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Lexikon der Geographie: Berg- und Talwind

Berg- und Talwind, thermisch bedingtes lokales Windsystem im Gebirge. In Räumen mit Reliefunterschieden vom Hügelland bis zum Hochgebirge bilden sich, mehr oder weniger häufig und abhängig von den aktuellen meteorologischen Bedingungen, lokale und regionale Windsysteme aus. Es sind an Hänge gebundene Hangauf- und -abwinde sowie an die Täler gebundene Berg- und Talwinde, deren Ursache horizontale Temperaturdifferenzen sind. Meteorologische Voraussetzungen sind Austauscharmut und möglichst wenig durch Bewölkung behinderte vertikale Strahlungsflüsse.
Mit der Umkehr der Strahlungsbilanz in den Nachmittagsstunden beginnt der Prozess der Abkühlung der Oberflächen. Ihr Wärmeverlust wird kompensiert durch vertikal aufwärts gerichtete Wärmeflüsse im Boden und abwärts gerichtete Wärmeflüsse aus der bodennahen Luft an die Oberflächen. Dies führt zur Abkühlung der bodennächsten Luftschicht, und zwar im Ausmaß abhängig von der Turbulenz innerhalb der bodennahen Luftschicht, der Wärmeleitfähigkeit und der am Tage gespeicherten Wärmemenge des oberflächennahen Untergrundes. Wenn der Prozess der Abkühlung in der Atmosphäre sich wie im Boden nur über die molekulare Wärmeleitung vollzöge, würde die nächtliche Abkühlung insgesamt nur eine wenige Meter mächtige Luftschicht erfassen und die Blätter der Pflanzen würden aufgrund ihrer geringen Masse und damit Wärmespeicherung auch in der hochsommerlichen Strahlungsnacht erfrieren. Neben der molekularen Wärmeleitung müssen daher quantitativ noch wesentlich bedeutsamere Prozesse für den Wärmeaustausch in der Atmosphäre und damit für die Abkühlung der bodennahen Luft verantwortlich sein. Dies sind Mikroturbulenzen, welche auch in der scheinbar unbewegten Luft einen vertikalen Massetransport bewirken. Sie werden durch dynamische Turbulenzen verstärkt, deren Ausmaß von der Struktur der Oberflächen abhängig ist. Strömungsphysikalisch raue Oberflächen oder komplexe räumliche Strukturen weisen größere Turbulenzen auf, der Abkühlungsprozess der bodennahen Luft erstreckt sich also auf vertikal mächtigere Luftkörper. Über einer kurz geschnittenen Wiese erfasst die Abkühlung eine relativ kleinere Luftmasse als über einem Wald, entsprechend stärker ist die Abkühlungsrate, der Wärmeverlust eines Luftquantums in der Zeiteinheit. Für diese Prozesse werden umgangssprachlich die Begriffe der Kaltluftbildung, Kaltluftproduktion bzw. Kaltluftproduktivität verwendet, sie sind zwar physikalisch unsinnig, beschreiben aber anschaulich den Abkühlungsvorgang.
Die Dynamik der bodennahen Kaltluft ist die Folge von Druckdifferenzen, die sich aus horizontalen Druckgradienten ergeben. Unter den Randbedingungen einer homogenen waagerechten Oberfläche und gleichen Abkühlungsraten, also gleichen Parametern des Untergrundes und der Landnutzung sowie identischen meteorologischen Bedingungen, verbleibt die abgekühlte Luft am Ort ihrer Entstehung, da es keine horizontalen Temperatur- und damit Druckgradienten gibt. Es entsteht aufgrund der höheren Dichte der abgekühlten Luft eine stabile Schichtung, die sich durch den Abkühlungsprozess vertikal ausdehnt. In reliefiertem Gelände hingegen kommt es auch bei gleichen Abkühlungsparametern zu Temperatur- und damit Dichtedifferenzen auf einem absoluten Höhenniveau. Sie betragen 1 bis 3 Pa/km und entsprechen damit in der Größenordnung den horizontalen Druckgradienten makroskaliger Druckgebilde. Die