Analysis of the spatial and temporal variation of seasonal snow accumulation in Alpine catchments

144 Pages·2014·10.83 MB·English

Analysis of the spatial and
temporal variation of seasonal
snow accumulation in Alpine
catchments using airborne laser
scanning
Basic research for the adaptation of
spatially distributed hydrological models
to mountain regions
Doctoral Thesis
in Atmospheric Sciences
Submitted to the
Faculty of Geo- and Atmospheric Sciences
of the
University of Innsbruck
in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of
Doctor rerum naturalium
by
Mag. rer. nat. Kay Helfricht
Advisors
Prof. em. Dr. Michael Kuhn
Univ. Prof. Dr. Ulrich Strasser
Innsbruck, July 2014

For all my colleagues and friends, who shared and
continue to share my enthusiasm for the cryosphere - and
not just on screen.
i
ii
Abstract
Information about the spatial distribution of snow accumulation is a prerequisite
for adaptating hydro-meteorological models to achieve realistic simulations of the
runoff from mountain catchments. Whereas the areal extent of the snow cover
can be recorded using optical remote sensing techniques, the spatial distribution
of snow depths and the total snow water equivalent (SWE) of the snow cover is
difficult to measure for an entire catchment. Therefore, the spatial snow depth
distribution in complex topography of ice-free terrain and glaciers was investigated
using airborne laser scanning (ALS) data. This thesis presents for the first time
an analysis of the persistence and the variability of the snow patterns at the end
of five accumulation seasons in a comparatively large catchment. The ALS data
are used to improve the performance of snow-hydrological models simulating the
¨
runoff from the mountains of the Otztal Alps (Tyrol, Austria). The objective was
first, to determine whether and where differences between ALS derived and actual
snow depths on glacier surfaces reach a magnitude that means they have to be
considered in snow-hydrological studies. Therefore ALS derived seasonal surface
elevation changes on glaciers were compared to the actual snow depths calculated
from ground penetrating radar (GPR) measurements. Areas of increased deviations
causedbysubmergenticeflowandthedensificationofthefirnlayerweresuccessfully
delineated using Landsat images. With respect to the low glacier velocities in the
investigated region, the ALS-derived snow depths on most of the glacier surface do
not deviate markedly from actual snow depths. The inter-annual persistence of the
snow patterns was investigated to find areas of key information for the snow cover
modeling of a high Alpine basin in (Upper Rofental valley, approx. 36km2). 75%
of a the total area showed low inter-annual variability of standardized snow depths
at the end of five accumulation seasons. The high inter-annual variability of snow
depthscouldbeattributedtochangesintheicecoverwithintheinvestigated10-year
period for much of the remaining area. Avalanches and snow sloughs continuously
contribute to the accumulation on glaciers, but their share of the total snow cover
volume is small. Finally, the value of ALS-derived snow maps was investigated by
assimilating the ALS data in the calibration and validation of snow-hydrological
iii
iv
models. In general, a basin-wide SWE calculated from ALS-derived snow depths
is better suited than snow covered area to constrain model parameter ranges. The
assimilation of SWE maps calculated from ALS data in the adaptation of snow-
hydrological models to mountain catchments improved the results not only for the
but also for the simulated snow cover distribution and for the mass balance of the
glaciers. The results demonstrate that ALS data are a beneficial source for extensive
analysis of snow patterns and for modeling the runoff from high Alpine catchments.
Zusammenfassung
DieKenntnisderr¨aumlichenVerteilungderSchneedeckeimHochgebirgeisteineVo-
raussetzung fu¨r die realistische Modellierung des Abflussgeschehens alpiner Einzugs-
gebiete. W¨ahrend die schneebedeckte Fl¨ache mit Hilfe von optischen Fernerkun-
dungsverfahren ermittelt werden kann, ist die Messung der ra¨umlichen Verteilung
von Schneehhen und damit des in der Schneedecken gespeicherten Wasservolu-
mens fu¨r ganze Einzugsgebiete schwierig. Diese Studie pr¨asentiert die Anwen-
dung von luftgestu¨tzten Laserscanning Daten (Airborne Laser Scanning, ALS)
zur Bestimmung der ra¨umlichen Schneedeckenverteilung im eisfreien und ver-
gletscherten Terrain. Die gewonnenen Informationen werden zur Steigerung der
