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Una breve sintesi degli strumenti di misura della neve

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  • 1. Leonardo da Vinci - L’uomo Vitruviano, ca 1487 photo by Luc Viatour, www.lucnix.beWednesday, May 30, 12 Riccardo Rigon Misura della Neve
  • 2. Misura della Neve Che cosa si misura ? •Altezza della neve •Il suo equivalente in acqua •La densità •La temperatura •La scabrezza •L’albedo •Varie proprietà elettromagnetiche 2R. RigonWednesday, May 30, 12
  • 3. Misura della Neve al suolo L’altezza e l’equivalente in acqua si misura, per esempio, con pluviometri riscaldati 3R. Rasmussen et al.Wednesday, May 30, 12
  • 4. Misura della Neve al suolo L’altezza e l’equivalente in acqua con vari problemi 4R. Rasmussen et al.Wednesday, May 30, 12
  • 5. Misura della Neve al suolo 5R. Rasmussen et al.Wednesday, May 30, 12
  • 6. Misura della Neve al suolo L’altezza e l’equivalente in acqua un sistema completo Precipitation Type sensor (Vaisala PWD-22) WXT temperature, humidity, and wind sensor (Vaisala) Weighing Snowgauge (GEONOR) Hotplate (Yankee) 6R. Rasmussen et al.Wednesday, May 30, 12
  • 7. Misura della Neve al suolo Per l’altezza c’è anche questo Snow pillow www.experimental-hydrology.net/wiki/index.php?title=Snow_weight_-_snow_pillow 7R. RigonWednesday, May 30, 12
  • 8. Misura della Neve al suolo L’altezza e l’equivalente in acqua un sistema completo posto in opera 8R. RigonWednesday, May 30, 12
  • 9. Misura della Neve al suolo L’altezza Sensore per la misurazione dell’altezza Hotplate (Yankee) 9R. Rasmussen et al.Wednesday, May 30, 12
  • 10. Misura della Neve al suolo Ma naturalmente, la misura accurata rimane una sfida 10R. Rasmussen et al.Wednesday, May 30, 12
  • 11. Misura della Neve al suolo Con un (video) disdrometro si può pensare di misurare e contare i singoli fiocchi di neve Il Disdrometro restituisce altezza e larghezza dei fiocchi Il loro volume La loro velocità terminale 11R. Rasmussen et al.Wednesday, May 30, 12
  • 12. Misura della Neve al suolo Questo è quello che si vede •Area di misura: 10 x 10 cm •Velocità di scansione: 51.3 Khz •Risoluzione orizzontale: 0.15 mm •Risoluzione verticale: 0.03 mm per i fiocchi di neve; 0.1 per le gocce di pioggia 12R. Rasmussen et al.Wednesday, May 30, 12
  • 13. Misura della Neve con telerilevamento a terra Il radar (in banda K) può restituire il profilo verticale della neve (interprentando il segnale) 13R. Rasmussen et al.Wednesday, May 30, 12
  • 14. Misura della Neve a terra Naturalmente sono ancora in uso i metodi tradizionali Early Field Work – still practiced today in cui si scavano delle trincee 14M. LenhingWednesday, May 30, 12
  • 15. Misura della Neve a terra Al fine di quantificare tale valore è necessario determinare la distribuzione dell’altezza della neve e la densità della stessa sull’intera superficie del ghiacciaio. Naturalmente sono ancora in uso i metodi (Figura 4.2) tradizionali Figura 4.2: Misura della densità della neve in trincea e sondaggio della profondità della stessa tramite sonda sul Ghiacciaio d’Agola, Gruppo di Brenta, 15 giugno 2004 (foto I. Noldin)R. Rigon Nel periodo che va da metà maggio ad inizio giugno, e comunque prima cheWednesday, May 30, 12
  • 16. Misura della Neve a terra Girovagando su tutto un ghiacciaio Capitolo 4 Campagne di misura e monitoraggio 2004 - 2007 Trincee Sondaggi Km Paline Figura 4.3: Rete dei punti di sondaggio della profondità del manto nevoso, posizione delle trincee per misura della densità della neve e posizione delle paline di ablazione sul Ghiacciaio del Careser (Carturan, 2004, modificato) 16 Il numero dei punti ove effettuare il sondaggio di profondità del manto varia aR. Rigon seconda delle caratteristiche del ghiacciaio in osservazione; in ghiacciai conWednesday, May 30, 12 superficie omogenea, assenza di valanghe e di re-distribuzione della neve da parte
