Frostschäden und Witterungsverlauf

Frostschäden und Witterungsverlauf

Hans Turner

1 Einleitung

Die Frosthärte von Pflanzen unterliegt in unserem Klimagebiet sowohl einem en- dogenen jahreszeitlichen Rhythmus als auch einer Steuerung durch den aktuellen Witterungsverlauf. Darüberhinaus wird die Frosthärte in vielfältiger Weise durch das Luft- und Bodenmi 1 i eu, aber auch durch biotische Faktoren, durch die genetische Konstitution sowie durch die Witterungsvorgeschichte beeinflusst(LAR- CHER et a 1., 1985; SAKAI und LARCHER, 1987). Eine besonders wichtige Disposi- tion für Frostschäden scheint der Ernäh- rungszustand der Bäume darzuste 11 en (BOSCH und REHFUESS, 1988).

Die volle Frostabhärtung speziell unserer Koniferen wird nicht ⁱⁿ jedem Winter erreicht, sondern nur dann, wenn der Witterungsverlauf in nicht zu gros- sen und sehne 11 en Schritten zu den für das betreffende Klimagebiet typischen Tiefsttemperaturen führt. Jede winterli- che Wärmephase, insbesondere wenn der Gefrierpunkt für mehrere Tage über- schritten wird, verringert die Frosthär- te beträchtlich; es gibt bezüglich Frosthärte keine Winterruhe. Keinesfalls genügen Temperaturen von wenigen Graden unter dem Gefrierpunkt, um eine vo 11 e Frosthärte unserer Koniferen (die bei der Fichte -35 bis -40 °C beträgt) zu bewirken. "Die Pflanzen sind der jeweils herrschenden durchschnittlichen Tages- temperatur in ihrer Frosthärte um 10 bis 20 Grad voraus, so dass ein beachtlicher Temperatursturz innerhalb kurzer Zeit

kommen müsste, um sie zu schädigen"

( JAHNEL, 1959).

Sodann muss unterschieden werden zwischen Erfrierungsschäden (die Pflan- zentemperatur fä 11 t bei Frühf rösten im Herbst, bei Spätfrösten im Frühling oder bei sehr tiefen Temperaturen im Winter unter den aktuellen Abhärtungsgrad), F rostwechse 1 schäden ( irre ve rs i b 1 e Ze 11- s ch äden durch rasches Auftauen und Wie- dergefrieren) und Frosttrocknisschäden (verdunstungsbedingte letale Wasserdefi- zite der Gewebe, wenn der gefrorene Boden oder die Eisbildung in den Achsen- geweben den Wassernachschub blockieren).

Es ist aber äusserst schwierig. an den Schadsymptomen die Art des Frostschadens zu erkennen, zumal auch Kombinationen von Erfrierungs-, Frostwechsel- und Frosttrocknisschäden vorkommen dürften.

Folgende Witterungsereignisse können die genannten Formen von Frostschäden zur Folge haben:

a) Strahlungsfröste: In klaren oder heiteren Nächten kommt es durch Wär- meausstrahlung in den Weltraum zu einer Abküh 1 ung von Boden, Pflanzen und untersten Luftschichten bis unter den Gefrierpunkt. Dadurch können loka 1 begrenzte Erfrierungsschäden während empfindlicher Pflanzenent- wicklungsstadien verursacht werden, insbesondere durch Spätfröste während des Austreibens der Bäume.

b) Advektivfröste treten grossräumi g nach Zufuhr kalter Luftmassen auf und induzieren vor allem dann Erfrie-

rungsschäden, auch mitten im Winter, wenn innerhalb von 24 Stunden die Lufttemperatur um rund 15 °C auf ein Temperaturniveau von mindestens 3- 5 °C unter den Gefrierpunkt absinkt (MAYER et al., 1988).

c) langandauemdes Strah 1 ungswetter bei tiefen Temperaturen kann allmählich zu letalen pflanzlichen Wasserdefizi- ten und damit zum frosttrock.nisphäno- men führen. In der amerikanischen Literatur wird der "red be 1 t damage"

teilweise einer Austrocknung (durch warme Winde) zugeschrieben (MacHAT- TI E, 1963; BELLA und NAVRATIL), 1987, doch wurden dafür keine überzeugenden Nachweise durch entsprechende Messun- gen des pflanzlichen Wasserdefizites erbracht„

d) Oszillationen von Luftmassengrenzen:

