Nya metoder för att mäta snöegenskaper - snödjup, densitet, fukthalt, vattenekvivalent David Gustafsson, KTH Mark- och vattenteknik davidg@kth.se, 8-79 7382 1
In-situ mätsystem för snöegenskaper - EU projekt SNOWPOWER - Fältförsök i Davos, Schweiz - Snödensitet fukthalt vattenekvivalent Markradar (GPR) - Tillämpningar forskningsprojekt KTH - Flerkanaligt system för snödensitet 2
Mätsystem för snödensitet och fukthalt, vattenekvivalent (1-1m) Kalibrering av fjärranalysmetoder 3
Sensorkabel: mätprincip kapacitans för en 3-ledare 6 cm ε= relativ dielektrisk konstant (permittivitet) Materialegenskap => snödensiteten 4
Dielektrisk egenskaper Is och vatten Permittivity 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 SNOWPOWER GPR, TDR Real part Ice Water Imaginary part 1 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 1 1 1 11 Frequency in Hz 5
Snö komplext material Blandning av luft, vatten, is Looyenga s mixing rule (1965) ε 1/ 3 snö 1/ 3 = θis ( ε is 1) + θvatten( ε vatten 1/ 3 1) + 1 Mätningar ε snö vid flera frekvenser (~khz) Lösa ekvationsystemet: ε snö = f [θ is, θ vatten ] ε is (~khz) = f(t) 6
Fältapplikation mast Luft sensorkabel Snö temperatur snödjup Mark 7
Weissfluhjoch, Davos, Schweiz (255möh) Manuella snöprofiler Snökudde Lysimeter (smältvatten) Historisk försöksområde (lavinforskning) Manfred Stähli, Roland Meister, Martin Schneebeli -WSL Swiss Federal Institute for Forest, Snow, and Landscape Research Wolfram Sommer, Sommer Mess-Systemtechnik, Österrike Markus Stacheder, Alexander Brandelik, mfl., Forschungzentrum Karlsruhe, Tyskland 8
Densitet (25-6) SNOWPOWER sensor: sloping cable Weissfluhjoch / Davos 4 35 Snow density (kg m-3) 3 25 2 15 1 5 24/11/25 14/12/25 3/1/26 23/1/26 12/2/26 4/3/26 24/3/26 SNOWPOWER sensor (Ex3) Manual measurements 9
Snövattenekvivalent 25-6 SNOWPOWER sensor: sloping cable Weissfluhjoch / Davos 6 5 SWE (kg m-2) 4 3 2 1 24/11/25 14/12/25 3/1/26 23/1/26 12/2/26 4/3/26 24/3/26 SNOWPOWER sensor (Ex3) Manual measurements 1
Jämförelse med snökudde Snökudde SNOWPOWER Manuell 11
Jämförelse simulerad SWE 12 Manual snow profiles Simuleringsmodell + snödjupsmätning = snönederbördsmätare SWE (mm) 1 8 6 4 2 simulated (SNOWPACK) 8 m cable (45 ) 1 m cable (3 ) 21.9.2 1.11.2 3.12.2 18.2.3 9.4.3 29.5.3 12
Fält-kalibrering vs. Lab-kalibrering 13
Fukthalt i snö 1 24 Liquid water water content content (volume (m 3 m %) -3 ) 8 6 4 2 Horizontal flat-band cable 1 Horizontal flat-band cable 2 Lysimeter outflow 2 16 12 8 4 Accumulated lysimeter outflow (mm) 24-Apr 4-Mai 14-Mai 24-Mai 3-Jun 13-Jun 23-Jun 14
Interaktion snö-sensor Belastningar av snöns tyngd Vattenflöde kring sensorkabel? Absorption av strålning Luftspalter kring sensor? 15
Prototyp version 25-6 Vajrar minska vibrationer Övergång till koaxialkablar och fäste till upphängning Skåp för mätinstrument, logger och GSM modem sensorkabeln 16
Slutsatser SNOWPOWER sensorn Direkt mätmetod för snödensitet, fukthalt, vattenekvivalent Stor punktmätning, 1~1m Hög tidsupplösning Koppling Fjärranalys Övervakning smältförlopp Svårigheter: Kalibrering (mätinstrumentet) Installation interaktion med snön Prototyp (Sommer-Mess-Systemtechnik, Österrike) testas i Davos i samarbete med WSL 17
Snödjup och snödensitet med flerkanalig markradar Forskningsprojekt vid KTH: Snöinterception och klimatvariabilitet Betydelse för vattenbalans Snöfördelning i skog och öppen mark studeras med markradar (GPR) 18
Tid (ns) Djup (m) Densitetsvariationer Problem och möjlighet v = c ε ρ << ρ Snödensitetsvariation => hastighetsvariation 19
Multipla avstånd mellan sändar- och mottagarantenn R R R T Två obekanta Hastighet, v=c/(ε snö ).5 Djup, d Två kända: Tid Antennavstånd ρ snö = f(ε snö ) SWE = d ρ snö 2
Skog-skidspår-hygge 1 depth (m).5 5 1 15 velocity (m/ns).4.2 5 1 15 density (kg/m3) SWE (mm) 6 4 2 4 2 5 1 15 5 1 15 length (m) 21
Saltoluokta 25 (1 km efter skoter)* 4 djup (m) 3 2 1 2 4 6 8 1 12 densitet (kg m -3 ) 6 4 2 2 4 6 8 1 12 15 SWE (mm) 1 5 2 4 6 8 1 12 distans (m) *Uppdrag åt Vattenfall tillsammans med Malå/Raycon AB 22
Slutsatser flerkanalig GPR-mätning Stor potential förbättra GPR-mätningar direkt skattning av snödensitet, snödjup och vattenekvivalent Höga krav på noggrann tolkning - okonsistent tolkning mellan kanalerna -> spridning i resultat Bäst för djupa snötäcken - höga krav på instrumentkalibrering vid tunna snötäcken Förbättrad metod för fördelning vatten-is nödvändig 23
Sammanfattning Nya metoder för att mäta snödensitet och vattenekvivalent: - Kabelsensor (SNOWPOWER) - Flerkanalig markradar Nya projekt Förbättrade mätmetoder Optimal kombination av mätningar fördelade i tid och rum som input till modeller 24
Tack för visat intresse 25