  • 17. Misura della Neve 4.2.2 La a terra densità neve misurata in trincea Girovagando su le quali veniva effettuato il rilievo GPS della Nelle stesse giornate durante tutto un ghiacciaio profondità della neve, altre squadre effettuavano il lavoro di rilievo della densità della stessa nelle trincee. (Figura 4.9 e 4.10) Figura 4.9: Pesatura in trincea della neve e rilevamento della temperatura lungo la verticale, Ghiacciaio del Mandron, massimo accumulo 2005 (foto J. Yebrin) 17 Primo Rilievo Ghiacciaio MandroneR. Rigon DATA 16/07/2004Wednesday, May 30, 12 SQUADRA BUCA 2 (TRINCEE di valle)
  • 18. Misura della Neve a terra Rilevamento della densità Figura 4.11: Densità dei vari strati di neve lungo la verticale della trincea scavata sul Ghiacciaio del Mandron a quota 2985 m s.l.m., campagna di rilievo del massimo accumulo 2005. A fianco sezione di trincea. (foto R. Seppi) 18R. Seppi Distribuite lungo il ghiacciaio in punti ritenuti particolarmente rappresentativiWednesday, May 30, 12
  • 19. Misura della Neve a terra Dimensione dei grani Temperatura Durezza Profondità Stratigrafia Densità Chimica 19D. ClineWednesday, May 30, 12
  • 20. Misura della Neve a terra (nuove tecnologie) Taking Temperature with Light Temperatura con fibre ottiche Frequency of Incident Light (Rayleigh scattering) Stokes Anti-Stokes Return Signal Intensity Brillouin Brillouin Anti-Stokes frequency shifts with temperature Raman Raman Anti-stokes amplitude shifts with temperature Frequency • The glass density: Brillouin effect Brillouin scattering and Raman Scattering 20 (eventually continuous pressure)J. Selker • The energetic state of electrons: RamanWednesday, May 30, 12
  • 21. Misura della Neve a terra (nuove tecnologie) Temperatura con fibre ottiche Utilizzando lo scattering di Brillouin si possono utilizzare fibre • maggiori di 30 km •con una precisione di 0.05 oC Utilizzando l’effetto Raman si possono utilizzare fibre •sino a 10 km •con una precisione di 0.01 oC 21J. SelkerWednesday, May 30, 12
  • 22. Misura della Neve a terra (nuove tecnologie) Temperatura con fibre ottiche Scott Tyler, Marc Parlange, Hedrick Huwald 22J. SelkerWednesday, May 30, 12
  • 23. Misura della Neve a terra (nuove tecnologie) Temperatura con fibre ottiche 23J. SelkerWednesday, May 30, 12
  • 24. Misura della Neve con telerilevamento da aereo Misure remote da aereo (raggi cosmici) 24D. ClineWednesday, May 30, 12
  • 25. Misura della Neve con telerilevamento da aereo Misure remote da aereo 25Wednesday, May 30, 12
  • 26. Misura della Neve con telerilevamento da aereo Formule per i raggi gamma 26D. ClineWednesday, May 30, 12
  • 27. Misura della Neve con telerilevamento da aereo Un risultato 27D. ClineWednesday, May 30, 12
  • 28. Misura della Neve con telerilevamento da satellite Misure remote da satellite I satelliti che operano nel campo del visibile, dellinfrarosso e delle micro-onde forniscono un importante sorgente di informazione sulla neve. Sono disponibili prodotti satellitari in quasi-tempo reale, in questo campo, dalla metà degli anni 1960. Hongjie Xie (Bitner et al, 2002) http://www.utsa.edu/lrsg/SnowCover/SnowCover.htm 28H. XieWednesday, May 30, 12
