University of Oulu

The measurement and modeling of snowmelt in sub-arctic site using low cost temperature loggers

Saved in:
Author: Meriö, Leo-Juhani1
Organizations: 1University of Oulu, Faculty of Technology, Environmental Engineering
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 5.8 MB)
Persistent link: http://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-201509031948
Language: English
Published: Oulu : L.-J. Meriö, 2015
Publish Date: 2015-09-07
Physical Description: 81 p.
Thesis type: Master's thesis (tech)
Tutor: Marttila, Hannu
Reviewer: Marttila, Hannu
Ala-Aho, Pertti
Description:
The aim of this thesis was to study and test how inexpensive temperature loggers can be used to measure the local and microscale variability of the snowmelt processes and rates in subarctic Pallastunturi fell area. The loggers were deployed on six test plots with varied topography, vegetation and terrain type. In each test plot the sensors were installed in five test points on the ground and above the ground on fixed height of 30 cm. During the installation, the snowpack height and density were measured from each test point. The temperature was recorded at 15 min interval from 19th of April to 15th of June 2014. The melting processes and rates were determined using diurnal temperature fluctuations of the sensors. Validity of the results was evaluated using snow height data from adjacent measurement stations maintained by Geological Survey of Finland, equipped with acoustic snow sensor. Additionally an empirical snow model was employed to test the determined melt rates using climate data from Finnish Meteorological Institute as input for the model. The results exposed the difference in timing and variability of the snowmelt. Timing was earlier in southern slopes and slightly earlier in open areas compared forests. The variability of the melt timing was highest at forested plots whereas it was lowest at an open mire. The results agreed reasonably well with the measurement results from the acoustic measurement station but gave also information about the spatial variability of the melt. Determined melt rates were used in an empirical degree-day snow model to estimate the snow water equivalent between 1st of September 2013 to 31st of August 2014. The root mean squared error between the model and measured dates for the end of permanent snow cover for the data from 24 test points was 3.74 days. The microscale accuracy of the method was highest in relatively homogenous and open terrain type, such as open mire, where the accuracy was approximately one day. In more complex terrain types with forests the method was less accurate, thus median determined melt rates are recommended to be used in such conditions. Solar radiation absorbed by the logger resulting to increased melt speed near the sensor was assessed to be among the most significant sources of uncertainty for the method. Other significant factors resulting to inaccuracy in melt rate determination include possible dislocation of the upper sensor due to snow compression during the spring and unknown physical properties of the snow during the final melt period. Despite the uncertainties, regions where the current snow measurements are not representative and remote ungauged catchments are assessed to be especially suitable for using the method presented in this study. Loggers equipped with wireless connections could be additionally used for real-time tracking of the snow accumulation and melt.
see all

Työn tavoitteena oli selvittää ja testata miten edullisia lämpötilatallentimia voidaan käyttää lumen sulannan prosessien ja nopeuden mittaamiseen subarktisella Pallaksen tunturialueella. Lämpötila-anturit sijoitettiin kuudelle koealueelle, joiden topografia, kasvillisuus ja maastotyyppi vaihtelevat. Tallentimet asennettiin jokaisella koealueella viiteen koepisteeseen sekä maahan että 30 cm vakiokorkeudelle maanpinnasta. Asennuksen aikana mitattiin lumipeitteen korkeus ja tiheys jokaiselta koepisteeltä. Anturit ohjelmoitiin tallentamaan lämpötila 15 min välein 19.4. – 15.6.2014 välisenä aikana. Lumen sulannan nopeus määritettiin antureiden päivittäisen lämpötilavaihtelun avulla. Tulosten oikeellisuutta arvioitiin vertaamalla niitä koealueella sijaitsevien Geologian tutkimuskeskuksen akustisien sensorien mittaamiin lumenkorkeustietoihin. Lisäksi määritettyjä lumen sulannan nopeutta kuvaavia astepäivätekijöitä testattiin empiirisellä lumimallilla, jonka lähtötietoina käytettiin Ilmatieteen laitoksen ilmastoaineistoa. Tulokset paljastivat lumen sulannan ajankohdan sekä sen vaihtelun. Sulaminen tapahtui aikaisemmin eteläisillä rinteillä verrattuna pohjoisiin sekä hieman aikaisemmin avoimilla alueilla kuin metsässä. Sulamisajankohdan vaihtelu oli suurinta metsäalueilla ja pienintä avoimella suolla. Tulokset vastasivat kohtuullisen hyvin akustisella lumenkorkeussensorilla mitattuja arvoja, mutta lisäksi saatiin tietoa sulannan alueellisesta vaihtelusta. Mittaustulosten avulla määritettyjä sulamisnopeuksia ja empiiristä astepäivätekijämallia hyödyntäen mallinnettiin lumen vesiarvo jokaisessa koepisteessä välillä 1.9.2013 – 31.8.2014. Keskineliövirheen neliöjuuri (RMSE) mallinnetun ja mitatun pysyvän lumipeitteen lähtemispäivämäärän välillä oli 3.74 päivää. Paras tarkkuus (noin yksi päivä) saavutettiin suhteellisen homogeenisellä ja avonaisella alueella, avoimella suolla. Topografian ollessa vaihtelevampaa sekä metsäisillä alueilla menetelmän tarkkuus heikkeni, mutta käyttämällä koealuekohtaista sulamisnopeuden mediaania tarkkuutta saatiin parannettua. Merkittävimpiä menetelmän epävarmuustekijöitä arvioitiin olevan auringonsäteily, joka lämmittää lämpötilatallenninta ja sulattaa lumen nopeammin tallentimen läheisyydestä. Lisäksi osassa koepisteitä havaittu ylempien tallentimien lumen painumisen aiheuttama siirtyminen alaspäin sekä sulannan loppuvaiheessa tuntemattomat lumen fysikaaliset ominaisuudet voivat aiheuttaa merkittävää virhettä sulamisnopeuden arvioimisessa. Epävarmuustekijöistä huolimatta menetelmän arvioidaan sopivan erityisesti alueille, joilla tämän hetkiset lumimittaukset eivät ole edustavia, sekä etäisille valuma-alueille, joita ei aikaisemmin ole mitattu. Langattomalla yhteydellä varustettuja lämpötilatallentimia voitaisiin lisäksi käyttää reaaliaikaiseen lumen kertymisen ja sulamisen seurantaan.
see all

Subjects:
Copyright information: © Leo-Juhani Meriö, 2015. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.