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Zeitliches und räumliches Wintersturmschadrisiko in den Wäldern der Schweiz. Bilanzierung von Waldfläche, Holzvorrat, Sturmschaden und Wettermessungen im Wandel der gesellschaftliche Bedingungen von 1865-2014

Tilo Usbeck

Résumé La présente thèse avait pour objectif d’étudier les tempêtes hivernales, le plus grand risque naturel pour les forêts suisses, en suivant l’évolution des forêts et des dommages qu’elles ont subis dans un contexte de changements climatiques et de transformations sociales.
À partir du milieu du XIXe siècle, les tempêtes hivernales ont provoqué des dégâts sensibles. A la même époque, les structures administratives de la Confédération se sont consolidées et la recherche scientifique a été institutionnalisée dans tout le pays. Ces trois éléments expliquent pourquoi un grand nombre de documents concernant les forêts, les conditions météorologiques, les dommages et leurs conséquences ont été rédigés et conservés. Pour constituer la base des recherches présentées ici, des données ont été collectées sur une période d’environ 150 ans (1865-2014). Ces donnés ont permis d’analyser l’évolution et la répartition spatiale des dommages provoqués par les tempêtes hivernales dans les forêts, ainsi que les conditions météorologiques
Pour l’ensemble des 26 événements ayant causé le plus de dommage, avec chacun plus de 70 000 m3 de bois abattus, les résultats de la présente thèse montrent une augmentation progressive de l’amplitude absolue et relative des dommages ainsi que de leur fréquence. Les quantités de chablis provoqués par la plus grande tempête du XXe siècle (« Lothar », le 26 décembre 1999) se sont avérées 25 fois supérieures à celles de la plus grande tempête du XIXe siècle. Depuis environ 1840, la surface forestière s’est étendue de 62 % (Inventaire forestier national (IFN)) ou de 63 % (Statistique forestière), les stocks sur pied ont augmenté de 184 % (IFN). Pendant la même période, les températures hivernales ont augmenté d’environ 2 °C, et les précipitations hivernales d’environ 50 % dans les régions concernées par les dommages. À de rares exceptions près, au moment des 215 tempêtes hivernales considérées, dont les 26 les plus graves et 189 autres ayant causé des dommages plus restreints, les sols n’étaient pas gelés à basse altitude, et plus humidifiés que la moyennes. Une corrélation significative a été observée entre les dommages importants et les
vitesses maximales de vent (p = 0.0015). Par ailleurs, les résultats ont montré que la fréquence relative des vitesses de vent dépassant 30 m s-1 est passée de 0.21 à 2.51 jours par an entre les périodes 1891-1929 et 1969-2007, tandis que le maximum observé pour chaque période est passé de 32.2 m s-1 à 44.1 m s-1. Les résultats de l’étude des vitesses de vent constituent des séries de données de longueur exceptionnelle, qui ont été homogénéisées en se concentrant sur les jours de vent fort: les maxima journalier de la moyenne horaire pour le semestre d’hiver à partir de 1891 (pour toute l’année de 1930 à 1936), les moyennes journalières de la vitesse du vent de 1891 à 1965 et les vitesses maximales des rafales des jours de vent fort en hiver d’au moins 30 m s-1 à partir du 29.11.1933. Les valeurs moyennes horaires présentent des maxima élevés de fréquence et de valeur absolue aux tournants du XIXe au XXe siècle, et du XXe au XXIe siècle, ainsi qu’un maximum un peu moins important au milieu du XXe siècle. Une tendance positive des fréquences et des maxima des rafales journalières a été relevée. Le volume des chablis en proportion des stocks sur pied s´est avéré significativement corrélé avec les vitesses maximales des rafales.