  • 29. Misura della Neve con telerilevamento da satellite Misure remote radiometri passivi nel campo delle micro-onde I radiometri passivi nel campo delle microonde, come SMMR (Scanning Multichannel Microwave Radiometer), SSM/I (Special Sensor Microwave/Imager), and AMSR-E (Advanced Microwave Scanning Radiometer-Earth Observing System), possono penetrare la coltre nuvolosa e rilevare lenergia emessa dalla neve e dal ghiaccio e dare informazioni sullo SWE e persino sulla profondità della neve e perciò contribuire alla determinazione del runoff. (Pulliainen2006; Wulder et al., 2007) 29H. XieWednesday, May 30, 12
  • 30. Misura della Neve con telerilevamento da satellite Misure remote radiometri passivi nel campo delle micro-onde I sensori passivi nel campo delle micro-onde sono adatti al monitoraggio dello snow-cover in quanto hanno uno swath ampio, un passaggio frequente e si dispone di serie temporali relativamente lunghe (Derksen et al., 2004). Ma la loro risoluzione spaziale piuttosto modesta, (25 km per AMSR-E) rende in realtà difficile la loro applicazione allidrologia operativa. (Foster et al., 2003; Dressler, et al. 2006; Pulliainen,2006). 30H. XieWednesday, May 30, 12
  • 31. Misura della Neve con telerilevamento da satellite Misure remote da satellite, in campo ottico I sensori ottici come AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer), MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectraradiometer), SPOT e il Landsat sono stati sviluppati invece per produrre immagini a (relativamente alta) risoluzione (Salonmonson & Appel, 2004; Brown et al., 2007; Dozier&Painter, 2004). Ma, a causa delle limitazioni inerenti ai sensori ottici, non possono vedere la superficie terrestre quando sono presenti nuvole che sono il problema più difficile da risolvere in questo campo (Klein & Barnett, 2003; Zhou et al., 2005; Tekeli et al., 2005; Ault et al., 2006; Liang et al. 2008 a, b; Wang and Xie 2009). 31H. XieWednesday, May 30, 12
  • 32. Misura della Neve con telerilevamento da satellite Misure remote da satellite AVHRR and GOES Imaging Channels 32D. ClineWednesday, May 30, 12
  • 33. Misura della Neve con telerilevamento da satellite Misure remote da satellite 33D. ClineWednesday, May 30, 12
  • 34. Misura della Neve con telerilevamento da satellite NOAA-15 1.6 Micron Channel 34D. ClineWednesday, May 30, 12
  • 35. Misura della Neve con telerilevamento da satellite Misure remote da satellite 35D. ClineWednesday, May 30, 12
  • 36. Misura della Neve con telerilevamento da satellite Misure remote da satellite 36D. ClineWednesday, May 30, 12
  • 37. Misura della Neve con telerilevamento da satellite MODIS (http://modis-snow-ice.gsfc.nasa.gov) 37R. RigonWednesday, May 30, 12
  • 38. Misura della Neve con telerilevamento da satellite La neve al suolo Modis Snow, tiles 500 m, 21 Aprile 2002 38R. RigonWednesday, May 30, 12
  • 39. Misura della Neve con telerilevamento da satellite Interferometria SAR da satellite ha mostrato come sia possibile usare dati interferometrici Guneriussen et al 2001 in banda C, usando dati ERS, per monitorare lo SWE da satellite. Altri studi che hanno dimostrato la capacità del SAR di derivare proprietà della neve secca, sono quelli di Koskinen, 2001 e Rott et al., 2004. 39R. RigonWednesday, May 30, 12
  • 40. Misura della Neve con telerilevamento da terra Misure remote da SAR a terra Shaffauser et al., 2008 40R. RigonWednesday, May 30, 12
  • 41. Misura della Neve con telerilevamento da terra LIDAR da terra Lehning et al. 41R. RigonWednesday, May 30, 12
  • 42. Misura della Neve con telerilevamento da terra Lehning et al. 42R. RigonWednesday, May 30, 12