Insbesondere im Bereich von kalten Nebelobergrenzen und darüberliegenden Temperaturinversionen können periodi- sche Vertikalbewegungen der Tempera- tursprungschicht einen Wechsel von Warm- und Kaltphasen und damit in relativ schmalen Höhenzonen während der ka 1 ten Jahreszeit ausgesprochene Frostwechselschäden bewirken„ Dabei sind oft sonnenstrahlungsbedingte rasche Temperaturschwankungen betei- 1 i gt. Besonders zu beachten ist, dass neben den tagesperiodischen Höhenän- derungen der kalten Nebelobergrenze hier auch kurzperiodische Gravita- tionswellen dazukommen können. Diese entstehen an der Nebe 1 obergrenze (Inversionsbasis) infolge des Dichte- unterschiedes zur darüberl iegenden Warmluft. Je kälter die Nebel-Grund- schicht und je wärmer die darüberlie- gende Inversionsschicht ist, desto ausgeprägter sind die Gravitations- we 1 len„ Bei einer Wellenlänge von 30 bis 40 km sind Periodendauern (von einem Wellenberg zum nächsten) von 40 bis 70 Minuten üblich, wobei die Höhendifferenz (Amplitude) zwischen einem We 11 enberg und einem We 11 enta 1

bis 150 m erreichen können. An einem Tag können so 5-10 Nebel-Wellenberge an einem Fixpunkt durchziehen (B0UET und KUHN, 1970; B0UET, 1985). Diese Schwerewe 11 en dürfen nicht verwech- se 1 t werden mit den gewellten Nebel- oberflächen, die durch die Windströ- mungen im Nebelkörper selbst - allen- falls in Wechselwirkung mit dem Re- lief und der Thermik - zustandekommen und die in Satellitenbildern eben- falls schön zum Ausdruck kommen (HEEB, 1987; TR0XLER, 1987: S. 21, Foto 8). Noch nicht genau untersucht sind die Verhältnisse, wenn warmer Föhn über einer sehr kalten Grund- schicht strömt oder wenn die kalte Grundschicht selbst in Bewegung ist und para 11 e 1, quer oder entgegenge- setzt zum Höhenföhn strömt. Beobach- tungen deuten darauf hin, dass bei solchen eher seltenen Witterungser- eignissen die Häufigkeit und Intensi- tät der Frostwechse 1 sowie die ent- sprechenden Schäden an der Vegetation der Grenzzone verstärkt sind (HENS0N, 1952).

2 Witterungsverlauf im Winter 1986/87 Das Winterhalbjahr 1986/87 war nordseits der Alpen durch einen ungewöhnlich häu- figen Wechse 1 von warmen und ka 1 ten Perioden sowie durch mehrmalige Tempera- turtiefstwerte bis gegen -20 °C, in höheren Lagen sogar bis rund 30 Minus- grade gekennzeichnet (Extremwert in La Brevine: -41,8 °C). Beispielsweise wur- den an ost- und zentra 1 schwei zeri sehen Stationen von Anfang November bis Mitte März nicht weniger als neun Frostperio- den von mehrtägiger bis mehrwöchiger Dauer registriert, die jeweils durch mildere frostfreie Perioden getrennt waren (Abb. 1).

Im ei nze 1 nen wurde fo 1 gender Wi tte- r u n g s ab 1 auf beobachtet, wobei auch Augenbeobachtungen der Höhe der Nebe 1-

Dezember 1986 Januar 1987 Februar 1987 März 1987

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Abbildung 1

Tägliche Minima und Maxima der Lufttemperatur an den Stationen Nanisau AI, Planken FL und Engelberg OW im Winter 1986/ 87.

obergrenze und mutmassliche Auswirkungen auf die Frosthärte der Koniferen erwähnt werden:

- 4.-5. November erste Nachtfröste nach Kaltluftzufuhr bei Hochdruckeinfluss, verbunden mit Hochnebel mit Obergrenze bei 800-900 m

- 13.-15. November unter Föhneinfluss kurze aber kräftige Erwärmung bis nahe +20 °C (besonders in Föhntälern); die Koniferen werden empfindlich gegen plötzliche scharfe Fröste

- vom 28. November bis 6. Dezember Frostperiode mit täglichem Unter- und Obersehreiten des Gefrierpunktes,

Abbildung 2

Karte der absoluten Minima der Lufttemperatur im Januar 1987 (Klimastationen SMA).

