Snövattenekvivalentuppskatning med markradar

Storlek: px

Starta visningen från sidan:

Download "Snövattenekvivalentuppskatning med markradar"

Mattias Sandström
för 7 år sedan
Visningar:

Snövattenekvivalentuppskatning med markradar Nils Sundström, LTU Distribuerade system för förbättrade snöoch avrinningsprognoser minska

1 Snövattenekvivalentuppskatning med markradar Nils Sundström, LTU Distribuerade system för förbättrade snöoch avrinningsprognoser minska volymfelet i avrinningsprognoser förbättra tidsbestämningen av den första avrinningen och av flödespikarna i samband med snösmältning 1

Tillvägagångssätt kombinera modell- och mättekniksutveckling för att studera hur modellstruktur och dataassimilering kan optimeras i förhållande till tillgängliga snödata

2 Tillvägagångssätt kombinera modell- och mättekniksutveckling för att studera hur modellstruktur och dataassimilering kan optimeras i förhållande till tillgängliga snödata utveckla en operationellt användbar metod baserad på kostnads- och tidseffektiva mättekniker och modelleringsverktyg Förbättring av snövattenekvivalent (SWE) mätningar med markradar (GPR)

3 Mäta SWE med GPR Metod A: Vanligtvis uppskattas SWE direkt från tvåvägstiden SWE a twt b koefficienterna a och b beror på snödensiteten och måste kalibreras med manuella densitetsmätningar Metod B: Snödensiteten och SWE kan uppskattas från radarvågornas utbredningshatighet i snön mha en empirisk formel a) hastigheten bestäms från tvåvägstiden och snödjupet, eller b) både snödjupet och utbredningshastigheten uppskattas om ett radarsystem med flera kanaler används Multi-Offset GPR Möjliggör oss att ha antennerna i en rad med fasta avstånd Då kan man samtidigt mäta flera radarpulser som färdas olika väg genom snötäcket Antennerna kan placeras så att alla uppmätta radarpulser får samma reflektionspunkt mot markytan

4 Beräkna snödjup och utbredningshastighet med en Common Mid-Point metod (CMP) v twt 1 l 1 d v twt l d där v och d är okända Problem med att mäta SWE på blöt snö Den ovan nämnda metoden är bara giltig för torr snö Om vi t.ex. har ett snötäcke med en densitet 00kg/m och 5vol.% vatten, kommer SWE att överskattas med ca 0% (Lundberg and Thunehed 000) c v snow ice ice water water air air water 0, ice, ice snow 4

5 Därför vill vi förbättra SWE uppskattningarna med GPR genom att hitta en metod för att beräkna vattenhalten från befintlig radardata water? Lösningsförslag Förutom att mäta tvåvägstiden kan också radarvågornas dämpning mätas Dämpningen beror på: Geometrisk spridning Scattering i snön (t.ex. från tunna islager) Transmission ner i marken Energi omvandling till värme Beror på snöns elektriska egenskaper (permittivitet och konduktivitet), vilka båda är beror på vattenhalten 5

6 Kräver: σ snow = f(θ water ) dämpningen från energiomvandling till värme Denna lösning kräver hitta sambandet mellan vattenhalten och snöns konduktivitet kunna separera dämpningen orsakad av värmeförluster från förluster i samband med markreflektionen 6

Hitta sambandet mellan vattenhalt och snöns elektriska konduktivitet Ett linjärt samband har tagits fram med hjälp av ett flertal experiment som beskrivs i två olika artiklar (Granlund et al.

7 Hitta sambandet mellan vattenhalt och snöns elektriska konduktivitet Ett linjärt samband har tagits fram med hjälp av ett flertal experiment som beskrivs i två olika artiklar (Granlund et al., 009; Granlund et al., 010) snow 10 water 10 Separation mellan dämpningen från värmeförluster från förluster vid markreflektionen Vi föreslår Utnyttja Fresnells ekvation för vinkelberoende reflektionskoefficienter (infallsvinklarna är kända från CMP) Använd två olika infallsvinklar och två uppmätta amplituder för att lösa ett ekvationssystem för både den elektriska konduktiviteten i snön och reflektionskoefficienten i snö/mark-gränsskiktet 7

8 För- och nackdelar med denna metod + Endast två parametrar behöver mätas + Båda kan fås från en och samma CMP undersökning Men, denna metod ställer höga krav på noggrannheten i de uppmätta amplituderna Många beräkningssteg Slutsatser från modelltest av metoden För att få ett mätfel i SWE mindre än 5% bör.. mätfelet i amplituderna vara mindre är 15% (.5% för snötäcken med högre ishalt eller med snödjup mindre än 1,m), och mätfelet i tvåvägstiden vara mindre än ns (.5% för snötäcken med högre ishalt eller med snödjup mindre än 1,m). 8

Alternativa lösningar 006 testade Bradford and Harper en metod för att bestämma den flytande vattenhalten från den komplexa elektriska permittiviteten.

9 Alternativa lösningar 006 testade Bradford and Harper en metod för att bestämma den flytande vattenhalten från den komplexa elektriska permittiviteten. Den komplexa permittivteten får de genom att använda en frekvensskift metod. Förslag har givits om att använda luftburna antenner med olika frekvenser och analysera frekvensskifterna. Empiriska formler för SWE bör då vara möjliga att ta fram. Pågående arbete: Jämförelse mellan olika GPR metoder för SWE uppskattning i blöt snö 9

10 Granskade publikationer Mätteknik Granlund N., Lundberg A., Feiccabrino J., and Gustafsson D Laboratory test of snow wetness influence on electrical conductivity measured with ground penetrating radar. Hydrology research, 40(), Granlund N., Gustafsson D., and Lundberg A Laboratory study of the influence of salinity on the relationship between electrical conductivity and wetness of snow. Hydrological Processes, 4(14), Lundberg A., Granlund N., and Gustafsson D Review of operational and new ground-based snow measurement methods for Sweden, Norway and Finland. Hydrological Processes, 4(14),

Relevanta dokument

Distribuerade system för förbättrade snöoch avrinningsprognoser Integration i hydrologiska modeller Rapport 3, 2010

Distribuerade system för förbättrade snöoch avrinningsprognoser Integration i hydrologiska modeller Rapport 3, 2010 Nils Granlund, LTU och Jesper Ahlberg, KTH Angela Lundberg, LTU, David Gustafsson, KTH,