This dissertation deals with the dynamics of liquid water in snow, including measuring and modeling activities. Liquid water in snow plays an important role in driving runoff timing and amount. It also rules snow albedo and viscosity during the melting season, provides suitable conditions for a variety of biological activities, and represents a key factor in triggering wet snow avalanches. Moreover, water storage capacity of snow and firn may play an important role in determining the time of sea level rise by Climate Change. However, wet snow mass dynamics are still a less investigated topic than dry snow dynamics. By way of examples, an exhaustive description and modeling of liquid water percolation in snow, as well as the set-up of non-destructive and automatic devices to measure the amount of liquid water in snow are still open issues. To gain more insight into this problem, a variety of laboratory experiments, field tests and modeling formulations are presented. First, a series of tomography-based observations of wet snow metamorphism during melt-freeze cycles was performed. These show a high degree of spatial heterogeneity in wet snow metamorphism, and a faster-than-expected decrease and a high variability in Specific Surface Area observations in time, if compared with a well-known model. Secondly, systematic laboratory-based observations of capillary barriers and preferential flow in layered snow were performed. These suggest that capillary barriers and preferential flow are relevant processes ruling water transmission in snow. An exhaustive inventory of capillary barrier properties was attempted. This shows peaks in Liquid Water Content (LWC) at the textural boundary up to ∼ 33 vol% - 36 vol%. It was also found that heterogeneity in water flux increases with grain size. All experiments were reproduced using the model SNOWPACK: the water scheme chosen reproduces correctly the development of a capillary barrier. As a third step, the feasibility of a continuous-time monitoring of LWC using capacitance sensors was investigated by means of two field tests, two laboratory tests and a FEM model of sensors resonant circuit. Results are promising since it was observed that capacitance probes are sensitive to snow wetting and do not need a pit to be excavated. However, significant disturbances affect their measurement in continuous-time applications. As a final step, a one-dimensional one-layer model of snow mass dynamics is formulated. This considers the two phases of ice and liquid water separately, and implements a simple temperature-index or a coupled melt-freeze temperature-index approach to reconstruct hourly time-series of liquid water content, density, depth and snow water equivalent. It has been extensively evaluated in the US, in Italy, in France and in Japan. Results show that a calibrated melt-freeze temperature-index approach returns median absolute differences between data and predictions of volumetric liquid water content that are comparable with instrumental precision.

La tesi tratta delle dinamiche dell’acqua liquida in neve, mediante sia attività di misura che di modellazione. Il movimento di acqua in neve regola le tempistiche di formazione della portata da fusione nivale e può causare l’innesco di valanghe. Inoltre, la presenza di acqua allo stato liquido influenza l’albedo e la viscosità della neve e permette lo sviluppo di una ampia attività biologica. Infine, l’accumulo di acqua di fusione all’interno delle calotte polari potrebbe essere un processo molto importante nel determinare le tempistiche dell’innalzamento dei livelli di mare in contesto di cambiamento climatico. Tuttavia, la caratterizzazione delle dinamiche di massa di neve in cui sia presente acqua allo stato liquido è ad oggi ancora poco approfondita rispetto alla conoscenza delle dinamiche di neve secca, dove l’acqua liquida è assente. Alcune questioni ancora aperte riguardano, per esempio, la modellazione di dettaglio di tutti i processi coinvolti nella percolazione di acqua all’interno della matrice porosa della neve, così come la messa a punto di strumenti in grado di fornire misure ripetitive e non distruttive del contenuto in acqua di un manto nevoso. Al fine di approfondire queste tematiche, si presenta qui una varietà di prove di laboratorio, misure di campo e di formulazioni modellistiche. Come prima cosa, si discutono i risultati di una serie di osservazioni, basate su microtomografia computerizzata, delle dinamiche di metamorfismo umido durante cicli di sgelo e rigelo di un campione di neve stagionale. Queste osservazioni mostrano un elevato grado di eterogeneità spaziale nel processo di metamorfismo umido, e una diminuzione dell’area di superficie specifica che è generalmente più rapida rispetto a quanto atteso da un recente modello di metamorfismo disponibile in letteratura. In secondo luogo, si presenta un insieme di osservazioni in laboratorio freddo del processo di formazione di barriere capillari e di flusso preferenziale in neve stratificata. Queste osservazioni suggeriscono che questi due processi sono rilevanti nel governare la trasmissione di acqua in neve. Inoltre, si fornisce un inventario delle loro proprietà: il contenuto liquido alla frontiera tra due strati di diversa granulometria mostra picchi pari a ∼ 33 vol% - 36 vol%, mentre l’eterogeneità del processo di filtrazione aumenta all’aumentare della dimensione media dei grani di neve. Tutti questi esperimenti sono stati riprodotti usando il modello SNOWPACK: lo schema di trasmissione dell’acqua utilizzato riproduce correttamente il processo di formazione di una barriera capillare. Come terzo contributo, si riportano i risultati di un insieme di test volti alla valutazione della fattibilità dell’uso di sonde capacitive per il monitoraggio del contenuto in acqua della neve stagionale. Questa valutazione include due prove in sito, due test di laboratorio e la formulazione di un modello agli elementi finiti del circuito risonante di queste sonde. I risultati sono promettenti in quanto le sonde mostrano di essere in grado di registrare l’aumento del contenuto liquido della neve. In più, esse non necessitano lo scavo di un pozzo per ottenere un profilo di contenuto in acqua, e questo è un importante vantaggio rispetto a molti degli strumenti manuali esistenti. Tuttavia, una serie di perturbazioni causate dal contatto tra lo strumento e la neve rendono difficile il loro uso per monitorare questa variabile nel tempo. Infine, si presenta un modello monodimensionale e monostrato di dinamica di massa di una coltre nevosa stagionale. Il modello considera le due fasi di ghiaccio e acqua liquida separatamente, e implementa un semplice approccio temperature-index o un approccio temperature-index accoppiato per la fusione e il rigelo. In questo modo, il modello predice le dinamiche di contenuto liquido, densità, altezza di neve e equivalente idrico nivale a risoluzione oraria. Le prestazioni del modello sono state valutate usando dati provenienti dagli Stati Uniti, dall’Italia, dalla Francia e dal Giappone. I risultati mostrano che un approccio temperature-index accoppiato per la fusione e il rigelo fornisce differenze tra le predizioni del modello e i dati misurati di contenuto liquido comparabili alla precisione strumentale.