Eistag mit scharfem Frost bis -10 °C am 1 „ Dezember, Nebel mit Obergrenze bei 600-700 m

- anschliessend vom 8. bis 10„ Dezember kräftige föhnige Erwärmung mit Tages- höchstwerten bis über +15 °C; weitge- hende Frostenthärtung der Koniferen - 12 .. -13 .. Dezember eine weitere Frost-

periode, Hochnebelgrenze auf 800 m absinkend; die Frosthärte kann mit dem Temperaturrückgang vermutlich Schritt halten

- anschliessend eine frostfreie Periode bis 19„ Dezember mit ersten Schneefäl- len und erneuter Frostenthärtung der Koniferen

- ab 20. Dezember eine siebentägige Folge von Eistagen mit scharfem Frost am Weihnachtstag bis -10/-15 °C, aber sofortiger Erwärmung bis Null Grad innerhalb von 24 Stunden und Aufbau einer bis 80 cm mächtigen Schneedecke;

diese grossen und raschen Temperatur-

sprünge bedeuten jedenf a 11 s einen beachtlichen Witterungsstress und könnten bei geschwächten Koniferen bereits eine latente Schädigung verur- sacht haben

- ansch 1 i essend um die Jahreswende eine einwöchige milde, frostfreie Periode mit starkem Rückgang der Schneedecken- höhe; der Abhärtungsgrad der Koniferen wird erneut vermindert

- ab 4„ bis 12„ Januar Einfliessen ark- tischer und in der Folge sibirischer Ka 1 t 1 uft in drei Schüben, dazwi sehen mildere ozeanisch getönte Luftmassen„

extreme Kälte bis -20 °C und tiefer am 12„ und 13„ Januar, Nebelobergrenze am 9„ Januar bei 600 m; andauernde Schneedecke von 20-30 cm Höhe; der Temperatursturz durch Advektivfrost vom 10., 11„ und 12„ Januar auf ein um 20-30 Grad tieferes Temperaturniveau innerhalb von 40 Stunden ist ein wei- teres ungewöhn 1 i ches „ nicht jeden

Winter vorkommendes Ereignis, das die Frosthärte-Anpassungsfähigkeit vieler Koniferen vermut lieh überfordert hat;

auf diesen Temperatursturz dürften die in verschiedenen Gebieten (auch im Mittelland) diffus verteilten Frost- schäden (Erfrierungsschäden) zurückge- hen

- am 14„ Januar Höhenföhn aus SE, her- nach stufenweise Erwärmung, um den 25. Januar erstmals wieder Temperatu- ren allgemein über dem Gefrierpunkt;

Inversionslage mit Hochnebel während fast der ganzen zweiten Januarhälfte, Nebelobergrenze in wechselnder Höhe (900-1400 m, selten bei 1700 m)

- anschliessend Schneefälle und ab 30. Januar erneut Eistage mit sehr scharfen Frösten bis -18 °C bis 2. Fe- bruar, Nebelobergrenze zeitweise bei 800 m

- 3.-6„ Februar tägliches Durchschreiten des Gefrierpunktes in bei den Ri chtun- gen, Nebelobergrenze erneut etwa 800 m - 7. -15„ Februar sehr milde, frostfrei e

Periode mit Föhn, Hochnebel am 12„ und

m ü.M.

3500

3000

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• Jungfraujoch

• Corvatsch

2000 Buffalora •

Samedan •

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Q°C Abbildung 3

Höhenverteilung der absoluten Minima der Lufttemperatur im Januar 1987 (Klima- stationen SMA).

und 13. Februar mit Obergrenze bei 800 m

- 2 .. -4„ März nach einer sehr milden Witterungsperiode rascher Temperatur- fa 11 von +8/+ 10 °C (Nani sau bzw. En- gelberg) auf -13/-14 °C zu einer Zeit erhöhter Frostempfindlichkeit bzw„

grösserer Enthärtungsbereitschaft.

Ein Vergleich der räumlichen Verteilung der absoluten Minima der Lufttemperatur im Januar 1987 (Abb. 2 und 3) mit der Verteilung der Frostschäden (Karte S. 23 und Tabelle S. 24/25) macht deutlich, dass kein Zusammenhang zwi sehen bei den Phänomenen besteht, dass es sich somit nicht um gewöhn 1 i ehe Winterfrostschäden handeln kann.

3 Das entscheidende Witterungsereignis Eine Durchmusterung der Temperaturver- läufe an den Klimastationen der Schweiz.

Meteorologischen Anstalt (SMA) hat erge- ben, dass an jenen Stationen, die dem ost- und zentralschweizerischen Frost- schadengürtel (700-1000 m ü.M.) am näch- sten 1 i egen, am 14. Januar ganz ausser- gewöhn 1 i ehe Temperaturfluktuationen ge- messen wurden: rasche Temperatursprünge rund 10 K unter O °C bis zu 8 K über 0 °C und wieder zurück. Da nur Stationen in der Nähe der beobachteten Nadelverrö- tungen diese Temperatursprünge regi- striert haben, ist es naheliegend, hier dem für die Schäden ausschlaggebenden Witterungsereignis auf der Spur zu sein.

