der Station am Patscherkofel, bleiben 507 Ein- und 513 Ausströmphasen zur Auswertung übrig. Diese Tage und Nächte beinhalten 4552 bzw. 4607 Messwerte.

Die Ergebnisse

Diese zusätzliche Filterung wurde erneut mit Hilfe der Programmiersprache Python 3 durchgeführt. Die nachstehenden Abbildungen 3.1 und 3.2 zeigen die ebenfalls damit erstellten Windrosen. Diese sind wie jene im Advanced-Abschnitt zu interpretieren, wobei auf eine unterschiedliche Farbgebung achtgegeben werden sollte.

Im Vergleich zu den zuvor präsentierten Windrosen, sind die Phasen nochmals deutlicher zu erkennen. Allerdings gibt es nach wie vor „Ausreißer“, an denen der Wind nicht aus der durch das Konzept des Alpinen Pumpens erklärten Windrichtung weht. Diese Ausnahmen entstehen zum Beispiel durch kleinräumige Wetterphänomene wie Gewitter oder Schauer. Gerade ein sonniger und wolkenarmer Frühlings- oder Sommertag begünstigt die Bildung von konvektiven Ereignissen. Im Allgemeinen gilt aber, dass das Alpine Pumpen bereits vor der Filterung durch den markanten Querschnitt des Inntales sehr gut zum Vorschein kam, wodurch der Zugewinn der Filterung geringer ausfällt.

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Datensätze

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