¨
Gu¨te von Abflussmodellierungen in den vergletscherten Einzugsgebieten der Otz-
¨
taler Alpen (Tirol, Osterreich) genutzt. Zun¨achst wurde bestimmt, in welchen
Teilfl¨achen der Gletscher Abweichung zwischen mit ALS bestimmten Schneeho¨hen
und tatsa¨chlichen Schneeho¨hen eine Gro¨ßenordnung annehmen, die es in der hy-
drologischen Modellierung zu beru¨cksichtigen gilt. Dafr wurden die mit Hilfe
von ALS gemessenen Oberfl¨achen¨anderungen mit den von Bodenradarmessungen
berechneten Schneeho¨hen verglichen. Unter Verwendung von Landsat Daten kon-
nten Bereiche auf den Gletschern abgegrenzt werden, in denen Submergenz und
Komprimierung der Firnschicht zu erho¨hten Abweichungen beitragen. Aufgrund
der geringen Firnbedeckung und den in den letzten Jahrzehnten reduzierten Eisbe-
wegungen in den untersuchten Gebieten sind die Abweichungen auf einem Großteil
der Gletscherfla¨chen gering. Um Fla¨chen mit einem fu¨r die Schneedeckenmodel-
lierung hohen Informationsgehalt abzugrenzen, wurde die Persistenz der ja¨hrlichen
Schneeverteilungen in einem Teileinzugsgebiet des Hinteren Rofentals (ca. 36km2)
bestimmt. 75% der Gesamtfla¨che zeigten eine geringe zeitliche Variabilita¨t der stan-
dardisiertenSchneeho¨hen. EingroßerTeilderFl¨achenmitzeitlichhoherVariabilita¨t
der Schneeh¨ohen ist in Gebieten zu finden, in denen sich die Eisbedeckung in dem
10-ja¨hrigen Untersuchungszeitraum gea¨ndert hat. Lawinen und Schneerutsche tra-
gen einen stetigen Teil zur Akkumulation auf Gletschern bei, dessen zus¨atzliches
Volumen allerdings gering ist. Der Wert der von ALS Daten abgeleiteten Schneev-
erteilungwurdedurchdieEinbindungderDatenindieKalibrierungundValidierung
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vi
von schnee-hydrologischen Modellen untersucht. Im Allgemeinen zeigt sich, dass
die von ALS berechnete Akkumulation in den Einzugsgebieten besser zur Eingren-
zung von Modellparametern geeignet ist als nur die schneebedeckte Fl¨ache. Damit
konnte nicht nur die Abflusssimulation verbessert werden, sondern auch die Sim-
ulation der Schneedeckenverteilung im Hochgebirge und des Massenhaushaltes der
Gletscher. Die Ergebnisse zeigen, dass ALS Daten eine nu¨tzliche Quelle fu¨r die aus-
giebige Analyse von Mustern der Schneebedeckung und fu¨r die Abflussmodellierung
im Hochgebirge darstellen.
Contents
Abstract iii
Zusammenfassung v
Contents vii
1 Introduction 1
1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 State of Research . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.1 Spatial and temporal snow cover variability . . . . . . . . . . 4
1.2.2 Modeling of the mountain snow cover . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.3 Measuring snow distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.4 Lidar principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2.5 Digital elevation models from lidar data . . . . . . . . . . . . 12
1.3 Framework of the thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3.1 Study site and data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3.2 Goals and outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2 Paper I - Snow accumulation of a high alpine catchment 17
3 Paper II - Comparison of lidar-derived snow depths with GPR
measurements 27
4 Paper III - Inter-annual persistence of the seasonal snow cover 45
5 Locally extreme snow depths on glaciers 63
5.1 Introduction and Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.2 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
vii
viii CONTENTS
5.2.1 Multi-annual analysis of extreme snow depths . . . . . . . . . 65
¨
5.2.2 One-year analysis in the entire mountain range of the Otztal
Alps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
6 Assimilating ALS data in hydrological models 77
6.1 The snow and ice melt model SES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.1.1 Publication in Journal of Hydrology . . . . . . . . . . . . . . . 78
¨
6.2 Adaptation of AMUNDSEN to the Otztal Alps . . . . . . . . . . . . 82
6.2.1 Topographic correction of snow depths . . . . . . . . . . . . . 83
¨
6.2.2 Simulating the snow cover in the Otztal Alps . . . . . . . . . . 87
6.2.3 Results of the runoff simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.2.4 Evaluation of simulated surface elevation changes of glaciers . 93
7 Conclusions and Outlook 97
A Glaciers and fieldwork impressions 101
Bibliography 105
List of Symbols and Abbreviations 125
Acknowledgments 127
Curriculum Vitae 129
List of Publications and Presentations 131