SAINT - Wechselwirkung zwischen Schneedecke und Atmosphäre

The seasonal mountain snow cover can lead to hazardous situations (avalanches, flooding), provides the background for hydrologic resources and constitutes an important factor for global and regional climate. Forecasting the snow cover evolution in complex terrain provides valuable information to assist with avalanche danger assessments as well as runoff estimations relevant for hydropower development and flood prevention. Furthermore, knowing the evolution and spatial distribution of the seasonal mountain snow cover allows for a better estimation of the surface albedo relevant for accurate climate modelling. At present the assessment of the snow cover atmosphere interaction is based on in situ observations for operational applications such as avalanche warning and snow cover models are typically forced by local observations. Therefore, the proposed research aims at coupling a complex snow cover model (SNOWPACK) with a high-resolution numerical weather prediction model (COSMO-2) in order to forecast the spatial distribution of the snow cover. The surface energy balance determined by atmospheric conditions controls the snow cover evolution. Hence, the capability of COSMO-2 to predict the surface energy balance in complex terrain needs to be validated. All components of the surface energy balance in complex terrain will be measured and analyzed during two winter seasons at a location of an alpine weather station, with a special focus on the turbulent fluxes. Model output statistics for the turbulent exchange variables in complex snow covered terrain for various atmospheric conditions will be developed and used to post- process COSMO-2 data for use in SNOWPACK. The model chain SNOWPACK/COSMO-2 will be verified using snow cover observations from the vicinity of the experimental site. This study will give insight into the turbulent exchange in complex snow covered terrain and will create a powerful forecasting tool for European researchers and operational warning services.

Die saisonale Schneedecke in Gebirgsräumen ist ein wichtiger Faktor für das regionale und globale Klima. Die zeitlich vom Niederschlagsereignis versetzte Schneeschmelze liefert einerseits den für die Wasserkraftnutzung und die Bewässerung notwendigen Abfluss, andererseits stellt die Schneedecke auch die Grundlage für Gefahren wie z.B. Lawinen oder Hochwasserereignisse dar. Die Vorhersage der Entwicklung der Schneedecke kann wertvolle Informationen über die Lawinengefahr liefern und weiter die Grundlage für die Abflussabschätzung darstellen, die für Wasserkraftnutzung und Hochwasserschutz relevant ist. Darüber hinaus ermöglicht die Prognose der räumlichen Verteilung der saisonalen Schneedecke eine bessere Abschätzung der Albedo, einem entscheidenden Parameter für Wetter- und vor allem der Klimamodellierung. Im vorliegenden Projekt wurde das numerische Wetter-Modell COSMO ein von verschiedenen Wetterdiensten für die Wettervorhersage eingesetztes Modell im Gebirge im Winter validiert. Die Energiebilanz an der Oberfläche wird durch die atmosphärische Bedingungen bestimmt und steuert die Oberflächentemperatur, die für die Entwicklung der Schneedecke in Bezug auf Metamorphismus (Kornformen) sowie Setzung und Schmelzen verantwortlich ist. In einem ersten Schritt wurde daher überprüft, inwieweit COSMO in der Lage ist, die Schneeoberflächentemperatur in komplexem Gelände vorherzusagen. Diese Validierung zeigte eine unzureichende Modellierung der Schneeoberflächentemperatur. Daher wurde ein verbessertes Modul zur Berechnung der Oberflächentemperatur von Schnee entwickelt, in COSMO implementiert und validiert. Dieses verbesserte Modul liefert gute Übereinstimmung mit beobachteten Schneeoberflächentemperaturen für die Schweizer Alpen, insbesondere konnten die Tagesgänge sowie Maximal- und Minimal-Werte gut prognostiziert werden. Darüber hinaus ermöglicht eine verbesserte Modellierung der Schneeoberflächentemperatur eine verbesserte Prognose der oberflächennahen Lufttemperatur, einer Zielgröße der Klimamodellierung. Ferner wurde das hochauflösende Schweizer Schneedeckenmodell SNOWPACK mit prognostizierten Daten von COSMO angetrieben und operationell in Zusammenarbeit mit dem Tiroler und Bayerischen Lawinenwarndienst validiert. Obwohl Bias-Korrekturen für die prognostizierten Daten benötigt werden - vor allem für den Niederschlag - zeigt die Modellkette (SNOWPACK- COSMO) großes Potenzial um die Schneehöhe, die Stratigraphie sowie Stabilität zu vorherzusagen. Im Zuge des Projekts wurde die Modellkette mit historischen vorhergesagten Daten getestet und erstmals in Österreich, in Deutschland und der Schweiz erfolgreich eingesetzt.