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Forschungsgruppe

Verwandte Projekte

Publikationen

  • Bartelt, P. and M. Lehning (2002). A physical SNOWPACK model for Avalanche Warning Services. Part I: numerical model. Link
  • Lehning M., P.B. Bartelt, R.L. Brown, C. Fierz, P. Satyawali (2002). A physical SNOWPACK model for the Swiss Avalanche Warning Services. Part II: Snow Microstructure. Link
  • Lehning, M, Bartelt, P.B., Brown, R.L., Fierz, C., Satyawali, P., (2002). A physical SNOWPACK model for the Swiss Avalanche Warning Services. Part III: Meteorological Boundary Conditions, Thin Layer Formation and Evaluation. Link
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SNOWPACK

  • Wollen Sie wissen, wie sich die Schneedecke im Verlaufe des Winters entwickelt?
  • Sind Sie interessiert an Massen- und Energieinteraktionen im Atmosphären-Schnee-Bodensystem?

Dann sollten Sie sich SNOWPACK ansehen.

SNOWPACK wurde primär für die Lawinenwarnung entwickelt. Seine Stärke ist die Beschreibung der Schneedeckenschichtung und der Schneemikrostruktur. Es modelliert wichtige Schwachschichten und Schichtgrenzen wie Oberflächenreif, Tiefenreif oder Eislinsen. Aufgrund der genauen Massen- und Energiebilanz wird SNOWPACK auch vermehrt in der Klimaforschung eingesetzt. Anhand eines neuen Features lassen sich auch Boden- und Steinschichten modellieren (bis zu einer variablen Tiefe). Dies wird für Permafrostsimulationen genutzt. SNOWPACK enthält auch einen detaillierten Beschrieb der Interaktionen innerhalb der atmosphärischen Grenzschicht. Es befasst sich mit komplexen Prozessen wie "Windpumping" und Schneedrift. Spezieller Fokus wird auch auf das Eindringen von kurzwelliger Strahlung in die Schneedecke gelegt. Dadurch lässt sich mit SNOWPACK eine detaillierte Analyse der Energie- und Massenflüsse zwischen der atmosphärischen Grenzschicht und der Kryosphäre machen.

Anwendung

Mehr als 200 Wissenschaftler aus über 35 Institutionen nutzen weltweit SNOWPACK für Forschungszwecke. Das Modell wurde erfolgreich auf die Alpen, Skandinavien, Nordamerika, Japan, Russland, China, Indien, Chile und sogar auf die Antarktis angewendet. Es hat (zusammen mit Alpine3D, seine räumlich verteilte Ableitung) zu mehr als 60 ISI Publikationen geführt und wird für hydrologische Studien, Studien über den Einfluss des Klimawandels, Schneestabilitätsfragen, Strassenwetteranwendungen, Permafrostforschung, Snowfarming, etc. eingesetzt.

Physikalische Prozesse

SNOWPACK    
Hauptsächlich im SNOWPACK-Modell beinhaltete physikalische Prozesse     

Die obenstehende Grafik zeigt eine Zusammenfassung der physikalischen Prozesse, die in SNOWPACK beschrieben sind. SNOWPACK basiert auf einer Langrange-finite-Element Implementierung und löst die nicht stationären Wärmetransport- und Setzungsgleichungen. Phasenübergänge und Transport von Wasserdampf und flüssigem Wasser sind eingeschlossen. Spezieller Fokus wird auf die Metamorphose von Schnee und seine mechanischen Eigenschaften, wie Wärmeleitung und Viskosität, gelegt. Zurzeit ist SNOWPACK im Bezug auf mikrostrukturelle Details weltweit das modernste Schneedeckenmodell. Deswegen laufen erste Tests, die die Schneedeckenstabilität basierend auf SNOWPACK Simulationen schätzen.

Struktur der physikalischen Modellierung

Modellgrundlage
SNOWPACK    
Die SNOWPACK Boden-/Schnee-/Vegetationssäule     

Das SNOWPACK Modell ist im Rahmen einer 1D Boden-/Schnee-/Vegetationssäule entwickelt (siehe Bild oben) worden. Dadurch wird lateraler Transport vernachlässigt und nur vertikale Gradiente und Transport werden berücksichtigt. Der Schnee ist als poröses Dreiphasenmedium modelliert (Eis/Wasser, Wasser/Wasserdampf), er kann aber auch eine beliebige Menge Boden enthalten, um den Bodenschicht- zu Schneeschichtübergang zu simulieren, inklusive Eislinsen, Permafrost, Wasser, etc. Abhängig von den Bedürfnissen lässt sich eine beliebige Anzahl von Schichten simulieren. Aufgrund des Lagrange-Gitters können in SNOWPACK wenn nötig sehr dünne Schichten simuliert werden (Eiskrusten, Reif).

Operationelles Anwendungsbeispiel

SNOWPACK wird für ein Netzwerk von hochalpinen automatischen Wetter- und Schneemessstationen, zurzeit etwa 160, operationell betrieben. Diese Stationen messen Wind, Lufttemperatur, relative Feuchte, Schneehöhe, Oberflächentemperatur, Bodentemperatur, reflektierte kurzwellige Strahlung und drei Temperaturen innerhalb der Schneedecke. Die Messungen werden stündlich ans SLF übertragen und treiben das Modell. SNOWPACK produziert zusätzliche Informationen bezüglich des Zustandes der Schneedecke für die Standorte der automatischen Messstationen. Das Modell ist mit einer relationalen Datenbank verbunden, welche die Messungen wie auch die Modellresultate speichert. Validierung von SNOWPACK zeigt, dass die Berechnungen zuverlässig sind in Bezug auf die Massenbilanz und das Energiebudget. Die implementierten Formulierungen des Schneemetamorphismus ergeben vernünftige Korntypen und sind fähig, wichtige Prozesse wie die Bildung von Tiefen- und Oberflächenreif zu reproduzieren.

Andere Anwendungen

Zusätzlich zu den alleinstehenden Anwendungen wird SNOWPACK auch vermehrt in verteilter Weise angewendet. SNOWPACK wurde mit atmosphärischen Fluss- und Schneeverfrachtungsmodellen wie auch mit räumlichen Energiebilanzmodellen gekoppelt. Die gekoppelten Modelle werden zum Untersuchen von Schneeablagerung und Schneedeckenentwicklung in steilem Gelände gebraucht und zur Vorhersage von Skipistenkonditionen für Skirennen (die momentane Version von SN_GUI enthält die Visualisierung der verteilten SNOWPACK Berechnungen jedoch nicht).

Wie erhalte ich SNOWPACK?

Das operationelle Modell des schweizerischen Lawinenwarndienstes ist als integriertes Softwarepacket erhältlich, als open source und unter LGPL version 3 oder höher  (siehe www.gnu.org). Um seine Integration in andere Modelle zu erleichtern, ist es jetzt als Bibliothek (libsnowpack) und als Anwendung, die die Bibliothek nutzt zum Ausführen von Simulationen (snowpack) strukturiert. Nach erfolgreicher Registrierung und Zugangsantrag kann es unter https://models.slf.ch heruntergeladen werden.