  • 43. Misura della Neve con telerilevamento da terra Mot et al., 2011 43R. RigonWednesday, May 30, 12
  • 44. Misure Grazie per l’attenzione G.Ulrici, 2000 ? 44R. RigonWednesday, May 30, 12
  • 45. Legenda dei simboli Symbol Name nickname Unit M⇥ mass of water in snow mws [M] P total precipitation tp [M L 2 ] Ta air temperature at K Ts soil temperature st K T⇥ snow temperature st K U⇥ internal energy of snow ies [J] H⇥ upward convective heat flux at ground level in snow uchfgls [W L 2 ] ⇥ downward energy flux at snow surface defss [W L 2 ] ⇤E upward flux of water vapor as condensational heating⇥ ufwvch [W L 2 ] H⇥ heating of snow hs [W] H⇥f energy for snow fusion esf [W] ⇤f entalphy of fusion of water efw [J M 1 ] T coe⌅cient for energy flux into the ground cefig [W L 2 T 1 ] ⇥ formerly known as latent heat 45R. RigonWednesday, May 30, 12
  • 46. Bibliografia non certo completa Ault T.W.,⁎, Czajkowski K.P., Benko T., Coss J., Struble J., Spongberg A., Templin M., Gross C., Validation of the MODIS snow product and cloud mask using student and NWS cooperative station observations in the Lower Great Lakes Region, Remote Sensing of Environment 105 (2006) 341–353 Bitner D., T. Carroll, D. Cline and P. Romanov, 2002: An assessment of the differences between three satellite snow cover mapping techniques, Hydrological Processes 16:3723–3733. Brown R., Derksen C., Wang L, Assessment of spring snow cover duration variability over northern Canada from satellite datasets, Remote Sensing of Environment 111 (2007) 367–381 Colbeck, S.C., The Physical Aspects of water flow trough snow, Advances in Hydroscience, 11:165-206 Cline, D. W. (1997), Snow surface energy exchanges and snowmelt at a continental, midlatitude Alpine site, Water Resour. Res., 33(4), 689–701, doi:10.1029/97WR00026. Dadic, R., Mott, R., Lehning M., Burlando, P., 2010. Parameterization for wind-induced preferential deposition of snow, Hydrol. Processes, 24, 1994-2006, DOI: 10.1002/hyp.7776. C. Derksen C.,Brown, R., Walker A., Merging Conventional (1915–92) and Passive Microwave (1978– 2002) Estimates of Snow Extent and Water Equivalent over Central North America, Journal of Hydromet, 5, 2004, 850-861 Dingman, L., Physical Hydrology, Prentice Hall, 1994Wednesday, May 30, 12
  • 47. Bibliografia Dozier J, Painter T.H,Multispectral and hyperspectral remote sensing of alpine snow, Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 2004. 32:465–94 doi: 10.1146/annurev.earth.32.101802.120404 Dressler,K. A., Leavesley,G. H., Bales R. C. and Fassnacht S. R., Evaluation of gridded snow water equivalent and satellite snow cover products for mountain basins in a hydrologic model, Hydrol. Process. 20, 673–688 (2006) Guneriussen, T., Høgda, K.H., Johnson, H., Lauknes, I., 2001. InSAR for estimating changes in snow water equivalent of dry snow. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing 39 (10), 2101–2108 Foster, J.L., Sunb C., Walkerd J.P., Kelly R., Changa A., Dong J., Powell U, Quantifying the uncertainty in passive microwave snow water equivalent observations, Remote Sensing of Environment 94 (2005) 187–203 R., Jordan, A One-Dimensional Temperature Model for a Snow Cover: Technical Documentation for SNTHERM.89, 1991 Liang T., Zhang X., Xie X, Wu C., Feng Q, Huang X, Chen Q., Toward improved daily snow cover mapping with advanced combination of MODIS and AMSR-E measurements, Remote Sensing of Environment xxx (2008) xxx-xxx 47R. RigonWednesday, May 30, 12
