Schneedeckenaufbau durch aufwärtsschauendes Radar

Schneebrettlawinen beinhalten den Abgang einer kohäsiven Platte über einer ausgedehnten Schwachschicht. In- situ-Beobachtungen der Schneestratigraphie sind notwendig für eine verlässliche Vorhersage der Schneehang- Instabilität, die konventioneller Weise mittels zerstörenden Methoden in Schneeschächten gewonnen werden. Dies behindert die Erfassung von Informationen über die zeitliche Entwicklung der Schneedecke und setzt oftmals den Beobachter einem Lawinenrisiko aus. Aus diesem Grund werden insitu- Informationen in Hängen während Zeiten erhöhter Schneedeckeninstabilität selten gewonnen. Dieses Projekt untersucht, verwendet und weiterentwickelt die Anwendung von ferngesteuertem aufwärtsschauendem Radarsystemen, um zerstörungsfrei die lokalen physikalischen Eigenschaften der Schneedecke zu charakterisieren und abzubilden. Diese werden in ein existierendes Modell der Schneedeckenentwicklung assimiliert. Das Radar befindet sich unterhalb der Schneedecke und wird mit zunehmender Schneehöhe begraben. Da Schwachschichten in der Schneedecke oftmals unterschiedliche Struktur oder physikalische Eigenschaften als ihre Umgebung besitzen, werden ausgesandte, in der Schneedecke aufwärtslaufende Wellen teilreflektiert. Die Analyse der reflektierten Wellen, die durch das Radar empfangen werden, erlauben eine physikalische Charakterisierung der Schneedecke (Anzahl und Eigenschaften interner Schichten, Schneedicke, Dichte). Die tägliche Wiederholung solcher Messungen erlaubt ein zerstörungsfreie Beobachtung der Entwicklung der Schneedecken-Stratigraphie und einhergehender Informationen quasi in Echtzeit, um die Lawinengefahr abschätzen zu können. Dieses Projekt bietet einen ersten Schritt für eine autonome Beobachtung der Schneestratigraphie, auch in potenziell instabilen Hängen ohne Risiko für die Beobachter.

Die Vorhersage von Lawinengefahren zum Schutz der Infrastruktur in lawinengefährdeten Bereichen ist in alpinen Regionen von größter Bedeutung. Kostengünstige Geräte zur Messung der zeitlichen Veränderung der Schneehöhe und der internen Struktur der Schnee-decke in Lawinenanriss-Gebieten können die Qualität der Risikobeurteilung erheblich verbessern. Das Projekt MUSI hatte zum Ziel die Schneedeckenbeschaffenheit während eines gesamten Winters mittels aufwärtsschauender Radarsysteme zu beobachten. Es wurde als Kooperation im Rahmen des Förderprogrammes D-A-CH zwischen dem Institut für Umweltphysik (UNI Heidelberg), dem Alfred-Wegener-Institut für Meeres- und Polar-forschung (Bremerhaven), dem WSL Institut für Schnee- und Lawinenforschung (SLF, Davos) und dem Institut für Electronic Engineering (FH JOANNEUM) durchgeführt. Als österreichischer Beitrag wurde ein aufwärtsschauendes L-Band (1-2 GHz) FMCW-Radar entwickelt, am Weißfluhjoch (Davos) im Boden des SLF-Messfeldes installiert und die Messdaten ausgewertet. Bei Schneefällen zunehmend eingeschneit führte das Radar automatische Reflexionsmessungen der darüber liegenden Schneeschichten durch. Damit konnten die Veränderungen an der Oberfläche und innerhalb der Schneedecke im Verlauf dreier Wintersaisonen automatisch aufgezeichnet werden. Aus den Signalstärken der reflektierten Radarsignale und aus den Signalphasen (erstmalig bei FMCW-Schneemessungen ausgewertet) wurden Radarbilder erstellt, die den zeitlichen Verlauf der Schneeoberfläche und von internen Schneeschichten deutlich sichtbar machten. Die Ergebnisse zeigten, dass die zeitliche Veränderung der Schneeoberfläche während der drei Winterperioden nahezu lückenlos verfolgt werden konnte. Dies traf auch für die besonders kritischen Nassschneeperioden zu. Für die Gefahrenbeurteilung wichtige Oberflächen-ereignisse, wie Schneefall, Schmelze, schmelz-gefrier-Zyklen, sowie Durchfeuchtung der Schneedecke, waren eindeutig nachweisbar und standen im Einklang mit den im Messfeld konventionell erhobenen Schnee- und Umweltparametern. Für die weitgehend automatische Bestimmung der Schneehöhe aus den FMCW-Messdaten wurden ein automatischer und ein halbautomatischer (der die Phaseninformation berücksichtigte) Oberflächen-Tracking-Algorithmus entwickelt. Der Ergebnisvergleich der beiden Algorithmen mit den Messdaten eines Schneehöhen-Lasersensors zeigte, dass durch die Auswertung der Phaseninformation die Genauigkeit der Schneehöhenbestimmung deutlich verbessert werden konnte. Die Projektergebnisse zeigen, dass an Orten wo feste Installationen über Grund nicht möglich sind, das aufwärtsschauende FMCW-System eine wertvolle Alternative zu konventionellen Schneehöhensensoren sein kann.