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Projektdauer: 2006 - 2011

Rauhigkeitscharakterisierung der Schneeoberfläche

Einleitung und Hintergrund

Die Rauhigkeit von Schneeoberflächen setzt sich aus Unebenheiten, also aus Erhebungen und Vertiefungen auf verschiedenen Längenskalen zusammen. Deren Grössenskala reicht vom Schneekristalldurchmesser (< 1 mm) bis hin zu topographischen Strukturen (> 1 m). In unserer Forschung interessieren wir uns für Rauhigkeiten auf den dazwischenlegenden Längenskalen, d.h. von einigen Millimetern bis hin zu ein paar Zentimetern. Auf diesen Skalen werden die oberflächennahe Grenzschichtströmung und Schneeverfrachtungsprozesse entscheidend beeinflusst. Die Rauhigkeit ist wichtig für die unterschiedlichen Schneeverfrachtungsvorgänge, da sie das bodennahe Strömungsfeld massgeblich bestimmt und damit die auf die Oberfläche wirkenden Kräfte. Sie wirkt sich auf Austrittsgeschwindigkeit und -winkel einzelner Schneekristalle oder -flocken beim Verlassen der Schneeoberfläche aus und hat grossen Einfluss auf den Gesamtmassenfluss und das Massenflussprofil der Saltation. Weiterhin beeinflusst sie skalare Austauschvorgänge an der Oberfläche und in der Schneedecke selber. Der Strömungswiderstand einzelner Rauhigkeitselement kann eine Ventilation der obersten Schneedeckenschicht induzieren.

Die oben aufgeführten Beispiele und Auswirkungen zeigen die Notwendigkeit einer quantitativen Beschreibung der Oberflächenrauhigkeit auf. Der von uns verfolgte Ansatz ist eine Kombination aus Strömungsmessungen im Windkanal und digitalen Bildanalyseverfahren basierend auf Methoden der fraktalen Geometrie und statistischen Physik. Das Hauptziel unsere Untersuchungen ist eine Beschreibung der Rauhigkeit die in numerischen Simulationen zu Strömungs- und Verfrachtungsvorgängen über Schneeoberflächen Anwendung findet.

Vorgehensweise

In einem ersten Schritt werden hoch-auflösende Digitalfotos der Schneedeckenoberfläche aufgenommen. Mittels Bildanalyse wird nun die Oberflächenkontur der Schneedecke entlang einer Linie, die durch einen zerstörungsfrei eingebrachten Massstab festgelegt ist, bestimmt. Mit Hilfe des Massstabes werden sodann der Konturlinie (x,z)-Längenkoordinaten zugewiesen. Über statistische Analysen werden die Unebenheiten und fraktalen Dimensionen der Schneeoberfläche quantitativ erfasst.

Parallel dazu werden in einem zweiten Schritt im SLF Windkanal Vertikalprofile der Horizontalgeschwindigkeit über den Schneeoberflächen gemessen. Durch eine Anpassung der Windprofile an das logarithmische Wandgesetz wird u. a. die aerodynamische Rauhigkeitslänge z₀ bestimmt.

Im dritten Schritt wird schliesslich die Synthese der beiden Ansätze vollzogen. Die in den statistischen Analysen ermittelten Unebenheiten und fraktalen Dimensionen werden den aus den Strömungsmessungen gewonnenen aerodynamischen Rauhigkeitslängen gegenübergestellt und auf funktionale Zusammenhänge untersucht.

Kontakt

• Christof Gromke
  

Mitwirkende

• Benjamin Walter
  

• Michael Lehning
  

Costantino Manes (Gastwissenschaftler)

Michele Guala (Gastwissenschaftler)

Versuchseinrichtung Windkanal

Stichworte:

Rauhigkeit, Fraktale, Skalierung