La corrélation spatiale entre les dommages et les vitesses du vent a été déterminée pour deux études de cas (ouragans « Vivian » et « Lothar ») en utilisant d’ une part les surfaces concernées par les dommages, de tailles et de formes différentes, et, d’autre part leur point central où les données anémométriques ont été dérivées des mesures de MétéoSuisse. Les résultats confirment que les proportions de chablis et les vitesses des rafales sont significativement corrélées, lorsque les surfaces forestières concernées se trouvent à proximité du point de mesure de vent. La corrélation entre les proportions de dommages des surfaces de 1 km et de 2 km de rayon autour des stations anémométriques et les vitesses des rafales dans le cas de l’ouragan « Vivian » présentait des coefficients relativement élevés (R2 = 0.79 et R2 = 0.67) ainsi qu’un bon degré de signification (p = 0.045 et p = 0.003).
Les valeurs moyennes des dommages relatifs par évènement pour la période d’observation 1865-2014 se sont établies à 0.9 m3 ha-1 en moyenne suisse mais varient fortement d’un canton à l’autre, allant de 3.1 m3 ha-1 dans le canton de Nidwald à 0.0 m3 ha-1 dans les cantons du Tessin et de Genève. Ceci confirme l’hypothèse que les dommages des tempêtes hivernales ne se répartissaient pas régulièrement dans l’espace. Les reliefs comme le Jura et les Alpes en Europe centrale ont joué un rôle déterminant dans l’évolution des tempêtes hivernales, pouvant se traduire aussi bien par une augmentation des dommages, notamment sur le Plateau et les Préalpes, que par une atténuation de ceux-ci dans les régions intra-alpines et sur le versant sud des Alpes. Exceptionnellement, des dommages importants ont pu se produire également dans les régions intra-alpines habituellement protégées des tempêtes hivernales, dans le cas de situations météorologiques rares, comme le passage d’un front froid du nord au sud qui a marqué l’ouragan « Vivian ».
L’analyse des mesures anémométriques homogénéisées de Zurich a confirmé, d’une part, que les dommages provoqués par les tempêtes hivernales dans les forêts suisses étaient fortement corrélées aux vitesses des rafales et, d’autre part, que la répartition spatiale des dommages importants dus aux tempêtes hivernales n’était pas non plus homogène au niveau régional.
L’ensemble des résultats de la présente thèse montre que l’augmentation du volume de bois sur pied, celle de la vitesse des rafales de vent, ainsi que, dans une moindre mesure, celle des températures et des précipitations, se sont conjuguées pour contribuer à l’augmentation observée des chablis.
Les résultats de cette thèse ont pu alimenter les modèles pour des évaluations à l’échelle locale ou régionale du risque de dommages lors des tempêtes. Ils ont également déjà pu être pris en compte dans la pratique, pour la planification forestière. Dans les Préalpes, sur le Plateau et dans le Jura, on a ainsi par exemple pu donner une importance plus grande au choix du type d’essence ou à la détermination de du diamètre ciblé pour l’exploitation que dans les régions intra-alpines ou sur le versant sud des Alpes. Ces choix devraient renforcer la résistance des peuplements aux tempêtes dans les régions dont cette thèse a montré qu’elles étaient particulièrement vulnérables.

The goal of this dissertation was to study winter storms as the greatest natural risk for Swiss forests on the basis of long-term data on forest development, storm damage, climate change and social transformation.
In the mid-nineteenth century, winter storms began to cause noticeable damage to forests. At the same time, the administrative structures of both the Swiss Confederation and scientific research were institutionalized throughout Switzerland. These three preconditions resulted in the archiving and preservation of a multitude of documents concerning forests, weather, storm damage and the related consequences. For this study, respecting information for a period of 150 years (1865-2014) was gathered and prepared. The data served to analyze temporal trends and the spatial distribution of winter storm damage and weather conditions in Switzerland.