Eine Analyse der Witterungslage für diesen Tag ergibt, dass kurzfristig und überraschend bei nordöstlicher Boden- strömung sich eine Höhenföhnlage aus Südosten entwickelt hatte, mit einem Tief entlang der spanischen Ostküste und einem Hoch über Skandinavien. In der Grundschicht wehte eine sehr kalte Bise, darüber ein am 13„ Januar noch ka 1 ter, Bora-artiger Föhn, der erst am 14„ Ja- nuar wärmer wurde und im Föhngebiet bis

Abbildung 4

Satellitenbild NOAA-10 (Infrarot-Kanal Nr. 4) vom 14. Januar 1987, 7.39 Uhr.

Abbildung 5

Im

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Nebelgebiete

Grenze zu bewölkten Gebieten

kartierte Nebelgrenze unsicher

Kartierung: K. Flückiger, Geographisches Institut der Universität Bern

Reproduziert mit Bewilligung des Bundesamtes für Landestopographie vom 10.8.1988

Nebelbedeckung am 14. Januar 1987 im Raum der Ostschweiz, kartiert nach einem Satellitenbild von NOAA-10 (Abb. 4) von K. Flückiger, Geographisches Institut der Universität Bern.

in eine Höhe von 2000 m positive Tempe- raturen brachte (Abb. 4 und 5).

Die knapp unterhalb des Frostscha- dengürtels liegende Station Engelberg hat zwei Föhnstösse in die kalte Nebel- luft registriert (Abb. 6 und 7); in der eigentlichen Schadenzone dürften diese Föhnstösse noch zahlreicher und intensi- ver gewesen sein. Innerhalb weniger Mi nuten wurden die Grenzzonen zwi sehen unterer Nebelschicht und darüberwehendem Föhn massiv über Nu 11 Grad erwärmt und ebenso rasch wieder in frostigen Nebe 1 gehüllt. Aus den Stundenwerten von En- gelberg und Luzern 1 assen sieh ganz ungewöhnlich starke Inversionen erken- nen. Wie von Herrn Dr. G. Gens 1 er (Zü- rich) mitgeteilt wurde (in litt., 31 ^„ 7 • 1 9 8 7 ) , ex i s t i er t e d i es e Sperr- s chi cht auch auf dem Gl ei tfl ugweg zur Landung vom Rhein nach Kl oten, was zu folgender Warnmeldung an die Piloten führte: "Inversion of 15 degrees between 3700 and 4500 f eet ^11, a 1 so etwa zwischen- 1100 und 1350 m ü.M. eine gefährliche Sprungschicht im Ausmass von 15 °C„

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Abbildung 6

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Stündliche Mittel- und Extremwerte der Lufttemperatur sowie Nebel- und Föhnperioden am 14. Januar 1987 (ASTA Nr. 42, Engelberg, 1035 m ü.M.).

Wenn man schliesslich noch anhand der Stationen Pilatus, Napf, Enge 1 berg und Luzern die Höhenverteilung der Tem- peratur und ihrer interdiurnen Schwan- kungen betrachtet (Abb. 8), wird klar, dass das Witterungsereignis vom 14. Ja- nuar der Schlüssel zur Erklärung der Hauptmasse der Frostschäden ist, die in ihrer Höhenverteilung genau mit den

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13. Januar 1987 14. Januar 1987 15. Januar 1987

Abbildung 7

Verlauf der Lufttemperatur und der relativen Luftfeuchtigkeit vom 13. bis 15. Januar 1987 (ASTA Nr. 42, Engelberg, 1035 m ü.M.).

m ü.M.

2200 Pilatus 2000

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Abbildung 8

8°C

Höhenverteilung von Stundenmittel- werten der Lufttemperatur in der Zen- tralschweiz am 14. Januar 1987 von 7.00 bis 19.00 Uhr in zweistündigen Inter- vallen„

Zonen der grössten Temperaturschwankun- gen beziehungsweise intensivsten Frost- wechsel zusammenfallen.

In der Literatur sind solche Phäno- mene für Nordamerika und Skandinavien mehrfach belegt (HENSON, 1952; BOYCE, 1961; VENN, 1962; MacHATTIE, 1963) ..

