Kontinuierliche Messung der Schneedeckenentwicklung mit GPS-Empfangsgeräten zur Bestimmung des Schneespeichers im Hochgebirge
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Zur Verbesserung der Vorhersage von Lawinen sowie durch Schneeschmelze verursachten Hochwasserereignisse ist die Kenntnis von zeitlich hochaufgelösten Eigenschaften über die Schneedecke essentiell. Um die Schneemenge zu bestimmen, sind das Schneewasseräquivalent und die Schneehöhe entscheidend. Der Feuchtegehalt der Schneedecke liefert Aussagen wie stabil die Schneedecke ist und wann Schneeschmelze auftritt. Jedoch mangelt es bislang an geeigneten in‐situ‐ und Fernerkundungs‐Methoden, die diese Schneeparameter kontinuierlich, nicht‐destruktiv und potentiell auch in schwer erreichbarem alpinen Gelände, z.B. in steilen lawinengefährdeten Hängen, aufzeichnen können. Konventionelle Sensoren sind oftmals auf flaches Gelände beschränkt oder könnten in Hängen durch Schneerutsche und Lawinen zerstört werden. Fernerkundungsinformationen sind v.a. im alpinen Bereich nur beschränkt einsetzbar. Zudem lassen sich durch eine geringe temporale und räumliche Auflösung schnelle und höhenstufenabhängige Änderungen, v.a. bezüglich des Flüssigwas‐ sergehalts in der Schneedecke, nur ungenügend erfassen. Mit diesem DFG‐geförderten Projekt wurde ein neuer Messansatz zur kontinuierlichen Bestimmung von Schneeparametern mit kleinen, kostengünstigen GPS‐Empfangsgeräten getestet. Die GPS‐Geräte wurden im Herbst 2012 auf dem hochalpinen Testfeld Weissfluhjoch (2.540 m) zum Einen auf dem Boden, so dass sie sich im Winter unter dem Schnee befinden, und zum Anderen auf einer Stange über dem Schnee installiert und sind bislang durchgehend in Betrieb (Stand: Mai 2015). Um die Abschwächung des Signals durch die Schneedecke zu erfassen, wurde aus den GPS‐Rohdaten die 'carier‐to‐noise‐power density ratio' (C/N0) je Satellit und Zeitschritt in Abhängigkeit des Elevations‐ und Azimuthwinkels extrahiert und mit einem schneefreien Referenztag normiert. In die Berechnungen wurden Reflexions‐, Refraktions‐ und Attenuationprozesse innerhalb der Schneedecke und an der Grenzschicht zwischen Atmosphäre und Schneedecke unter Berücksichtigung der komplexen Primitivität modelliert. Somit war es zum ersten Mal möglich, mit GPS‐Signalen und extern gemessenen Schneehöhen den volumetrischen Flüssigwassergehalt der Schneedecke quantitativ zu bestimmen. Die Ergebnisse wurden mit meteorologischen und schneehydrologischen Messungen verglichen sowie mit einem aufwärtsschauenden Bodenradar, das in unmittelbarer Nähe installiert wurde, quantitativ in sehr hoher Übereinstimmung validiert. Die am Weissfluhjoch entwickelten Algorithmen zur Schneefeuchtebestimmung wurden zudem auf den Standort Hohenpeißenberg (1000 m) in den Voralpen angewendet. Im Unterschied zum hochalpinen Testfeld Weissfluhjoch mit durchgehender Schneebedeckung von durchschnittlich 18.10. bis 09.07. konnten am Hohenpeißenberg während eines Winters mehrere Perioden mit Schneefallereignissen und völligem Abschmelzen des Schnees erfasst werden. Sowohl GPS als auch Radar gehören zu den ersten Messgeräten, die den volumetrischen Flüssigwassergehalt kontinuierlich und nicht‐destruktiv von unterhalb der Schneedecke erfassen können. Als nächsten Schritt und als Vorbereitung, um mit den GPS‐Sensoren auch die Parameter Schneewasseräquivalent und Schneehöhe bestimmen zu können, wurde die Messung der GPS Signalstärke mit der Zweiwegelaufzeit eines Radars (upGPR) kombiniert. Damit konnten Schneewasseräquivalent, Schneehöhe und Feuchtegehalt des Schnees abgeleitet werden. Die Werte der GPS‐upGPR Kombination zeigen hohe Übereinstimmung im Vergleich mit konventionellen Messungen. Die erfolgreichen Arbeiten des Projekts, wurden an folgenden Stellen in den Publikumsmedien aufgegriffen: LMU Pressemitteilung: Lawinenwarnung mit GPS und Radar (http://www.uni‐ muenchen.de/forschung/news/2015/koch_lawinenforschung.html) Scienceshot: How to predict an avalanche with radar and GPS (http://news.sciencemag.org/earth/2015/04/how‐predict‐avalanche‐radar‐and‐gps) Kurzer Filmbeitrag im kanadischen Discovery Channel in der Sendung Daily Planet (http://review.bellmedia.ca/view/222951185)
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2013): Observing snow storage with GPS receivers, oral presentation, Mountains under Watch 2013 ‐ Observing Climate Change Effects in the Alps, 20.‐21.02.2013, Aostatal, Italien
Koch, F., Prasch, M., Schweizer, J. and Mauser, W.
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(2014): Measuring Snow Liquid Water Content with Low‐Cost GPS Receivers, Sensors, 14(11), 20975‐20999
Koch, F., Prasch, M., Schmid, L., Schweizer, J. and Mauser, W.
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(2014): Measuring the hydrological snow storage in Alpine catchments with a new low‐cost GPS technology, Proceedings of the Danube Conference 2014, 22.‐ 24.09.2014, Deggendorf, Germany
Koch, F., Prasch, M., Schmid, L., Schweizer, J. and Mauser, W.
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(2014): Snowsense. Using satellite navigation, communication and remote sensing for timely access to high‐quality and reliable information on snow, Conference '7th EARSeL Workshop SIG Remote Sensing of Land Ice and Snow', 03.02.‐06.02.2014, Bern, Switzerland
Appel, F., Bach, H., Koch, F., Prasch, M. and Mauser, W.
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(2015): A novel sensor combi‐ nation (upGPR‐GPS) to continuously and non‐destructively derive snow cover properties, Geophysical Research Letters, 42
Schmid, L., Koch, F., Heilig, A., Prasch, M., Eisen, O., Mauser, W., Schweizer J.
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(2015): Combining low‐cost GPS receivers with upGPR to derive continuously liquid water content, snow height and snow water equivalent in Alpine snow covers, EGU General Assembly 2015, 12.‐17.04.2015, Vien‐ na, Austria
Koch, F., Schmid, L., Prasch, M., Heilig, A., Eisen, O., Schweizer, J. and Mauser, W.