Measuring and modeling wet snow mass dynamics: a hydrologic perspective

AVANZI, FRANCESCO

Abstract

This dissertation deals with the dynamics of liquid water in snow, including measuring and modeling activities. Liquid water in snow plays an important role in driving runoff timing and amount. It also rules snow albedo and viscosity during the melting season, provides suitable conditions for a variety of biological activities, and represents a key factor in triggering wet snow avalanches. Moreover, water storage capacity of snow and firn may play an important role in determining the time of sea level rise by Climate Change. However, wet snow mass dynamics are still a less investigated topic than dry snow dynamics. By way of examples, an exhaustive description and modeling of liquid water percolation in snow, as well as the set-up of non-destructive and automatic devices to measure the amount of liquid water in snow are still open issues. To gain more insight into this problem, a variety of laboratory experiments, field tests and modeling formulations are presented. First, a series of tomography-based observations of wet snow metamorphism during melt-freeze cycles was performed. These show a high degree of spatial heterogeneity in wet snow metamorphism, and a faster-than-expected decrease and a high variability in Specific Surface Area observations in time, if compared with a well-known model. Secondly, systematic laboratory-based observations of capillary barriers and preferential flow in layered snow were performed. These suggest that capillary barriers and preferential flow are relevant processes ruling water transmission in snow. An exhaustive inventory of capillary barrier properties was attempted. This shows peaks in Liquid Water Content (LWC) at the textural boundary up to ∼ 33 vol% - 36 vol%. It was also found that heterogeneity in water flux increases with grain size. All experiments were reproduced using the model SNOWPACK: the water scheme chosen reproduces correctly the development of a capillary barrier. As a third step, the feasibility of a continuous-time monitoring of LWC using capacitance sensors was investigated by means of two field tests, two laboratory tests and a FEM model of sensors resonant circuit. Results are promising since it was observed that capacitance probes are sensitive to snow wetting and do not need a pit to be excavated. However, significant disturbances affect their measurement in continuous-time applications. As a final step, a one-dimensional one-layer model of snow mass dynamics is formulated. This considers the two phases of ice and liquid water separately, and implements a simple temperature-index or a coupled melt-freeze temperature-index approach to reconstruct hourly time-series of liquid water content, density, depth and snow water equivalent. It has been extensively evaluated in the US, in Italy, in France and in Japan. Results show that a calibrated melt-freeze temperature-index approach returns median absolute differences between data and predictions of volumetric liquid water content that are comparable with instrumental precision.
GUADAGNINI, ALBERTO
DE MICHELE, CARLO
HIRASHIMA, HIROYUKI
SCHNEEBELI, MARTIN CHRISTOPH
YAMAGUCHI, SATORU
29-gen-2016
La tesi tratta delle dinamiche dell’acqua liquida in neve, mediante sia attività di misura che di modellazione. Il movimento di acqua in neve regola le tempistiche di formazione della portata da fusione nivale e può causare l’innesco di valanghe. Inoltre, la presenza di acqua allo stato liquido influenza l’albedo e la viscosità della neve e permette lo sviluppo di una ampia attività biologica. Infine, l’accumulo di acqua di fusione all’interno delle calotte polari potrebbe essere un processo molto importante nel determinare le tempistiche dell’innalzamento dei livelli di mare in contesto di cambiamento climatico. Tuttavia, la caratterizzazione delle dinamiche di massa di