zunehmende Abkühlung verstärkt die Druckgradientkräfte, bis diese ausreichen, entgegen der Trägheitskraft und der Reibungskraft einen Massefluss in Gang zu setzen. Der Initialvorgang ist fast immer eine instationäre Bewegung, indem mehr oder weniger periodische Prozesse beobachtet werden, wobei einzelne isolierte Luftpakete hangabwärts strömen. Für sie werden die Begriffe Luftlawinen oder Kaltlufttropfen verwendet. Das zuerst sich ausbildende Temperatur- und Druckgefälle besteht zwischen Hang- und Talatmosphäre, daher bilden diese Hangabwinde oder Hangwinde die erste Phase der Bewegung. Die Isothermenflächen sind am Hang nach unten gebogen, es entsteht dort ein Kältehoch, im Tal ein Wärmetief. Mit zunehmender Abkühlung wird dieser Prozess stationärer. Der Volumenstrom der Luft lässt sich mit der Bewegung eines Fluides vergleichen, daher werden die Begriffe des Kaltluftflusses, bei unterbundenem Abfluss des Kaltluftstaus oder Kaltluftsees verwendet. Die gemessenen Geschwindigkeiten liegen zwischen wenigen Dezimetern und knapp 3 m/s. Die Bewegung der Kaltluft erzeugt dynamische Turbulenzen, welche den abwärts gerichteten Wärmestrom durch eine Intensivierung des Masseaustausches verstärken. Als Konsequenz ergibt sich ein sehr schnelles Ansteigen der Obergrenze der Kaltluftansammlung in den Tälern schon in den Abendstunden.
Von der Primärbewegung am Hang ist eine Sekundärbewegung im Tal zu unterscheiden. Sie ist neben horizontalen Druckdifferenzen auch eine Folge der Masseverlagerungen durch die Hangabwinde und meist talabwärts gerichtet. Der Volumenstrom nimmt mit zunehmender Größe des Einzugsgebietes zu, es entstehen sehr stationäre Strömungen, welche auch im Mittelgebirge Mächtigkeiten bis über 100 m, im Hochgebirge bis 1000 m erreichen können. Die Winde haben häufig lokale Namen oder sind einfach nach dem Tal, in welchem sie regelmäßig wehen, benannt. Zu den in Deutschland bekanntesten und am frühesten untersuchten gehören die Bergwinde des Schwarzwaldes zum Oberrheingraben hin, insbesondere der Höllentäler, welcher für die Stadt Freiburg eine große lufthygienische Bedeutung hat und die Extreme des Stadtklimas mildert. Diese Bergwinde erstrecken sich meist über den gesamten Talboden und erfassen auch mehr oder weniger große Teile der Talflanken. Unterschiedliche Talquerprofile, wechselnde Rauigkeiten der Oberflächen oder unterschiedliche Expositionen gegenüber dem überlagernden Wind beeinflussen die Bewegung ( Abb. 1).
Die Bedeutung von Hangab- und insbesondere von Bergwinden ergibt sich dadurch, dass sie vor allem bei austauscharmen strahlungsgeprägten Wetterlagen bestehen, wenn infolge der großräumigen Druckfelder kein oder nur ein geringer bodennaher horizontaler Luftaustausch besteht und der vertikale Austausch durch Inversionen beschränkt ist (Witterungstypisierung). Dann werden im Umfeld von Emittenten oder in Ballungsräumen lufthygienische Grenz- oder Richtwerte erreicht oder überschritten und die bioklimatischen Belastungsparameter nehmen zu. Dies gilt besonders für die schlecht durchlüfteten Tal- und Beckenlagen der Gebirge. Der einzige Motor für den bodennahen Luftaustausch sind in dieser Situation die Bergwinde, teilweise im Siedlungsrandbereich auch Hangabwinde. Die Volumenflüsse der Kaltluft können beträchtlich sein und reichen bis zu über 100.000 m3/s. Unter der Voraussetzung, dass sie Reinluft transportieren, kann man die Kaltluft als Frischluft bezeichnen. Ist sie lufthygienisch belastet, kann sie auch negative Wirkungen haben. Die Erfassung von Häufigkeiten, Mächtigkeiten und Transportleistungen sowie ihre lufthygienische Bewertung erfolgen daher in planungsbezogenen Analysen der angewandten Klimatologie.
