Wollen Sie wissen, wie sich die Schneedecke im Verlaufe des Winters entwickelt? Sind Sie interessiert an Massen- und Energieaustausch im Atmosphären-Schnee- Bodensystem? Dann sollten Sie sich SNOWPACK ansehehen.
Das Modell SNOWPACK beschreibt die Schneedeckenschichtung und die Schneemikrostruktur basierend auf meteorologischen Eingangs-Daten. Primär für die Lawinenwarnung entwickelt, wird es heute weltweit eingesetzt, um die Entwicklung der Schneedecke zu modellieren.
SNOWPACK basiert auf einer Lagrange-Finite-Element Implementierung und löst die nicht-stationären Wärmetransport- und Setzungsgleichungen (Abb. 1). Phasenübergänge und Transport von flüssigem Wasser sind eingeschlossen. Spezieller Fokus liegt dabei auf den mechanischen und physikalischen Eigenschaften von Schnee, wie Wärmeleitung und Viskosität, der Schneemetamorphose, sowie auf den Wechselwirkungen mit der darüber liegenden atmosphärischen Grenzschicht. Eine weitere wichtige Frage ist, wie kurzwellige Strahlung in die Schneedecke eindringt. So ermöglicht SNOWPACK eine detaillierte Analyse der Energie- und Massenflüsse zwischen der atmosphärischen Grenzschicht und der Kryosphäre.
In Bezug auf mikrostrukturelle Details ist SNOWPACK zurzeit eines der modernsten Schneedeckenmodelle. Zurzeit liegen die Entwicklungsschwerpunkte von SNOWPACK auf der Einschätzung der Schneedeckenstabilität, dem verfeinerten Transport von flüssigem Wasser durch die Schneedecke sowie dem Wasserdampfaustauch durch die Schneedecke.
Struktur der physikalischen Modellierung
SNOWPACK basiert auf der Modellierung einer eindimensionalen Boden-/Schnee-/Vegetationssäule (Abb. 2). Es konzentriert sich auf vertikale Gradienten und Transportflüsse und vernachlässigt dabei den lateralen Transport.
Es modelliert Schnee als poröses Dreiphasenmedium (Eis/Wasser/Wasserdampf).
Um den Übergang von Boden zu Schneedecke besser zu simulieren, können auch Bodenschichten (inklusive Eisbildung, Wassergehalt, etc.) hinzugefügt werden. Boden- und Steinschichten lassen sich bis zu einer variablen Tiefe modellieren. Das ist vor allem für Simulationen des Permafrostes interessant. Es können beliebig viele Schichten simuliert werden, darunter auch Schwachschichten und Schichtgrenzen wie Oberflächenreif oder Tiefenreif (Becherkristalle). Auch sehr dünne Schichten wie Eislinsen lassen sich aufgrund des Lagrange-Gitters mit SNOWPACK simulieren.
Operationelles Anwendungsbeispiel
SNOWPACK wird in der Schweiz für ein Netzwerk von etwa 160 automatischen Wetter- und Schneemessstationen, welche über die Schweizer Alpen verteilt sind, operationell betrieben. Diese Stationen messen Wind, Lufttemperatur, relative Feuchte, Schneehöhe, Oberflächentemperatur, Bodentemperatur, reflektierte kurzwellige Strahlung und einige wenige auch drei Temperaturen innerhalb der Schneedecke. Die Messungen werden stündlich ans SLF übertragen und treiben das Modell an. Aus SNOWPACK ergeben sich so zusätzliche Informationen bezüglich des Zustandes der Schneedecke für die Standorte der automatischen Messstationen. Das Modell ist mit einer relationalen Datenbank verbunden, welche die Messungen sowie die Modellresultate speichert. Überprüfungen von SNOWPACK zeigen, dass die Berechnungen in Bezug auf die Massenbilanz und das Energiebudget zuverlässig sind. Die Beschreibung der Schneemetamorphose ergibt vernünftige Korntypen und ist fähig, wichtige Prozesse wie die Bildung von Tiefen- und Oberflächenreif zu reproduzieren. Auch in anderen Ländern wird SNOWPACK operationell in ähnlicher Weise verwendet.
Andere Anwendungen
Neben dem Einsatz als eigenständiges Programm wird SNOWPACK auch häufig mit anderen Modellen kombiniert. Gekoppelt an Modellen der atmosphärischen Grenzschicht kann zum Beispiel die Schneeverfrachtung über ein Geländemodell abgeschätzt werden oder auch die räumliche Energiebilanz berechnet werden. Diese gekoppelten Modelle werden zur Untersuchung von Schneeablagerung und Schneedeckenentwicklung in steilem Gelände gebraucht oder zur Vorhersage von Skipistenkonditionen für Skirennen verwendet.
Anwendung
Mehr als 200 Wissenschaftler aus über 35 Institutionen nutzen SNOWPACK für Forschungszwecke. Das Modell wurde erfolgreich auf die Alpen, Skandinavien, Nordamerika, Japan, Russland, China, Indien, Chile und in Polargebieten (Grönland, Antarktis) angewendet.
Zusammen mit Alpine3D, seiner dreidimensionalen Variante, wird es für Studien über den Einfluss des Klimawandels, Schneestabilitätsfragen, hydrologische Studien, Strassenwetteranwendungen, Permafrostforschung, Snowfarming, etc. eingesetzt.