neve in cui sia presente acqua allo stato liquido è ad oggi ancora poco approfondita rispetto alla conoscenza delle dinamiche di neve secca, dove l’acqua liquida è assente. Alcune questioni ancora aperte riguardano, per esempio, la modellazione di dettaglio di tutti i processi coinvolti nella percolazione di acqua all’interno della matrice porosa della neve, così come la messa a punto di strumenti in grado di fornire misure ripetitive e non distruttive del contenuto in acqua di un manto nevoso. Al fine di approfondire queste tematiche, si presenta qui una varietà di prove di laboratorio, misure di campo e di formulazioni modellistiche. Come prima cosa, si discutono i risultati di una serie di osservazioni, basate su microtomografia computerizzata, delle dinamiche di metamorfismo umido durante cicli di sgelo e rigelo di un campione di neve stagionale. Queste osservazioni mostrano un elevato grado di eterogeneità spaziale nel processo di metamorfismo umido, e una diminuzione dell’area di superficie specifica che è generalmente più rapida rispetto a quanto atteso da un recente modello di metamorfismo disponibile in letteratura. In secondo luogo, si presenta un insieme di osservazioni in laboratorio freddo del processo di formazione di barriere capillari e di flusso preferenziale in neve stratificata. Queste osservazioni suggeriscono che questi due processi sono rilevanti nel governare la trasmissione di acqua in neve. Inoltre, si fornisce un inventario delle loro proprietà: il contenuto liquido alla frontiera tra due strati di diversa granulometria mostra picchi pari a ∼ 33 vol% - 36 vol%, mentre l’eterogeneità del processo di filtrazione aumenta all’aumentare della dimensione media dei grani di neve. Tutti questi esperimenti sono stati riprodotti usando il modello SNOWPACK: lo schema di trasmissione dell’acqua utilizzato riproduce correttamente il processo di formazione di una barriera capillare. Come terzo contributo, si riportano i risultati di un insieme di test volti alla valutazione della fattibilità dell’uso di sonde capacitive per il monitoraggio del contenuto in acqua della neve stagionale. Questa valutazione include due prove in sito, due test di laboratorio e la formulazione di un modello agli elementi finiti del circuito risonante di queste sonde. I risultati sono promettenti in quanto le sonde mostrano di essere in grado di registrare l’aumento del contenuto liquido della neve. In più, esse non necessitano lo scavo di un pozzo per ottenere un profilo di contenuto in acqua, e questo è un importante vantaggio rispetto a molti degli strumenti manuali esistenti. Tuttavia, una serie di perturbazioni causate dal contatto tra lo strumento e la neve rendono difficile il loro uso per monitorare questa variabile nel tempo. Infine, si presenta un modello monodimensionale e monostrato di dinamica di massa di una coltre nevosa stagionale. Il modello considera le due fasi di ghiaccio e acqua liquida separatamente, e implementa un semplice approccio temperature-index o un approccio temperature-index accoppiato per la fusione e il rigelo. In questo modo, il modello predice le dinamiche di contenuto liquido, densità, altezza di neve e equivalente idrico nivale a risoluzione oraria. Le prestazioni del modello sono state valutate usando dati provenienti dagli Stati Uniti, dall’Italia, dalla Francia e dal Giappone. I risultati mostrano che un approccio temperature-index accoppiato per la fusione e il rigelo fornisce differenze tra le predizioni del modello e i dati misurati di contenuto liquido comparabili alla precisione strumentale.
Tesi di dottorato
File allegati
File Dimensione Formato  
2016_01_PhD_Avanzi.pdf

non accessibile

Descrizione: Testo della Tesi
Dimensione 31.71 MB
Formato Adobe PDF
31.71 MB Adobe PDF   Visualizza/Apri

I documenti in POLITesi sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.

Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/116545