Bergwinde haben ihr Häufigkeitsmaximum in den Sommermonaten, das aber durch die längere Andauer in den Wintermonaten kompensiert wird ( Abb. 2). Sie sind nicht auf die Nachtstunden beschränkt, sondern setzen teilweise bereits vor Sonnenuntergang ein und enden erst in den Vormittagsstunden, in Abhängigkeit von verschiedenen steuernden Einflüssen erfolgt der Beginn in Einzelfällen auch erst im Laufe der ersten Nachtstunden. Das Bewegungsmuster ändert sich im Laufe der Nacht, das Geschwindigkeitsmaximum verlagert sich vertikal nach oben, sodass sich in Bodennähe an ortsfesten Windgebern abnehmende Geschwindigkeiten ergeben.
Mit der Einstrahlung am Tage stellt sich wieder eine positive Wärmebilanz der Oberflächen ein. Mit der Erwärmung der bodennahen Luft zunächst an der sonnenexponierten Talflanke wölben sich dort die Isothermen auf, es entsteht ein kleines Wärmetief am Hang, noch während im Tal der Bergwind weht. Die Folge ist ein Hangaufwind, der sich jedoch nicht so eng an den Hang anschmiegt wie der Hangabwind.
Genetisch davon zu unterscheiden ist der Talwind, der sich nun nicht aus der Akkumulation von Hangaufwinden ergeben kann, sondern im Hochgebirge der zum Gebirgszentrum hin gerichtete Ast der Vorland-Gebirgs-Zirkulation (Vorlandwind) ist. Im Mittelgebirge fehlt der Talwind meist. In der konvektiven Talatmosphäre besteht durch Thermik und periodische Ablösungsprozesse von Warmluft eine hohe Richtungs- und Geschwindigkeitsböigkeit oder der Oberwind greift mehr oder weniger abgelenkt bis zum Talboden durch. Die mit der Konvektion verbundene hochreichende turbulente Durchmischung macht diese Luftbewegungen für die Lufthygiene weniger relevant als die bodennahen Hangab- und Bergwinde der stabilen Schichtung in der nächtlichen Grenzschicht.
Im Hochgebirge gibt es zum Berg- und Talwind in der Höhe Antiwinde, welche der Bodenströmung jeweils entgegengesetzt sind (Anti-Bergwind und Anti-Talwind). Sie fehlen bei geringeren Reliefunterschieden oder sind nur lokal eng begrenzt als Masseausgleichsbewegungen ausgebildet. Auf die Scherfläche der dem Boden auflagernden Strömung folgt entweder der geostrophische Wind oder ein übergeordnetes nicht an das jeweilige Tal gebundenes regionales Windsystem. Da eine Unterscheidung ohne aufwändige Vertikalsondierung nicht möglich ist, wird häufig nur vom Oberwind gesprochen ( Abb. 3).

JVo

Lit: [1] BREHM, M. (1986): Experimentelle und numerische Untersuchungen der Hangwindschicht und ihrer Rolle bei der Erwärmung von Tälern. – München. [2] FREYTAG, C. (1988): Atmosphärische Grenzschicht in einem Gebirgstal bei Berg- und Talwind. – München. [3] VOGT, J. (2001): Lokale Kaltluftabflüsse und ihre Relevanz für die räumliche Planung. – Karlsruhe.


Berg- und Talwind 1 Berg- und Talwind 1: Isotachen (Linien gleicher Geschwindigkeit) [m/s] eines Bergwindes in einem breiten Mittelgebirgstal.

Berg- und Talwind 2: Berg- und Talwind 2: Tages- und Jahresgang der Häufigkeit des Bergwindes im Steinlachtal bei Tübingen/Schwäbisches Albvorland, als Ergebnis mehrjähriger Analysen.

Berg- und Talwind 3: Berg- und Talwind 3: Zirkulationsmuster mit Hang-, Berg- und Talwinden im Hochgebirge unter der Randbedingung ungehinderter Einstrahlung.

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