Referring to storm events that produced the 26 largest damages with more than 70'000 m3 damage wood each, both the amount and the frequency of storm damages increased during the investigation period. The most severe winter storm towards the end of this period (“Lothar”, 26.12.1999) ,produced a twenty-four-fold higher volume of damaged timber compared to the damage of the most severe event in the 19th century. Since about 1840, the forest area expanded by 62% according to the National Forest Inventory (Landesforstinventar (LFI)) or 63% following the Swiss forestry statistics (Forststatistik), while the growing stock rose by 184% (LFI). During the same period, winter temperatures increased by around 2° C in the storm-damaged areas and winter precipitation rose by circa 50%. In the majority of 215 winter storm events analyzed, i.e. the 26 most severe and 189 additional ones causing smaller damages, soils at low elevations were not frozen but moister than average. A significant correlation was found between the observed severe storm damage and the maximum gust wind speeds (p = 0.0015). In addition, the relative frequency of wind speeds of above 30 m s-1 increased from 0.21 to 2.51 days per year between the period of 1891-1929 and the recent period 1969-2007, with maximum gusts rising from 32.2 m s-1 to 44.1 m s-1, respectively. The study of wind speeds resulted in unusually long data series which were homogenised with an emphasis on
days with strong winds: Series daily maxima of hourly average for the winter half years from 1891 onwards (1930 to 1936 with daily maxima), daily average of wind speeds from 1891 to 1965 and maximum gusts on winter days with strong winds of at least 30 m s-1 from 29.11.1933 onwards. For hourly average values of wind speed, both frequencies as well as absolute maximum values peaked at highest levels roughly in 1905 and roughly in 2000, while a smaller peak emerged also roughly in 1955. Daily gust speeds showed an increasing trend regarding both frequency and maximum values. The proportion of growing stocks damaged by storms significantly correlated with maximum wind gust speeds.
Spatial correlations of storm damage and wind pressures were determined in two case studies (storms Vivian and , 1990, and Lothar, 1999) using buffer areas of varying size and form as source of the damage data, and their centre points as source of the wind data. Results proved that the proportions of damaged forest areas tended to correlate significantly with the pressures of measured gust speeds when the forest areas under examination were located in close proximity to the place where wind was measured. Correlations between the proportions of damaged forest within a radius of 1 km and 2 km around the wind gauges as well as the wind gust pressures occurring during Vivian exhibited high coefficients of determination (R2 = 0.79, p=0.045 and R2 = 0.67, p=0.003, respectively).
Average values of the relative storm damage per event varied strongly in the observed period from 1865 to 2014, from 3.1 m3 ha-1 in Canton Nidwalden to 0.0 m3 ha-1 in the cantons of Ticino and Geneva, with an average value of 0.9 m3 ha-1. The hypothesis claiming a spatially uneven distribution of storm damages in Switzerland was therefore confirmed. Mountain ranges such as the Jura and the Alps in Central Europe clearly have affected the course of winter storms, and amplified damages in the Swiss Plateau and the Prealps, as mitigated wind damage in the Central Alps and on the south side of the Alps. An exception to this was created by the rare meteorological constellation of a cold front move from north to south, as was the case for winter storm Vivian, leading to the occurrence of major damage in the Central Alps, an area otherwise escaping from winter storms.
On the basis of the homogenized wind measurements in Zurich, the results of this study showed that winter storm damage in Swiss forests is closely correlated to wind gusts. In addition, severe winter storm damage in the area under study was not evenly distributed on the regional level.
The main results of this thesis showed that the increase of growing stock and wind gust speedsas well as, to a minor extent, the rise of temperatures and precipitations contributed to the observed increase of storm damages.
These results could be integrated into models used for small-scale estimations of storm damage risk and could be taken into consideration in forest planning. In the Prealps, the Central Plateau and the Jura regions, emphasis could be given to the choice of tree species or on the definition of the target diameter required than in the Central Alps or on the south side of the Alps to make forest stands more resistant against winter storms especially in the most vulnerable regions shown in the present thesis.

Die vorliegende Dissertation hatte zum Ziel, Winterstürme als die grösste Naturgefahr für die Wälder der Schweiz anhand der Entwicklung der Sturmschäden und der Wälder vor dem Hintergrund des Klimawandels und der gesellschaftlichen Transformationen zu untersuchen.