Henson„ Langlet und andere Autoren er- wähnen ausdrück lieh, dass diese "f rost belts" oder "red belts" entstehen, wenn Warmluft über einen Kältesee streicht und in der Grenzzone häufige Temperatur- wechsel eintreten„ KLEIN (1988) glaubt ein ähnliches Phänomen am 2. Februar 1987 im Südschwarzwald f estgeste 11 t zu haben„

4 Zur Frage der Häufigkeit und Wiederkehrdauer

exzessiver Frostwechselerscheinungen Eine nähere Untersuchung der Frage, mit welcher Wiederkehrdauer bei solchen so- eben geschilderten Witterungsereignissen zu rechnen ist, muss vor a 11 em die Ge- schwindigkeit von Temperaturänderungen in Betracht ziehen, welche den Gefrier-

bereich von Koniferennadeln (-3/-5 °C) um mindestens 5 °C über- und unter- schreiten„ Ein Rückschluss von solchen Frostwechselstatistiken auf effektive Frostwechselschäden ist aber kaum mög- 1 ich, weil der jeweilige Frosthärtegrad der Koniferen auch eine Rolle spielt, dieser aber von vielen Faktoren (auch von der Witterungsvorgeschichte) abhän- gig ist„ Einer klimatologischen Auswer- tung können keine entsprechenden pfl an- zenphys i o logischen Grenzwerte zugrunde gelegt werden (siehe Beitrag von R„ Häs- ler: "Physiologische Wirkung des Frostes auf Pflanzen").

Selbstverständlich wiederholt sich die im Winter 1986/87 abgelaufene Folge von Witterungsereignissen in genau glei- cher Form praktisch überhaupt nie„ Ande- rerseits können sicherlich ähnliche Frostschadenereignisse bei unterschied- 1 i chen Witterungsabläufen zustandekom- men„ Aus der vorliegenden Witterungs- und Wetterlagenstatistik der Schweiz.

Meteorologischen Anstalt seit 1961 lässt sieh entnehmen, dass die Witterungskon- ste 11 at ion eines hochwinterlichen warmen Südföhns über einer quer- bis gegenläu- figen sehr kalten nebligen Grundströmung nur 1-2 Tage nach einem dreistufigen Temperatursturz von rund +10 °C auf -25 °C und vorhergehenden sowie nachfol- genden Warm- und Ka 1 tphasen in der be- trachteten Klimaperiode eben nur im Winter 1986/87 vorgekommen ist„ Das zeigt, dass mit einer Wiederkehrdauer von mindestens einigen Jahrzehnten zu rechnen ist„

5

Für wert vo 11 e Informationen und deta il- 1 i erte Messdaten danke ich sehr herzlich insbesondere den Herren Dr„ G„ Gens 1 er (Zürich), Dr„ F„ Mäder (Schweiz„ Meteo- rologische Anstalt Zürich), Dr„ H„ Wan- ner, Dr. M. Heeb und F.-X. Troxler (Geo- graphisches Institut der Universität

Bern) sowie den Kantonsoberförstern P. Raschle (Appenzell) und R. Ehrbar (Teufen).

6 Zusamenfassung

Eine Analyse der im Winter 1986/87 abge-

1 aufenen Wi tterungserei gni sse hat erge- ben, dass für die ab der zweiten Januar- hälfte und vermehrt im Februar und März 1987 im Höhengürtel 700-1000 m sichtbar gewordenen Frostschäden eine ungewöhn- 1 i eh häufige Fo 1 ge markanter Kalt- und Warmphasen prädisponierend und auslösend gewirkt haben müssen. Eine disponierende Bedeutung wird besonders den plötzlichen scharfen Frösten zu Weihnachten 1986 und sofort nachfo 1 gender Erwärmung bis weit über den Gef ri erpun kt, der anha 1 tenden unzeitigen Wärme bis über die Jahres- wende hinaus sowie den fo 1 genden drei Temperaturstürzen vom 4„ bis 12. Januar bis -20/-30 °C beigemessen. Als Haupt- aus 1 öser der Frostschäden wurde der warme südliche Höhenföhn identifiziert, der am 14. Januar gebietsweise in der Ost- und Zentralschweiz sowie im Wallis (Visp) die sehr kalte Nebelobergrenze mehrmals durchstossen hat. Dadurch wur- den äusserst rasche Auftau- und Wieder- gefrierprozesse (-10/+10/-10 °C) im Bereich der kalten Nebelobergrenze indu- ziert, die sich innerhalb weniger Minu- ten oder sogar Sekunden abgespi e 1 t ha- ben. Nachfolgende scharfe Frostwechsel ( Ende Januar, anfangs Februar sowie anfangs März) können die Frostschäden ( Frostwechse 1 schäden) gebietsweise noch weiter verstärkt haben. Mindestens seit Anfang der sechziger Jahre ist kein gleichartiger oder sehr ähnlicher Wit- terungsverlauf aus der Witterungschronik ersichtlich.

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