  • 48. Bibliografia Klein A, Barnett A.C., Validation of daily MODIS snow cover maps of the Upper Rio Grande River Basin for the 2000–2001 snow year, Remote Sensing of Environment 86 (2003) 162–176 Koskinen, J.T., 2001. Snow monitoring using interferometric TOPSAR data. Proceedings of IGARSS 2001, Sydney, Australia, pp. 2866–2868. Kuusisto, E, The energy balance of a melting snow cover in different environments, in Modelling Snowmelt-Induced Processes edited by E.M. Morris, (Proceedings of the Budapest Symposium, July 1986). IAHS Publ. no. 155,1986. Lehning, M., 2005. Energy Balance and Thermophysical Processes in Snowpacks, M.G. Anderson (ed.). Encyclopedia of Hydrological Sciences, John Wiley & Sons, Ltd, ISBN: 0-471-49103-9, 2475-2490. Lehning, M., Grünewald, T., Schirmer, M., 2011: Mountain snow distribution governed by elevation and terrain roughness, Geophys. Res. Lett., doi:10.1029/2011GL048927 McKay, G.A., Precipitation. In D.M. Gray, ed., Handbook on the Principles of Hydrology, Port Washington, NY: Water Information Center, 1970 Monin, A. S., and Obukhov, A. M.: 1954, ‘Basic laws of turbulent mixing in the surface layer of the atmosphere’, Tr. Akad. Nauk SSSR Geofiz. Inst. 24, 163-187. English translation by John Miller, 1959. 48R. RigonWednesday, May 30, 12
  • 49. Bibliografia Mott, R.,Schirmer, M., Bavay, M., Grünewald, T., and Lehning, M., Understanding snow-transport processes shaping the mountain snow-cover,The Cryosphere Discuss., 4, 865-900, 2010 www.the-cryosphere-discuss.net/4/865/2010/ doi:10.5194/tcd-4-865-2010 R. Mott, C. Gromke, T. Grünewald, M. Lehning, Relative importance of advective heat transport and boundary layer decoupling in the melt dynamics of a patchy snow cover, Advances in Water Resources, X-XXX-XXX-2012 Pulliainen J., Mapping of snow water equivalent and snow depth in boreal and sub-arctic zones by assimilating space-borne microwave radiometer data and ground-based observations, Remote Sensing of Environment, Volume 101, Issue 2, 30 March 2006, Pages 257-269, ISSN 0034-4257, 10.1016/j.rse. 2006.01.002. Rott, H., Nagler, T., Scheiber, R., 2004. Snow mass retrieval by means of SAR Interferometry. Proceedings of the FRINGE2003 Workshop, ESA/ESRIN, Frascati, Italy, ESA SP-550. Salomonson V.V, Appel, I., Estimating fractional snow cover from MODIS using the normalized difference snow index, Remote Sensing of Environment 89 (2004) 351 – 360 Schaffhauser, A., Adams, M., Fromm, R., Jörg, P., Luzi, G., Noferini,L., Sailer, R., Remote sensing based retrieval of snow cover properties, Cold Regions Science and Technology 54 (2008) 164–175,2008 Sturm, M, Holmgren, J, Koenig, M, Morris, K, The thermal conductivity of seasonal snow Journal of Glaciology [J. GLACIOL.]. Vol. 43, no. 143, pp. 26-41. 1997. Tekelia A.E., Akyurek Z.,Arda Sorman A, Sensoy A, Sorman U, Using MODIS snow cover maps in modeling snowmelt runoff process in the eastern part of Turkey, Remote Sensing of Environment 97 (2005) 216 – 230 49R. RigonWednesday, May 30, 12
  • 50. Bibliografia Wang X., Xie H., Liang T., and Huang X., Comparison and validation of MODIS standard and new combination of Terra and Aqua snow cover products in northern Xinjiang, China, Hydrol. Process. 23, 419–429 (2009) DOI: 10.1002/hyp.7151 Wulder, M.A., T. A. Nelson, Derksen C, Seemann D, Snow cover variability across central Canada (1978–2002) derived from satellite passive microwave data, Climatic Change (2007) 82:113–130 DOI 10.1007/s10584-006-9148-9 Zhou X, Xieb H., Hendrickx J.M.H., Statistical evaluation of remotely sensed snow-cover products with constraints from streamflow and SNOTEL measurements, Remote Sensing of Environment 94 (2005) 214–231 50R. RigonWednesday, May 30, 12