Ab der Mitte des 19. Jahrhunderts verursachten Winterstürme empfindliche Schäden. Zur selben Zeit konsolidierten sich die Verwaltungsstrukturen in der Eidgenossenschaft und wissenschaftliche Forschung wurde schweizweit institutionalisiert. Diese drei Voraussetzungen ergaben, dass eine Vielzahl von Dokumenten zu Wald, Wetter, Schäden und ihren Auswirkungen angelegt und aufbewahrt wurden. Für die hier vorgelegte Studie wurden Informationen aus einem Zeitraum von rund 150 Jahren (1865-2014) gesammelt und aufbereitet. Auf dieser Grundlage wurden Auswertungen der Beobachtungen zur Entwicklung und räumlichen Verteilung von Wintersturmschäden im Wald sowie der Wettererscheinungen im betroffenen Gebiet vorgenommen.
Bei den hier vorgestellten Untersuchungen wurde über alle 26 schweren Ereignisse mit jeweils mehr als 70,000 m3 Schadholz ein Anstieg des absoluten wie relativen Schadumfangs und der Schadhäufigkeit über die Zeit festgestellt. Die Schadholzmengen des schwersten Wintersturms des 20. Jahrhunderts („Lothar“, 26.12.1999) erwiesen sich als 25 mal so gross wie die Schäden des schwersten Ereignisses des 19. Jahrhunderts. Seit etwa 1840 dehnte sich die Waldfläche um 62% (Landesforstinventar (LFI)) bzw. 63% (Forststatistik) aus, der stehende Vorrat erhöhte sich um 184% (LFI). Im selben Zeitraum stiegen die Wintertemperaturen in den Sturmschadgebieten um rund 2°C und die Winterniederschläge um etwa 50%. Mit wenigen Ausnahmen waren die Böden zur Zeit aller betrachteten 215 Winterstürme, der 26 schweren Ereignisse sowie 189 Ereignissen mit geringeren Schäden, in den Tieflagen ungefroren und überdurchschnittlich durchfeuchtet. Es wurde ein signifikanter Zusammenhang zwischen den beobachteten schweren Sturmschäden und den maximalen Windspitzen festgestellt (p = 0.0015). Zudem stellte sich heraus, dass die relative Häufigkeit von Windgeschwindigkeiten über 30 m s-1 zwischen den Perioden 1891-1929 und 1969-2007 von 0.21 auf 2.51 Tage pro Jahr zugenommen hatte, wobei das beobachtete Perioden-Maximum von 32.2 m s-1 auf 44.1 m s-1 anstieg. Ergebnisse der Studie zu Windgeschwindigkeiten waren Datenreihen seltener Länge, die mit Schwerpunkt auf Starkwindtage homogenisiert wurden: Reihen der täglichen Maxima der Stundenmittel der Winterhalbjahre ab 1891 (1930 bis 1936 ganzjährig), der Tagesmittel der Windgeschwindigkeit 1891 bis 1965 und der maximalen Windspitzen der winterlichen Starkwindtage von mindestens 30 m s-1 ab dem 29.11.1933. Die stündlichen Mittelwerte zeigten grosse Maxima der Häufigkeit wie auch der absoluten Werte um das Jahr 1905 und das Jahr 2000 sowie ein jeweils kleineres Maximum um das Jahr 1955. Die täglichen Windspitzen besassen eine ansteigende Tendenz bezüglich ihrer Häufigkeit und Maxima. Die Ausmasse der im Sturm geschädigten Anteile der stehenden Vorräte standen mit den Druckkräften der maximalen Windspitzen in einem signifikanten Zusammenhang.
Die räumlichen Zusammenhänge von Sturmschäden und Winddrücken wurden in zwei Fallstudien (Orkane „Vivian“ und „Lothar“) mittels unterschiedlich grosser und verschieden geformter Umgebungsflächen (Herkunft der Schadendaten) und ihren Zentrumspunkten (Herkunft der Winddaten) ermittelt. Die Ergebnisse belegten, dass Schadflächenanteile der Wälder und Drücke der gemessenen Windspitzen tendenziell dann in signifikantem Zusammenhang miteinander standen, wenn sich die betrachteten Waldflächen in räumlicher Nähe zur Windmessung befanden. Die Zusammenhänge der Schadanteile der Flächen mit 1 km und 2 km Radius um die Wind-Messstellen mit den Drücken der Windspitzen im Falle des Orkans „Vivian“ besassen sowohl relativ hohe Bestimmtheitsmasse (R2 = 0.79 und R2 = 0.67) als auch Signifikanz (p = 0.045 und p = 0.003).
Die Mittelwerte der relativen Sturmschäden pro Ereignis im Betrachtungszeitraum von 1865 bis 2014 variierten stark, von 3.1 m3 ha-1 im Kanton Nidwalden bis 0.0 m3 ha-1 in den Kantonen Tessin und Genf, wobei der Schweizerische Mittelwert bei 0.9 m3 ha-1 lag. Damit wurde die Hypothese bestätigt, dass Wintersturmschäden langfristig räumlich nicht gleichmässig verteilt waren. Massenerhebungen wie der Jura und die Alpen in Mitteleuropa übten offensichtlich einen erheblichen Einfluss auf den Verlauf von Winterstürmen aus, der sowohl schadverstärkende Wirkungen zeigte, wie im Mittelland und in den Voralpen, als auch schadmildernd wirkte, wie in den Inneralpen und auf der Alpensüdseite. Eine Ausnahme bildete die Dynamik seltener meteorologischer Konstellationen mit einem Kaltfrontdurchgang von Norden nach Süden wie beim Orkan „Vivian“, wodurch Hauptschäden auch in den sonst wintersturmgeschützten Inneralpen anfallen konnten.
Die Resultate dieser Studie zeigten anhand der homogenisierten Windmessungen in Zürich, dass Wintersturmschäden im Schweizer Wald in einem engen Zusammenhang zu Windspitzen standen.
Zudem waren schwere Wintersturmschäden im Untersuchungsgebiet auf regionaler Ebene nicht gleichverteilt.
Die Gesamtheit der Ergebnisse der hier präsentierten Studie zeigte, wie das Anwachsen des Vorrats und der Geschwindigkeit der Windspitzen sowie, in geringerem Masse, das der Temperaturen und der Niederschläge, gemeinsam zum Anwachsen der beobachteten Schäden beigetragen hat.
Diese Ergebnisse könnten in Modelle für kleinräumige Abschätzungen des Sturmschadrisikos einfliessen und bei forstlichen Planungen Berücksichtigung finden. So könnte in den Voralpen, im Mittelland und im Jura bei der Baumartenwahl oder der Bestimmung des wirtschaftlichen Zieldurchmessers ein grösserer Einfluss geltend gemacht werden als in den Inneralpen oder auf der Alpensüdseite. Diese Auswahl sollte die Resistenz der Bestände in den Regionen verstärken, die in dieser Studie als besonders gefährdet aufgezeigt wurden.
   
Mots-clés Dégâts des tempêtes hivernales; Chablis; surface boisée; stock sur pied; répartition régionale des dommages; température; précipitations; mesure anémométrique; vitesse du vent; vitesse maximale des rafales de vent; vitesse moyenne du vent; parcours journalier du vent; homogénéisation; série de données de longueur exceptionnelle; Winter storm damage; Wind throw; Forest area; Growing stock; Regional damage pattern; Temperature; Precipitation; Wind measurement; Wind speed; Maximum gust speed; Mean wind speed; Daily wind run; Homogenisation; Long data series;
Wintersturmschaden; Windwurf; Waldfläche; Vorrat; regionale Schadverteilung; Temperatur; Niederschlag; Windmessung; Windgeschwindigkeit; Windspitze; Böenspitze; mittlere Windgeschwindigkeit; täglicher Windweg; Homogenisierung; lange Messreihe
   
Citation Usbeck, T. (2016). Zeitliches und räumliches Wintersturmschadrisiko in den Wäldern der Schweiz. Bilanzierung von Waldfläche, Holzvorrat, Sturmschaden und Wettermessungen im Wandel der gesellschaftliche Bedingungen von 1865-2014, doctorat, Université de Neuchâtel, Neuchâtel.
   
Type Thèse (Allemand)
Année 2016
Departement academique Faculté des lettres et sciences humaines, Institut de géographie
Université Université de Neuchâtel (Neuchâtel)
Degré doctorat